Способ работы радиальной турбины и радиальная турбина для осуществления этого способа

Изобретение относится к турбостроению, в частности к радиальным турбинам, и может быть использовано в механических транспортных средствах и в установках для выработки механической и электрической энергии. Изобретение относится к способу работы радиальной турбины, который осуществляется при помощи заявленной радиальной турбины, основанный на принципе преобразования кинетической энергии входящей струи в механическую работу, с многократным использованием входящей струи. Входящая струя рабочего тела подается на лопатки рабочего колеса, выполненные вогнутыми в виде полукольца, за счет этого вошедшая струя разворачивается в лопатке рабочего колеса и выходит под углом ≈180° относительно входного угла. Входит на вогнутую поверхность лопатки соплового аппарата, которая, имея форму полукольца, разворачивает ее на ≈180° относительно входного угла и развернутая струя попадает на следующую лопатку рабочего колеса. В случае когда сопловый аппарат имеет минимум одну группу лопаток с соплом, процесс повторяется, пока струя не пройдет все лопатки (2.1) соплового аппарата из группы. В частном случае входящая струя рабочего тела может подаваться на лопатки рабочего колеса под углом в диапазоне 10-45° к плоскости касательной к цилиндрической поверхности рабочего колеса. Технический результат: разработаны способ и конструкция радиальной турбины, которая позволяет получать эффективное вращательное движение на валу, в том числе при незначительном действии силы реакции входящей струи рабочего тела; позволяет снизить выходные потери и увеличить КПД. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Заявленное решение относится к турбостроению, в частности к радиальным турбинам.

Турбина может быть использована в механических транспортных средствах и в установках для выработки механической и электрической энергии.

Известны различные решения радиальных турбин, в том числе парциальных, имеющих рабочее колесо и сопловой аппарат с парциально расположенными сопловыми лопатками, при этом известно, что недостатком парциального расположения сопел турбины является потеря КПД, так если сопло или группу сопел расположить по окружности в двух диаметральных секторах, КПД снижается на 4-6%, если сопла разместить в трех равномерно расположенных секторах, КПД снижается на 7-9%, если в четырех - на 10-12% и т.д.

Ближайших аналогов заявленное решение не имеет.

Раскрытие изобретения.

Задачами заявленного решения являются разработка способа и конструкции радиальной парциальной турбины, которая была бы проста и при незначительном действии силы реакции входящей струи рабочего тела позволяла бы получать эффективное вращательное движение на валу, а также позволяла бы снизить выходные потери и соответственно увеличить КПД.

Поставленные задачи достигаются за счет вариантов заявленной радиальной турбины и способа работы данной турбины.

Способ работы заявленной радиальной турбины позволяет достичь заявленного результата за счет того, что входящая струя рабочего тела подается на лопатки рабочего колеса, выполненные вогнутыми в виде полукольца, за счет этого вошедшая струя разворачивается в лопатке рабочего колеса и выходит под углом ≈180° относительно входного угла и входит на вогнутую поверхность лопатки соплового аппарата, которая, имея форму полукольца, разворачивает ее на ≈180° относительно входного угла и развернутая струя попадает на следующую лопатку рабочего колеса, таким образом, кинетическая энергия входящей струи рабочего тела используется несколько раз, в результате снижаются выходные потери.

В частном случае исполнения когда сопловой аппарат имеет группу лопаток (фиг. 2, 3, 4), описанный выше процесс разворачивания струи в лопатках повторяется многократно, пока струя не пройдет все лопатки из группы лопаток соплового аппарата (фиг. 3) или не потеряет всю кинетическую энергию. Таким образом, кинетическая энергия входящей струи рабочего тела используется несколько раз, в результате снижаются выходные потери. Следует заметить, что описанный выше принцип многократного использования входящей струи применяется и используется во всех заявленных вариантах исполнения заявленной радиальной турбины.

Конструкция и способ работы заявленной турбины позволяет использовать в качестве рабочего тела пар, газ, жидкости и другие среды, находящиеся под давлением.

В частном случае осуществления заявленного способа входящая струя рабочего тела (4) (фиг. 3, 5, 6, 7) подается на лопатки рабочего колеса под углом в диапазоне 10-45° к плоскости касательной к цилиндрической поверхности рабочего колеса (1) (фиг. 3, 5, 6, 7). Следует заметить, что при таком диапазоне входящего угла способ позволяет достичь максимального технического результата.

