RU2771106C1 - Turbine - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to mechanical engineering, namely to pneumatic and steam turbines for driving electric generators, compressors, heat pumps, etc., used in cars and other equipment. The turbine contains a Segner wheel made in the form of a tube with at least one side hole and a closed end. The specified pipe is fastened coaxially with the shaft installed in the base on at least one rolling bearing to ensure the rotation of the specified pipe. At the same time, at least one branch pipe is radially fixed on the pipe at the location of the side opening, ensuring that the working medium passes into it from the said pipe. A blade is installed at the end of the branch pipe, one of the end sides is rigidly fixed on the disk and made in the form of an L-shaped element with an angle in the range of 75-105°, and consisting of front and rear walls fastened together. At the same time, there is a rounded slotted hole in the blade body.

EFFECT: increasing the efficiency of the turbine, saving the energy that drives it.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневматическим и паровым турбинам для привода электрогенераторов, компрессоров, тепловых насосов и пр., используемых в автомобилях и другой технике.The invention relates to mechanical engineering, namely to pneumatic and steam turbines for driving electric generators, compressors, heat pumps, etc., used in cars and other equipment.

Уровень техникиState of the art

Известен способ получения механической энергии в турбине, включающий подачу рабочего тела в каналы ротора турбины и разгон рабочего тела при истечении из каналов в одном направлении с обеспечением вращения ротора, рабочее тело из каналов ротора подают в образованное оболочкой закрытое пространство вокруг ротора и оно взаимодействует с трением с оболочкой и истекает через отверстия в оболочке, разгоняясь в одном направлении. Истечение из каналов ротора и оболочки осуществляется в одну сторону. Ротор и оболочка приводят во вращение один вал, на котором они жестко закреплены (патент США 3282560, НКИ: 415-80, 1965).A known method for obtaining mechanical energy in a turbine, including the supply of the working fluid to the channels of the turbine rotor and acceleration of the working fluid when flowing out of the channels in one direction to ensure the rotation of the rotor, the working fluid from the channels of the rotor is fed into the closed space formed by the shell around the rotor and it interacts with friction with the shell and expires through the holes in the shell, accelerating in one direction. The outflow from the channels of the rotor and the shell is carried out in one direction. The rotor and shell rotate one shaft, on which they are rigidly fixed (US patent 3282560, NCI: 415-80, 1965).

Недостатком известного способа является невозможность получения механической энергии для турбины от ее ротора, так как момент, создаваемый на роторе при истечении из его каналов рабочего тела, по закону сохранения момента количества движения, компенсируется обратным моментом, создаваемым при торможении отработанного рабочего тела в роторе на внутренней поверхности оболочки, а полезный момент создается лишь при истечении рабочего тела из отверстий оболочки под давлением, оставшимся после расширения рабочего тела в каналах ротора, что приводит к большим потерям энергии (~ 50%).The disadvantage of the known method is the impossibility of obtaining mechanical energy for the turbine from its rotor, since the moment created on the rotor when the working fluid flows out of its channels, according to the law of conservation of the moment of momentum, is compensated by the reverse torque created during braking of the spent working fluid in the rotor on the internal surface of the shell, and a useful moment is created only when the working fluid flows out of the shell holes under pressure remaining after the expansion of the working fluid in the channels of the rotor, which leads to large energy losses (~ 50%).

В качестве ближайшего аналога выбрано решение RU 2200848 С1 раскрывающее турбину, содержащую 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, отличающаяся тем, что 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.As the closest analogue, the solution RU 2200848 C1 was chosen, which opens a turbine containing a Segner wheel, made in the form of a pipe with a closed end, fastened coaxially to the shaft, mounted for rotation, radially fixed on the pipe from opposite sides, at least one pair of nozzles with open ends bent in opposite directions from their axis, moreover, the axes of the bent open ends of the branch pipes are perpendicular to the plane passing through the axis of the branch pipes and the axis of the pipe, and holes are made in the pipe wall corresponding to the branch pipes, a shell fastened coaxially with a shaft mounted for rotation, and covering a Segner wheel enclosing a Segner wheel and a 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, characterized in that the shell is made in the form of a cylindrical drum, the cylindrical belt of the drum is adjacent to the bent ends of the segner nozzles and wheels with a gap, on the cylindrical belt of the drum, at least one pair of branch pipes with open ends bent in different directions from their axis, opposite to the sides of the branch pipes of the Segner wheel, is radially fixed from opposite sides, and the axes of the bent open ends of the drum branch pipes are perpendicular to the plane, passing through the axis of the pipes of the drum and the axis of the pipe, and holes are made in the wall of the belt corresponding to the pipes.

