ТУРБИННЫЙ ПРИВОД

Полезная модель относится к области турбинных приводов, применяемых, в частности, в ручных пневматических машинах.
Известны турбины со 100% степенью реактивности, называемые также реактивными турбинами, в которых преобразование энергии потока газа в механическую энергию на валу происходит с помощью соплового аппарата, установленного на вращающемся роторе (А.Г. Курзон. Теория судовых паровых и газовых турбин, с. 77, с. 92. Л.: «Судостроение», 1979. - 592 с).
Качество поверхностей деталей, обрабатываемых ручными пневматическими машинами, во многом определяется стабильностью частоты вращения ротора при изменяющейся нагрузке. При этом приводы ручных пневматических машин должны быть высокоэффективными, компактными и технологичными. Указанным требованиям в целом удовлетворяют реактивные турбины с регуляторами частоты вращения, действующими на основе реализации принципа отрицательной обратной связи между площадью сечения для прохода потока газа и числом оборотов ротора.
Известен турбинный привод (патент США №4776752, 1988), который выбран за прототип. Турбинный привод содержит корпус, размещенные в корпусе подводящее устройство, отводящее устройство и ротор с осью вращения, включающий в себя вал с установленными на нем реактивной турбиной и регулятором частоты вращения, причем реактивная турбина выполнена в виде соплового аппарата, размещенного между двумя покрывающими дисками, регулятор частоты вращения состоит из регулировочной камеры, образованной двумя боковыми стенками, эластичного кольца и кольцевой перегородки, размещенной между указанными боковыми стенками и разделяющей регулировочную камеру на внутреннюю и периферийную секции, кольцевая перегородка содержит сквозные прорези, сообщающие по потоку газа указанные секции, эластичное кольцо установлено с прилеганием к внутренней поверхности кольцевой перегородки с возможностью упругой поперечной деформации под действием центробежных сил для перекрытия сквозных прорезей, подводящее устройство сообщено по потоку газа с внутренней секцией регулировочной камеры, а отводящее устройство сообщено по потоку газа с выходным сечением соплового аппарата.
В описываемой конструкции реактивная турбина выполнена центробежной, при этом регулятор частоты вращения размещен с ее внутренней стороны. Сопловой аппарат реактивной турбины сообщен своим входным сечением с наружным сечением периферийной секции регулировочной камеры, а боковые стенки регулировочной камеры совмещены с покрывающими дисками соплового аппарата. При этом регулирование частоты вращения в турбинном приводе осуществляется на основе реализации принципа отрицательной обратной связи между площадью проходного сечения регулятора частоты вращения и числом оборотов ротора.
Во время вращения ротора внутренняя поверхность кольцевой перегородки за счет сил трения передает вращение эластичному кольцу. При этом эластичное кольцо под действием центробежных сил стремится осуществить перемещение в периферийном направлении, которое ограничено внутренней поверхностью кольцевой перегородки. При взаимодействии с последней эластичное кольцо подвергается упругой поперечной деформации, изменяет свое поперечное сечение и частично перекрывает сквозные прорези, через которые к входному сечению соплового аппарата проходит поток газа. Величина перекрытой эластичным кольцом площади сквозных прорезей зависит от числа оборотов ротора.
Недостатком конструкции прототипа является низкая эффективность турбинного привода на номинальных режимах работы, обусловленная наличием существенного гидравлического сопротивления потоку газа в регуляторе частоты вращения. Как известно, ручные пневматические машины выполняются с наружным диаметром корпуса не более 70 мм. С учетом того, что регулятор частоты вращения размещен с внутренней стороны центробежной реактивной турбины, диаметр наружного сечения периферийной секции регулировочной камеры не может быть больше диаметра входного сечения соплового аппарата. Соответственно, диаметр эластичного кольца не может превышать 35…40 мм. Центробежные силы, действующие на эластичное кольцо, на этом диаметре невелики, соответственно невелика и вызванная ими величина его упругой поперечной деформации. Поэтому упругая поперечная деформация эластичного кольца не может изменяться в широких пределах, особенно на малых частотах вращения. Как результат, регулятор частоты вращения создает существенное гидравлическое сопротивление потоку газа на номинальных режимах работы. Это делает турбинный привод недостаточно эффективным и препятствует его использованию в ручных пневматических машинах при частотах вращения менее 25000 об/мин.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - совершенствование конструкции турбинного привода.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении эффективности турбинного привода на номинальных режимах работы и расширении диапазона регулирования частоты вращения ротора.