Следует заметить, что сопловой аппарат может иметь в частных случаях исполнения несколько сопел с лопаткой или группами лопаток, так же их расположение по окружности может быть не равномерным или равномерным фиг.1.

Заявленная радиальная турбина во всех вариантах исполнения имеет как минимум один неподвижный сопловой аппарат, как минимум с одним соплом и как минимум с одной вогнутой лопаткой в виде полукольца (фиг. 4-7) и имеет рабочее колесо с вогнутыми лопатками в виде полукольца (фиг. 3, 4).

Следует заметить, что в частном случае исполнения лопатка (2.1) (фиг. 5) или группа лопаток (2.1) соплового аппарата расположена(ы) после сопла (фиг. 3, 4, 5).

В другом частном случае исполнения лопатка (2.1) или начальная лопатка из группы лопаток (2.1) соплового аппарата может быть сопряжена с выходной частью сопла (3.1) (фиг. 6).

Следует заметить, что сопло (3) по ширине может быть меньше ширины лопатки (2.1), а также может быть расположено по центру продольной оси или со смещением в любую сторону (фиг. 7).

В варианте 2 исполнения заявленной турбины лопатки (1.1) на рабочем колесе (1) расположены на торцевой поверхности (фиг.2, 3), а сопловой аппарат (2) имеет минимум одну лопатку с соплом (2.1) (фиг. 5-7) или минимум одну группу лопаток (2.1) (фиг. 2-4) с соплом (3), расположенную на внутренней поверхности, обращенной к торцевой поверхности рабочего колеса (1) с лопатками (1.1) (фиг. 2-7).

В варианте 3 исполнения заявленной турбины лопатки на рабочем колесе расположены на одной из боковых поверхностей, а сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом, расположенную на поверхности, обращенной к одной из боковых поверхностей рабочего колеса с лопатками.

В варианте 4 исполнения заявленной турбины лопатки на рабочем колесе расположены на обеих боковых поверхностях, и турбина имеет два сопловых аппарата, которые каждый имеют минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на поверхности, обращенной к боковой поверхности рабочего колеса с лопатками, то есть один сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на поверхности, обращенной к одной боковой поверхности рабочего колеса с лопатками, а второй сопловой аппарат - к другой боковой поверхности рабочего колеса с лопатками.

В варианте 5 исполнения заявленной турбины лопатки на рабочем колесе расположены на торцевой поверхности и как минимум на одной боковой поверхности и турбина имеет два сопловых аппарата, которые имеют каждый минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на поверхностях, обращенных к поверхностям рабочего колеса с лопатками, а именно один сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на внутренней поверхности, обращенной к торцевой поверхности рабочего колеса с лопатками, а второй сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на внутренней поверхности, обращенной к боковой поверхности рабочего колеса с лопатками.

В варианте 6 исполнения заявленная турбина имеет лопатки на рабочем колесе, расположенные на торцевой поверхности и на обеих боковых поверхностях, и имеет три сопловых аппарата с лопатками и соплами на поверхностях, обращенных к поверхностям рабочего колеса с лопатками, а именно один сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом, расположенную на внутренней поверхности, обращенной к торцевой поверхности рабочего колеса с лопатками, второй сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на поверхности, обращенной к одной боковой поверхности рабочего колеса с лопатками, а третий сопловой аппарат - к другой боковой поверхности рабочего колеса с лопатками.

В частном случае исполнения сопла для подачи рабочего тела во всех вариантах заявленной радиальной турбины могут быть выполнены под углом 10-45° к плоскости касательной к цилиндрической поверхности колеса.

В частном случае исполнения сопла для подачи рабочего тела во всех вариантах заявленной радиальной турбины могут быть выполнены в виде сужающихся отверстий.

Кроме того, в частном случае исполнения сопловой аппарат может иметь полость (2.2) фиг. 2 для выхода отработавшего рабочего тела.

В результате заявленная радиальная турбина имеет простую конструкцию, за счет которой осуществляется способ ее работы, а именно струя входящего потока рабочего тела отдает свою кинетическую энергию несколько раз, за счет чего снижаются выходные потери и соответственно увеличивается КПД, что позволяет даже при незначительном действии силы реакции выходящей струи выдавать эффективное вращательное движение на валу.

