РАДИАЛЬНАЯ ТУРБИНА

Полезная модель относится к области малоразмерных турбин, применяемых, в частности, в ручных пневматических шлифовальных машинах.
В энергетическом балансе машин с турбинными приводами большой удельный вес занимают потери энергии от утечек потока из межлопаточных каналов для прохода газа в зазор между рабочим колесом и ограничивающей стенкой корпуса турбины (См. Дейч М.Е., Трояновский Б.М. Исследования и расчеты ступеней осевых турбин. - М.: «Машиностроение», 1964. - 628 с., §40). С целью снижения этих потерь широко используются бандажные полки, устанавливаемые на периферийных либо торцевых поверхностях лопаток рабочего колеса турбины. Бандажные полки применяются как в радиальных, так и в осевых турбинах, причем в радиальных турбинах их называют также покрывающими дисками (См. Кириллов И.И., Кириллов А.И. Теория турбомашин. Примеры и задачи. Учебное пособие для вузов. - Л.: «Машиностроение», 1974. - 320 с., §IV.2) и покрывными экранами (см. Патент РФ на изобретение №2144647, F25B 11/00. Турбохолодильник / Трушин В.А. и др. Опубл. 20.01.2000).
Известна радиальная турбина (См. Патент Германии №169854. Опубл. 20.04.1906) с разнонаправлено вращающимися сопловым аппаратом и рабочим колесом. Рабочее колесо радиальной турбины содержит две группы радиальных лопаток, образующих межлопаточные каналы для прохода газа. Первая группа радиальных лопаток размещена на боковой поверхности рабочего колеса, обращенной к сопловому аппарату. Вторая группа радиальных лопаток размещена на обратной по отношению к сопловому аппарату боковой поверхности рабочего колеса. Корпус радиальной турбины содержит ограничивающие стенки, обращенные к торцевым поверхностям радиальных лопаток. К рабочему колесу с прилеганием к торцевым поверхностям радиальных лопаток прикреплены бандажные полки. В корпусе радиальной турбины над цилиндрической поверхностью рабочего колеса выполнен перепускной канал для прохода газа между радиальными лопатками первой и второй группы.
Наиболее близка к заявляемой полезной модели радиальная турбина (см. Патент РФ №2008435, F01D 1/02. Радиальная турбина / Котляр И.В. и др. Опубл. 28.02.1994), которая выбрана за прототип. Радиальная турбина содержит неподвижный сопловой аппарат с венцом центробежных сопел, рабочее колесо с радиальными лопатками, образующими межлопаточные каналы для прохода газа, причем радиальные лопатки размещены на боковой поверхности рабочего колеса, обращенной к неподвижному сопловому аппарату, корпус с ограничивающей стенкой, обращенной к торцевым поверхностям радиальных лопаток, и бандажную полку, прикрепленную к рабочему колесу с прилеганием к торцевым поверхностям радиальных лопаток.
Радиальная турбина содержит также вторую группу радиальных лопаток, образующих межлопаточные каналы для прохода газа, размещенную на обратной по отношению к неподвижному сопловому аппарату боковой поверхности рабочего колеса. Корпус содержит вторую ограничивающую стенку, обращенную к торцевым поверхностям радиальных лопаток второй группы. К рабочему колесу с прилеганием к торцевым поверхностям радиальных лопаток второй группы прикреплена вторая бандажная полка. В рабочем колесе радиальной турбины выполнены профилированные каналы для прохода газа между радиальными лопатками первой и второй группы.
1
Неподвижный сопловой аппарат радиальной турбины установлен под входными кромками радиальных лопаток рабочего колеса с минимальным радиальным зазором. При этом угол тангенциальной закрутки потока α на выходе из венца центробежных сопел имеет повышенные значения (порядка 30° в малоразмерной радиальной турбине с наружным диаметром 50 мм). Это обусловливают существенную величину потерь энергии с выходной скоростью и невысокую энергетическую эффективность радиальной турбины.
Недостатком описанной конструкции является ее невысокая энергетическая эффективность.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - создание энергетически эффективной радиальной турбины.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении энергетической эффективности радиальной турбины за счет снижения потерь энергии с выходной скоростью.
Указанный результат достигается тем, что в радиальной турбине, содержащей неподвижный сопловой аппарат с венцом центробежных сопел, рабочее колесо с радиальными лопатками, образующими межлопаточные каналы для прохода газа, причем радиальные лопатки размещены на боковой поверхности рабочего колеса, обращенной к неподвижному сопловому аппарату, корпус с ограничивающей стенкой, обращенной к торцевым поверхностям радиальных лопаток, и бандажную полку, прикрепленную к рабочему колесу с прилеганием к торцевым поверхностям радиальных лопаток, бандажная полка выполнена с участком поверхности, обращенным к выходному сечению неподвижного соплового аппарата, простирающимся от торцевых поверхностей радиальных лопаток до ограничивающей стенки корпуса, а венец центробежных сопел установлен, с радиальным зазором для прохода газа, под указанным участком поверхности в пределах его осевой протяженности.
