RU2673431C2 - Method for producing mechanical energy, single-flow and double-flow reactive turbines and turbo-reactive installation therefor - Google Patents
Method for producing mechanical energy, single-flow and double-flow reactive turbines and turbo-reactive installation therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2673431C2 RU2673431C2 RU2013136499A RU2013136499A RU2673431C2 RU 2673431 C2 RU2673431 C2 RU 2673431C2 RU 2013136499 A RU2013136499 A RU 2013136499A RU 2013136499 A RU2013136499 A RU 2013136499A RU 2673431 C2 RU2673431 C2 RU 2673431C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flow
- working fluid
- centrifugal
- jet
- threaded
- Prior art date
Links
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 114
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 17
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 16
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 12
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
- F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
- F01D1/06—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially radially
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
- F01D1/32—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with pressure velocity transformation exclusively in rotor, e.g. the rotor rotating under the influence of jets issuing from the rotor, e.g. Heron turbines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
- F01D15/08—Adaptations for driving, or combinations with, pumps
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2210/00—Working fluids
- F05D2210/40—Flow geometry or direction
- F05D2210/42—Axial inlet and radial outlet
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневматическим, газовым и паровым турбинам для привода электрогенераторов, двигательных установок, компрессоров холодильных установок, тепловых насосов.The invention relates to mechanical engineering, namely to pneumatic, gas and steam turbines for driving electric generators, propulsion systems, compressors of refrigeration units, heat pumps.
Известна турбина (патент на полезную модель №99540, F01D 1/32, 20.11.2010), содержащая ротор 3 с соплами 5, расположенными равномерно по окружности на периферии, статор 2 с лопатками 6, а так же нагнетатель 10 на входе в корпус 1 турбины, за счет которых должна повышаться эффективность турбины по коэффициенту полезного действия (КПД).A known turbine (patent for utility model No. 99540,
Основным недостатком данной турбины является низкий КПД, обусловленный существенными потерями давления, как во входящем в турбину потоке рабочего тела, из-за сложной и неоптимальной конфигурации ее проточного тракта на участке, включающем вход, выход и каналы центробежного нагнетателя 10, каналы с лопатками стационарного направляющего аппарата 14, каналы с лопатками вращающегося направляющего аппарата 12, и не способного обеспечить необходимую степень сжатия рабочего тела в полости 4 ротора 3, так и в истекающем из турбины потоке рабочего тела из-за упрощенной и неоптимальной конфигурации сопел 5, выполненных сужающимися, звуковыми, в виде конфузоров, и не способных обеспечить сверхзвуковую скорость истечения рабочего тела из турбины.The main disadvantage of this turbine is its low efficiency, due to significant pressure losses, as in the flow of the working fluid entering the turbine, due to the complex and suboptimal configuration of its flow path in the section including the inlet, outlet and channels of the
Поток рабочего тела, при входе в турбину, обтекает вращающуюся наружную поверхность нагнетателя 10, претерпевая при этом изменение направления своего движения на угол, близкий к 180°, что приводит к значительной потере давления в потоке, как из-за вращающейся в нем наружной поверхности нагнетателя 10, так и из-за изменения направления его движения. Из нагнетателя 10 поток рабочего тела выходит не радиально, а вдоль оси вращения нагнетателя 10, что так же существенно снижает степень сжатия в нем потока рабочего тела. Лопатки стационарного направляющего аппарата 14 и лопатки вращающегося направляющего аппарата 12 так же способствуют потере давления в потоке рабочего тела. В результате этого, степень сжатия потока рабочего тела в турбине, с учетом относительно небольшого диаметра нагнетателя 10, едва ли достигнет значения 3, которое само по себе является граничным и недостаточным для повышения эффективности турбины. Из описания патента, очевидно, что сжатию потока рабочего тела в данной турбине не придается должной значимости. В противном случае турбина могла быть эффективнее.The flow of the working fluid, at the entrance to the turbine, flows around the rotating outer surface of the
Теория, а так же отечественная и мировая практика показывают, что наивысшую эффективность преобразования потенциальной энергии давления газообразного рабочего тела в его кинетическую энергию истечения обеспечивает сверхзвуковое реактивное сопло (например, сопло Лаваля), которое позволяют практически полностью реализовать весь перепад давления в истекающем потоке рабочего тела. Поэтому упрощенная и неоптимальная конфигурация плоских сужающихся звуковых сопел 5, выполненных в виде конфузоров, не позволяет обеспечить высокую эффективность работы турбины, так как в момент достижения потоком рабочего тела звуковой скорости, он истекает из критического сечения сопла 5, покидая турбину с достаточно большим давлением внутри потока. Потеря давления, а значит и выходного импульса струи рабочего тела, в этом случае может достигать порядка 30-35%..The theory, as well as domestic and world practice, shows that the highest efficiency of converting the potential pressure energy of a gaseous working fluid into its kinetic energy of flow is provided by a supersonic jet nozzle (for example, a Laval nozzle), which allows almost completely to realize the whole pressure drop in the flowing out flow of the working fluid . Therefore, the simplified and non-optimal configuration of flat tapering
Дополнительными недостатками данной турбины являются: сложность изготовления ротора 3 с соплами 5, а так же большие металлоемкость и массогабаритные характеристик турбины в целом.Additional disadvantages of this turbine are: the complexity of manufacturing a
Наиболее близкими, к заявляемым, являются способ получения механической энергии в турбине и турбина для его реализации (патент РФ №2200848, F01D 1/32, 11.03.2002).Closest to the claimed are a method of producing mechanical energy in a turbine and a turbine for its implementation (RF patent No. 2200848,
Известный способ получения механической энергии в турбине содержащей сегнерово колесо, включает в себя подачу рабочего тела в каналы ротора турбины и разгон рабочего тела при истечении из каналов в одном направлении, перпендикулярном радиусу ротора, с обеспечением вращения ротора. Рабочее тело из каналов ротора подают в образованное оболочкой пространство вокруг ротора. Рабочее тело взаимодействует с трением с оболочкой, и истекает через отверстия в оболочке, разгоняясь в одном направлении с обеспечением ее вращения. Образованное оболочкой пространство вокруг ротора выполнено закрытым, по радиусу окружности вдоль выходных отверстий каналов ротора. Истекающее через отверстия в оболочке рабочее тело разгоняется вдоль окружности, перпендикулярно радиусу оболочки, в направлении, противоположном истечению из ротора. Этот патент принят в качестве ближайшего аналога и прототипа.A known method of obtaining mechanical energy in a turbine containing a Segner wheel includes feeding the working fluid into the channels of the turbine rotor and accelerating the working fluid when it flows out of the channels in one direction perpendicular to the radius of the rotor, while ensuring rotor rotation. The working fluid from the channels of the rotor is fed into the space formed around the rotor by the shell. The working fluid interacts with friction with the shell, and expires through holes in the shell, accelerating in one direction to ensure its rotation. The space around the rotor formed by the shell is closed, along the radius of the circumference along the outlet openings of the rotor channels. The working fluid flowing through the openings in the shell accelerates along the circumference, perpendicular to the radius of the shell, in the direction opposite to the outflow from the rotor. This patent is accepted as the closest analogue and prototype.
В известной турбине, содержащей сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения, на трубе радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с отогнутыми в противоположные стороны от их оси открытыми концами, причем оси отогнутых открытых концов патрубков перпендикулярны плоскости, проходящей через оси патрубков и ось трубы, а в стенке трубы соответственно патрубкам выполнены отверстия, оболочку, скрепленную соосно с валом, установленным с возможностью вращения, и охватывающую сегнерово колесо, охватывающий сегнерово колесо и оболочку корпус с отверстиями для размещения трубы сегнерова колеса и валов сегнерова колеса и оболочки со штуцером для выхода рабочего тела, оболочка выполнена в виде цилиндрического барабана, цилиндрический поясок барабана примыкает к отогнутым концам патрубков сегнерова колеса с зазором, на цилиндрическом пояске барабана радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с открытыми концами, отогнутыми в разные стороны от их оси, противоположные сторонам патрубков сегнерова колеса, причем оси отогнутых открытых концов патрубков барабана перпендикулярны плоскости, проходящей через оси патрубков барабана и ось трубы, а в стенке пояска соответственно патрубкам выполнены отверстия.In a known turbine comprising a Segner wheel made in the form of a pipe with a closed end, mounted coaxially with a shaft mounted for rotation, at least one pair of nozzles with open bent in opposite directions from their axis radially mounted on the pipe from opposite sides ends, and the axes of the bent open ends of the nozzles are perpendicular to the plane passing through the axis of the nozzles and the axis of the pipe, and holes are made in the wall of the pipe, respectively, of the pipe, a shell fixed coaxially with the shaft, rotationally mounted, and enclosing a segner wheel, covering a segner wheel and a housing casing with holes for accommodating a pipe of a segner wheel and shafts of a segner wheel and a shell with a fitting for the outlet of the working fluid, the shell is made in the form of a cylindrical drum, the cylindrical belt of the drum adjoins the bent ends at least one pair of nozzles with open ends, secured on the cylindrical belt of the drum radially mounted on opposite sides of the nozzles of the Segner wheel opposite to the sides of the nozzles of the Segner wheel, which are bent away from their axis, the axes of the bent open ends of the drum nozzles are perpendicular to the plane passing through the axis of the drum nozzles and the pipe axis, and holes are made in the wall of the girdle, respectively.
