Винтовая турбина
SCREW TURBINE

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, а именно к газовым турбинам малых размеров (микротурбинам), которые могут использоваться как составная часть газотурбинных двигателей, газотурбинных установок, парогазовых установок, а также в качестве малогабаритных высокооборотных пневмодвигателей. Наиболее перспективно применение предлагаемых микротурбин в качестве привода электрогенератора в работающих на паре автономных теплоэлектростанциях малой мощности, в частности, для индивидуальных домов или фермерских хозяйств, а также в составе электроэнергетической установки в гибридных транспортных средствах, работающих на любом жидком или газообразном топливе.
Значительная доля электроэнергии в мире вырабатывается на тепловых электростанциях, работающих на перегретом паре, с помощью лопастных турбин. Для улучшения процесса передачи энергии нагретого пара на ротор турбины применяется многоступенчатая конструкция ротора с большим количеством лопастей в каждой ступени. С целью повышения теплостойкости и прочности лопаток турбины используются дорогостоящие сплавы с применением редкоземельных материалов. Такие решения позволяют достигать электрического коэффициента полезного действия (КПД) порядка 40-50 %, однако приводят к весьма высокой стоимости как паровых, так и газовых турбин.
Лопастные турбины малых размеров, оставаясь довольно сложными и дорогими, не могут достигнуть такого КПД. Известны одноступенчатые газотурбинные двигатели малых размеров (микротурбины) американской фирмы Capstone, работающие на жидком или газообразном топливе. Фирма серийно производит турбины мощностью 15, 30, 65 и 200 кВт, которые в основном используются для автономных теплоэлектростанций. Турбины мощностью 65 и 200 кВт могут собираться в кластеры до 1000 кВт. При этом электрический КПД микротурбин Capstone находится в диапазоне 20-30 % и уменьшается с повышением температуры окружающей среды. Возможно использование микротурбин в гибридных транспортных средствах. Фирмой Capstone был представлен гибридный электрический спорткар СМТ-380, а в 2009 г. совместно с британской фирмой Landford на базе семиместного кроссовера Ford S-Max был разработан последовательный гибрид Eco-Logic с использованием микротурбин С30. Были проведены показательные испытания этого гибрида, однако серийный выпуск так и не начался. Микротурбины С65 используются в гибридных автобусах. В частности, в России фирма "Тролза" в 2009 г. разработала и провела успешные испытания, названного Экобусом, гибридного автобуса Тролза-5250 на базе микротурбины С65. Было изготовлено несколько экземпляров Экобуса, но в серию он не пошел. Причиной, скорее всего, стала высокая стоимость турбин С65 и зависимость от их поставки из США.
Системным недостатком лопастных турбин являются ограничения в поднятии температуры газа и, соответственно, КПД, которые зависят от термостойкости и прочности лопастей при соответствующих окружных скоростях ротора. Кроме того у лопастных турбин имеют место большие потери рабочего тела через неплотности газовых стыков, что особенно сказывается при небольших скоростях и малом диаметре ротора турбины.
В стремлении избежать недостатков лопастных турбин предприняты попытки применить винтовые механизмы для реализации ротационного двигателя с непрерывным рабочим процессом.
Так, в соответствии с патентом RU 2155272 кл. F02B 55, F02B 53/08, предложен роторно-волновой двигатель. В корпусе двигателя, включающем впускное и выпускное окна, компрессорный и расширительный отсеки и камеру сгорания установлен под углом к оси корпуса ротор. Внутренняя поверхность корпуса и ротор имеют подобную конструкцию, а именно, выполнены в виде обращенных навстречу двух винтовых конусов, расположенных по одной оси. Двигатель содержит два опорных узла, каждый из которых содержит по две крейцкопфные пары и фрагмент коленчатого вала с опорными и выходной шейками, при этом выходная шейка связана с валом отбора мощности посредством поводкового механизма, снабженного противовесом. Возможно, что в единичных экземплярах будут достигнуты декларируемые преимущества, но ввиду очевидных конструктивных и технологических сложностей таких двигателей сомнительна экономическая целесообразность их серийного производства.
Известна также паровая винтовая машина по патенту RU 2118460, кл. F01D 1/38, содержащая корпус, внутри которого размещены камера высокого давления, камера низкого давления, полость с расположенными в ней двумя многозаходными винтами, находящимися в зацеплении и связанными между собой синхронизирующими шестернями, впускной и выпускной патрубки. Винты закреплены на валах, установленных в опорах. На базе паровых винтовых машин производятся малые серии тепловых электростанций мощностью от 250 до 1000 кВт. Однако, ввиду большой конструктивной и технологической сложности их цена и эксплуатационные расходы остаются довольно высокими. Не найдено технических решений использования винтовых машин с параллельными осями в качестве газотурбинных двигателей.