Следует заметить, что в описании заявленного решения и на фигурах приведен принцип работы на примере отдельно взятой входящей струи рабочего тела, для понимания сущности работы.

В реальной работе заявленной турбины происходит наложение множества входящих струй друг на друга, образующихся в процессе работы, а также остаточных частей струй.

Следует заметить, что все изображения, приведенные на фигурах в приложении, имеют схематичный характер и носят поясняющий характер, в реальном исполнении заявленная радиальная турбина и ее элементы, как в размерном, так и внешнем исполнении, а также их наличие и отсутствие, могут отличаться от приведенных на фигурах.

Краткое описание чертежей:

фиг. 1 - схематичное изображение заявленной радиальной турбины, общий вид, частный случай;

фиг. 2 - схематичное изображение части заявленной радиальной турбины с группой лопаток, вид спереди с местным разрезом, частный случай;

фиг. 3 - схематичное изображение части заявленной радиальной турбины выносного элемента А фиг. 2 с изображением движения входящего потока;

фиг. 4 - схематичное объемное изображение части заявленной радиальной турбины выносного элемента А фиг. 2;

фиг. 5 - схематичное изображение части заявленной радиальной турбины с одной лопаткой в разрезе, частный случай;

фиг. 6 - схематичное изображение части заявленной радиальной турбины с одной лопаткой, сопряженной с выходной частью сопла в разрезе в случае, когда лопатка по ширине не равна ширине выходной части сопла и смещена в сторону;

фиг. 7 - схематичное изображение части заявленной радиальной турбины с одной лопаткой, сопряженной с выходной частью сопла в разрезе в случае, когда лопатка по ширине равна ширине выходной части сопла;

Краткое описание конструктивных элементов:

1 - рабочее колесо;

1.1 - лопатка рабочего колеса;

2 - сопловой аппарат;

2.1 - лопатка соплового аппарата;

2.2 - полость выхода отработавшего рабочего тела;

3 - сопло;

3.1 - выходная часть сопла;

4 - входящий поток;

4.1 - часть входящего потока на выходе из сопла;

4.2 - часть входящего потока, развернутая в лопатке рабочего колеса;

4.3 - часть входящего потока, развернутая в лопатке соплового аппарата.

Принцип работы.

Заявленная радиальная турбина (фиг. 1-7) имеет рабочее колесо (1) с вогнутыми лопатками (1.1) в виде полукольца, расположенными на торцевой поверхности (фиг. 2-7) и/или на одной боковой, и/или на обеих боковых поверхностях и имеет неподвижный один, и/или два, и/или три сопловых аппарата (2) с минимум одной лопаткой (2.1) с соплом (3) (фиг. 5-7) или минимум одной группой лопаток (2.1) (фиг. 2-4), вогнутыми в виде полукольца, расположенными на внутренней поверхности, обращенной к поверхности рабочего колеса с лопатками.

Входящая струя рабочего тела (4) (4.1) (фиг. 3, 6), проходя через сопло (3), подается на ближайшую лопатку (1.1) рабочего колеса (1) и передает кинетическую энергию рабочему колесу (1). За счет того, что рабочая поверхность лопатки (1.1) (фиг. 3, 4) рабочего колеса (1) выполнена вогнутой в виде полукольца, вошедшая струя разворачивается (4.2) в ней и выходит под углом ≈180° относительно входного угла и попадает на лопатку (2.1) соплового аппарата (2), которая, имея форму полукольца фиг. 4, разворачивает струю (4.3) на ≈180° относительно входного угла и она попадает на подошедшую по ходу рабочего колеса лопатку (1.1) рабочего колеса (1). В случае когда сопловый аппарат имеет минимум одну группу лопаток с соплом, процесс повторяется, пока струя не пройдет все лопатки (2.1) соплового аппарата из группы.

В частном случае исполнения отработавшее рабочее тело выходит через полость (2.2) в сопловом аппарате.

Также, в частном случае исполнения, когда сопла для подачи рабочего тела во всех вариантах заявленной радиальной турбины выполнены под углом 10-45°, к плоскости касательной к цилиндрической поверхности колеса подают струи рабочего тела под углом в диапазоне 10-45°.