Недостатком известного способа и турбины, реализующей данный способ, является низкая эффективность получения механической энергии. Очевидно, что конструкция представленной турбины, в силу ряда причин, не способствует реализации в патрубках 3 сегнерова колеса с открытыми концами 4, и в патрубках 8 цилиндрического барабана 5 с открытыми концами 9 больших расходов, больших перепадов давления, больших скоростей истечения рабочего тела, и, как следствие - высокой эффективности получения механической энергии.The disadvantage of this method and the turbine that implements this method is the low efficiency of obtaining mechanical energy. It is obvious that the design of the presented turbine, for several reasons, does not contribute to the implementation in the
Во-первых, для эффективного истечения рабочего тела из внутренней полости барабана 5 через патрубки 8, давление во внутренней полости барабана 5 должно быть достаточно высоким. Однако, достаточно высокое давление во внутренней полости барабана 5 не позволяет получить эффективного истечения рабочего тела в полость барабана 5 из патрубков 3. Очевидно, что наличие барабана 5 в конструкции турбины является, не оправдано излишним, так как приводит к существенному снижению эффективности получения механической энергии в турбине, а так же существенно увеличивает массогабаритные характеристики турбины в целом.Firstly, for the effective flow of the working fluid from the inner cavity of the
Во-вторых, роль или вклад силы трения рабочего тела о внутренние стенки барабана 5 в данном способе получения механической энергии будет не значительным, так как толщина и масса «пограничного слоя» рабочего тела, участвующая в этом процессе будет составлять слишком малую часть от общего расхода рабочего тела через патрубки 3.Secondly, the role or contribution of the friction force of the working fluid against the inner walls of the
В-третьих, при вращении барабана 5, на рабочее тело не будут воздействовать центробежные силы, создающие центробежное давление, под действием которого должно происходить истечение рабочего тела из открытых концов 9 барабана 5, создающее добавочный момент вращения, суммирующийся с моментом трения, так как незначительная часть массы рабочего тела, находящегося во внутренней полости барабана 5, в виде тонкого «пограничного слоя», прилегающего к внутренней стенке барабана 5 будет вращаться вместе с ним в одном направлении, а остальная масса этого рабочего тела вихревыми потоками, создаваемыми сегнеровым колесом, будет вовлечена во вращение в противоположную сторону. Причем скорость этой массы рабочего тела зависит от расстояния до центра вращения барабана 5. Получается, что внутри барабана 5, между двумя вращающимися в противоположных направлениях, слоями рабочего тела существует третий слой, в котором рабочее тело практически неподвижно. Учитывая это, а так же и то, что общая масса рабочего тела, находящегося во внутренней полости барабана 5 является не значительной, говорить о сколь ни будь существенной роли центробежных сил, способствующих повышению эффективности турбины, в данном случае не корректно. Более того, нестационарный, прерывистый характер течения рабочего тела на входе в патрубки 8, обусловленный минимальным зазором между сегнеровым колесом и входом в патрубок 8, и частотой вращения сегнерова колеса, способствует уменьшению эффективности истечения рабочего тела через патрубки 8, что снижает величину импульса реактивной силы, следовательно, и коэффициента полезного действия турбины.Thirdly, when the
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности получения механической энергии в однопоточной и двухпоточной реактивной турбине, и в турбореактивной установке, выполненной на их основе, при неоптимальных параметрах рабочего тела перед реактивной турбиной, путем изменения термодинамического цикла их работы, с увеличением мощности, коэффициента полезного действия, а также снижение их массогабаритных характеристик при заданной потребной мощности.The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of obtaining mechanical energy in a single-flow and dual-flow jet turbine, and in a turbojet installation made on their basis, with non-optimal parameters of the working fluid in front of the jet turbine, by changing the thermodynamic cycle of their work, with an increase in power, efficiency , as well as a decrease in their overall dimensions at a given required power.
Технический результат изобретения достигается тем, что способ получения механической энергии в реактивной турбине, включает подачу рабочего тела в каналы однопоточного или двухпоточного центробежного рабочего колеса, в котором осуществляют его сжатие, при этом реактивная турбина начинает работать при недостаточном для ее запуска и выхода на штатный режим работы, начальном давлении рабочего тела с помощью принудительного вращения вала центробежного рабочего колеса, а с увеличением скорости вращения центробежного рабочего колеса до значений близких к расчетным рабочее тело сжимают за счет совокупности, как воздействующих центробежных каналов, так и центробежных сил, полученное сжатое рабочее тело с высокими значениями скорости, температуры и давления поступает во внутреннюю полость торообразного коллектора, где затормаживается, при этом осуществляется интенсивное турбулентное перемешивание массы рабочего тела во всем объеме полости коллектора, с выравниванием градиентов плотности, температуры, давления и скорости с уменьшением скорости потока и повышением в нем давления до максимально возможного значения, а именно до давления заторможенного потока, под действием которого, рабочее тело разгоняется в сверхзвуковых реактивных соплах, и истекает из них в окружающее пространство со сверхзвуковой скоростью, создавая при этом импульс реактивной силы, обеспечивающий вращение центробежного рабочего колеса однопоточной или двухпоточной реактивной турбины.The technical result of the invention is achieved by the fact that the method of producing mechanical energy in a jet turbine comprises supplying a working fluid to the channels of a single-threaded or double-threaded centrifugal impeller, in which it is compressed, while the jet turbine starts to work when there is insufficient to start it and go to normal operation work, the initial pressure of the working fluid using forced rotation of the shaft of the centrifugal impeller, and with an increase in the speed of rotation of the centrifugal impeller to close to the calculated ones, the working fluid is compressed due to the combination of both acting centrifugal channels and centrifugal forces, the resulting compressed working fluid with high values of speed, temperature and pressure enters the internal cavity of the toroidal collector, where it is braked, while intensive turbulent mixing of the mass is carried out the working fluid in the entire volume of the reservoir cavity, with the equalization of the gradients of density, temperature, pressure and velocity with a decrease in the flow velocity and an increase in pressure to the maximum possible value, namely, to the pressure of the inhibited flow, under the action of which, the working fluid accelerates in supersonic jet nozzles and flows out of them into the surrounding space at supersonic speed, creating a reactive impulse that provides rotation of a centrifugal impeller of a single-flow or dual-flow jet turbine.
Принудительное начальное вращение вала центробежного рабочего колеса осуществляют с помощью механического или электромеханического привода.Forced initial rotation of the shaft of a centrifugal impeller is carried out using a mechanical or electromechanical drive.
Технический результат изобретения достигается также тем, что однопоточная реактивная турбина, содержит однопоточное центробежное рабочее колесо с каналами, установленное на валу, в котором осуществляется сжатие поступающего в него рабочего тела, при этом центробежное рабочее колесо выполнено с лопатками, по верхней боковой кромке закрытые обечайкой, с образованием центробежных каналов и содержит полый торообразный коллектор с отверстием по периметру его внутреннего диаметра, ширина которого не меньше высоты лопаток в выходном сечении центробежных каналов однопоточного центробежного рабочего колеса, жестко и с обеспечением герметичности прикрепленный к однопоточному центробежному рабочему колесу так, что выходные отверстия центробежных каналов открыты во внутреннюю полость торообразного коллектора, при этом по периметру внешнего диаметра торообразного коллектора выполнены отверстия, в которые установлены сверхзвуковые реактивные сопла, при этом торообразный коллектор снабжен перегородками, перекрывающими его в поперечном сечении, жестко закрепленными вблизи начала входного участка каждого реактивного сопла.The technical result of the invention is also achieved by the fact that the single-threaded jet turbine contains a single-threaded centrifugal impeller with channels mounted on the shaft, in which the incoming working fluid is compressed, while the centrifugal impeller is made with blades, closed on the upper side edge, with the formation of centrifugal channels and contains a hollow toroidal collector with a hole around the perimeter of its inner diameter, the width of which is not less than the height of the blades in the output section and centrifugal channels of a single-threaded centrifugal impeller, rigidly and ensuring tightness, attached to a single-threaded centrifugal impeller so that the outlet openings of the centrifugal channels are open into the internal cavity of the toroidal collector, while holes along which the supersonic jet nozzles are installed along the perimeter of the outer diameter of the toroidal collector while the toroidal collector is equipped with partitions overlapping it in cross section, rigidly fixed near and the start input portion of each nozzle.
