РАЗРАБОТКА ТУРБИННОГО ПРИВОДА ДЛЯ РУЧНЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ МАШИН

Введение

В настоящее время в мире только две фирмы - Air Turbine Tools (США) и Deprag (Германия-Чехия) освоили серийное производство и создали модельные ряды пневматических шлифовальных машин с турбинным приводом. Однако, несмотря на явные и неоспоримые преимущества турбинного привода перед ротационным, суммарная доля машин с турбинным приводом не превышает одного процента от численности парка шлифовальных машин с ротационным приводом.

Проанализируем основные причины, препятствующие широкому распространению машин с турбинным приводом в промышленности.  

С этой целью рассмотрим ключевые особенности турбин, примененных для привода своих машин фирмами Air Turbine Tools и Deprag. Отметим, что эти фирмы используют турбины с радикально различными кинематическими схемами.

Фирма Air Turbine Tools для всех моделей своих машин (рис. 1, а) использует центробежную реактивную турбину типа «сегнерово колесо» (рис. 2).

 

а	б

а – машина 230XSV фирмы Air Turbine Tools; б – машина GDST 050-550 BYQ фирмы Deprag

Рис. 1. Ручные шлифовальные машины с турбоприводом

     Центробежная реактивная турбина имеет, при одинаковых значениях коэффициента скорости лопаточного аппарата рабочего колеса и скоростного параметра U/C, самый низкий внутренний кпд, а также самую пологую характеристику крутящего момента среди всех известных типов лопаточных турбин.

а	б	в

а – ротор машины; б – центробежная реактивная турбина; в – профили сопел

Рис. 2.  Элементы турбопривода машины 201SV фирмы Air Turbine Tools

 

Таким образом, вследствие особенностей рабочего процесса центробежная реактивная турбина не способна обеспечить необходимую жесткость моментной характеристики, что в итоге приводит к остановкам машины даже при относительно небольшом повышении нагрузки на ротор во время работы.

Поэтому, несмотря на то, что машины фирмы Air Turbine Tools имеют хорошие эргономические характеристики (малый вес, компактность, низкие параметры шума и вибрации) и относительно невысокую стоимость их применение ограничено фактически лишь операциями тонкого (чистового) шлифования.

В машинах фирмы Deprag (рис. 1, б) применена традиционная осевая турбина с двумя ступенями скорости (рис. 3). Фирмой применяется технология изготовление лопаточных венцов осевых турбин методом пятикоординатного фрезерования лопаток в диске заготовки рабочего колеса, что обусловливает высокую себестоимость машины.

Кроме того, из-за высокого градиента давления в осевом зазоре между сопловым аппаратом и рабочим колесом в осевой турбине для достижения приемлемого значения КПД необходимо обеспечить предельно малые радиальные зазоры над лопатками рабочего колеса, что требует повышенной точности изготовления деталей и, соответственно, дополнительно увеличивает себестоимость машины.

Указанные факторы определяют высокую стоимость (от 80 000 рублей за штуку) машин с турбинным приводом фирмы Deprag, что на порядок превышает рыночную цену традиционных ротационных машин и, соответственно, резко ограничивает широкое промышленное применение машин фирмы Deprag.

 

 

Рис. 3.  Осевая турбина шлифмашины фирмы Deprag

 

Таким образом, основной причиной, препятствующей широкому распространению машин с турбоприводом обеих фирм, является тип приводной турбины, не соответствующей требованиям, предъявляемым к приводу ручных шлифовальных пневматических машин.

Решением всех отмеченных проблем может быть использование многоступенчатых турбин с радиальными ступенями скорости и давления.

С этой целью фирмой «Интурбо» была разработана конструктивная схема радиальной двухступенчатой турбины, защищенная патентом на полезную модель № RU 139138 [1], которая применена в качестве приводной турбины для трех основных типоразмерных групп машин, входящих в созданный модельный ряд инновационных шлифовальных машин.

1. Инновационная радиальная турбина

    

     В предлагаемой двухступенчатой радиальной турбине [1] в качестве первой ступени использована центробежная реактивная турбина, а вторая ступень является активной центростремительной турбиной. Лопаточные венцы обеих ступеней размещены на противоположных боковых поверхностях диска рабочего колеса (РК) (рис. 5). На одной из сторон диска РК (со стороны подвода сжатого воздуха) размещен венец лопаток 2 центробежной реактивной турбины; на противоположной стороне - венец активных центростремительных рабочих лопаток 3 (рис. 5 б и 5 в). Турбина также содержит неподвижный промежуточный направляющий аппарат (ПНА), охватывающий РК по наружному диаметру. Кольцевая решетка ПНА состоит из радиальных лопаток, образующих межлопаточные сквозные каналы для поворота потока воздуха. Боковые стенки каналов ПНА расположены во взаимно параллельных плоскостях, смещенных в поперечном сечении ПНА относительно оси вращения РК (рис. 5а).