1. Способ работы радиальной турбины, включающий подачу входящей струи рабочего тела на лопатки рабочего колеса через сопловой аппарат, отличающийся тем, что входящая струя разворачивается по вогнутой в виде полукольца поверхности лопатки рабочего колеса и выходит под углом ≈180° относительно входного угла и входит на вогнутую поверхность лопатки соплового аппарата в форме полукольца и разворачивается на ≈180° относительно входного угла, далее струя попадает на следующую лопатку рабочего колеса.

2. Способ работы радиальной турбины по п. 1, отличающийся тем, что входящую струю рабочего тела подают на лопатки рабочего колеса под углом в диапазоне 10-45° к плоскости касательной к цилиндрической поверхности рабочего колеса.

3. Способ работы радиальной турбины по п. 1, отличающийся тем, что процесс разворачивания струи в лопатках повторяется несколько раз.

4. Радиальная турбина, содержащая рабочее колесо с лопатками и как минимум один неподвижный сопловой аппарат как минимум с одним соплом, отличающаяся тем, что сопловой аппарат имеет вогнутую в виде полукольца минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом, а также лопатки рабочего колеса вогнутые и имеют форму в виде полукольца.

5. Радиальная турбина по п. 4, отличающаяся тем, что лопатки на рабочем колесе расположены на торцевой поверхности, а сопловой аппарат имеет как минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом, расположенные на внутренней поверхности, обращенной к торцевой поверхности рабочего колеса с лопатками.

6. Радиальная турбина по п. 4, отличающаяся тем, что лопатки на рабочем колесе расположены на одной из боковой поверхности, а сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом, расположенную на поверхности, обращенной к боковой поверхности рабочего колеса с лопатками.

7. Радиальная турбина по п. 4, отличающаяся тем, что лопатки на рабочем колесе расположены на обеих боковых поверхностях и турбина имеет два сопловых аппарата, один из которых имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на поверхности, обращенной к одной боковой поверхности рабочего колеса с лопатками, а второй сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на поверхности, обращенной к другой боковой поверхности рабочего колеса с лопатками.

8. Радиальная турбина по п. 4, отличающаяся тем, что лопатки на рабочем колесе расположены на торцевой поверхности и как минимум на одной боковой поверхности и турбина имеет два сопловых аппарата, один сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на внутренней поверхности, обращенной к торцевой поверхности рабочего колеса с лопатками, а второй сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на внутренней поверхности, обращенной к боковой поверхности рабочего колеса с лопатками.

9. Радиальная турбина по п. 4, отличающаяся тем, что лопатки на рабочем колесе расположены на торцевой поверхности и на обеих боковых поверхностях и турбина имеет три сопловых аппарата с лопатками и соплами на поверхностях, обращенных к поверхностям рабочего колеса с лопатками, а именно один сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом, расположенную на внутренней поверхности, обращенной к торцевой поверхности рабочего колеса с лопатками, второй сопловой аппарат имеет минимум одну лопатку с соплом или минимум одну группу лопаток с соплом на поверхности, обращенной к одной боковой поверхности рабочего колеса с лопатками, а третий сопловой аппарат на поверхности обращенной к другой боковой поверхности рабочего колеса с лопатками.

10. Радиальная турбина по любому из пп. 4-9, отличающаяся тем, что сопла для подачи рабочего тела выполнены под углом 10-45° к плоскости, касательной к цилиндрической поверхности колеса.

11. Радиальная турбина по любому из пп. 4-9, отличающаяся тем, что сопла для подачи рабочего тела во всех вариантах заявленной радиальной турбины могут быть выполнены в виде сужающихся отверстий.

12. Радиальная турбина по любому из пп. 4-9, отличающаяся тем, что сопловой аппарат может иметь полость для отработавшего рабочего тела.

13. Радиальная турбина по любому из пп. 4-9, отличающаяся тем, что сопловой аппарат имеет несколько сопел с группами лопаток, расположенными равномерно или неравномерно по всей окружности.

14. Радиальная турбина по любому из пп. 4-9, отличающаяся тем, что выходная часть сопла сопряжена с лопаткой или с крайней начальной лопаткой из группы лопаток соплового аппарата.

15. Радиальная турбина по п. 14, отличающаяся тем, что сопряженная с выходной частью сопла лопатка по ширине не равна выходной части сопла.