СИЛОВАЯ ТУРБИНА С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ РОТОРОМ

Полезная модель относится к энергетическому и транспортному машиностроению.
Известна радиально-осевая турбина марки ТКР1207 для турбонаддува дизельного двигателя, выпускаемая производственным объединением «Минский моторный завод», состоящая из корпуса, вала на подшипниках, жестко связанного с валом турбинного и насосного колеса. Недостатками этой турбины являются: потери энергии от утечек потока из межлопаточных каналов, в зазор между рабочим колесом и ограничивающей стенкой корпуса турбины, малоэффективное срабатывание теплового перепада, ограниченная мощность.
Известна силовая роторная турбина патент РФ №164736, опубликовано 10.09.16, МПК F01D/08 (2006.01). Турбина состоит из статора, направляющих сопел и ротора. Ротор содержит вал на подшипниках, на котором жестко установлено не менее двух дисков, центральную втулку, зажатую между дисками и рабочие лопатки. Лопатки закреплены между дисками так, что наружные и внутренние кромки рабочих лопаток параллельны оси вращения вала ротора, а боковые кромки лопаток, прилегающие к дискам, тангенциально направлены на окружность центральной втулки и обеспечивают при этом наличие пространства между внутренними кромками лопаток и центральной втулкой. Сопла направлены тангенциально ротору на рабочие лопатки и в пространство между центральной втулкой, внутренними кромками рабочих лопаток и дисками. Выпускной патрубок совмещен со статором турбины. Эта турбина имеет следующие недостатки: большие нагрузки на вал турбины при одном направляющем сопле, ограничения по площади сечения направляющих сопел.
Технической задачей полезной модели является - создание энергетически эффективной силовой турбины с большой единичной мощностью и широким диапазоном применения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении эффективности силовой турбины с двухступенчатым ротором, за счет: увеличения степени срабатывания энергетического перепада рабочего тела по ступеням ротора, снижения внутренних потерь в турбине.
Указанный технический результат достигается тем, что силовая турбина с двухступенчатым ротором содержит: статор с выпускным патрубком, кольцевую камеру направления силовых потоков с кольцевым соплом, вал или два вала на подшипниках, центральную втулку или две центральные втулки, несвязанные между собой и две ступени ротора. Каждая ступень ротора состоит: из диска, рабочих лопаток и покрывной шайбы. Обе ступени ротора концентрично, шайба к шайбе установлены на валу или двух валах турбины, при этом диски жестко связаны с валом и центральной втулкой, расположенной между ними, или каждый диск жестко связан со своим валом и своей центральной втулкой. Между дисками и покрывными шайбами расположены рабочие лопатки, наглухо прикрепленные к ним по боковым кромкам. Рабочие лопатки равномерно размещены по внешним окружностям дисков и закреплены так, что внешние и внутренние кромки лопаток параллельны оси вращения вала, и обеспечивают наличие равных зазоров между внутренними кромками лопаток и центральной втулкой или втулками. Каждая ступень ротора имеет свою, функциональную степень наклона рабочих поверхностей лопаток к векторам направления силовых потоков рабочего тела и свое количество рабочих лопаток. Покрывные шайбы соединены между собой втулкой-обтекателем, установленной в отверстиях шайб, при этом втулка-обтекатель прочно крепится к шайбе первой ступени и свободно перемещается внутри шайбы второй ступени, внутренняя поверхность втулки имеет полусферическую форму. Покрывные шайбы разделяют ступени ротора по потокам рабочего тела - на первую ступень входящих потоков и вторую ступень исходящих потоков. Кольцевое пространство между втулкой-обтекателем и центральной втулкой или втулками образует канал перетока рабочего тела из первой во вторую ступень ротора. Кольцевая камера направления силовых потоков с кольцевым соплом размещается по периферии первой ступени ротора. Статор объединен с выпускным патрубком, размещенным по периферии второй ступени ротора.
Силовая турбина с двухступенчатым ротором может иметь две, механически независимые друг от друга ступени ротора, два вала нагрузки, входящие один в другой, жестко связанные, соответственно с первой и второй ступенью, направленные в одну сторону.