Недостатком известного решения, выбранного в качестве прототипа, является его низкое КПД, обусловленное тем, что в отверстиях патрубков такой формы при прохождении рабочего тела возникает дополнительное сопротивление.The disadvantage of the known solution, selected as a prototype, is its low efficiency, due to the fact that in the holes of pipes of this shape, when the working fluid passes through, additional resistance arises.

Задачей предложенного изобретения является устранение указанного недостатка.The objective of the proposed invention is to eliminate this drawback.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Техническим результатом является повышение КПД турбины, экономия приводящей ее в действие энергии.The technical result is to increase the efficiency of the turbine, saving the energy that drives it.

Данный результат обеспечивается тем, что турбина содержит сегнерово колесо, выполненное в виде трубы (1) фиг. 1, 2, 4, 5 с, по меньшей мере, одним боковым отверстием и закрытым торцевым концом, указанная труба (1) скреплена соосно с валом (2), установленным соосно на диске (3) на, по меньшей мере, одном подшипнике качения (4) для обеспечения вращения указанной трубы (1) фиг. 1, при этом на трубе (1), в месте расположения бокового отверстия, радиально закреплен, по крайней мере, один патрубок (5) с обеспечением прохождения в него рабочей среды через отверстие из указанной трубы (1), а на конце патрубка (5) установлена лопатка (6), одной из торцевых стенок жестко закрепленная на диске (3) фиг. 1, и выполненная в виде Г-образного элемента с углом 90 градусов, сглаженным в месте изгиба, при этом в корпусе лопатки имеется щелевое отверстие (7), повторяющее форму лопатки (6) фиг. 2-5.This result is ensured by the fact that the turbine contains a Segner wheel made in the form of a pipe (1) of Fig. 1, 2, 4, 5 with at least one side hole and a closed end end, the specified pipe (1) is fastened coaxially with the shaft (2) installed coaxially on the disk (3) on at least one rolling bearing (4) to ensure rotation of said pipe (1) of FIG. 1, while on the pipe (1), at the location of the side hole, at least one pipe (5) is radially fixed to ensure that the working medium passes into it through the hole from the specified pipe (1), and at the end of the pipe (5 ) a blade (6) is installed, one of the end walls is rigidly fixed on the disk (3) of Fig. 1, and made in the form of an L-shaped element with an angle of 90 degrees, smoothed at the bend, while in the body of the blade there is a slotted hole (7), repeating the shape of the blade (6) of Fig. 2-5.

Количество подшипников (4) может быть и больше, в зависимости от длины вала, скорости вращения и прочих факторов.The number of bearings (4) may be more, depending on the shaft length, rotation speed and other factors.

Количество патрубков (5) равно количеству боковых отверстий на трубе (1).The number of nozzles (5) is equal to the number of side holes on the pipe (1).

Патрубок (5) имеет на всем своем протяжении полость/канал (5.1) для прохождения сквозь него рабочей среды.The branch pipe (5) has a cavity/channel (5.1) throughout its length for the working medium to pass through it.

