РАДИАЛЬНАЯ ТУРБИНА
RADIAL TURBINE

Предлагаемое изобретение относится к радиальным турбинам и предназначено для преобразования энергии рабочего тела, в качестве которого могут быть использованы или жидкое тело или газообразное, в энергию вращения вала агрегата и может быть использовано, в частности, в качестве гидравлических турбин любой мощности, пневматических турбин широкого применения для замены электропривода.
Известна радиальная турбина, содержащая корпус с расположенным в нем на валу рабочим колесом с размещенными в нем лопатками, установленный узел подачи рабочего тела на рабочее колесо, механизм регулировки подачи рабочего тела на рабочее колесо, связанный с узлом подвода рабочего тела на рабочее колесо (см. Патент РФ №2340788, кл. F03B 1/00, 2008).
Недостатками этой радиальной турбины являются:
- малая частота вращения: частоту вращения ограничивает скорость свободного падения тел;
- малый рабочий угол статического действия воды - действие на лопатки воды собственным весом;
- малый рабочий угол динамического воздействия на лопатки, вызванного падением воды из лотка, лишнее сбрасывается, не создавая заметного воздействия на турбину.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является радиально-осевая турбина, содержащая корпус с расположенным в нем на валу рабочим колесом с размещенными в нем лопатками, установленный на корпусе узел подачи рабочего тела на рабочее колесо, механизм автоматической регулировки подачи рабочего тела на рабочее колесо, связанный с узлом подвода рабочего тела на рабочее колесо (см. http://images.yandex.ru/yandsearch?source=%D0%B3%D0%D8%D0%B4…).
Недостатками этой радиально-осевой турбины являются:
1. Сложность, обусловленная наличием целого ряда управляющих элементов. Кроме этого, радиальная турбина испытывает воздействие потока рабочего тела непосредственно на лопатки рабочего колеса турбины, поток разбивается на струи, прерываемые при переходе с одной лопатки на другую. Это создает переменные динамические нагрузки на лопатки рабочего колеса и вызывает эрозионное разрушение материала лопаток и ведет к сокращению срока службы турбины. Последовательно с радиальной турбиной на одной оси с ней установлена осевая турбина. Осевая турбина является вращающимся затвором, предотвращающим осушение радиальной турбины. Поэтому осевая турбина всегда несет на себе повышенную осевую нагрузку. Она как бы сдерживает поток воды после радиальной турбины. Прикрытием проходного сечения канала на выходе из осевой турбины почти на всех режимах работы агрегата вода вновь набирает скорость - это неиспользованная потенциальная энергия ее, уходящая в слив в виде кинетической энергией. Осевые подшипники нагружены не только от веса оборудования, а в большей степени от давления воды.
2. Сложность остановки гидроагрегата, имеющего значительную кинетическую энергию вращения в аварийном или в профилактическом режимах.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, повышение ее надежности с одновременным упрощением управления турбиной.
