Турбокомпрессор
Турбокомпрессор содержит корпус (1) подшипника, в котором размещен радиально-упорный подшипник скольжения, включающий в себя: жестко закрепленные к корпусу втулку (2) и пяту (3), а также жеско закрепленное к валу (4) ротора кольцо (11). На втулке (2) и пяте (3) установлен вал (4) ротора. На консолях вала жестко закреплены колесо (5) турбины и колесо (6) компрессора, размещенные каждый в своем корпусе. Со стороны колеса (5) турбины установлен теплоизолирующий экран (7) с дополнительным слоем (8) из минералокерамики. Со стороны колеса (6) компрессора установлена крышка (9), зафиксированная стопорным кольцом (10). На валу (4) ротора неподвижно установлены: кольцо (11), распорная втулка (12) и регулировочное кольцо (13), между которыми установлена плавающая втулка (14). Для уплотнения вала служат разрезные лабиринтные кольца (15). На внутренней поверхности втулки (2) выполнена клиновидная выборка, образованная плоскостью (16) эвольвенты в направлении вращения ротора и имеющая радиусные углубления (17) в местах расположения масляных каналов (18), которые расположены по окружности под углом 120°. На торце втулки (2) имеются радиусные пазы (22) от которых, в противоположном направлении вращения ротора выполнены клиновидные выборки (23). В пяте (3) выполнены каналы (19) для подачи масла. На торце пяты выполнены пазы (20), от которых в направлении вращения ротора выполнены клиновидные выборки (21). Между торцами пяты (3), кольца (11), втулки (2) а также и между втулкой (2) и валом (4) имеются зазоры. Предлагаемой полезной моделью решается задача за счет обеспечения трущихся пар полностью жидкостным трением скольжения и достаточной теплоизоляции турбины снизить износ подшипника и повысить ресурс работы турбокомпрессора. 8 ил.
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции турбокомпрессоров, применяемых для наддува автотракторных двигателей внутреннего сгорания.
Известен турбокомпрессор для наддува ДВС, имеющий подшипник с плавающими вращающимися втулками. Втулки выполнены с упорными фланцами и свободно установлены на валу. В корпусе подшипника выполнены клиновидные в поперечном сечении кольцевые канавки, расположенные смежно сверлениям для подвода смазки. Слив масла производится через два канала, один из которых является главным, а другой - вспомогательным. Под действием центробежной силы частицы осадков отбрасываются к периферии канавок и удаляются через основной канал.
Недостатком известного турбокомпрессора является то, что подшипниковый узел плохо приспособлен к переходным режимам работы, при которых возможен распор и заклинивание плавающих втулок из-за недостаточной смазки торцовых поверхностей (патент США 
3110528, Кл. 308-122, опубл. 1982)
Известен турбокомпрессор, содержащий ротор с колесами компрессора и турбины, расположенными в корпусах, размещенную в среднем корпусе и зафиксированную от проворота подшипниковую втулку, выполненную составной в виде стакана с размещенными в нем по торцам плавающими вставками, образующими опорные пояски для ротора, при этом торцевые поверхности стакана выполнены коническими, а каждая вставка - в виде двустороннего усеченного конуса, при этом опорные пояски образованы коническими поверхностями вставок (патент РФ 2006681, МПК F04D 25/04, F02B 37/00, опубл. 30.01.94).
Недостатком известного турбокомпрессора является использование плавающих вставок в виде двухстороннего усеченного конуса, что приводит к увеличению поверхностей трения, и, соответственно, к увеличению потерь мощности на трение. Кроме того, изготовление конических вставок имеет высокую трудоемкость, а их конструкция не обеспечивает заданную точность установочных зазоров.