Силовая турбина с двухступенчатым ротором может иметь две, механически независимые друг от друга ступени ротора, два вала нагрузки, находящихся на одной оси, жестко связанные, каждый со своей ступенью и направленные в противоположные стороны.
Силовая турбина с двухступенчатым ротором может иметь конструкцию, когда на боковой периферии второй ступени ротора, дополнительно, размещены осевые лопатки.
Описание сущности силовой турбины с двухступенчатым ротором поясняется чертежами: на фиг. 1-3 представлена силовая турбина с двухступенчатым ротором на одном валу. На фиг. 4 - с двумя механически независимыми ступенями, с двумя валами, направленными в одну сторону. На фиг. 5 - с двумя механически независимыми ступенями, с двумя валами, направленными в разные стороны. На фиг. 4 - с осевыми лопатками, дополнительно установленными по боковой периферии второй ступени.
Устройство. Силовая турбина с двухступенчатым ротором фиг. 1-3 содержит: статор 1 с выпускным патрубком 2, кольцевую камеру 3 направления силовых потоков с кольцевым соплом 4, вал 5 на подшипниках, центральную втулку 6 и две ступени 7; 8 ротора. Каждая ступень 7; 8 ротора фиг. 3 состоит: из диска 9, рабочих лопаток 10 и покрывной шайбы 11. Обе ступени 7; 8 ротора концентрично, шайба 11 к шайбе 11 установлены на валу 5 турбины. Диски 9 жестко связаны с валом 5 и центральной втулкой 6, расположенной между ними. Между дисками 9 и покрывными шайбами 11 расположены рабочие лопатки 10, наглухо прикрепленные к ним по боковым кромкам. Рабочие лопатки 10 фиг. 1-2 равномерно размещены по внешним окружностям дисков 9 и закреплены между ними так, что внешние и внутренние кромки лопаток 10 параллельны оси вращения вала 5, и обеспечивают наличие равных зазоров между внутренними кромками лопаток 10 и центральной втулкой 6. Каждая ступень 7;8 ротора фиг. 1-2 имеет свою, функциональную степень наклона рабочих поверхностей лопаток 10 к векторам направления (векторы показаны стрелками) силовых потоков рабочего тела и свое количество рабочих лопаток. Покрывные шайбы 11 соединены между собой втулкой-обтекателем 12 фиг. 3, установленной в отверстиях шайб 11, при этом втулка 12 прочно крепится к шайбе первой ступени 7 и свободно перемещается внутри шайбы второй ступени 8, внутренняя поверхность втулки 12 имеет полусферическую форму. Покрывные шайбы 11 разделяют ступени 7; 8 ротора по потокам рабочего тела - на первую ступень 7 входящих потоков и вторую ступень 8 исходящих потоков. Кольцевое пространство между втулкой-обтекателем 12 и центральной втулкой 6 образует канал 13 перетока рабочего тела из первой 7 во вторую ступень 8 ротора. Кольцевая камера 3, направления силовых потоков с кольцевым соплом 4 фиг. 3-5, размещается по периферии первой ступени 7 ротора. Статор 1 объединен с выпускным патрубком 2, размещенным по периферии второй ступени 8 ротора, соединяет все элементы конструкции турбины и обеспечивает стационарное крепление.
Силовая турбина с двухступенчатым ротором фиг. 4 может иметь две, механически независимые друг от друга ступени 7 и 8 ротора, две центральные втулки 6, не связанные между собой, два вала нагрузки 14 и 15, входящие один в другой, жестко связанные, соответственно, с первой 7, и второй 8 ступенью ротора, направленные в одну сторону.
Силовая турбина с двухступенчатым ротором фиг. 5 может иметь две, механически независимые друг от друга ступени ротора 7 и 8, две центральные втулки 6, несвязанные между собой, два вала нагрузки 16; 17, находящиеся на одной оси, жестко связанные, соответственно, с первой 7 и второй 8 ступенью ротора, направленные в противоположные стороны.
Силовая турбина с двухступенчатым ротором может иметь конструкцию, когда на боковой периферии второй ступени 8 ротора фиг. 4, дополнительно, размещены осевые лопатки 18.
Принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором. Силовые потоки различных классов рабочего тела могут подводиться к кольцевой камере 3 направления потоков фиг. 1, а так же в тепловых газовых турбинах вырабатываться непосредственно в кольцевой камере 3, являющейся в данном случае кольцевой камерой сгорания, широко применяемой в ГТД. Камера 3 направления потоков и кольцевое сопло 4 формируют направление силовых потоков рабочего тела, в сторону вращения ротора и непрерывно направляет их через первую ступень 7 ротора на канал 13. Далее силовые потоки фиг. 3, перетекают из первой ступени 7 ротора во вторую ступень 8 через кольцевое пространство между втулкой-обтекателем 12 и центральной втулкой 6 по каналу 13 перетока рабочего тела (показано стрелкой). Векторы направления силовых потоков, входящих в первую ступень 7 ротора фиг. 1, направлены тангенциально каналу 13 перетока рабочего тела. Переход силовых потоков по каналу 13 осуществляется так же тангенциально по отношению к этому каналу, с боковым смещением между первой 7 и второй ступенью 8 фиг. 3. Силовые потоки, исходящие из канала 13 и второй ступени фиг. 2 имеют ту же тангенциальную траекторию. На пути движения тангенциально направленных силовых потоков установлены рабочие лопатки 10 обеих 7-8 ступеней ротора фиг. 1-2. Эти потоки, воздействуя на рабочие лопатки 10, приводят ротор во вращение, на валу 5 турбины возникает полезная работа.
Таким образом: принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором основан на том, что кольцевая камера 3 и кольцевое сопло 4 формируют множество силовых потоков, направленных в сторону вращения ротора. Эти потоки, проходя через первую ступень 7, тангенциально направлены на канал 13. Выходят из канала 13 через вторую ступень 8 так же тангенциально, воздействуют на все рабочие лопатки 10 первой 7 и второй 8 ступени, создают полезную работу на валу 5 турбины.
Эффективность работы турбины зависит от: давления в камере 3, соотношения площади сечения сопла 4 и площади сечения канала 13, а так же каждого из них и площади сечения выходных каналов второй ступени 8. Площадь сечения канала 13 перетока рабочего тела является базовой для определения параметров всей турбины.
Принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором фиг. 4 и независимыми друг от друга ступенями 7;8 ротора, с двумя валами 14; 15 нагрузки, направленными в одну сторону, отличается тем, что первая ступень 7 и вторая ступень 8 не связаны механически между собой, поэтому могут иметь разные скорости и разные нагрузки и передавать их на разные валы 14; 15, направленные в одну сторону, например: авиадвигатель - первая ступень связана с турбокомпрессором, вторая с вентилятором.
Принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором фиг. 5 и независимыми ступенями 7; 8 ротора, с двумя валами 16; 17 нагрузки, направленными в противоположные стороны, отличается тем, что первая ступень 7 и вторая ступень 8 не связаны механически между собой, поэтому могут иметь разные скорости и разные нагрузки и передавать их на разные валы 16; 17, направленные в противоположные стороны, например: наземные транспортные машины - первая ступень связана с турбокомпрессором, вторая ступень связана с внешней нагрузкой.
Баланс между ступенями по скоростям и нагрузкам определяется отношением наклона рабочих поверхностей лопаток 10 к векторам направления силовых потоков в каждой ступени и количеством рабочих лопаток.
Принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором фиг. 4 и с дополнительными осевыми лопатками 18, установленными по боковой периферии второй ступени 8 ротора, отличается тем, что силовые потоки, исходящие из второй ступени 8, изгибаются и переходят на выход в осевом направлении через осевые лопатки 18, например: гидротурбины, авиадвигатели.
Заявляемая силовая турбина позволяет:
- повысить степень срабатывания энергетического перепада за счет: разделения силовых потоков рабочего тела и высокой степени срабатывания перепада давления входящих и исходящих потоков;
- сократить внутренние потери в турбине за счет срабатывания основной части рабочего тела внутри ротора;
- получить высокоэффективную силовую турбину с большой удельной мощностью и высокой динамикой набора ускорения и мощности за счет механического разделения ступеней.
Заявляемая турбина проста, технологична, менее металлоемка и более компактна, при наличии турбокомпрессора и камеры сгорания может использоваться как газотурбинный двигатель, может эффективно применяться как гидравлическая и паровая турбина, а так же, как гидравлический и пневматический привод.