Корпус лопатки (6) фиг. 2-5, как правило, выполняется из двух частей, а именно из передней (6.1) и задней (6.2) стенок, скрепленных между собой. Задняя стенка (6.2) лопатки (6) может иметь в поперечном сечении обтекаемую скругленную форму профиля для уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления при ее вращении. При этом скругление может иметь различную форму, например в виде полусферы, каплевидной формы или иных других форм, уменьшающих аэродинамическое сопротивление лопатки (6) при вращении. Угол лопатки (6) может быть чуть больше или чуть меньше 90 градусов, однако находится в диапазоне 75-105 градусов.The blade body (6) of Fig. 2-5, as a rule, is made of two parts, namely from the front (6.1) and back (6.2) walls, fastened together. The rear wall (6.2) of the blade (6) may have a streamlined rounded profile in cross section to reduce the drag coefficient during its rotation. In this case, the rounding can have a different shape, for example, in the form of a hemisphere, a drop-shaped shape, or other other shapes that reduce the aerodynamic resistance of the blade (6) during rotation. The angle of the vane (6) may be slightly more or slightly less than 90 degrees, but is in the range of 75-105 degrees.

Ширина лопатки (6), по меньшей мере, в два раза больше ширины патрубка (5). Предпочтительно в 5-10 раз.The width of the blade (6) is at least twice the width of the nozzle (5). Preferably 5-10 times.

Задняя стенка (6.2) лопатки имеет в поперечном сечении обтекаемую скругленную форму профиля для уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления.The rear wall (6.2) of the blade has a streamlined rounded profile in cross section to reduce the drag coefficient.

В частном случае исполнения корпус лопатки (6) может быть изготовлен и цельным (монолитным).In a particular case of execution, the blade body (6) can also be made in one piece (monolithic).

Щелевое отверстие (7) лопатки может быть как закрытое по торцевой стенке фиг. 4-5, так и открытое фиг. 2-3.The slotted hole (7) of the blade can be either closed along the end wall of FIG. 4-5 and the open of FIG. 2-3.

В качестве рабочей среды может применяться любой состав текучей среды (сжатый воздух, газ, и пр.), не ограниченный чем либо. Предпочтительно количество патрубков (5) два и более, для исключения дисбаланса конструкции при ее работе. Механизм стыковки отверстия с патрубком (5) может быть любым, например винтовым, клеевым, с помощью сварки или крепежных элементов или иным другим.As a working medium, any composition of the fluid medium (compressed air, gas, etc.), not limited by anything, can be used. Preferably, the number of nozzles (5) is two or more, in order to eliminate the imbalance of the structure during its operation. The mechanism for docking the hole with the nozzle (5) can be any, for example, screw, adhesive, by welding or fasteners, or otherwise.

Прохождение щелевого отверстия (7) с плавным (скругленным) поворотом обеспечивает исключение силы сопротивления создаваемого потоком рабочей среды при повороте на 90 градусов, то есть поток не теряет (или потери минимальные) своей кинетической силы при изменении направления его прохождения. Кроме того, поток рабочей среды дополнительно создает импульс за счет воздействия струи рабочей среды на увеличенную площадь лопатки (6), то есть поток обеспечивает дополнительное воздействие на лопатку (6), что дополнительно усиливает скорость вращения всей конструкции. Таким образом, помимо создания момента инерционных реактивных сил от потока рабочей среды создаются дополнительные возможности для ускорения вращения лопасти(ей) (патрубок (5) с лопаткой (6) образуют лопасть) турбины для решения задачи увеличения механической энергии, получаемой в турбине, путем увеличения коэффициента полезного действия вследствие более эффективного использования потока рабочей среды, что позволяет увеличить механическую энергию, получаемую в заявленной турбине. Таким образом, происходит полезное использование энергии с большим КПД и получение дополнительной мощности и экономии приводящей ее в действие энергии.The passage of the slotted hole (7) with a smooth (rounded) turn ensures the exclusion of the resistance force created by the flow of the working medium when turning by 90 degrees, that is, the flow does not lose (or minimal losses) its kinetic force when changing the direction of its passage. In addition, the flow of the working medium additionally creates an impulse due to the impact of the jet of the working medium on the increased area of the blade (6), that is, the flow provides an additional effect on the blade (6), which further enhances the rotation speed of the entire structure. Thus, in addition to creating the moment of inertial reactive forces from the flow of the working medium, additional opportunities are created for accelerating the rotation of the blade(s) (the branch pipe (5) with the blade (6) form a blade) of the turbine to solve the problem of increasing the mechanical energy received in the turbine by increasing efficiency due to more efficient use of the flow of the working medium, which allows you to increase the mechanical energy obtained in the claimed turbine. Thus, there is a beneficial use of energy with a high efficiency and obtaining additional power and savings in the energy driving it.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - конструкция турбины с двумя патрубками в разрезе.Fig. 1 - the design of the turbine with two branch pipes in section.