Известен турбокомпрессор, содержащий ротор с установленными на его консолях колесами компрессора и турбины, и размещенные в корпусе плавающую не вращающуюся моновтулку, снабженную примыкающими к ее торцам опорными поясками и заключенной между ними полостью, а также расположенные по торцам моновтулки две вращающиеся вставки в виде втулок, при этом между вращающимися вставками на роторе установлена дистанционная втулка, в каждой из вставок выполнены равномерно расположенные по окружности радиальные отверстия, а в корпусе выполнены входные каналы для подвода смазки в окружные канавки на наружной поверхности опорных поясков, кроме того, на части внутренней поверхности не вращающейся моновтулки со стороны входных каналов выполнены сегментные канавки на дуге протяженностью 75° (патент РФ 57848, МПК F04D 25/04, F02B 37/00, опубл. 27.10.2006).
Данный турбокомпрессор не обеспечивает необходимые условия смазки трущихся пар подшипников скольжения, в которых использованы промежуточные вращающиеся вставки, где радиальные нагрузки распределяются между отверстием моновтулки и наружной поверхностью вставок. Кроме того, неспособность подшипникового узла воспринимать осевую нагрузку приводит к быстрому износу торцев рабочих поверхностей и к увеличению осевого люфта в процессе эксплуатации, что в итоге уменьшает ресурс работы турбокомпрессора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является турбокомпрессор, содержащий корпус подшипников, в котором на радиальных и упорном подшипниках скольжения установлен вал ротора, на консолях которого закреплены колесо турбины и колесо компрессора, размещенные каждый в своем корпусе, при этом корпус подшипников выполнен с масляными каналами системы смазки подшипников и снабжен алюминиевой крышкой, фиксирующей упорный подшипник, а корпус компрессора снабжен диффузором, причем корпус компрессора и корпус турбины прикреплены к корпусу подшипника с помощью болтов и планок (патент РФ 32534, МПК F02B 37/00, опубл. 20.09.2003).
Недостатки известного турбокомпрессора: невысокая эффективность смазки трущихся пар подшипников скольжения и недостаточная теплоизоляция турбины, что в совокупности приводит к повышенному износу подшипников и снижению ресурса работы турбокомпрессора в целом.
Была поставлена задача: обеспечить высокую эффективность смазки трущихся пар радиально-упорного подшипника скольжения и достаточную теплоизоляцию турбины, что позволит снизить износ подшипника и повысить ресурс работы турбокомпрессора.
Поставленная задача решается за счет того, что в турбокомпрессоре, содержащем выполненный с масляными каналами системы смазки корпус подшипника, в котором на радиально-упорном подшипнике скольжения установлен вал ротора, закрепленные на консолях вала ротора колесо турбины и колесо компрессора, размещенные каждый в своем корпусе, теплоизолирующий экран, крышку, установленные, соответственно, со стороны колеса турбины и колеса компрессора, теплоизолирующий экран снабжен усиленным слоем из минералокерамики, радиально-упорный подшипник выполнен в виде жестко закрепленных в корпусе пяты и втулки, на внутренней поверхности которой выполнена клиновидная выборка, образованная плоскостью эвольвенты в направлении вращения ротора и имеющая радиусные углубления в местах расположения масляных каналов, а на торце втулки выполнены радиусные углубления, соединенные клиновидной выборкой в противоположном направлении вращения ротора, а на торце пяты подшипника выполнен, по крайней мере, один паз, от которого в направлении вращения ротора выполнена клиновидная выборка, кроме того, на валу ротора жестко закреплено кольцо подшипника, при этом между торцами пяты, кольца и втулки имеются зазоры.
Наличие у теплоизолирующего экрана усиленного слоя из минералокерамики позволяет значительно уменьшить нагрев корпуса подшипника и смазывающего масла, и тем самым снизить тепловую нагрузку со стороны колеса турбины, вследствие чего снижается процесс коксообразования магистрального масла, характеризующийся образованием твердых частиц, увеличивающих износ трущихся пар.
Выполнение на внутренней поверхности втулки подшипника клиновидной выборки, образованной плоскостью эвольвенты в направлении вращения ротора и имеющей радиусные углубления в местах расположения масляных каналов, а также жестко закрепленной ее в корпусе, позволяет магистральному маслу, проходя через полость, автоматически воспринимать все радиальные нагрузки и выравнивать зазор между отверстием втулки подшипника и валом ротора, тем самым, резко снижая износ трущихся поверхностей.