Наиболее близким предлагаемому решению является турбомашина по патенту SU 1776818 А1, кл. F01D 1/38, содержащая ротор и направляющее устройство, выполненные в виде барабанов с расположенными по окружности аксиально-наклонными канавками, заглушенными с внешних торцов. Ротор расположен с торцевым зазором относительно направляющего устройства (статора) и может быть выполнен в виде установленного на подшипниках многозаходного винта. Утверждается, что при подаче рабочего тела (сжатого воздуха или нагретого пара) и вращении ротора в каналах статора генерируется система стоячих акустических волн и возникает реактивная сила, окружная компонента которой создает крутящий момент на валу турбомашины. Недостатком данного решения является высокая конструктивная и технологическая сложность, а также технические ограничения, накладываемые требованиями по образованию стоячих акустических волн. В данном патенте не декларируется использование таких турбомашин в качестве газотурбинного двигателя.
Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления турбины, что позволяет повысить ее надежность и срок службы. При этом снижаются затраты на изготовление и эксплуатацию. В отличие от лопастных турбин, при прочих равных условиях, особенности конструкции винтового ротора турбины дают возможность выдерживать более высокие обороты при увеличении рабочей температуры, что позволяет получать и более высокий КПД.
В соответствие с изобретением, технический результат достигается тем, что корпус турбины выполнен в виде втулки, внутри которой с минимальным радиальным зазором на подшипниках установлен многозаходный винт. На внутренней цилиндрической поверхности втулки выполнены либо винтовые канавки противоположного с винтом направления, либо кольцевые канавки, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления. Благодаря этим канавкам в зазоре между винтом (ротором) и неподвижной втулкой (корпусом) под действием движущегося рабочего тела интенсифицируется процесс турбулентного трения и, по сравнению с гладкой втулкой, существенно увеличивается количество энергии, передаваемой от рабочего тела ротору. Причем эффект передачи энергии, и соответственно скорость вращения ротора, нелинейно растет с увеличением температуры и давления на входе в турбину. Увеличение размеров кольцевых канавок во втулке в направлении камеры низкого давления позволяет осуществить продолженное расширение нагретого рабочего тела, что дополнительно увеличивает коэффициент передачи энергии ротору.
На фигуре 1 изображен продольный разрез винтовой турбины в исполнении корпуса турбины в виде втулки с винтовыми канавками. На фигуре 2 изображен продольный разрез винтовой турбины в исполнении корпуса турбины в виде втулки с кольцевыми канавками, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления. На фигуре 3 изображено сечение А-А по линии разъема.
Винтовая турбина содержит корпус 1, выполненный в виде втулки либо с винтовыми канавками (фиг. 1), либо с кольцевыми канавками (фиг. 2), многозаходный винт 2, установленный на валу 3, подшипниковый узел 4, уплотненную прокладкой 5, крышку 6, направляющее устройство 7 (фиг. 1), выполненное в виде лопастей, закрепленных на крышке 6, направляющее устройство 8 (фиг. 3), выполненное в виде соплового аппарата, штуцер 9 для подвода рабочего тела, камеру высокого давления 10, камеру низкого давления 11, штуцер 12 для отвода отработанного рабочего тела. Корпус 1 (фиг. 1) выполнен в виде, установленной с радиальным зазором относительно винта 2, втулки с нарезанной в ней многозаходной резьбой, имеющей направление противоположное направлению нарезок винта (если на винте левая резьба, то на втулке правая). Корпус 1 (фиг. 2) выполнен в виде, установленной с радиальным зазором относительно винта 2, втулки с кольцевыми канавками, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления 11.
Канавки на поверхностях винта и втулки винтовой турбины могут иметь различную форму, например, трапецеидальную, прямоугольную, треугольную. Однако, в соответствие с п. 4 формулы, предпочтительна форма канавок в виде полуокружностей с радиусом равным глубине канавок.
Винтовая турбина работает следующим образом. Через штуцер 9 рабочее тело (сжатый воздух, нагретый пар или нагретая газо-воздушная смесь) подается в камеру высокого давления 10. Направляющее устройство 7 или 8 поворачивает рабочее тело для придания потоку необходимого угла атаки по отношению к канавкам многозаходного винта 2. В зазоре между винтом 2 (ротором) и неподвижной втулкой 1 (корпусом) в результате турбулентного трения происходит преобразование кинетической и внутренней энергии рабочего тела в механическую работу на валу 3. Вал приходит в состояние быстрого вращения. Вал 3 многозаходного винта 2 может быть присоединен к различного рода устройствам в качестве их привода.