Фиг. 2 - вариант выполнения устройства с четырьмя патрубками и лопаткой с открытым по торцевой стороне щелевым отверстием.Fig. 2 - embodiment of the device with four branch pipes and a blade with a slotted hole open on the end side.

Фиг. 3 - общий вид лопатки с открытым по торцевой стороне щелевым отверстием.Fig. 3 is a general view of a blade with a slotted hole open on the end side.

Фиг. 4 - вариант выполнения устройства с четырьмя патрубками и лопаткой с закрытым по торцевой стороне щелевым отверстием.Fig. 4 - embodiment of the device with four nozzles and a blade with a slotted hole closed on the end side.

Фиг. 5 - общий вид лопатки с закрытым по торцевой стороне щелевым отверстием.Fig. 5 - general view of the blade with a slotted hole closed on the end side.

Краткое описание конструктивных элементов:Brief description of structural elements:

1 - труба;1 - pipe;

2 - вал 2;2 - shaft 2;

3 - диск;3 - disk;

4 - подшипник качения;4 - rolling bearing;

5 - патрубок;5 - branch pipe;

5.1 - полость/канал;5.1 - cavity / channel;

6 - лопатка;6 - scapula;

6.1 - передняя стенка лопатки;6.1 - front wall of the scapula;

6.2 - задняя стенка лопатки;6.2 - back wall of the scapula;

7 - отверстие.7 - hole.

Турбина работает следующим образом.The turbine works as follows.

Поток рабочей среды (А) фиг. 1, образованный от любого источника текучей среды (сжатый воздух, газ, и пр.). поступает в трубу (1) и далее через отверстие(ия) попадает в патрубок (5). Пройдя через патрубок (5), рабочая среда попадает в лопатку (6), пройдя через которую поток рабочей среды с высокой скоростью выходит из щелевого отверстия (7) лопатки (6) наружу, приводя ее во вращение, создавая кинетическую энергию. Вращение осуществляется посредством вала (2), установленного в подшипнике (4) для обеспечения легкого скольжения. Вращающаяся турбина создает энергию, которая через вал (2) передается для создания нужной работы (функционирования) чего либо.Working medium flow (A) of FIG. 1 generated from any source of fluid (compressed air, gas, etc.). enters the pipe (1) and then through the hole(s) enters the nozzle (5). After passing through the pipe (5), the working medium enters the blade (6), passing through which the flow of the working medium exits the slotted hole (7) of the blade (6) at high speed, causing it to rotate, creating kinetic energy. Rotation is carried out by means of a shaft (2) mounted in a bearing (4) to ensure easy sliding. The rotating turbine creates energy, which is transmitted through the shaft (2) to create the desired work (functioning) of something.

Пример 1 реализации устройства.Example 1 implementation of the device.

Турбина работает на сжатом воздухе. Труба (1), имеющая четыре равноудаленные боковые отверстия (через каждые 90 градусов), скреплена соосно с валом, установленным в основании на двух шариковых подшипниках качения, при этом на трубе (1) в месте расположения боковых отверстий радиально закреплены четыре патрубка (5) с обеспечением - прохождения в них воздуха из указанной трубы (1), а на конце каждого патрубка установлена лопатка (6) с закрытым щелевым отверстием. Поперечное сечение задней стенки каждой лопатки (6) выполнено прямое.The turbine runs on compressed air. The pipe (1), having four equidistant side holes (every 90 degrees), is fastened coaxially with the shaft mounted at the base on two ball bearings, while four branch pipes (5) are radially fixed on the pipe (1) at the location of the side holes providing - passage of air into them from the specified pipe (1), and at the end of each branch pipe there is a blade (6) with a closed slotted hole. The cross section of the rear wall of each blade (6) is straight.