Центробежное рабочее колесо реактивной турбины может быть выполнено в виде рабочего колеса однопоточного центробежного компрессора.The centrifugal impeller of a jet turbine can be made in the form of an impeller of a single-flow centrifugal compressor.
Лопатки однопоточного центробежного рабочего колеса могут быть выполнены радиальными.The blades of a single-threaded centrifugal impeller can be made radial.
Лопатки однопоточного центробежного рабочего колеса могут быть выполнены профилированными, с углом наклона профиля на выходе, направленным против его вращения.The blades of a single-threaded centrifugal impeller can be profiled, with the angle of inclination of the profile at the outlet, directed against its rotation.
В частных случаях реализации, торообразный коллектор может быть выполнен заодно целое с входными участками реактивных сопел.In special cases of implementation, the toroidal collector can be integral with the inlet sections of the jet nozzles.
Сверхзвуковые реактивные сопла могут быть установлены в торообразный коллектор реактивной турбины тангенциально, в плоскости, перпендикулярной оси вращения однопоточного центробежного рабочего колеса.Supersonic jet nozzles can be installed in a toroidal manifold of a jet turbine tangentially, in a plane perpendicular to the axis of rotation of a single-flow centrifugal impeller.
В частных случаях реализации, сверхзвуковые реактивные сопла могут быть установлены в торообразный коллектор тангенциально, при этом, часть сверхзвуковых реактивных сопел устанавливают в плоскости, перпендикулярной оси вращения однопоточного центробежного рабочего колеса, а другую часть сверхзвуковых реактивных сопел устанавливают под углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения однопоточного центробежного рабочего колеса.In special cases of implementation, supersonic jet nozzles can be installed tangentially into the toroidal collector, while part of the supersonic jet nozzles are installed in a plane perpendicular to the axis of rotation of the single-flow centrifugal impeller, and the other part of supersonic jet nozzles are installed at an angle to the plane perpendicular to the axis of rotation single-flow centrifugal impeller.
Сверхзвуковые реактивные сопла могут быть выполнены с удлиненным входным участком, при этом на удлиненном входном участке реактивного сопла выполняют боковой срез, обеспечивающий поступление через него рабочего тела.Ultrasonic jet nozzles can be made with an elongated inlet section, while a lateral cut is performed on the elongated inlet section of the jet nozzle, which ensures that the working fluid flows through it.
Для повышения величины импульса реактивной силы, передаваемого от сверхзвукового реактивного сопла к однопоточному центробежному рабочему колесу, реактивные сопла со стороны начала входного участка могут иметь жестко закрепленное днище, выполненное с размерами, соответствующими размерам поперечного сечения торообразного коллектора.To increase the magnitude of the reactive force impulse transmitted from the supersonic jet nozzle to the single-flow centrifugal impeller, the jet nozzles from the beginning of the inlet section may have a rigidly fixed bottom made with dimensions corresponding to the dimensions of the cross section of the toroidal collector.
Для повышения эффективности работы каждого сверхзвукового реактивного сопла, их количество, преимущественно, не превышает числа центробежных каналов однопоточного центробежного рабочего колеса.To increase the efficiency of each supersonic jet nozzle, their number, mainly, does not exceed the number of centrifugal channels of a single-flow centrifugal impeller.
Указанный технический результат также достигается тем, что двухпоточная реактивная турбина, содержит установленное на валу центробежное рабочее колесо с лопатками, в котором осуществляется сжатие поступающего в него рабочего тела, при этом центробежное рабочее колесо выполнено двухпоточным и состоит из двух соосно и плотно соединенных или изготовленных в виде единого целого однопоточных центробежных рабочих колес, одно из которых выполнено с зеркально противоположным направлением профиля лопаток, закрытых обечайками по верхним боковым кромкам, с образованием центробежных каналов, и, содержит, по крайней мере, один полый торообразный коллектор с отверстием по периметру его внутреннего диаметра, ширина которого не меньше общей высоты лопаток в выходном сечении центробежных каналов двухпоточного центробежного рабочего колеса, жестко и с обеспечением герметичности прикрепленный к двухпоточному центробежному рабочему колесу так, что выходные отверстия центробежных каналов открыты во внутреннюю полость торообразного коллектора, при этом по периметру внешнего диаметра торообразного коллектора выполнены отверстия, в которые установлены сверхзвуковые реактивные сопла, при этом торообразный коллектор снабжен перегородками, перекрывающими его в поперечном сечении, жестко закрепленными вблизи начала входного участка каждого реактивного сопла.The specified technical result is also achieved by the fact that the double-flow jet turbine contains a centrifugal impeller with blades mounted on the shaft, in which the incoming working fluid is compressed, while the centrifugal impeller is double-threaded and consists of two coaxially and tightly connected or made in as a single unit of single-threaded centrifugal impellers, one of which is made with a mirror-opposite direction of the profile of the blades, closed by shells on the upper side at the edges, with the formation of centrifugal channels, and, contains at least one hollow toroidal collector with a hole around the perimeter of its inner diameter, the width of which is not less than the total height of the blades in the outlet section of the centrifugal channels of the double-flow centrifugal impeller, rigidly and ensuring tightness attached to a double-threaded centrifugal impeller so that the outlet openings of the centrifugal channels are open into the inner cavity of the toroidal collector, while along the perimeter of the outer diameter A tractor-shaped collector has holes in which supersonic jet nozzles are installed, while the toroidal collector is equipped with partitions that overlap it in cross section and are rigidly fixed near the beginning of the inlet section of each jet nozzle.
Однопоточные рабочие колеса, составляющие двухпоточное рабочее колесо, или изготовленные в виде единого целого, преимущественно, могут быть выполнены в виде рабочего колеса однопоточного центробежного компрессора.Single-threaded impellers constituting a two-threaded impeller, or made as a single unit, mainly, can be made in the form of an impeller of a single-threaded centrifugal compressor.
Лопатки двухпоточного центробежного рабочего колеса могут быть выполнены радиальными.The blades of a double-flow centrifugal impeller can be made radial.
В частных случаях реализации, лопатки двухпоточного центробежного рабочего колеса могут быть выполнены профилированными, с углом наклона профиля на выходе, направленным против его вращения.In special cases of implementation, the blades of a double-flow centrifugal impeller can be made profiled, with the angle of inclination of the profile at the outlet directed against its rotation.
Торообразный коллектор может быть выполнен заодно целое с входными участками реактивных сопел.The toroidal collector can be integral with the inlet sections of the jet nozzles.
Сверхзвуковые реактивные сопла могут быть установлены в торообразный коллектор реактивной турбины тангенциально, в плоскости, перпендикулярной оси вращения двухпоточного центробежного рабочего колеса.Supersonic jet nozzles can be installed tangentially in the toroidal manifold of a jet turbine in a plane perpendicular to the axis of rotation of the double-flow centrifugal impeller.
В частных случаях реализации, сверхзвуковые реактивные сопла могут быть установлены в торообразный коллектор реактивной турбины тангенциально, при этом часть сверхзвуковых реактивных сопел установлена в плоскости, перпендикулярной оси вращения двухпоточного центробежного рабочего колеса, а другая часть сверхзвуковых реактивных сопел установлена под углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения двухпоточного центробежного рабочего колеса.In special cases of implementation, supersonic jet nozzles can be installed tangentially into the toroidal manifold of a jet turbine, with some of the supersonic jet nozzles installed in a plane perpendicular to the axis of rotation of the dual-flow centrifugal impeller, and the other part of supersonic jet nozzles installed at an angle to the plane perpendicular to the axis rotation of a dual-flow centrifugal impeller.
Сверхзвуковые реактивные сопла могут быть выполнены с удлиненным входным участком, при этом на удлиненном входном участке сверхзвукового реактивного сопла выполняют боковой срез, обеспечивающий поступление через него рабочего тела.Supersonic jet nozzles can be made with an elongated inlet section, while a lateral cut is performed on the elongated inlet section of a supersonic jet nozzle, which ensures the flow of a working fluid through it.
