ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F01D1/08 

Изобретение относится к области энергетики, конкретнее к турбокомпрессорам центробежного типа, предназначенным для наддува двигателей внутреннего сгорания.

Известны турбонагнетатели ДВС, содержащие ротор с рабочими колесами компрессора и турбины, соединенные тыльными торцовыми поверхностями (моноротор), диффузор и улитку компрессора, сопловой аппарат и улитку турбины. Направляющие лопатки соплового аппарата в известном устройстве неподвижно соединены с корпусом, проходное сечение соплового аппарата на всех режимах работы ДВС остается постоянным.

Указанное свойство неблагоприятно влияет на характеристики агрегата наддува, особенно на частичных нагрузках, которые преобладают в режимных движениях, например, автомобиля.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т. е. повышение КПД турбонагнетателя на режимах частичных нагрузок, когда давление и расход рабочего газа значительно снижаются.

Цель достигается исполнением сопловых лопаток составными из двух частей, из которых передняя выполнена за одно целое с корпусом направляющего аппарата, а задняя по потоку часть снабжена приводом поворота, действующим от давления газа в улитке или посредством кинематической связи с регулятором подачи топлива в ДВС.

На фиг. 1 изображен турбонагнетатель в осевом разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Корпус компрессора выполнен сварно-литым из алюминиевого сплава, его литая часть содержит воздухозаборник 1 с четырьмя крестообразно расположенными ребрами 2, ступицей 3, диффузором с направляющими лопатками 4. К литой части приварена улитка 5, отформованная (например, штамповкой, ротационным выдавливанием) из листового материала. В ступице 3 запрессована цапфа 6, на которой посредством подшипниковых втулок 7,8 и винта 9 установлено рабочее колесо 10, причем подшипниковые втулки подвижно по ходовой посадке сопряжены и с цапфой, и с колесом, т. е. выполнены плавающими. По торцам втулки 8 целесообразна установка шайб 11 из антифрикционного материала. В рабочем колесе запрессован вкладыш 12, выступающая часть которого имеет на внешней поверхности винтовую резьбу, сопряженную с минимальным зазором с расточкой в ступице. Направление резьбы выбирается из условия перемещения гребней витков при работе компрессора внутрь расточки. Для подачи смазки в корпусе установлен штуцер 13, выполнены каналы 14,15, осевое отверстие в винте 9; для отвода смазочной жидкости имеется канал 16 и штуцер 17. На рабочем колесе винтами 18 закреплена стяжка 19 с гайкой 20, посредством которой и распорного кольца 21 установлено рабочее колесо 22 центростремительной турбины. Распорное кольцо выполнено из материала с низкой теплопроводностью, например из керамики или пористого металла, спеченного из порошка, на наружной поверхности кольца установлен набор шайб 23, разделенных кольцевыми прокладками 24, выполненными также из нетеплопроводного материала. Шайбы 23 изготовлены из листового материала с толщиной примерно 0,2 мм, например из титанового сплава, и могут иметь покрытие с высоким коэффициентом отражения в инфракрасной и красной областях спектра. По наружному диаметру шайбы с минимальным зазором сопряжены с кольцом 25, неподвижно установленным в корпусе.

Возможен вариант исполнения с шайбами и кольцевыми прокладками, неподвижно связанными с кольцом 25 и расположенными с зазором по внутреннему диаметру относительно кольца 21.

Корпус турбины 26 с сопловыми лопатками 27 и улиткой 28 тоже имеет сварно-литую конструкцию. Корпуса турбины и компрессора стянуты между собой хомутом в виде полуколец 29,30 с трапецеидальной канавкой на внутренней поверхности, сопряженной с соответствующими кольцевыми выступами на корпусах. Концы полуколец стянуты между собой винтами. Турбокомпрессор и воздуховод к нему крепятся на двигателе посредством резьбовых отверстий на торце воздухозаборника 1.