На фиг.1 приведен продольный разрез радиальной турбины; на фиг.2 - местное сечение А-А на фиг.1 (в увеличенном масштабе); на фиг.3 - местное сечение Б-Б на фиг.1 (в увеличенном масштабе).
2
1
Радиальная турбина содержит неподвижный сопловой аппарат 1 с венцом центробежных сопел 2 и рабочее колесо 3 с радиальными лопатками 4. Радиальные лопатки 4 образуют межлопаточные каналы 5 для прохода газа и размещены на боковой поверхности рабочего колеса 3, обращенной к неподвижному сопловому аппарату 1. Указанные элементы размещены в корпусе с ограничивающей стенкой 6, обращенной к торцевым поверхностям радиальных лопаток 4. К рабочему колесу 3 прикреплена бандажная полка 7, которая установлена с прилеганием к торцевым поверхностям радиальных лопаток 4. Бандажная полка 7 выполнена с участком поверхности 8, обращенным к выходному сечению неподвижного соплового аппарата 1. Участок поверхности 8 простирается от торцевых поверхностей радиальных лопаток 4 до ограничивающей стенки 6 корпуса. Венец центробежных сопел 2 высотой Н установлен под участком поверхности 8 в пределах его осевой протяженности L. Венец центробежных сопел 2 неподвижного соплового аппарата 1 с диаметром выходного сечения D и участок поверхности 8 с диаметром D формируют радиальный зазор 9 для прохода газа.
1
1
Радиальная турбина работает следующим образом. Поток газа проходит через венец центробежных сопел 2 высотой Н неподвижного соплового аппарата 1 (обозначено стрелками на продольном разрезе радиальной турбины), где ускоряется, приобретая в выходном сечении неподвижного соплового аппарата 1 заданные скорость U и угол тангенциальной закрутки α (обозначено длинной пунктирной стрелкой на местном сечении А-А). Двигаясь далее в радиальном направлении, поток газа попадает под участок поверхности 8 бандажной полки 7 в радиальный зазор 9 для прохода газа. Имея тангенциальную закрутку, газ натекает на участок поверхности 8 бандажной полки 7 с диаметром D (обозначено короткими стрелками на местных сечениях А-А и Б-Б). Взаимодействуя в пределах радиального зазора 9 для прохода газа с участком поверхности 8 бандажной полки 7, обращенным к выходному сечению неподвижного соплового аппарата 1, а также с ограничивающей стенкой 6 корпуса, поток приобретает осевую составляющую скорости движения в направлении радиальных лопаток 4 (обозначено стрелками на продольном разрезе радиальной турбины).
2
1
1
2
Участок поверхности 8 бандажной полки 7 формирует поток, который движется с малым углом тангенциальной закрутки α' в направлении межлопаточных каналов 5 для прохода газа. Величина этого угла (на диаметре D) существенно меньше величины угла тангенциальной закрутки потока α в выходном сечении неподвижного соплового аппарата 1 (на диаметре D). Тангенциальная составляющая вектора скорости потока U' в радиальном зазоре 9 для прохода газа обозначена на местном сечении А-А длинной сплошной стрелкой.
Двигаясь вдоль оси радиальной турбины в пределах осевой протяженности L участка поверхности 8 бандажной полки 7, поток газа входит в межлопаточные каналы 5 для прохода газа, образованные радиальными лопатками 4. Далее поток перемещается в центробежном направлении (обозначено скругленными стрелками на местном сечении Б-Б) и, взаимодействуя с радиальными лопатками 4, передает свою кинетическую энергию рабочему колесу 3. Затем поток выходит из радиальной турбины.
1
1
1
2
1
1
В описываемой конструкции различие между величинами углов тангенциальной закрутки потока α' (на диаметре D) и α (на диаметре D) может достигать 2…3 раз. Снижение угла тангенциальной закрутки потока α' во входном сечении межлопаточных каналов по сравнению с величиной угла α в выходном сечении неподвижного соплового аппарата позволяет существенно, на 20…30%, уменьшить потери энергии с выходной скоростью. Таким образом, можно сделать вывод о более высокой энергетической эффективности заявляемой радиальной турбины.
Заявляемая радиальная турбина проста и технологична. Ее внедрение в ручную пневматическую шлифовальную машину не усложняет конструкцию и не увеличивает ее радиальный размер по сравнению с прототипом.