Многопоточная вихревая турбина
MULTI-FLOW VORTEX TURBINE

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к вихревым турбинам, которые могут использоваться в качестве привода насосов, компрессоров, генераторов электрической энергии, в том числе и на газораспределительных станциях как резервные источники энергии.
Известна «Турбодетандерная установка» (патент RU 2213915, МПК F25B 11/00, F25B 9/04, опубл. 10.10.2003), содержащая электрогенератор, находящийся на одном валу с турбодетандером, вихревая труба, имеющая вход, который присоединен к линии подачи газа в турбодетандер, выход горячего потока газа из вихревой трубы, присоединенный к турбодетандеру для обогрева его рабочих поверхностей, и выход холодного потока газа из вихревой трубы, присоединенный к линии низкого давления за турбодетандером. Необходимость в источниках тепла, потребного для обогрева рабочих поверхностей усложняет конструкцию и сужает область применения турбодетандерной установки.
Известна «Вихревая турбина» (патент RU 2659837, МПК F03B 3/02, опубл. 04.07.2018, содержащая конфузор, корпус и конусообразный ротор с желобчатыми лопастями. Боковая стенка корпуса в горизонтальном сечении имеет вид неполного витка спирали Архимеда. Нижний кольцеобразный фланец ротора расположен в проеме днища корпуса. Входной канал оснащен регулирующим затвором с приводом, управляемым устройствами контроля частоты вращения ротора. Однако в известном техническом решении имеется ограничение по рабочему телу, предлагается использовать воду с большим перепадом уровня по руслу, что ограничивает использование вихревой турбины.
Известна «Роторная турбина» (патент RU 2440497, МПК F01D 1/34, F01D 1/08, опубл. 20.01.2012, содержащая корпус, закрепленный на подшипниках, вал с закрепленным на нем ротором. На поверхности ротора расположен кольцевой канал. В корпусе расположены отверстия входа и выхода. Боковые поверхности кольцевого канала, расположенного на поверхности ротора, выполнены в виде криволинейных поверхностей. В канале, между входным и выходным отверстием, расположен разделитель, закрепленный на корпусе. Однако, в известном техническом решении неэффективно используется энергия потока в тракте потока, а также сложно изготовление криволинейных поверхностей ротора.
Наиболее близким техническим решением и принятым за прототип является вихревая расширительная машина, описанная в статье «Исследование вихревой расширительной машины с внешним периферийным каналом с помощью виртуального стенда», авторы С.М. Ванеев, Л.В. Мирошниченко, Журнал инженерных наук, том 2, №2, 2015. Web site: http://jes.sumdu.edu.ua/., содержащая корпус, в котором расположены на валу ротор с лопатками по периферии, статор с образованием периферийного кольцевого канала, в котором установлены, по меньшей мере, одно сопло подвода газа с отсекателем. Однако известное устройство недостаточно эффективно использует энергию газового потока, что понижает его кпд и имеет большие гидравлически потери в кольцевом периферийном канале.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является создание высокоэффективной вихревой турбины для привода агрегатов, потребляющих механическую энергию (генераторов электрической энергии, насосов, компрессоров).
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении кпд вихревой турбины, за счет эффективного использования проточной части в окружном направлении и уменьшение гидравлический потерь.
Технический результат достигается тем, что в многопоточной вихревой турбине, содержащей корпус, в котором расположены на валу ротор с лопатками по периферии, с образованием кольцевого канала, в корпусе установлены, по меньшей мере, два сопла подачи газа в кольцевой канал, перед которыми расположены каналы выхода с отсекателями, отличающаяся тем, что между вышеупомянутыми каналами выхода с отсекателями в корпусе установлены, по меньшей мере, по одному дополнительному соплу, срезы которых расположены заподлицо с внешней образующей кольцевого канала, ротор сообщен с валом передачи мощности.
Межлопаточный канал имеет обтекаемый профиль.
Вал передачи мощности оснащен магнитной муфтой.
Сопла выполнены из износоустойчивого материала и установлены с возможностью демонтажа.