Поставленный технический результат достигается тем, что в радиальной турбине, содержащей корпус с расположенным в нем на валу рабочим колесом с размещенными в нем лопатками, установленный на корпусе узел подачи рабочего тела на рабочее колесо, механизм автоматической регулировки подачи рабочего тела на рабочее колесо, связанный с узлом подвода рабочего тела на рабочее колесо, между корпусом и лопатками рабочего колеса турбины выполнена кольцевая полость постоянного сечения вокруг рабочего колеса, через которую рабочее тело подается на рабочее колесо и связанная с узлом подвода рабочего тела, являющимся исполнительным механизмом регулирования проходного сечения для подачи рабочего тела в кольцевую полость между корпусом и лопатками рабочего колеса по направлению вращения рабочего колеса, которая соединена с механизмом автоматического регулирования с помощью рабочего тела, дополнительным каналом в корпусе турбины подачи рабочего тела на рабочее колесо, лопатки рабочего колеса выполнены с плавным наклоном по ходу движения рабочего тела в кольцевом пространстве между корпусом и рабочим колесом, при этом узел подвода рабочего тела выполнен в виде приемной камеры и силового цилиндра с расположенным в них штоком, при этом вход приемной камеры для рабочего тела выполнен в виде патрубка, а выход - в виде конического отверстия, при этом торцевая часть штока, расположенная в приемной камере, также выполнена конической, а концевая часть штока, расположенная в силовом цилиндре, в виде поршня, образующего с каждой стороны в силовом цилиндре полости, каждая из которых соединена с соответствующим выходом механизма автоматического регулирования подачи рабочего тела через кольцевую полость на рабочее колесо, при этом в торцевой части силового цилиндра установлен регулировочный винт с возможностью контактирования с поршнем, при этом механизм автоматического регулирования подачи рабочего тела содержит клапанный узел, выполненный в виде силового цилиндра с расположенным в нем поршнем и трех малых камер с расположенным в них штоком, при этом часть штока, расположенная в средней камере, выполнена в виде клапанов, обеспечивающих возможность соединения полости второй камеры с полостями или первой, или третьей камер, при этом вторая камера соединена с выпускным каналом, канал, соединяющий первую полость узла подвода рабочего тела с первой полостью клапанного узла механизма автоматической регулировки подачи рабочего тела, и канал, соединяющий вторую полость узла подвода рабочего тела с третьей полостью клапанного узла механизма автоматической регулировки подачи рабочего тела на рабочее колесо, а также полость в силовом цилиндре, в которой расположен шток, выполнены с возможностью независимой друг от друга регулируемой подачи в них рабочего тела, полость в силовом цилиндре, в которой расположен шток, через регулируемый подпружиненный клапан соединена с выпускным каналом, бесштоковая часть цилиндра клапанного узла и кольцевая полость между корпусом и лопатками рабочего колеса выполнены с возможностью независимой друг от друга регулировки подачи в них рабочего тела.
Работа радиальной турбины поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид радиальной турбины; на фиг.2 - разрез по A-A по фиг.1.
Радиальная турбина содержит корпус 1 с расположенным в нем на валу 2 рабочим колесом 3 с размещенными в нем лопатками 4. Между корпусом 1 и лопатками 4 рабочего колеса 3 турбины выполнена кольцевая полость 5 постоянного сечения вокруг рабочего колеса 3, связанная с узлом 6 подвода рабочего тела в кольцевую полость 5, выполненным в виде приемной камеры 7 и силового цилиндра 8 с расположенным в них штоком 9. Вход приемной камеры 7 выполнен в виде патрубка 10, а выход в виде конического отверстия 11. Торцевая часть штока 9, расположенная в приемной камере 7, также выполнена конической, а концевая часть штока 9, расположенная в силовом цилиндре 8, в виде поршня 12, образующего с каждой стороны в силовом цилиндре 8 полости 13 и 14. Узел 6 подачи рабочего тела в кольцевую полость 5 между корпусом 1 и рабочим колесом 3 связан с механизмом автоматической регулировки подачи рабочего тела в кольцевую полость 5, содержащим клапанный узел 16, выполненный в виде силового цилиндра 17 с