Для повышения величины импульса реактивной силы, передаваемого от реактивного сопла к двухпоточному центробежному рабочему колесу, реактивные сопла со стороны начала входного участка имеют жестко закрепленное днище, выполненное с размерами, соответствующими размерам поперечного сечения торообразного коллектора.To increase the magnitude of the reactive force impulse transmitted from the jet nozzle to the dual-flow centrifugal impeller, the jet nozzles from the beginning of the inlet section have a rigidly fixed bottom made with dimensions corresponding to the dimensions of the cross section of the toroidal collector.
Для повышения эффективности работы каждого сверхзвукового реактивного сопла, их количество, преимущественно, не превышает половины числа каналов двухпоточного центробежного рабочего колеса при установке одного торообразного коллектора, и преимущественно соответствует числу каналов при установке двух торообразных коллекторов.To increase the efficiency of each supersonic jet nozzle, their number mainly does not exceed half the number of channels of a double-flow centrifugal impeller when installing one toroidal collector, and mainly corresponds to the number of channels when installing two toroidal collectors.
В соответствии с еще одним общим аспектом настоящего изобретения, предложена турбореактивная установка, содержащая вал с подшипниковыми опорами, на котором, на расстоянии друг от друга, установлены с возможностью вращения в одном направлении, по крайней мере, две однопоточные и/или двухпоточные реактивные турбины, аналогичные вышеописанным, стационарно установленные вокруг вала подводящие коллекторы для подачи рабочего тела, соединенные с входными отверстиями рабочих колес патрубками, при этом патрубки расположены вокруг вала, жестко соединены с коллекторами, и герметично и подвижно соединены с входными отверстиями рабочих колес турбин.In accordance with another general aspect of the present invention, there is provided a turbojet installation comprising a shaft with bearing bearings, on which, at a distance from each other, at least two single-flow and / or double-flow jet turbines are mounted in a rotational manner, similar to the above, supply manifolds stationary mounted around the shaft for supplying the working fluid, connected to the inlet openings of the impellers by nozzles, while the nozzles are located around the shaft, rigidly connected to the manifolds, and hermetically and movably connected to the inlet openings of the turbine impellers.
В частных случаях реализации, могут быть использованы однопоточные турбины с рабочими колесами, выполненными с зеркально противоположным направлением профиля лопаток рабочего колеса, и с зеркально противоположным направлением установки реактивных сопел.In special cases of implementation, single-threaded turbines with impellers made with a mirror-opposite direction of the profile of the blades of the impeller and with a mirror-opposite direction of installation of jet nozzles can be used.
Техническое решение поясняется следующим графическими материалами, не охватывающими, и тем более, не ограничивающими весь объем притязаний данного технического решения, а являющимися частными примерами выполнения изобретения.The technical solution is illustrated by the following graphic materials, not covering, and even more so, not limiting the entire scope of the claims of this technical solution, but being particular examples of the invention.
На чертеже фиг. 1 изображена (в аксонометрии) однопоточная центробежная реактивная турбина.In the drawing of FIG. 1 shows (in a perspective view) a single-flow centrifugal jet turbine.
На чертеже фиг. 2 изображена в разрезе (в аксонометрии) однопоточная центробежная реактивная турбина.In the drawing of FIG. 2 shows a section (in a perspective view) of a single-flow centrifugal jet turbine.
На чертеже фиг. 3 изображено (в аксонометрии) однопоточное центробежное рабочее колесо.In the drawing of FIG. 3 depicts (in a perspective view) a single-flow centrifugal impeller.
На чертеже фиг. 4 изображен (в аксонометрии) пример выполнения торообразного коллектора.In the drawing of FIG. 4 shows (in perspective view) an example of a toroidal collector.
На чертеже фиг. 5 изображен (в аксонометрии) пример выполнения реактивного сопла с удлиненным входным участком.In the drawing of FIG. 5 shows (in perspective view) an example of a jet nozzle with an elongated inlet section.
На чертеже фиг. 6 изображен (в аксонометрии) пример исполнения торообразного коллектора, выполненного за одно целое с входными участками реактивного сопла.In the drawing of FIG. 6 shows (in a perspective view) an example of a toroidal collector made in one piece with the inlet sections of the jet nozzle.
На чертеже фиг. 7 изображен (в аксонометрии) пример выполнения реактивного сопла, с резьбовой установкой.In the drawing of FIG. 7 shows (in perspective view) an example of a jet nozzle with a threaded installation.
На чертеже фиг. 8 изображена в разрезе (в аксонометрии) двухпоточная центробежная реактивная турбина.In the drawing of FIG. 8 is a sectional view (in perspective view) of a dual-flow centrifugal jet turbine.
На чертеже фиг. 9 изображена в разрезе двухпоточная центробежная реактивная турбина.In the drawing of FIG. 9 is a cross-sectional view of a dual-line centrifugal jet turbine.
На чертеже фиг. 10 изображено (в аксонометрии) двухпоточное центробежное рабочее колесо.In the drawing of FIG. 10 depicts (in a perspective view) a dual-flow centrifugal impeller.
На чертеже фиг. 11 изображена (в аксонометрии) турбореактивная установка с двумя двухпоточными реактивными турбинами.In the drawing of FIG. 11 shows (in perspective view) a turbojet installation with two double-threaded jet turbines.
На чертеже фиг. 12 изображена в разрезе (в аксонометрии) турбореактивная установка с двумя двухпоточными реактивными турбинами.In the drawing of FIG. 12 is a sectional view (in perspective view) of a turbojet installation with two double-threaded jet turbines.
На чертеже фиг. 13 приведены результаты анализа характеристик работы однопоточной реактивной турбины с различной степенью сжатия в ней рабочего тела.In the drawing of FIG. 13 shows the results of an analysis of the performance of a single-threaded jet turbine with a different degree of compression of the working fluid in it.
Однопоточная реактивная турбина (фиг. 1 и фиг. 2) содержит вал 1, на котором жестко закреплено, например, с помощью шлицов, однопоточное центробежное рабочее колесо 2, с лопатками 3. Рабочее колесо 2 по верхней боковой кромке лопаток 3 закрыто обечайкой 4. При этом образуются закрытые центробежные каналы 5 с входными отверстиями 6, являющимися входом в однопоточное центробежное рабочее колесо 2 реактивной турбины, и с выходными отверстиями 7, являющимися выходом из однопоточного центробежного рабочего колеса 2.A single-threaded jet turbine (Fig. 1 and Fig. 2) contains a
В приведенном примере выполнения реактивной турбины (фиг. 3), рабочее колесо 2 выполнено с радиальными лопатками 3.In the example embodiment of a jet turbine (Fig. 3), the
В частных случаях реализации лопатки рабочего колеса могут быть выполнены профилированными, с углом наклона на выходе, направленным против вращения рабочего колеса.In special cases, the implementation of the blades of the impeller can be made profiled, with the angle of inclination at the outlet, directed against the rotation of the impeller.