 

 

 

Рис. 4. Фотография инновационной радиальной турбины [1]

 

 

а – ПНА (продольное сечение); б – центробежная реактивная турбина (вид на ступень со стороны подвода воздуха); в – активная центростремительная турбина (вид на ступень с противоположной стороны); г – трехмерная модель каналов ПНА.

1 – ПНА; 2 – сопловые лопатки; 3 – центростремительные рабочие лопатки

Рис. 5. Схема инновационной радиальной турбины [1]

 

     Работа турбины осуществляется следующим образом: сжатый воздух расширяется в межлопаточных каналах центробежной реактивной турбины 2, при этом весь располагаемый перепад энтальпий затрачивается на увеличение скорости потока. Часть кинетической энергии поток передает ротору в центробежной реактивной турбине, а оставшаяся часть кинетической энергии потока, после прохождения ПНА используется во второй ступени - в активном центростремительном РК 3.

      В ПНА воздух, без дополнительного расширения, изменяет направление своего движения с центробежного на центростремительное. При этом каналы ПНА обеспечивают тангенциальную закрутку потока во входном сечении центростремительного РК 3. После прохождения центростремительного РК 3 поток выходит в атмосферу.

     Высокие потребительские качества разработанной турбины обусловлены следующими ее свойствами и конструктивными особенностями:

• характеристика турбины обеспечивает крутящий момент на рабочей частоте вращения в 1,7 раза больший, чем у центробежной реактивной турбины;
• двухстороннее расположение радиальных лопаточных венцов РК и радиальных каналов ПНА позволило изготавливать их из пластмассы путем литья под давлением в прессформах; это обеспечило малый вес турбины, низкую вибрацию и небольшую стоимость изготовления деталей турбины;
• появилась конструктивная возможность крепления к рабочим лопаткам бандажного кольца, дополнительно снижающего утечки потока из лопаток;
• течение газа через рабочие лопатки происходит в одной плоскости с потоком из ПНА, что определяет сравнительно низкие потери течения от утечек;
• рабочее колесо располагается концентрично внутри кольца ПНА, что обеспечило компактность и высокую технологичность процесса сборки.

Для каждой из четырех типоразмерных групп машин модельного ряда была разработана индивидуальная конструктивная схема турбинного привода, содержащая описанную турбину либо в качестве основной приводной турбины либо в качестве первой ступени давления многоступенчатой турбины.

 

1. Базовая конструктивная схема турбинного привода модельного ряда шлифмашин

 

Одна из проблем использования турбоприводов в пневмомашинах заключается в том, что частота вращения без нагрузки (на холостом ходу), в два и более раз (в зависимости от типа турбины) превышает рабочую частоту вращения, соответствующую оптимальному значению параметра U/C.

 Ограничение частоты вращения холостого хода возможно путем использования регулятора, снижающего давление воздуха на входе в турбину при увеличении частоты вращения ротора машины. Применение регулятора решает одновременно две задачи: ограничение частоты вращения холостого хода и стабилизацию частоты вращения машины при переменной нагрузке на инструмент.

График зависимости мощности привода от частоты вращения ротора (рис. 6) отображает принцип воздействия регулятора на характеристику турбины. Регулятор не оказывает ощутимого воздействия на левую ветвь характеристики турбины и предназначается для корректировки ее правой ветви. Правая ветвь, отмеченная поз.1 отображает характеристику турбины в машине без регулятора. Правая ветвь, отмеченная поз.2 соответствует характеристике МТ машины с регулятором. Регулятор начинает срабатывать при частоте вращения, обозначенной левым вертикальным отрезком. Эффективность работы регулятора определяется расстоянием между двумя изображенными на графике вертикальными отрезками.

 

Рис. 6. График зависимости мощности турбины Р от частоты вращения ротора n

 

В разработанной конструкции регулятора [2] исполнительным элементом регулятора, размещенного во входном сечении турбинной ступени, является эластичное кольцо, установленное с прилеганием к внутренней цилиндрической поверхности обоймы (рис. 7). Во время вращения ротора эластичное кольцо под действием центробежных сил сжимается, деформируясь в периферийном направлении, которое ограничено внутренней поверхностью обоймы (а). При этом эластичное кольцо подвергается упругой деформации, изменяет свое поперечное сечение и частично перекрывает проходное сечение регулировочной камеры. Таким образом, осуществляется процесс регулирования, при котором площадь проходного сечения для потока сжатого воздуха зависит от частоты вращения ротора. При остановке ротора эластичное кольцо возвращается в недеформированное состояние (б).

 

Рис. 7. Механизм работы регулятора частоты вращения [2]

 

     Регулятор надежен, имеет высокое быстродействие и не создает дисбаланса благодаря малой величине вращающихся масс. Как и элементы турбинной ступени, детали регулятора изготовлены из пластмассы литьем в прессформах.