Указанный результат достигается тем, что в турбинном приводе, содержащем корпус, размещенные в корпусе подводящее устройство, отводящее устройство и ротор с осью вращения, включающий в себя вал с установленными на нем реактивной турбиной и регулятором частоты вращения, причем реактивная турбина выполнена в виде соплового аппарата, размещенного между двумя покрывающими дисками, регулятор частоты вращения состоит из регулировочной камеры, образованной двумя боковыми стенками, эластичного кольца и кольцевой перегородки, размещенной между указанными боковыми стенками и разделяющей регулировочную камеру на внутреннюю и периферийную секции, кольцевая перегородка содержит сквозные прорези, сообщающие по потоку газа указанные секции, эластичное кольцо установлено с прилеганием к внутренней поверхности кольцевой перегородки с возможностью упругой поперечной деформации под действием центробежных сил для перекрытия сквозных прорезей, подводящее устройство сообщено по потоку газа с внутренней секцией регулировочной камеры, а отводящее устройство сообщено по потоку газа с выходным сечением соплового аппарата, регулятор частоты вращения и реактивная турбина установлены с взаимным смещением в направлении оси вращения ротора, образующим зазор, в котором размещена промежуточная камера, причем боковая стенка промежуточной камеры, обращенная к реактивной турбине, совмещена с покрывающим диском соплового аппарата и содержит сквозные отверстия, сообщающие по потоку газа промежуточную камеру с входным сечением соплового аппарата, а боковая стенка промежуточной камеры, обращенная к регулятору частоты вращения, совмещена с боковой стенкой регулировочной камеры и содержит сквозные отверстия, сообщающие по потоку газа промежуточную камеру с периферийной секцией регулировочной камеры.
На фиг. 1 приведен продольный разрез турбинного привода в момент запуска; на фиг. 2 - продольный разрез турбинного привода в процессе работы; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.
Турбинный привод содержит корпус 1, размещенные в корпусе подводящее устройство, отводящее устройство и ротор с осью вращения. Ротор включает в себя вал 2 с установленными на нем реактивной турбиной и регулятором частоты вращения. Реактивная турбина выполнена в виде соплового аппарата 3, размещенного между покрывающими дисками 4 и 5.
Регулятор частоты вращения состоит из регулировочной камеры, образованной боковыми стенками 6 и 7, эластичного кольца 8 и кольцевой перегородки 9, размещенной между указанными боковыми стенками. Кольцевая перегородка 9 разделяет регулировочную камеру на внутреннюю секцию 10 и периферийную секцию 11 и содержит сквозные прорези 12, сообщающие по потоку газа указанные секции. Эластичное кольцо 8 установлено с прилеганием к внутренней поверхности кольцевой перегородки 9 с возможностью упругой поперечной деформации под действием центробежных сил для перекрытия сквозных прорезей 12.
Подводящее устройство турбинного привода образовано входной камерой 13, выполненной в корпусе 1 и отделенной от области атмосферного давления уплотнительной втулкой 14. Входная камера 13 сообщена по потоку газа с внутренней секцией 10 регулировочной камеры через выполненные в валу 2 осевое отверстие 15 и радиальные отверстия 16. Отводящее устройство турбинного привода, сообщенное по потоку газа с выходным сечением соплового аппарата 3, образовано кольцевой проточкой 17 и сквозными отверстиями 18, выполненными в корпусе 1.
Регулятор частоты вращения и реактивная турбина установлены с взаимным смещением в направлении оси вращения ротора, образующим зазор, в котором размещена промежуточная камера 19. Боковая стенка промежуточной камеры 19, обращенная к реактивной турбине, совмещена с покрывающим диском 5 соплового аппарата 3 и содержит сквозные отверстия 20, сообщающие по потоку газа промежуточную камеру 19 с входным сечением соплового аппарата 3, диаметр которого обозначен d. Боковая стенка промежуточной камеры 19, обращенная к регулятору частоты вращения, совмещена с боковой стенкой 6 регулировочной камеры и содержит сквозные отверстия 21, сообщающие по потоку газа промежуточную камеру 19 с периферийной секцией 11 регулировочной камеры, диаметр наружного сечения которой обозначен D.