Обечайка 4, преимущественно, крепится к верхней боковой кромке лопаток 3 плотно и жестко, например, с помощью сварки.The
Обечайка может быть установлена статично по отношению к рабочему колесу 2, с зазором для обеспечения его вращения, и закреплена на специально выполненном для этого стационарном основании.The shell can be installed statically with respect to the
Однопоточное центробежное рабочее колесо 2 выполнено с обеспечением возможности сжатия поступающего в него рабочего тела за счет центробежных сил, действующих на рабочее тело и за счет геометрии проточного тракта центробежных каналов 5. Однопоточное центробежное рабочее колесо 2 может быть выполнено, например, в виде рабочего колеса однопоточного центробежного компрессора, в частности, подобного известному (Н. Кампсти, «Аэродинамика компрессоров», глава 2.2, Москва, Изд. «Мир», 2000 г.). При этом, параметры однопоточного центробежного рабочего колеса и его рабочие характеристики определяются исходя из требований к реактивной турбине, в соответствии с методикой и программами расчета, представленными, в том числе, там же.The single-flow
С однопоточным центробежным рабочим колесом 2 соединен торообразный коллектор 8, выполненный с отверстием 9 по периметру внутреннего диаметра. Ширина отверстия 9 не меньше высоты лопаток 3 в сечении отверстий 7 центробежных каналов 5 рабочего колеса 2, что обеспечивает беспрепятственное поступление потока рабочего тела, без потери давления в нем, в торообразный коллектор 8. Торообразный коллектор 8 прикреплен к рабочему колесу 2 так, что выходные отверстия 7 центробежных каналов 5 открыты в полость 10 торообразного коллектора 8.A
Торообразный коллектор 8 может быть выполнен с различным профилем в поперечном сечении, например, квадратным, прямоугольным, округлым или другими профилями. В приведенном варианте исполнения реактивной турбины, с целью минимизации ее массогабаритных характеристик, торообразный коллектор 8 выполнен с округлым профилем в поперечном сечении. При этом ширина отверстия 9 практически соответствует диаметру поперечного сечения торообразного коллектора 8.The
Торообразный коллектор 8 со стороны отверстия 9 жестко, с обеспечением герметичности, прикреплен к рабочему колесу 2.The
Для обеспечения крепления, торообразный коллектор 8, может быть выполнен со специальными местами крепления, которыми он соединен преимущественно, с помощью болтовых соединений, с обеспечением герметичности, например, с использованием прокладки, или герметика, с рабочим колесом 2 и обечайкой 4, которые для этого могут быть выполнены с цилиндрическими фланцами 11 и 12 соответственно. Это обеспечивает прочность крепления торообразного коллектора 8 к рабочему колесу 2, и технологичность сборки-разборки реактивной турбины.To ensure fastening, the
По периметру внешнего диаметра торообразного коллектора 8 (фиг. 4) выполнены отверстия 13, в которые устанавливают реактивные сопла 14.Along the perimeter of the outer diameter of the toroidal collector 8 (Fig. 4),
Реактивные сопла 14 выполняются сверхзвуковыми, например, в виде сопла Лаваля (А.А. Дорофеев, «Основы теории тепловых ракетных двигателей», главы 3 и 5, МВТУ им. Н.Э. Баумана, Москва 1999 г.), с последовательно расположенными участками его проточного тракта: входным, сужающимся и затем расширяющимся участками.
Для обеспечения наибольшей величины момента вращения рабочего колеса 2 реактивные сопла 14 устанавливают входным участком в торообразный коллектор 8 тангенциально, одинаково направленными по окружности, преимущественно, под прямым углом к радиусу рабочего колеса 2.To ensure the greatest value of the moment of rotation of the
В частных случаях реализации, для обеспечения необходимого баланса осевых нагрузок, действующих на вал 1 реактивной турбины, как со стороны центробежных каналов 5, так и со стороны реактивных сопел 14, ось симметрии, по крайней мере, части реактивных сопел 14, может быть расположена под углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса 2, причем, как за счет выполнения отверстий 13 в торообразном коллекторе 8 под различными углами к плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса 2, так и за счет выполнения реактивных сопел 14 криволинейными.In particular cases of implementation, to ensure the necessary balance of axial loads acting on the
Реактивные сопла 14 могут быть установлены с использованием резьбового соединения и/или сварки.
В приведенном варианте исполнения реактивной турбины входной участок реактивного сопла 14 выполнен удлиненным (фиг 5), для обеспечения его установки, например, с помощью сварки, в торообразном коллекторе 8.In the above embodiment, the jet turbine inlet portion of the
Еще один способ установки реактивных сопел может быть реализован за счет выполнения торообразного коллектора заодно целое с входными участками реактивных сопел (фиг. 6). При этом реактивные сопла могут быть установлены в торообразный коллектор с использованием резьбового соединения и/или сварки (фиг. 7).Another method of installing jet nozzles can be implemented by performing a toroidal collector integrally with the inlet sections of the jet nozzles (Fig. 6). In this case, jet nozzles can be installed in a toroidal collector using threaded connections and / or welding (Fig. 7).
Предпочтительным является вариант выполнения торообразного коллектора за одно целое с входным участком реактивных сопел. Это значительно повышает прочность крепления в таком коллекторе реактивных сопел, что в свою очередь, позволяет существенно увеличить окружную скорость вращения центробежного рабочего колеса до значений 680-700 м/сек, и более, и тем самым повысить степень сжатия потока рабочего тела в реактивной турбине. Увеличение степени сжатия рабочего тела повышает эффективность получения механической энергии и мощность реактивной турбины.A preferred embodiment of the toroidal collector is integral with the inlet portion of the jet nozzles. This significantly increases the fastening strength in such a manifold of jet nozzles, which, in turn, can significantly increase the peripheral speed of rotation of the centrifugal impeller to 680-700 m / s, and more, and thereby increase the compression ratio of the flow of the working fluid in a jet turbine. An increase in the degree of compression of the working fluid increases the efficiency of obtaining mechanical energy and the power of a jet turbine.
На удлиненном входном участке реактивного сопла 14 выполняют боковой срез 15, открытый в сторону выходных отверстий 7 и обеспечивающий поступление через него рабочего тела из полости 10 торообразного коллектора 8 в реактивное сопло 14.On the elongated inlet portion of the
Для повышения величины импульса реактивной силы, передаваемого от реактивного сопла 14 к рабочему колесу 2, реактивные сопла 14 могут иметь со стороны входа жестко закрепленное, например, с помощью сварки, днище 16', выполненное с размерами, соответствующими размерам поперечного сечения торообразного коллектора 8, и перекрывающее его.In order to increase the magnitude of the reactive force impulse transmitted from the
В частном случае, входной участок каждого реактивного сопла 14 может быть прикрыт плотно со стороны его входа перегородкой, жестко закрепленной, например, с помощью сварки, в коллекторе 8, выполненной с размерами, соответствующими размерам поперечного сечения торообразного коллектора 8, и перекрывающей его.In the particular case, the inlet section of each
В частных случаях реализации, реактивные сопла могут быть установлены тангенциально, на отверстиях торообразного коллектора.In special cases of implementation, jet nozzles can be installed tangentially, on the holes of the toroidal collector.
Реактивные сопла 14 могут быть выполнены с различным профилем поперечного сечения, например, квадратным, прямоугольным, или другими профилями. В приведенных вариантах исполнения реактивных турбин, с целью минимизации их массогабаритных характеристик, реактивные сопла 14 выполняются округлыми в поперечном сечении.
Реактивные сопла 14 могут быть выполнены цельными или сборно-разборными, что упрощает их изготовление, ремонт и/или замену при сервисном обслуживании.
В приведенном варианте исполнения реактивных турбин, оси симметрии реактивных сопел 14 расположены под прямым углом к выходному профилю радиальных лопаток 3 в сечении выходных отверстий 7 рабочего колеса 2.In the given embodiment of the jet turbines, the axis of symmetry of the
В случае выполнения лопаток рабочего колеса профилированными, для уменьшения потери давления рабочего тела в реактивной турбине, направление установки реактивных сопел 14, преимущественно, совпадает с наклоном профиля лопаток 3 в сечении выходных отверстий 7.In the case of the execution of the impeller blades profiled in order to reduce the pressure loss of the working fluid in the jet turbine, the installation direction of the
Для обеспечения установившегося стационарного течения рабочего тела во всем проточном тракте однопоточной реактивной турбине, число реактивных сопел 14, как правило, не превышает числа центробежных каналов 5.To ensure a steady-state stationary flow of the working fluid in the entire flow path of a single-flow jet turbine, the number of
Для получения предельно высоких эксплуатационных характеристик, все элементы однопоточной реактивной турбины выполнены из высокопрочного конструкционного титанового сплава марки ВТ-6,To obtain extremely high operational characteristics, all elements of a single-threaded jet turbine are made of high-strength structural titanium alloy grade VT-6,
Двухпоточная реактивная турбина (фиг. 8 и фиг. 9) содержит установленное на валу 21, с возможностью вращения, двухпоточное центробежное рабочее колесо 22 с лопатками 23, выполненное с обеспечением возможности сжатия поступающего в него рабочего тела.The dual-flow jet turbine (Fig. 8 and Fig. 9) comprises a dual-flow
Двухпоточное рабочее колесо 22 выполняется из двух, соосно и плотно соединенных, или изготовленных в виде единого целого, однопоточных рабочих колес. При этом могут быть использованы однопоточные рабочие колеса, аналогичные описанному выше для однопоточной реактивной турбины, одно из которых выполнено с зеркально противоположным направлением профиля лопаток.Dual-
Соосное и плотное соединение однопоточных рабочих колес может быть обеспечено, например, за счет жесткого болтового соединения или сварки.Coaxial and tight connection of single-threaded impellers can be provided, for example, due to rigid bolted connection or welding.
В приведенном варианте исполнения двухпоточной реактивной турбины двухпоточное центробежное рабочее колесо 22 (фиг. 10) выполнено в виде единого целого, из одной заготовки, методом фрезеровки лопаток с обеих сторон заготовки, на специальных многокоординатных станках. При этом профили лопаток фрезеруются с обеих сторон с зеркально противоположным направлением.In the above embodiment of the dual-flow jet turbine, the dual-flow centrifugal impeller 22 (Fig. 10) is made as a whole, from one workpiece, by milling the blades on both sides of the workpiece, on special multi-axis machines. In this case, the blade profiles are milled on both sides with a mirror-opposite direction.