Сопловые лопатки 27 направляющего аппарата турбины выполнены составными: их передняя относительно направления потока газа часть неподвижно соединена или выполнена за одно целое с корпусом аппарата и имеет на задней стороне вогнутую (цилиндрическую) выемку, с которой концентрично с зазором сопряжена подвижная часть 31 сопловой лопатки, напрессованная на палец 32 коленчатого рычага 33. Палец 32 с возможностью поворота установлен в отверстиях корпуса, второй палец 34 коленчатого рычага подвижно (с возможностью поворота) соединен с кольцом 35, снабженным приводом поворота вокруг оси турбины посредством тангенциально расположенной тяги 36, конец которой выведен через отверстие в улитке наружу. С наружным концом тяги соединен привод поступательного движения, в частности, в виде пневмопривода с подпружиненным поршнем, подпоршневая полость которого через зазор между тягой и отверстием в улитке сообщена с полостью улитки. Величина зазора может быть различной: она или создает значительное дросселирование газа, или обеспечивает его протечки без существенного перепада давления, при этом в первом случае пневмопривод обеспечивает регулирование медленно меняющихся во времени режимов работы турбины, во втором варианте он способен реагировать на изменение давления газа в пределах рабочего цикла двигателя. Наиболее целесообразно исполнение подпружиненного поршня в виде мембраны 37, закрепленной на тяге гайками 38 и в корпусе винтами 39.

При работе двигателя внутреннего сгорания выпускные газы поступают в улитку 28 турбины и через направляющий аппарат с сопловыми лопатками 27 подаются на рабочее колесо 22 турбины, сообщая ему вращение, которое передается рабочему колесу 10 нагнетателя и обеспечивает сжатие воздуха и наддув ДВС, подвижные части 31 сопловых лопаток находятся в положении, изображенном на фиг. 2 и соответствующем максимальному проходному сечению каналов направляющего аппарата, при этом мембрана 37 с тягой 36 давлением газа в улитке отжата в крайнее (на фиг. 2 влево) положение.

При переходе ДВС на режим частичных нагрузок объем и давление выпускных газов уменьшаются, мембрана 37 силой упругости прогибается вправо, смещает тягу 36, поворачивает кольцо 35, которое синхронно поворачивает коленчатые рычаги 33 с установленными на них подвижными частями 31 лопаток, последние принимают положение 40, при котором реализуется оптимальное проходное сечение соплового аппарата, обеспечивающее наивысший КПД турбонагнетателя на режиме частичных нагрузок.

Подобный эффект обеспечивается также кинематической связью тяги 36 с регулятором подачи топлива ДВС.

Использование: в турбонагнетателе с центростремительной турбиной, имеющей регулируемый направляющий аппарат. Сущность изобретения: сопловые лопатки направляющего аппарата выполнены составными, при этом передняя по потоку часть лопатки выполнена за одно целое с корпусом, а задняя напрессована на палец коленчатого рычага, поворотно установленный в корпусе. Второй палец коленчатого рычага поворотно соединен с кольцом, снабженный приводом его поворота вокруг оси. Регулирование проходного сечения направляющего аппарата осуществляется поворотом задней части сопловых лопаток с помощью пневмопривода, действующего от давления газа в улитке турбины. 1 з. п ф-лы, 2 ил.

1. ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬ с центростремительной турбиной, содержащий направляющий аппарат с сопловыми лопатками, установленный в корпусе, и улитку турбины, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД на режимах частичных нагрузок, он снабжен кольцом, установленным соосно с турбиной, пневмоприводом с подпружиненным поршнем, предпоршневая полость которого сообщена с полостью улитки, тягой, один конец которой шарнирно соединен с кольцом, а другой - с поршнем, и коленчатыми рычагами, причем каждая сопловая лопатка выполнена в виде подвижного и неподвижного элементов, установленных друг относительно друга с зазором и сопряженных по дуге окружности в поперечном сечении, при этом подвижный элемент жестко укреплен на одном конце коленчатого рычага, другой конец которого шарнирно соединен с кольцом, а неподвижный элемент выполнен за одно целое с корпусом. 2. Турбонагнетатель по п. 1, отличающийся тем, что поршень выполнен в виде тарельчатой пружины.