расположенным в нем поршнем 18 и трех малых камер 19, 20, 21 с расположенным в них штоком 22. Часть штока 22, расположенная в средней камере 20, выполнена в виде клапанов 23 и 24, обеспечивающих возможность соединения полости камеры 20 с полостями камер 19 или 21. Камера 20 соединена с выпускным каналом 25. Канал 26, соединяющий полость 13 узла 6 подвода рабочего тела с полостью камеры 19 клапанного узла 16 механизма автоматической регулировки подачи рабочего тела, и канал 27, соединяющий полость 14 узла 6 подвода рабочего тела с полостью камеры 21 клапанного узла 16 механизма автоматической регулировки подачи рабочего тела в кольцевую полость 5, а также полость в силовом цилиндре 17 клапанного узла 16, в которой расположен шток 22, выполнены с возможностью независимой друг от друга регулируемой подачи в них рабочего тела. Полость 28 в силовом цилиндре 17, в которой расположен шток 22, через подпружиненный клапан 29 соединена с выпускным каналом 30. Бесштоковая часть цилиндра 31 клапанного узла 16 и кольцевая полость 5 между корпусом 1 и лопатками 4 рабочего колеса выполнены с возможностью независимой друг от друга регулировки подачи в них рабочего тела. В торцевой части силового цилиндра 8 установлен регулировочный винт 15 с возможностью контактирования с поршнем 12. Узел 6 является исполнительным механизмом регулирования проходного сечения для подачи рабочего тела в кольцевую полость 5. Для регулируемой подачи рабочего тела в полости 13, 14 узла 6, камеры 19, 21, полости 28, 31 механизма автоматического регулирования подачи рабочего тела, в кольцевую полость 5 через канал 32 используются дроссели 33-37 и вентили 38, 39. Подпружиненный клапан 29 регулируется винтом 40. Выход рабочего тела из турбины осуществляется через слив 41.
Подвод рабочего тела на чертежах турбины обозначен аббревиатурой ПРТ.
Рассмотрим работу радиальной турбины на примере использования в качестве рабочего тела воды.
Вода, обладающая потенциальной энергией полного напора, из водохранилища поступает в узел подачи рабочего тела 6 в патрубок 10. Из сопла 11 вода, обладающая наибольшей скоростью, при данном напоре поступает в кольцевую полость 5 между корпусом 1 и рабочим колесом 3. Там вода, обладающая кинетической энергией, движется по кругу. Поступающая в кольцевую полость 5 из сопла 11 вода вытесняет обладающую кинетической энергией лишнюю воду из кольцевой полости 5 в полости лопаток 4, где она отдает свою кинетическую энергию рабочему колесу 3, обеспечивая его вращение. Из лопаток 4 рабочего колеса 3 вода через его среднюю часть без сопротивления уходит в слив 41. Все лопатки 4 рабочего колеса 3 нагружены одновременно и одинаково независимо от расстояния до сопла. Динамические нагрузки на лопатки рабочего колеса сведены к минимуму. Плавный наклон лопаток 4 рабочего колеса 3 по ходу движения воды в кольцевой полости 5 турбины создан для возвратного движения воды в полости лопаток, так как окружная скорость воды в кольцевой полости 5 при рабочей нагрузке выше, чем окружная скорость рабочего колеса 3. Возвратное движение воды требует дополнительного давления в кольцевой полости турбины - выполняется поступающей водой в кольцевую полость 5 из сопла 11. Это давление вместе с центробежными силами в рабочем колесе 3 и в кольцевой полости 5 турбины создают на заходе в полости лопаток 4 противодавление движению воды в полости рабочего колеса 3. Противодавление использовано для обратной связи через канал 32 в корпусе 1 турбины для активного действия системы управления частотой вращения рабочего колеса с помощью клапанного узла 16 и исполнительного устройства узла 6 подачи рабочего тела.
При переменных нагрузках на гидроагрегате поддержание постоянства частоты вращения рабочего колеса выполняется изменением подачи воды в кольцевую полость 5 турбины с помощью изменения проходного сечения в сопле 11 штоком 9 узла 6 подачи рабочего тела. Перемещение штока 9 выполняет силовой цилиндр 8, управляемый клапанным узлом 16. Вода в клапанный узел поступает из вентиля 38 через дроссели 33, 34, являющиеся делителями напора поступающей воды из отдельного канала плотины. Из них вода поступает в каналы 26 и 27, соединяющие рабочие полости 13 и 14 силового цилиндра 8 и полости 19 и 21 клапанного узла 16.