Турбинный привод работает следующим образом. Поток газа входит в турбинный привод через входную камеру 13 (показано стрелками), которая выполнена в корпусе 1 и отделена от области низкого давления уплотнительной втулкой 14. Затем поток газа поступает во внутреннюю секцию 10 регулировочной камеры через осевое отверстие 15 и радиальные отверстия 16, выполненные в валу 2 (показано стрелками). Далее поток газа проходит в периферийную секцию 11 регулировочной камеры через сквозные прорези 12, выполненные в кольцевой перегородке 9, которая размещена между боковыми стенками 6 и 7 регулировочной камеры. Затем поток газа поступает в промежуточную камеру 19 через сквозные отверстия 20 (показано стрелками). Далее проходит через регулировочную камеру 19 (показано стрелками). Затем поток газа поступает к входному сечению соплового аппарата 3, размещенного между покрывающими дисками 4 и 5, через сквозные отверстия 21 (показано стрелками). В сопловом аппарате 3 поток газа ускоряется, создавая при этом реактивную силу и крутящий момент на валу 2. Передав энергию ротору, поток газа и выходит из турбинного привода через отводящее устройство, образованное кольцевой проточкой 17 и сквозными отверстиями 18, выполненными в корпусе 1.
Как и в прототипе, в заявляемой конструкции регулирование частоты вращения турбинного привода производится на основе реализации принципа отрицательной обратной связи между площадью проходного сечения регулятора частоты вращения и числом оборотов ротора. Во время вращения ротора внутренняя поверхность кольцевой перегородки 9 передает вращение эластичному кольцу 8 за счет сил трения. При этом эластичное кольцо 8 под действием центробежных сил стремится осуществить перемещение в периферийном направлении, которое ограничено внутренней поверхностью кольцевой перегородки 9. При взаимодействии с последней эластичное кольцо 8 подвергается упругой поперечной деформации, изменяет свое поперечное сечение и частично перекрывает сквозные прорези 12, через которые к входному сечению соплового аппарата 3 проходит поток газа. Величина перекрытой эластичным кольцом 8 площади сечения сквозных прорезей 12 зависит от числа оборотов ротора.
При снижении нагрузки на турбинный привод увеличиваются число оборотов ротора и соответствующие ему центробежные силы, действующие на эластичное кольцо 8. При этом площадь сечения сквозных прорезей 12 уменьшается, в результате чего число оборотов ротора уменьшается до прежнего значения.
При увеличении нагрузки на турбинный привод уменьшаются число оборотов ротора и соответствующие ему центробежные силы, действующие на эластичное кольцо 8. При этом площадь сечения сквозных прорезей 12 увеличивается, в результате чего число оборотов ротора увеличивается до прежнего значения.
При остановке турбинного привода эластичное кольцо 8 возвращается в недеформированное состояние и освобождает сечение сквозных прорезей 12.
В заявляемом турбинном приводе регулятор частоты вращения отделен от реактивной турбины промежуточной камерой 19. При этом диаметр D наружного сечения периферийной секции 11 регулировочной камеры не ограничен диаметром входного сечения d соплового аппарата 3 и может быть значительно увеличен по сравнению с прототипом. Следовательно, центробежные силы и вызванная ими упругая поперечная деформация эластичного кольца 8 существенно больше, чем в прототипе при эквивалентных величинах наружного диаметра корпуса ручной пневматической машины. Как результат, при изменении числа оборотов ротора площадь сечения сквозных прорезей 12 может изменяться в более широких пределах. Это существенно снижает гидравлическое сопротивление потоку газа в регуляторе частоты вращения и повышает эффективность турбинного привода на номинальных режимах работы.
Диапазон регулирования частоты вращения ротора по сравнению с прототипом может быть существенно расширен, а описанный турбинный привод может эффективно использоваться в относительно тихоходных ручных пневматических машинах, работающих при частотах вращения 15000 об/мин и выше.
Описанный турбинный привод компактен, конструктивно прост и технологичен. Его элементы могут быть выполнены на обычном производственном оборудовании.