Выполнение на торце пяты подшипника, по крайней мере, одного паза, от которого в направлении вращения ротора выполнена клиновидная выборка, а также жестко закрепленной ее в корпусе, позволяет магистральному маслу, проходя через паз с клиновидной выборкой, под большим давлением в осевом направлении воздействовать на вал ротора, сдвигая его вместе с жестко установленным на валу ротора кольцом подшипника, размещенным с зазором от торца пяты подшипника. При этом зазор регулируется автоматически, воспринимая все пульсирующие нагрузки.
Выполнение на торце втулки подшипника радиусных углублений, соединенных клиновидной выборкой в противоположном направлении вращения ротора,
позволяет многократно увеличить давление масла, за счет клиновидности выборки и центробежной силы и оказать давление в осевом направлении на вал ротора и автоматически воспринимать осевые нагрузки, регулируя зазор между торцами кольца и втулки подшипника.
В совокупности существенные признаки позволяют автоматически поддерживать зазор между трущимися поверхностями подшипника, воспринимая при этом все радиальные и осевые нагрузки, обеспечить высокую эффективность смазки трущихся пар подшипника скольжения и достаточную теплоизоляцию турбины, снизить износ подшипника и повысить ресурс работы компрессора.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где изображены:
Фиг.1 - турбокомпрессор, общий вид в разрезе;
Фиг.2 -втулка подшипника, в разрезе;
Фиг.3 - разрез А-А на фиг.2;
Фиг.4 - пята подшипника с кольцом подшипника, в разрезе;
Фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.4;
Фиг.6 - разрез В-В на фиг.5.
Фиг.7 - вид Б на фиг.2;
Фиг.8- разрез В-В на фиг.7.
Турбокомпрессор содержит корпус 1 подшипника, в котором жестко закреплены втулка и пята подшипника скольжения, соответственно 2 и 3. На втулке 2 и пяте 3 установлен вал 4 ротора. На консолях вала 4 ротора жестко закреплены: колесо 5 турбины и колесо 6 компрессора, размещенные каждый в своем корпусе. Со стороны колеса 5 турбины установлен теплоизолирующий экран 7 с дополнительным слоем 8 из минералокерамики. Со стороны колеса 6 компрессора установлена крышка 9, зафиксированная стопорным кольцом 10. На валу 4 ротора неподвижно установлены: кольцо 11 подшипника, распорная втулка 12 и регулировочное кольцо 13, между которыми установлена плавающая втулка 14. Для уплотнения вала служат разрезные лабиринтные кольца 15.
Втулка 2 подшипника, запресованная в корпусе 1 подшипника, на внутренней поверхности имеет клиновидную выборку, образованную плоскостью 16 эвольвенты в направлении вращения ротора и имеющая радиусные углубления 17 в местах расположения масляных каналов 18, которые расположены по окружности под углом 120° (фиг.3).
В пяте 3 подшипника выполнены каналы 19 (фиг.4) для подачи масла. На торце пяты 3 подшипника выполнены пазы 20, от которых в направлении вращения ротора выполнены клиновидные выборки 21 (фиг.5 и фиг.6).
На торце втулки 2 подшипника, со стороны кольца 11 подшипника, имеются радиусные пазы 22 от которых в противоположном направлении вращения ротора выполнены клиновидные выборки 23 (фиг.8)
Между торцами пяты 3 подшипника и кольца 11 подшипника имеется зазор а (фиг.4), между втулкой 2 подшипника и валом 4 ротора - зазор в (фиг.2), а между торцом втулки 2 подшипника и кольцом 11 подшипника имеется зазор е (фиг.2).
Турбокомпрессор работает следующим образом.