Через дроссель 35 вода поступает в силовой цилиндр 17 узла 16 в полость 28, откуда уходит через подпружиненный клапан 29 в слив 30. Винтом 40 через пружину производится регулирование давления в полости 28 клапанного узла 16 для сравнения с противодавлением в кольцевой полости 5 турбины, вызванное центробежным силами воды в полостях лопаток рабочего колеса 3.
В клапанном узле в зависимости от давлений в полостях 31 и 28 силового цилиндра 17 поршень 18 вместе со штоком 22 перемещает клапаны 23 и 24 то в одну, то в другую сторону, перекрывающие или открывающие из полостей 19 и 21 через полость 20 слив воды в канал 25.
При запуске турбины или при снижении частоты вращения рабочего колеса противодавление в кольцевой полости турбины 5 пониженное и пониженное в полости 31 клапанного узла 16. В результате чего давление в полости 28 становится выше, чем в полости 31 и поршень 18 со штоком 22 и клапанами 23 и 24 перемещаются. Клапан 23 закрывает слив из полостей 13 и 19. Через дроссель 34, канал 26 в полость 13 клапанного узла поступает полное давление воды от вентиля 38, а из полости 14 узла подачи рабочего тела, канала 27, полости 21, полости 20 в канал 25 происходит слив воды. Шток 9 с поршнем 12 перемещаются в сторону открытия сопла. Вода в кольцевое пространство турбины поступает в большем количестве, раскручивая рабочее колесо турбины. Центробежные силы в рабочем колесе увеличивают давление в кольцевой полости 5 турбины. Это давление через канал 32 в корпусе 1 турбины, дроссель 37 (вентиль 39 закрыт) и дроссель 36 передается в полость 31 клапанного узла. При превышении усилия на поршень 18 со стороны полости 31 по сравнению с усилием на поршень 18 со стороны полости 28 поршень 18 вместе со штоком 22 и клапанами 23, 24 начинает движение и переключает клапаны 23 и 24. В результате чего поршень 12 узла подачи рабочего тела со штоком 9 перемещаются в сторону уменьшения проходного сечения сопла 11. Таким образом происходит автоматическое саморегулирование частоты вращения рабочего колеса 3. Частота переключений зависит от изменений нагрузок на турбину, настройки дросселя 36, инерции элементов управления и проходных сечений каналов.
Регулирование частоты вращения рабочего колеса сводится к установке в камере 28 клапанного узла контрольного давления винтом 40 воздействием на подпружиненный клапан 29.
В рабочем состоянии вентиль 39 всегда закрыт. При необходимости торможения рабочего колеса 3 открывают вентиль 39. При этом в камере 31 повышается давление, поршень 18 обеспечивает переключение клапанов 23 и 24, чем обеспечивается закрытие сопла 11. Точность отработки этой команды определяется настройкой дросселя 37. Вода из канала 32 в корпусе 1 турбины поступает встречно движению воды, находящейся в кольцевой полости 5 турбины. Таким образом, вместе с водой, двигающейся в кольцевой полости 5, происходит и остановка рабочего колеса 3. После остановки рабочего колеса турбины положение закрытия сопла 11 фиксируется винтом 15. После фиксации винтом 15 закрытого положения подачи воды в кольцевую полость турбины необходимо закрыть вентиль 39 для исключения реверса рабочего колеса. Винт 15 может выполнять функцию ограничения мощности турбины. Утечки воды между штоками и поршнями в узле подачи рабочего тела и в капанном узле не влияют на их работоспособность системы управления, так как управление работает непосредственно со сливом. Утечки должны быть учтены в расчетах всех каналов, так как, например, при малых проходных сечениях каналов сами каналы становятся дросселями.
Простота конструкции, высокая ее надежность с простотой управления является достоинством и преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.
У автора имеется опытный образец турбины диаметром 100 мм, работающий на сжатом воздухе. Испытание прошло успешно.