Двухпоточное рабочее колесо 22 по верхней боковой кромке лопаток 23 закрыто обечайками 24. При этом образуются центробежные каналы 25 с входным отверстиями 26, являющимися входами в двухпоточное рабочее колесо 22, и выходными отверстиями 27, являющимися выходами из двухпоточного рабочего колеса 22.The dual-
Обечайки 24, преимущественно, крепятся к верхним боковым кромкам лопаток 23 плотно и жестко, например, с помощью сварки.
Обечайки 24 могут быть установлены статично по отношению к двухпоточному рабочему колесу 22, с зазором для обеспечения его вращения, и закреплены на специально выполненном для этого стационарном основании.The
В приведенном примере исполнения двухпоточной реактивной турбины, для минимизации массы и упрощения ее изготовления, с двухпоточным рабочим колесом 22 жестко, с обеспечением герметичности соединен один, общий для двух однопоточных колес, торообразный коллектор 28, при этом, выходные отверстия 27 центробежных каналов 25 открыты в его полость 29.In the above example, the execution of a dual-flow jet turbine, to minimize mass and simplify its manufacture, with a dual-
По периметру внутреннего диаметра торообразного коллектора 28 выполнено отверстие 30. Ширина отверстия 30 не меньше, общей высоты лопаток 23 в сечении выходных отверстий 27 центробежных каналов 25 рабочего колеса 22.A
Крепление торообразного коллектора 28 к двухпоточному рабочему колесу 22 может быть выполнено аналогично описанному выше креплению торообразного коллектора в однопоточной реактивной турбине.The fastening of the
По периметру внешнего диаметра торообразного коллектора 28 выполнены отверстия 31, в которые устанавливают сверхзвуковые реактивные сопла 32.Along the perimeter of the outer diameter of the
Выполнение реактивных сопел 32, и их установка в торообразный коллектор 30 двухпоточной реактивной турбины осуществляется аналогично тому, как это выполняется в описанной выше однопоточной реактивной турбине.The execution of the
В случае выполнения входных участков реактивных сопел за одно целое с торообразным коллектором 28, он может быть оснащен жестко закрепленными перегородками 33, расположенными перед входным участком каждого реактивного сопла 32.In the case of the input sections of the jet nozzles in one piece with the
Двухпоточная реактивная турбина также может быть снабжена двумя одинаковыми, установленными соосно и плотно соединенными между собой боковыми поверхностями, например, с помощью болтов или сварки, торообразными коллекторами. При этом реактивные сопла жестко устанавливают по периметру внешнего диаметра каждого коллектора с помощью резьбового соединения и/или сварки.A dual-flow jet turbine can also be equipped with two identical, mounted coaxially and tightly interconnected side surfaces, for example, by means of bolts or welding, toroidal collectors. In this case, jet nozzles are rigidly installed around the perimeter of the outer diameter of each collector using threaded connections and / or welding.
В частных случаях реализации, два торообразных коллектора могут быть образованы установкой внутренней срединной перегородки, в общем, для обоих однопоточных колес, торообразном коллекторе, расположенной перпендикулярно оси его вращения, и разделяющей его внутреннюю полость на две, преимущественно, равные части. При этом реактивные сопла жестко устанавливают по периметру внешнего диаметра каждой части коллектора с помощью резьбового соединения и/или сварки.In special cases of implementation, two toroidal collectors can be formed by installing an inner median septum, in general, for both single-flow wheels, a toroidal collector located perpendicular to the axis of its rotation, and dividing its internal cavity into two, mainly equal parts. At the same time, jet nozzles are rigidly installed around the perimeter of the outer diameter of each part of the collector using threaded connections and / or welding.
При одинаковой заданной мощности реактивных турбин, массогабаритные характеристики двухпоточной реактивной турбины, выполненной с одним торообразным коллектором, примерно на 20% лучше аналогичных суммарных характеристик двух, вместе взятых, однопоточных реактивных турбин.With the same given power of jet turbines, the mass and size characteristics of a two-stream jet turbine made with one toroidal collector are approximately 20% better than the similar total characteristics of two combined, single-flow jet turbines.
Турбореактивная установка (фиг. 11 и фиг. 12) содержит вал 41 с подшипниковыми опорами 42, на котором, на расстоянии друг от друга жестко установлены, с возможностью вращения в одном направлении, по крайней мере, две реактивные турбины 43, выполненные двухпоточными.The turbojet installation (Fig. 11 and Fig. 12) contains a
На валу 41 могут быть установлены одновременно несколько однопоточных и/или двухпоточных турбин, конструкция которых описана выше. При этом однопоточные турбины могут быть установлены одинаково, а также встречно или противоположно направленными относительно своих входов. Двухпоточные турбины могут быть установлены на валу 41 только одинаково направленными.On the
В случае установки на вал 41 двух встречно или противоположно направленных своими входами однопоточных турбин, должны быть использованы однопоточные реактивные турбины с рабочими колесами, выполненными с зеркально противоположным направлением профиля лопаток, и с зеркально противоположным направлением установки реактивных сопел.If two single-flow turbines are installed on the
Подводящие коллекторы 44 для подачи рабочего тела, устанавливаются, преимущественно, вокруг вала 41 стационарно. Соединение подводящих коллекторов 44 с входными отверстиями рабочих колес турбин 43 обеспечивается патрубками 45, расположенными вокруг вала 41 с подводящими коллекторами 44, и соединенными герметично и подвижно, например, с помощью торцевых и/или лабиринтных уплотнений, с входными отверстиями рабочих колес турбин 43. При этом патрубки 45 соединены жестко, например, с помощью фланцев, резьбы или сварки с подводящими коллекторами 44.The supply manifolds 44 for supplying the working fluid are installed mainly around the
Использование турбореактивных установок с несколькими одно и/или двухпоточными реактивными турбинами позволяет многократно увеличивать мощность турбореактивных установок, при незначительном увеличении их массогабаритных характеристик.The use of turbojet plants with several single and / or double-threaded jet turbines can significantly increase the power of turbojet plants, with a slight increase in their overall dimensions.
Способ получения механической энергии в однопоточной реактивной турбине осуществляют следующим образом.A method of producing mechanical energy in a single-threaded jet turbine is as follows.