Выхлопные газы из двигателя поступают в корпус турбины и приводят во вращение колесо 5 турбины и через вал 4 ротора колесо 6 компрессора. Вал 4 ротора вращается на втулке 2 подшипника и зафиксирован от осевого перемещения, с одной стороны торцом пяты 3 подшипника, а с другой стороны торцом втулки 2 подшипника. Масло из системы смазки двигателя под давлением через масляные каналы 18 и 19 подается на пяту и втулку подшипника. Масло, подаваемое через систему каналов на втулку 2 подшипника поступает в радиусные углубления 17 и проходит через клиновидную полость, образованную плоскостью эвольвенты 16 и цилиндрической поверхностью вала 4 ротора, автоматически воспринимает все радиальные нагрузки и равномерно выравнивает зазор в. Далее масло из радиусного углубления 17, через радиусное углубление 22, поступает в клиновидные выборки 23, где многократно увеличивается давление масла, за счет клиновидности выборки и центробежной силы, воздействует в осевом направлении на вал 4 ротора и автоматически воспринимает осевые нагрузки, регулируя зазор е, между торцами кольца 11 и втулки 2 подшипника. Масло, поступающее в пяту 3 подшипника, через систему каналов 19 попадает в пазы 20, а через них в клиновидную выборку 21, и проходя через них под многократно увеличивающимся давлением воздействует в осевом направлении на вал 4 ротора, сдвигая его вместе с жестко установленным на валу ротора кольцом 11 подшипника, размещенным с зазором а от торца пяты 3 подшипника. При этом зазор а регулируется автоматически, воспринимая все пульсирующие нагрузки.
Перечисленные существенные отличия заявляемого технического решения, от аналогов, позволяют создать турбокомпрессор с подшипниковым узлом с гидродинамическими свойствами, за счет обеспечения трущихся пар полностью жидкостным трением скольжения и обеспечивающим многократное снижение коэффициента трения, по сравнению с показателями известных в технике подшипников скольжения.
Турбина преобразовывает энергию выхлопных газов в кинетическую энергию вращения вала 4 ротора, которая в компрессорной ступени превращается в работу сжатия воздуха. Масло, отработавшее в подшипниковом узле, возвращается через систему каналов в систему смазки двигателя.
Таким образом, предложенная конструкция турбокомпрессора позволяет автоматически поддерживать зазоры а, в и е между трущимися поверхностями подшипника, воспринимая при этом все радиальные и осевые нагрузки, обеспечивая полное жидкостное трение, снизить износ подшипника и повысить ресурс работы компрессора.
Дополнительная тепловая защита из минералокерамики со стороны турбины обеспечивает повышенную теплоизоляцию турбины, что позволяет значительно уменьшить коксование масла, и, как следствие, снизить износ подшипника.
Турбокомпрессор предлагаемой конструкции соответствует условию промышленной применимости и может быть изготовлен на стандартном оборудовании с применением ранее освоенных технологий.
Турбокомпрессор, содержащий выполненный с масляными каналами системы смазки корпус подшипника, в котором на радиально-упорном подшипнике скольжения установлен вал ротора, закрепленные на консолях вала ротора колесо турбины и колесо компрессора, размещенные каждый в своем корпусе, теплоизолирующий экран, крышку, установленные соответственно со стороны колеса турбины и колеса компрессора, отличающийся тем, что теплоизолирующий экран снабжен усиленным слоем из минералокерамики, радиально-упорный подшипник выполнен в виде жестко закрепленных в корпусе пяты и втулки, на внутренней поверхности которой выполнена клиновидная выборка, образованная плоскостью эвольвенты в направлении вращения ротора и имеющая радиусные углубления в местах расположения масляных каналов, а на торце втулки выполнены радиусные углубления, соединенные клиновидной выборкой в противоположном направлении вращения ротора, а на торце пяты подшипника выполнен, по крайней мере, один паз, от которого в направлении вращения ротора выполнена клиновидная выборка, кроме того, на валу ротора жестко закреплено кольцо подшипника, при этом между торцами пяты, кольца и втулки имеются зазоры.