На фиг.1 представлена конструктивная схема многопоточной вихревой турбины;
на фиг.2 - многопоточная вихревая турбина в поперечном сечении А-А;
на фиг.3 представлен профиль межлопаточного канала;
на фиг.4 представлены результаты расчета распределение мощности в вихревой турбине по лопаткам. 2 сопла, расположенные последовательно через 45°; ---3 сопла, расположенные последовательно через 45°.
характеристик вихревой турбины;
на фиг.5 представлены расчеты зависимости мощности турбины (для сектора с углом 180°) от количества установленных дополнительных сопел. Эксперимент: ο-2 сопла l/Н=3,4. Расчет: • -2 сопла l/Н=3,4; -2 сопла l/Н=6,8;  сопла l/Н=3,4.
Здесь: 1- корпус; 2 - ротор; 3 - вал ротора; 4 - лопатки; 5 - подшипник; 6 - кольцевой канал; 7 и 8 - фланцы; 9 - крышка; 10 - кожух; 11 - вал передачи мощности; 12 - магнитная муфта; 13 - уплотнительные кольца, 14 - сопла (основные); 15 - дополнительное сопло; 16 - канал выхода; 17 -отсекатель; 18 - межлопаточный канал, 19- профиль канала, R - радиусы сопряжения поверхностей лопаток; L - расстояние между поверхностями лопаток; Н - высота кольцевого канала; h - высота лопаток; l - длина дуги по наружной образующей кольцевого канала 6 между соплами.
Многопоточная вихревая турбина (фиг.1 и фиг.2) содержит корпус 1, в котором расположены на валу 3 ротор 2 с лопатками 4 по периферии. Ротор 2 установлен на валу 2 с помощью подшипника 5 и закреплен на фланце 7. К ротору 2 прикреплен вал передачи мощности 11, который оснащен магнитной муфтой 12. Корпус 1 вместе с ротором 2 закреплены между фланцами 7 и 8. К фланцу 7 крепится крышка 9, а к фланцу 8 крепится кожух 10. Крышка 9 и кожух 10 герметично крепятся к фланцам и препятствуют попаданию рабочего тела (газа или пара) в окружающую среду, обеспечивая таким образом безопасную эксплуатацию многопоточной вихревой турбины с токсичными или горючими рабочими телами, например, природным газом. На валу передачи мощности 11 установлена магнитная муфта 12, обеспечивающая бесконтактное сцепление с муфтой нагрузки (не показано). Магнитная муфта 12 может быть изготовлена из материала NdFeB (неодим-железо-бор), SmCo (самарий-кобальт) или других, обладающих аналогичными свойствами. Кожух 10 изготовлен из магнитопрозрачного материала, например ст.Х18Н10Т. Такой способ передачи крутящего момента позволяет обеспечить герметичность внутренних полостей вихревой турбины относительно окружающей среды. Рекомендуемый зазор между внешней поверхностью магнитной муфты и внутренней поверхностью кожуха порядка 1 мм. Герметичность соединения корпуса 1 с фланцами 7 и 8 обеспечивается уплотнительными кольцами 13.
Корпус 1 образует совместно с ротором 2 кольцевой канал 6. В кольцевом канале 6 установлены, по меньшей мере, два основных сопла 14 подачи газа непосредственно на лопатки 4 ротора 2 и расположенные перед ними каналы выхода 16 с отсекателями 17. Между каналами выхода 16 с отсекателями 17 установлены, по меньшей мере, по одному дополнительному соплу 15, срезы которых расположены заподлицо с внешней образующей кольцевого канала 6, что снижает гидравлические потери при движении газового потока в тракте кольцевого канала 6. Лопатки 4 образуют межлопаточный канал 18, который имеет обтекаемый профиль 19 (фиг.3). Сопла 14 и 15 выполнены из износоустойчивого материала и установлены с возможностью демонтажа. Лопатки 4 могут изготавливаться фрезерованием или иным способом, например, изготавливаться отдельно и крепиться на роторе 2 с помощью «замка».
Многопоточная вихревая турбина работает следующим образом. Газ или пар поступает под определенным давлением в основные сопла 14 и дополнительные сопла 15. Истекающие из сопел 14 и 15 струи газа, воздействуя на лопатки 4, приводят во вращение ротор 2 и прикрепленный к нему вал передачи мощности 11 с магнитной муфтой 12. Отработанный газ проходит кольцевой канал 6 и с помощью отсекателей 17 направляется в каналы выхода 16. Газовые струи, истекающие из сопел 14 и 15, приводят к образованию в межлопаточном канале 18 (фиг.3) вихревого течения газа. По мере удаления от сопла интенсивность циркуляции вихря снижается, что приводит к уменьшению силового воздействия на лопатки 4 и к уменьшению крутящего момента, создаваемого конкретной лопаткой. Таким образом, целесообразно профиль 19 межлопаточного канала 18 (фиг.3) изготавливать обтекаемым с целью уменьшения гидравлических потерь при движении вихря в межлопаточном пространстве. Радиусы спряжения поверхностей лопаток 4 следует задавать R≈(0,2…0,4)⋅L, где L- расстояние между поверхностями лопатки 4, L≈(0,7…1)⋅h, где h -высота лопатки 4, (фиг.3).
Рабочее тело, поступающее в кольцевой канал 6 многопоточной вихревой турбины через основные сопла 14, оказывает активное влияние на лопатки 4 только в определенном секторе до тех пор пока скорость газового потока в кольцевом канале 6 будет превышать скорость вращения лопаток 4 на внутренней образующей кольцевого канала 6, как это показано в работе (Байбаков О.В. Вихревые гидравлические машины. -М.: Машиностроение. 1981. - 197 с.). При равенстве скоростей потока и скорости перемещения лопаток 4 газовый поток теряет свою работоспособность. Такой эффект отмечается в работе («Исследование вихревой расширительной машины с внешним периферийным каналом с помощью виртуального стенда», авторы С.М. Ванеев, Л.В. Мирошниченко, Журнал инженерных наук, том 2, №2, 2015. Web site: http://jes.sumdu.edu.ua/.). В упоминаемой работе отмечается, «что на выходном участке рабочего канала проточной части полная температура практически не изменяется, то есть на этом участке энергия потока не преобразуется в механическую работу на валу расширительной машины» (стр. В5…В6, рис. 4, 5, 6). С целью исследования эффективности преобразования энергии газового потока в механическую работу были проведено численное моделирование условий работы многопоточной вихревой турбины. Численное моделирование характеристик вихревой турбины выполнялось с привлечением стандартного пакета прикладных программ Fluent. Результаты численных исследований представлены на фиг.4 и фиг.5. Расчеты выполнялись для половины турбины (сектора с углом 180°). В расчетах задавалась высота лопаток 4 равная высоте кольцевого канала 6 (h=Н, фиг.3). На фиг.4 показаны результаты расчета распределения мощности в вихревой турбине по лопаткам для сектора с углом 180°. На фиг.5 представлены результаты расчета зависимости мощности турбины от количества дополнительных сопел 15, устанавливаемых в турбине. Как следует из данных, представленных на фиг.4, для схемы с двумя соплами (основными) 14 и дополнительным 15, установленным через 45° после основного) эффективно работают первые 4…5 лопаток. После 5-й лопатки силовое воздействие потока на лопатки незначительно и возобновляется, вследствие воздействия струи газа, истекающей из дополнительного сопла. В случае установки 3-х сопел, основного и двух дополнительных, имеет место заметная добавка мощности, как это следует из данных, представленных на фиг.5. В расчетах суммарный расход газа через сопла для схемы с двумя соплами и с тремя соплами задавался одинаковым. Длина дуги l по наружной образующей кольцевого канала 6 между соплами определяется условием 2l/(L+h)>8, где L-расстояние между поверхностями лопаток, h - высота лопатки. Дополнительные сопла 15 устанавливаются без отсекателей, что снижает гидравлическое сопротивление потока газа при его движении в кольцевом канале 6.
Таким образом, установка дополнительных сопел 15 (без отсекателей 17) заподлицо с внешней образующей кольцевого канала 6 приводит к повышению кпд вихревой турбины, за счет эффективного использования энергии газового потока и уменьшению гидравлический потерь придвижении газа в кольцевом канале турбины.
Техническое решение наиболее эффективно для вихревых турбин больших размеров и больших мощностей.