Инновационная турбинная ступень [1] в совокупности с регулятором частоты вращения [2] сформировали базовый турбопривод (рис. 8), который был применен в большинстве шлифовальных машин типоразмерных групп В, С и D.

1 – инновационная турбина [1]; 2 – регулятор частоты вращения [2]

Рис. 8. Базовый турбопривод модельного ряда шлифмашин

 

На основе базового турбопривода (рис. 8) созданы три типоразмерные группы модельного ряда: типоразмерная группа В с наружным диаметром корпуса машины 74 мм; типоразмерная группа C наружным диаметром 62 мм; типоразмерная группа D наружным диаметром 50 мм.

 

3. Расширение диапазона эффективной работы турбоприводов

 

     В процессе создания модельного ряда шлифмашин была поставлена задача создания турбоприводов, которые позволили бы:

- разработать дополнительную типоразмерную группу шлифмашин с повышенной частотой вращения;

- в рамках типоразмерных групп В, С и D разработать машины с повышенным крутящим моментом.

     Все дополнительные турбоприводы были разработаны на основе базового турбопривода (рис. 8).

     Разработка быстроходного компактного турбопривода была осуществлена на базе использования существующего РК (рис. 3) инновационной турбины [1], причем из рабочего процесса были выведены ПНА и венец центростремительных рабочих лопаток, таким образом, венец центробежных сопловых лопаток образовал высокооборотную центробежную реактивную турбину (рис. 9). На ее базе был разработан компактный турбопривод для высокооборотных шлифовальных машин с наружным диаметром 40 мм, которые были объединены в типоразмерную группу Е.

1 – центробежная реактивная турбина; 2 – регулятор частоты вращения [4]

Рис. 9. Турбопривод шлифмашин типоразмерной группы Е

 

     Задача создания турбопривода с повышенным крутящим моментом была решена на основе применения турбины с двумя ступенями давления, в которой в качестве первой ступени была использована инновационная турбина [1] (рис. 3). В турбоприводах машин типоразмерных групп В и С (рис. 10) в качестве второй ступени была использована традиционная центробежная турбина.

а – двухступенчатая турбина со ступенями давления; б – центробежная турбина второй ступени

1 – первая ступень; 2 – вторая ступень; 3 – регулятор частоты вращения;

4 –  венец сопловых лопаток СА; 5 –  РК с венцом центробежных лопаток

Рис. 10. Турбопривод шлифмашин групп В и С повышенного крутящего момента

 

В малогабаритных шлифмашинах типоразмерной группы D применение центробежной турбины в качестве второй ступени турбопривода оказалось не возможным из-за габаритных ограничений. Задача создания турбопривода пониженной оптимальной частоты вращения и повышенного крутящего момента была решена с помощью специально разработанной инновационной центробежно-центростремительной турбины [3]. В состав турбины (рис.11) входят неподвижный СА 1 с венцом центробежных сопловых лопаток 2 и РК 3, выполненное в виде диска со сквозными каналами 4 для поворота потока воздуха. Боковые стенки каналов расположены во взаимно параллельных плоскостях, смещенных в поперечном сечении РК относительно оси его вращения. Каналы ограничены по периферии бандажными полками 5 и 6.

1 – СА; 2 –  сопловые лопатки; 3 – РК; 4 – рабочие лопатки; 5, 6 – бандажные полки

Рис. 11. Инновационная вторая ступень малогабаритного турбопривода [3]

 

     Во время работы турбинной ступени сжатый воздух ускоряется в межлопаточных каналах 2 и входит в каналы 4 в центробежном направлении. Проходя по каналам, воздух меняет направление своего движения с центробежного на центростремительное. Одновременно с этим, воздух меняет направление своей тангенциальной закрутки, что обеспечивает передачу энергии потока ротору пневмомашины. После прохождения РК поток выходит в атмосферу.

     Турбопривод машин типоразмерной группы D повышенного крутящего момента приведен на рис. 12.

1 – первая ступень; 2 – вторая ступень; 3 – регулятор частоты вращения

Рис. 12. Малогабаритная двухступенчатая турбина со ступенями давления

 

Заключение

Применение инновационных турбин [1, 3] обеспечило эффективную работу турбоприводов в широком диапазоне частот вращения и позволило расширить параметры модельного ряда ручных шлифовальных пневматических машин.

Детальное описание конструкции машин модельного ряда приведено в статье «Модельный ряд высокоскоростных ручных шлифовальных машин».

 

Литература

1. Патент РФ на полезную модель № 139138. Турбинный привод / Ю.П. Кузнецов – 2013. Бюл. № 10.
2. Патент РФ на полезную модель №148088. Пневматический двигатель / Ю.П. Кузнецов – 2014. Бюл. № 33.
3. Патент на полезную модель №193555. Малоразмерная турбина / Ю.П. Кузнецов, А.Б. Чуваков, Р.А. Погодин – 2019, Бюл. № 31.