В исходном положении однопоточное центробежное рабочее колесо 2 однопоточной реактивной турбины находится в состоянии покоя, то есть неподвижно. Под действием своего начального давления рабочее тело, например, пар из парогенератора, или газа из камеры сгорания, поступает с начальной скоростью во входные отверстия 6 центробежных каналов 5 рабочего колеса 2, проходя через которые, оно попадает затем из выходных отверстий 7 через отверстие 9 во внутреннюю полость 10 торообразного коллектора 8. Из полости 10 рабочее тело поступает через боковые срезы 15 в реактивные сопла 14. Воздействуя на перегородки 16 своим начальным давлением, рабочее тело разгоняется в реактивных соплах 14 до сверхзвуковой скорости, и истекает из них наружу, в окружающее пространство, под прямым углом к радиусу рабочего колеса 2, создавая при этом импульс реактивной силы, приводящий во вращение рабочее колесо 2 на валу 1. Так как скорость вращения рабочего колеса 2 в начальный, и последующий непродолжительный момент времени незначительна, по сравнению с расчетным значением, то процесса сжатия рабочего тела в рабочем колесе 2 и в торообразном коллекторе 8 за счет геометрии проточного тракта центробежных каналов 5 и за счет центробежных сил, действующих на рабочее тело, не происходит. Вращение рабочего колеса 2 реактивной турбины осуществляется только за счет импульса реактивной силы, возникающего при истечении из реактивных сопел 14 рабочего тела, имеющего перед истечением практически начальные термодинамические параметры. Таким образом, однопоточная реактивная турбина, использующая перепад только начального давления рабочего тела, работает по принципу «сегнерова колеса». Этот непродолжительный промежуток времени работы однопоточной реактивной турбины является временем выхода ее на расчетный режим работы.In the initial position, the single-threaded
С увеличением скорости вращения рабочего колеса 2 до значений, близких к расчетным, лопатки 3, формирующие геометрию проточного тракта центробежных каналов 5, в совокупности с центробежными силами, действующими на поток рабочего тела в центробежных каналах 5, сжимают его с повышением плотности. В результате этого сжатия температура, давление и скорость рабочего тела в выходных отверстиях 7 центробежных каналов 5 повышаются, и значительно превышают значения температуры, давления и скорости рабочего тела, которые были на входе в рабочее колесо 2. Из выходных отверстий 7 сжатый поток рабочего тела с высокими значениями скорости, температуры и давления поступает во внутреннюю полость 10 торообразного коллектора 8, где затормаживается противодавлением находящегося там рабочего тела, с последующим значительным уменьшением скорости, и дополнительным, по отношению к параметрам рабочего тела в выходных отверстиях 7, увеличением его температуры и давления. В торообразном коллекторе 8 устанавливаются параметры заторможенного потока рабочего тела. При этом, за счет интенсивного турбулентного перемешивания массы рабочего тела во всем объеме полости 10 торообразного коллектора 8, обеспечивается выравнивание градиентов плотности, температуры, давления и скорости, с уменьшением скорости потока рабочего тела, и повышением в нем давления до максимально возможного значения, называемого давлением заторможенного потока рабочего тела. Полученная таким образом в однопоточной центробежной реактивной турбине потенциальная энергия высокого давления рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию сверхзвукового потока рабочего тела при его разгоне и истечении в окружающее пространство с помощью реактивных сопел 14, реализующих с максимальной эффективностью весь перепад давления рабочего тела, полученный в данной реактивной турбине. Таким образом, создается максимально высокий импульс реактивной силы, обеспечивающий вращение однопоточного центробежного рабочего колеса 2 однопоточной реактивной турбины на валу 1, с требуемыми параметрами работы.With an increase in the rotational speed of the
Однопоточная реактивная турбина может запускаться и эффективно работать и при недостаточном для ее запуска и выхода на штатный режим работы, начальном давлении рабочего тела на входе в рабочее колесо 2. В этом случае, можно использовать принудительное начальное вращение вала 1 (например, с помощью механического или электромеханического привода), за счет которого в рабочем колесе 2 реактивной турбине создается необходимая и достаточная степень сжатия потока рабочего тела, обеспечивающая дальнейшую работу реактивной турбины без использования принудительного вращения вала 1.A single-threaded jet turbine can start and work efficiently even if the initial pressure of the working fluid at the entrance to the
В качестве примера в таблице (фиг. 13), представлены результаты математического моделирования и предварительных стендовых испытаний заявляемой однопоточной реактивной турбины, полученные для различных режимов (режимы I-VI) ее работы, в зависимости от начального давления рабочего тела на входе в реактивную турбину, и в зависимости от степени сжатия в ней рабочего тела.As an example, the table (Fig. 13) presents the results of mathematical modeling and preliminary bench tests of the inventive single-flow jet turbine obtained for various modes (modes I-VI) of its operation, depending on the initial pressure of the working fluid at the inlet of the jet turbine, and depending on the degree of compression of the working fluid in it.
Однопоточная центробежная реактивная турбина выполнена из титанового сплава ВТ-6.Single-flow centrifugal jet turbine made of VT-6 titanium alloy.
В качестве рабочего тела использовался влажный насыщенный пар с параметрами, представленными так же в таблице (фиг. 13)As the working fluid, wet saturated steam was used with the parameters presented also in the table (Fig. 13)
Результаты математического моделирования и предварительных испытаний однопоточной реактивной турбины показали, что на ее мощность и эффективность получения механической энергии существенное влияние оказывают два основных фактора: начальные давление и температура поступающего на вход турбины рабочего тела, и степень сжатия рабочего тела в однопоточной реактивной турбине.The results of mathematical modeling and preliminary tests of a single-threaded jet turbine showed that its power and the efficiency of obtaining mechanical energy are significantly affected by two main factors: the initial pressure and temperature of the working fluid entering the turbine inlet, and the degree of compression of the working fluid in a single-flow jet turbine.
Повышение начального давления и температуры рабочего тела, как правило, связано с работой источника рабочего тела, например, парогенератора, и не связано напрямую с реактивной турбиной. При этом, повышение начального давления и температуры рабочего тела сопряжено со значительными, дополнительными для этого затратами энергии, например, парогенератора, что не всегда бывает возможным, по техническим, эксплуатационным, экономическим и другим причинам.The increase in the initial pressure and temperature of the working fluid, as a rule, is associated with the work of the source of the working fluid, for example, a steam generator, and is not directly related to the jet turbine. Moreover, an increase in the initial pressure and temperature of the working fluid is associated with significant additional energy costs, for example, a steam generator, which is not always possible, for technical, operational, economic and other reasons.
Степень сжатия рабочего тела в однопоточной реактивной турбине определяется только совершенством ее конструкции, и является доминирующим фактором, позволяющим существенно повышать эффективность получения механической энергии в этой турбине.The degree of compression of the working fluid in a single-threaded jet turbine is determined only by the perfection of its design, and is the dominant factor that can significantly increase the efficiency of obtaining mechanical energy in this turbine.
Как следует из анализа результатов, представленных в Таблице (фиг. 13), однопоточная реактивная турбина обеспечивает практически одинаковую эффективность получения механической энергии и мощность при работе на режимах III и V, а так же на режимах IV и VI. А это означает, что увеличение степени сжатия рабочего тела в однопоточной реактивной турбине на III и IV режимах ее работы до значения 5.08 и 5.95 соответственно, позволяет использовать более низкое значение давления и температуры рабочего тела (630 кПа и 158°С вместо 1600 кПа и 200°С) на входе, при обеспечении заданной требуемой мощности.As follows from the analysis of the results presented in the Table (Fig. 13), a single-threaded jet turbine provides almost the same efficiency of obtaining mechanical energy and power during operation in modes III and V, as well as in modes IV and VI. And this means that an increase in the degree of compression of the working fluid in a single-flow jet turbine in modes III and IV to 5.08 and 5.95, respectively, allows the use of a lower value of pressure and temperature of the working fluid (630 kPa and 158 ° C instead of 1600 kPa and 200 ° C) at the input, while ensuring the specified required power.
Таким образом, однопоточная реактивная турбина только за счет увеличения степени сжатия потока рабочего тела способна обеспечивать требуемые значения рабочих характеристик по эффективности ее работы и по ее мощности, при невысоком значении начального давления рабочего тела на входе. Именно это и подтверждает преимущество заявляемого способа увеличения эффективности получения механической энергии в описанной выше однопоточной реактивной турбине, основанного на новом термодинамическом цикле работы, обеспечивающем сжатие поступающего в турбину рабочего тела перед его последующим истечением.Thus, a single-threaded jet turbine, only by increasing the degree of compression of the flow of the working fluid, is able to provide the required values of the operating characteristics in terms of its efficiency and power, with a low initial pressure of the working fluid at the inlet. This is precisely what confirms the advantage of the proposed method for increasing the efficiency of obtaining mechanical energy in the single-threaded jet turbine described above, based on a new thermodynamic work cycle, which provides compression of the working fluid entering the turbine before its subsequent outflow.
Аналогичным образом способ получения механической энергии реализуется в двухпоточной реактивной турбине, выполненной с двухпоточным центробежным рабочим колесом.Similarly, the method of producing mechanical energy is implemented in a dual-flow jet turbine made with a dual-flow centrifugal impeller.
В случае выполнения двухпоточного центробежного рабочего колеса, с общим полым торообразным коллектором обеспечивается более равномерное заполнение общего полого коллектора рабочим телом. Это приводит к более устойчивой, без пульсаций давления, совместной работе торообразного коллектора и реактивных сопел, и как следствие, к повышению эффективности работы двухпоточной реактивной турбины.In the case of a dual-flow centrifugal impeller with a common hollow toroidal collector, more uniform filling of the common hollow collector with a working fluid is provided. This leads to more stable, without pressure pulsations, joint operation of the toroidal manifold and jet nozzles, and as a result, to increase the efficiency of the two-flow jet turbine.
Аналогичным образом способ получения механической энергии реализуется в турбореактивных установках, основанных на одно и/или двухпоточных реактивных турбинах. Такое техническое решение позволяет многократно увеличивать мощность турбореактивной установки при обеспечении ее компактности.Similarly, the method of producing mechanical energy is implemented in turbojet plants based on single and / or dual-flow jet turbines. This technical solution allows you to repeatedly increase the power of a turbojet installation while ensuring its compactness.
Применение заявляемых конструкций однопоточной и двухпоточной реактивных турбин, реализующих термодинамический цикл со сжатием потока рабочего тела перед его разгоном и последующим истечением, а также турбореактивных установок на их основе, обеспечивает по отношению к прототипу существенное увеличение мощности и эффективности получения механической энергии с коэффициентом полезного действия на уровне порядка 55-65%, и более.The use of the claimed designs of single-threaded and two-threaded jet turbines that implement a thermodynamic cycle with compression of the flow of the working fluid before its acceleration and subsequent outflow, as well as turbojet plants based on them, provides a significant increase in the power and efficiency of obtaining mechanical energy with a coefficient of efficiency on level of about 55-65%, and more.
Изготовление одно и двухпоточной реактивной турбины представляет собой среднюю сложность работ для специализированного машиностроительного предприятия.The manufacture of a single and dual-flow jet turbine is the average complexity of the work for a specialized engineering company.
Claims (17)
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013136499A RU2673431C2 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method for producing mechanical energy, single-flow and double-flow reactive turbines and turbo-reactive installation therefor |
| US14/173,449 US20150037134A1 (en) | 2013-08-05 | 2014-02-05 | Method for Producing Mechanical Energy, Single-Flow Turbine and Double-Flow Turbine, and Turbo-Jet Apparatus Therefor |
| GBGB1401984.8A GB201401984D0 (en) | 2013-08-05 | 2014-02-05 | Method for producing mechanical energy, single-flow turbine and double-flow turbine, and turbo-jet apparatus therefor. |
| PCT/IB2014/063718 WO2015019294A1 (en) | 2013-08-05 | 2014-08-05 | Method for producing mechanical energy, single-flow turbine and double-flow turbine, and turbo-jet apparatus therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013136499A RU2673431C2 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method for producing mechanical energy, single-flow and double-flow reactive turbines and turbo-reactive installation therefor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013136499A RU2013136499A (en) | 2015-02-10 |
| RU2673431C2 true RU2673431C2 (en) | 2018-11-26 |
Family
ID=50344442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013136499A RU2673431C2 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method for producing mechanical energy, single-flow and double-flow reactive turbines and turbo-reactive installation therefor |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20150037134A1 (en) |
| GB (1) | GB201401984D0 (en) |
| RU (1) | RU2673431C2 (en) |
| WO (1) | WO2015019294A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2772706C1 (en) * | 2021-10-28 | 2022-05-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Installation for generating thermal and mechanical energy and method for its regulation |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017104916A1 (en) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 포스코에너지 주식회사 | Reaction-type steam turbine |
| WO2018106539A1 (en) * | 2016-12-05 | 2018-06-14 | Cummins Filtration Ip, Inc. | Separation assembly with a single-piece impulse turbine |
| JP7191824B2 (en) * | 2016-12-20 | 2022-12-19 | シー アイ コーポレーション ピーティーワイ リミテッド | turbine |
| US11471808B2 (en) | 2017-01-09 | 2022-10-18 | Cummins Filtration Ip, Inc. | Impulse turbine with non-wetting surface for improved hydraulic efficiency |
| RU181361U1 (en) * | 2017-12-18 | 2018-07-11 | Василий Алексеевич Аброськин | CENTRIFUGAL TURBINE |
| WO2019204265A1 (en) | 2018-04-17 | 2019-10-24 | Cummins Filtration Ip, Inc. | Separation assembly with a two-piece impulse turbine |
| RU2742711C2 (en) * | 2018-04-28 | 2021-02-09 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Radial birotational active-reactive turbine (variants) |
| CN112343676A (en) * | 2019-08-07 | 2021-02-09 | 江苏海事职业技术学院 | Back pressure type steam turbine equipment |
| CN111766129A (en) * | 2020-06-18 | 2020-10-13 | 浙江省海洋水产研究所 | Heating and cooling device for chemical oxygen demand digestion test |
| CN113982752B (en) * | 2021-10-30 | 2022-09-27 | 中北大学 | Hydrogen fuel high-speed rotating magnetohydrodynamic power generation device |
| US11795833B1 (en) * | 2022-12-21 | 2023-10-24 | Pipl Limited | Nozzle set |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3045427A (en) * | 1960-05-02 | 1962-07-24 | James E Baize | Internal combustion power means |
| US3077075A (en) * | 1957-03-15 | 1963-02-12 | Turanciol Fuad | Rotary radial flow jet engine |
| SU1815427A1 (en) * | 1990-10-17 | 1993-05-15 | Vsesoyuznyj Ni T I Energet Mas | Turbocompressor |
| RU2086774C1 (en) * | 1994-04-04 | 1997-08-10 | Мельников Вячеслав Борисович | Reaction turbine for multi-phase working medium |
| RU99543U1 (en) * | 2010-07-09 | 2010-11-20 | Александр Алексеевич Павлов | ACTIVE GAS TURBINE ENGINE (OPTIONS) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2200848C1 (en) | 2002-03-11 | 2003-03-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Мидера-К" | Method and turbine for producing mechanical energy |
| CZ302324B6 (en) * | 2008-07-16 | 2011-03-09 | Majchráková@Viktória | Two-stage expansion turbine |
| RU99540U1 (en) | 2010-05-20 | 2010-11-20 | Александр Алексеевич Павлов | TURBINE |
-
2013
- 2013-08-05 RU RU2013136499A patent/RU2673431C2/en not_active IP Right Cessation
-
2014
- 2014-02-05 US US14/173,449 patent/US20150037134A1/en not_active Abandoned
- 2014-02-05 GB GBGB1401984.8A patent/GB201401984D0/en not_active Ceased
- 2014-08-05 WO PCT/IB2014/063718 patent/WO2015019294A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3077075A (en) * | 1957-03-15 | 1963-02-12 | Turanciol Fuad | Rotary radial flow jet engine |
| US3045427A (en) * | 1960-05-02 | 1962-07-24 | James E Baize | Internal combustion power means |
| SU1815427A1 (en) * | 1990-10-17 | 1993-05-15 | Vsesoyuznyj Ni T I Energet Mas | Turbocompressor |
| RU2086774C1 (en) * | 1994-04-04 | 1997-08-10 | Мельников Вячеслав Борисович | Reaction turbine for multi-phase working medium |
| RU99543U1 (en) * | 2010-07-09 | 2010-11-20 | Александр Алексеевич Павлов | ACTIVE GAS TURBINE ENGINE (OPTIONS) |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| СТЕЧКИН Б.С., Теория реактивных двигателей. Лопаточные машины, Москва, Государственное издательство оборонной промышленности, 1956, с. 77, фиг. 47,48. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2776606C2 (en) * | 2020-10-30 | 2022-07-22 | Павел Игнатьевич Загуменнов | Inertial rotary engine |
| RU2772706C1 (en) * | 2021-10-28 | 2022-05-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Installation for generating thermal and mechanical energy and method for its regulation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013136499A (en) | 2015-02-10 |
| GB201401984D0 (en) | 2014-03-19 |
| WO2015019294A1 (en) | 2015-02-12 |
| US20150037134A1 (en) | 2015-02-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2673431C2 (en) | Method for producing mechanical energy, single-flow and double-flow reactive turbines and turbo-reactive installation therefor | |
| US9255478B2 (en) | Reaction turbine and hybrid impulse reaction turbine | |
| RU2731142C2 (en) | Axial machine operating on fluid medium and method of energy generation | |
| US10247450B2 (en) | Device and method for converting thermal energy | |
| KR101092783B1 (en) | Gas turbine | |
| EA012818B1 (en) | Rotor for rotary machine and a rotary machine | |
| US6126391A (en) | Fluid flow machine | |
| RU2200848C1 (en) | Method and turbine for producing mechanical energy | |
| RU164736U1 (en) | POWER ROTARY TURBINE | |
| CN114396314B (en) | Supersonic axial flow composite bladeless turbine | |
| RU2771106C1 (en) | Turbine | |
| RU2346213C2 (en) | Power-generating plant centrifugal wheel | |
| KR20150138651A (en) | Through-hole Centrifugal type Multistage turbine | |
| RU2217596C1 (en) | Turbine | |
| Aftab et al. | Design and analysis of a five stage axial flow compressor | |
| CN114396314A (en) | Supersonic speed axial flow composite bladeless turbine | |
| WO2002020947A1 (en) | Fluid flow machine | |
| US9574567B2 (en) | Supersonic compressor and associated method | |
| RU148863U1 (en) | REACTIVE TURBINE | |
| PL243763B1 (en) | Revolving-block heat engine | |
| Renuke et al. | High-Efficient Bladeless Expander Concept | |
| CN117738923A (en) | Low-temperature centrifugal pump and preparation method thereof | |
| Semakina et al. | Pressure ripple in flow and vibration of the exhaust duct details of GTU, St | |
| JPH0311104A (en) | Impulse turbine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190806 |