Пример 2 реализации устройства.Example 2 device implementation.

Турбина работает на выхлопных газах двигателя. Труба (1), имеющая восемь равноудаленных боковых отверстий (через каждые 45 градусов), скреплена соосно с валом, установленным в основании на трех роликовых подшипниках качения, при этом на трубе (1) в месте расположения боковых отверстий радиально закреплены восемь патрубков (5) с обеспечением прохождения в них выхлопных газов из указанной трубы (1), а на конце каждого патрубка установлена лопатка (6) с открытым щелевым отверстием. Поперечное сечение задней стенки каждой лопатки (6) выполнено в виде полусферы.The turbine runs on the exhaust gases of the engine. The pipe (1), having eight equidistant side holes (every 45 degrees), is fastened coaxially with the shaft mounted at the base on three roller bearings, while eight branch pipes (5) are radially fixed on the pipe (1) at the location of the side holes with the passage of exhaust gases into them from the specified pipe (1), and at the end of each branch pipe there is a blade (6) with an open slotted hole. The cross section of the rear wall of each blade (6) is made in the form of a hemisphere.

Предложенное решение обеспечивает повышение КПД турбины и экономию приводящей ее в действие энергии.The proposed solution provides an increase in the efficiency of the turbine and savings in the energy that drives it.

Claims (5)

1. Турбина, характеризующаяся тем, что сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с, по меньшей мере, одним боковым отверстием и закрытым торцевым концом, указанная труба скреплена соосно с валом, установленным в основании на, по меньшей мере, одном подшипнике качения для обеспечения вращения указанной трубы, при этом на трубе в месте расположения бокового отверстия радиально закреплен, по крайней мере, один патрубок с обеспечением прохождения в него рабочей среды из указанной трубы, отличающаяся тем, что на конце патрубка установлена лопатка, одной из торцевых стенок жестко закрепленная на диске, и выполненная в виде Г-образного элемента с углом в диапазоне 75-105 градусов, сглаженным в месте изгиба, и состоящего из передней и задней стенок, скрепленных между собой, при этом в корпусе лопатки имеется щелевое отверстие, повторяющее форму лопатки.1. A turbine, characterized in that the Segner wheel, made in the form of a pipe with at least one side hole and a closed end end, said pipe is fastened coaxially with the shaft mounted at the base on at least one rolling bearing to ensure rotation of the specified pipe, while on the pipe at the location of the side hole, at least one branch pipe is radially fixed with the passage of the working medium into it from the specified pipe, characterized in that a blade is installed at the end of the branch pipe, one of the end walls is rigidly fixed to disk, and made in the form of an L-shaped element with an angle in the range of 75-105 degrees, smoothed at the bend, and consisting of the front and rear walls, fastened together, while in the body of the blade there is a slotted hole that repeats the shape of the blade. 2. Турбина по п. 1, характеризующаяся тем, что щелевое отверстие лопатки выполнено закрытым по торцевой стенке.2. Turbine according to claim 1, characterized in that the slotted opening of the blade is closed along the end wall. 3. Турбина по п. 1, характеризующаяся тем, что щелевое отверстие лопатки выполнено открытым по торцевой стенке.3. The turbine according to claim. 1, characterized in that the slotted opening of the blade is made open along the end wall. 4. Турбина по п. 1, характеризующаяся тем, что ширина лопатки, по меньшей мере, в два раза больше ширины патрубка.4. Turbine according to claim. 1, characterized in that the width of the blade is at least twice the width of the nozzle. 5. Турбина по п. 1, характеризующаяся тем, что задняя стенка лопатки имеет в поперечном сечении обтекаемую скругленную форму профиля.5. The turbine according to claim. 1, characterized in that the rear wall of the blade has a streamlined rounded profile shape in cross section.

Images