Винтовая турбина

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, а именно к газовым турбинам малых размеров (микротурбинам), и может использоваться как составная часть газотурбинных двигателей, газотурбинных установок, парогазовых установок, а также в качестве малогабаритного высокооборотного пневмодвигателя. В корпусе турбины, включающей камеру высокого давления, направляющее устройство и камеру низкого давления, на подшипниках установлен многозаходный винт. Корпус выполнен в виде установленной с радиальным зазором относительно винта втулки, на внутренней поверхности которой выполнены либо винтовые канавки противоположного с винтом направления, либо кольцевые канавки, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления. Задачей изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления винтовой турбины, а также повышение ее коэффициента полезного действия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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.

1. Винтовая турбина, содержащая неподвижный корпус с установленным в нем на подшипниках многозаходным винтом, камеру высокого давления на входе, направляющее устройство и камеру низкого давления на выходе, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде установленной с радиальным зазором относительно винта втулки, снабженной канавками на ее внутренней поверхности.

2. Винтовая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что канавки во втулке выполнены в виде многозаходной внутренней резьбы, направление которой противоположно направлению наружной многозаходной резьбы винта.

3. Винтовая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что во втулке выполнены кольцевые канавки, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления.

4. Винтовая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что профили канавок винта и втулки в нормальном сечении имеют форму полуокружностей с радиусом, равным глубине канавок.



 

Похожие патенты:

Турбинный двигатель содержит компрессор и промежуточный корпус, установленный ниже по потоку от компрессора. Компрессор содержит внутренний и внешний роторы, подшипник качения и трансмиссию между роторами.

Область использования: теплоэнергетика. Теплофикационная паротурбинная установка ТПТУ содержит теплофикационную паровую турбину ТПТ 10, обогреваемую отборным паром указанной турбины тепловую сеть, оборудованную сетевым насосом СН 70; конденсатор К 20 выхлопного пара турбины, оборудованный установленным на линии 30 возврата основного конденсата в теплофикационный цикл конденсатным насосом КН 40; последовательно включенные по охлаждающей стороне поверхностный охладитель ПОЭ 90 для конденсации выхлопного пара парового эжектора ЭЖ 80, создающего вакуум в указанном конденсаторе, и поверхностный охладитель ПОУ 100 для конденсации пара из концевых уплотнений турбины; включаемую при высоких теплофикационных нагрузках для поддержания уровня воды в К 20 линию 300 рециркуляции отводимой к указанным охладителям части основного конденсата после его нагрева в них; установленный на отводной линии 200 от ПОУ 100 переключатель ПП 400 потока охлаждающей среды для ее подачи в зависимости от выбранного режима работы установки в указанные линии 30 или 300.

Настоящее изобретение относится к способам проектирования и изготовления ротора, который является как турбиной, так и рабочим колесом, имеющим лопатки, которые являются полыми по всей длине и ведут в периферийные кольцевые камеры, действующие в качестве двигателя (THRA), который может получать энергию с помощью рабочих сред.

Изобретение относится к системе охлаждения двигателя. Предложены способы и системы для улучшения оценки уровня хладагента двигателя с целью снижения перегрева двигателя.

Тепловой экран статора для газовой турбины содержит проточный канал горячих газов, первую поверхность, выполненную с возможностью расположения обращенной к проточному каналу горячих газов газовой турбины, вторую поверхность, противоположную первой поверхности, каналы охлаждения, предназначенные для направления охлаждающей текучей среды от второй поверхности к первой поверхности, полости, расположенные на первой поверхности, для приема охлаждающей текучей среды по меньшей мере из части каналов охлаждения.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмомоторным колесам. Пневмомоторное колесо производит энергию сжатого воздуха и двигает транспортное средство энергией сжатого воздуха.

Изобретение относится к гидромашиностроению, а именно к роторному мотору. Мотор содержит корпус 1, ротор 2, входной и выходной распределители 4 и 5, входной и выходной патрубки 6 и 7, подшипники.

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и авиационному двигателестроению и может быть использовано в технических объектах, где в качестве источника энергии целесообразно использовать высокотемпературную высокооборотную центростремительную турбину с низким объемным расходом рабочего тела, включая турбокомпрессоры для наддува двигателей внутреннего сгорания и микроэнергетику.

Группа изобретений относится к погружным насосным системам и, в частности, к погружным многоступенчатым центробежным насосным устройствам. Технический результат – усовершенствование погружных центробежных насосных устройств.

Детандерный агрегат для рабочей среды, применяемой в замкнутом цикле использующего отходящее тепло агрегата, работающего с использованием цикла Ранкина, включает соединенное с генератором тока детандерное устройство, впускной и выпускной патрубки, а также систему трубопроводов.

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, а именно к газовым турбинам малых размеров, и может использоваться как составная часть газотурбинных двигателей, газотурбинных установок, парогазовых установок, а также в качестве малогабаритного высокооборотного пневмодвигателя. В корпусе турбины, включающей камеру высокого давления, направляющее устройство и камеру низкого давления, на подшипниках установлен многозаходный винт. Корпус выполнен в виде установленной с радиальным зазором относительно винта втулки, на внутренней поверхности которой выполнены либо винтовые канавки противоположного с винтом направления, либо кольцевые канавки, глубина которых увеличивается в направлении камеры низкого давления. Задачей изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления винтовой турбины, а также повышение ее коэффициента полезного действия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх