ТУРБОКОМПРЕССОР С СИСТЕМОЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И КОНСОЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ КОЛЕС А.Ф.МЕЩЕРЯКОВА Российский патент 1996 года по МПК F04B39/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к турбомоторостроению, и может быть использовано в турбопоршневых двигателях.

Известен турбокомпрессор с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания и консольным расположением колес, содержащий корпус камеры волнового редуктора с выполненным в нем туннельным приливом центральной части корпуса турбокомпрессора, моновтулку, установленную в полости туннельного прилива и центральной части корпуса, фиксированную от смещений, установленный в моновтулке полувал турбины с выполненной на свободном конце звездочкой обгонной муфты, снабженной телами качения, сопряженный с полувалом компрессора, в средней части которого выполнена обойма обгонной муфты, служащая ступицей жесткого колеса волнового редуктора, гибкое колесо волнового редуктора неподвижно присоединенное к стенке камеры редуктора и с зазором между зубьями колес, причем полувалы турбины и компрессора образуют составной ротор, обеспечивающий полувалами совместное и относительное вращение в направлении, совпадающие с направлением волн деформации гибкого колеса, и генератор волн деформации гибкого колеса.

Этот турбокомпрессор (ближайший по технической сущности), однако имеет ряд недостатков, главными из которых являются: наличие трения скольжения между кулачками генератора волн (ГВ) и гибким колесом, снижающего КПД волнового редуктора (ВР), и относительно повышенная инерционность полувала турбины как следствие повышенной массы ГВ и жесткого колеса компрессора с внутренним зацеплением.

Целью изобретения является повышение эффективной мощности двигателя по наддуву путем повышения уровня адаптации микропроцессорной системы автоматического управления и регулирования частоты вращения жесткого колеса полувала компрессора в автономном режиме его работы и наряду с этим упрощения полувала турбины и снижения его инерционности.

Это достигается тем, что в турбокомпрессоре с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания и консольным расположением колес, содержащем корпус камеры волнового редуктора с выполненным в нем туннельным приливом центральной части корпуса турбокомпрессора, моновтулку, установленную в полости туннельного прилива и центральной части корпуса, фиксированную от смещений, установленный в моновтулке полувал турбины с выполненной на свободном конце звездочкой обгонной муфты, снабженной телами качения, сопряженный с полувалом компрессора, в средней части которого выполнена обойма обгонной муфты, служащая ступицей жесткого колеса волнового редуктора, гибкое колесо волнового редуктора, неподвижно присоединенное к стенке камеры редуктора и с зазором между зубьями колес, причем полувалы турбины и компрессора образуют составной ротор, обеспечивающий полувалам совместное и относительное вращение в направлении, совпадающем с направлением волн деформации гибкого колеса, и генератор волн деформации гибкого колеса, последний выполнен в виде статора генератора трехфазного тока, неподвижно установленного в камере волнового редуктора соосно с гибким колесом, причем между внутренней габаритной поверхностью статора и гибким колесом выполнен зазор, а зацепление зубчатых колес волнового редуктора выполнено внутренним.

На фиг.1 изображен фрагмент центральной части корпуса турбокомпрессора с консольным расположением колес с примыкающей к ней камерой волнового редуктора, отделенного от колеса компрессора задней стенкой диффузора; на фиг. 2 сечение А-А фиг.1; на фиг.3 принципиальные графики зависимости коэффициента избытка воздуха α и дымности D (%), отработавших газов от текущего времени τ с автоматического регулирования частоты вращения n_к полувала компрессора в автономном режиме его работы, а также зависимость частоты вращения n_т полувала турбины в автономном режиме его работы от возрастания частоты n вращения двигателя при увеличении цикловой подачи топлива g_ц в переходном процессе. Для сравнения приведены графики n и D, характерные для обычных турбопоршневых двигателей.

Турбокомпрессор содержит центральную часть корпуса 1 со стенкой 2 корпуса камеры ВР, ограниченной задней стенкой 3 диффузора, взаимодействующей с муфтой 4, и выполненный в центральной части корпуса, обращенный в камеру туннельный прилив 5 с осевой полостью 6, в которой установлена удлиненная моновтулка 7 с кольцевой масляной полостью, фиксированная от смещений концом впускного масляного патрубка 8.

В осевых расточках моновтулки установлен полувал 9 турбины с консольным опиранием на шейки 10 и 11. На свободном (левом по фиг.1) конце полувала турбины и как одно целое с ним выполнена звездочка 12 обгонной муфты с осевой полостью 13, переходящей в осевое гнездо меньшего диаметра, снабженная заклинивающими телами (роликами) качения 14 и плунжерами 15 с пружинами 16, а на другом свободном конце 17 полувала установлено колесо турбины 18.

Для теплосъема с шейки 10 полувала служит радиальная выточка 19, сообщенная сверлением и кольцевой выточкой 20 с кольцевой полостью моновтулки.

Полувал 21 компрессора содержит носок с присоединенным колесом компрессора 22 и выполненную как одно целое с полувалом обойму 23 обгонной муфты, служащую ступицей жесткого зубчатого колеса 24 волнового редуктора, причем соосно с полувалом и как одно целое с обоймой выполнена шейка 25 с хвостовиком 26 полувала, а кольцевая полость 27 в обойме служит для установки в ней звездочки обгонной муфты полувала турбины.

Состыкованные между собой, как показано на фиг.1, полувалы 9 и 21 (26) образуют составной ротор турбокомпрессора с консольным расположением колес с кинематической связью полувалов, выполненной в виде составной обгонной муфты, обеспечивающей полувалам ротора совместное и относительное вращение в направлении (против часовой стрелки), указанном на чертеже.

Гибкое колесо 28 волновой зубчатой передачи ВР выполнено в виде стальной гибкой тонкостенной оболочки с зубчатым венцом внутреннего зацепления на свободном торце и отвальцованным наружу посадочным фланцем 29 с помощью прижимного кольца 30, на болтах неподвижно присоединено к стенке 2 корпуса камеры ВР. При этом прижимное кольцо с внутренней посадочной кромкой центрировано кромкой радиальной расточки в стенке камеры, обеспечивая гибкому колесу соосность с составным ротором, а между зубьями венцов жесткого, и гибкого колес ВР выполнен некоторый минимальный зазор ω₁.

Примененный в качестве известного электромагнитного ГВ деформации гибкого колеса статор асинхронного генератора трехфазного тока 31 соосно с составным ротором неподвижно установлен в камере ВК с внешним расположением по отношению к гибкому колесу, и между внутренней габаритной поверхностью статора и гибким колесом выполнен зазор ω₂, обеспечивающий требуемую деформацию гибкого колеса.

Установленные описанным образом жесткое колесо на полувалу компрессора и неподвижно установленное гибкое колесо совместно с генератором волн деформации гибкого колеса образуют ВР с высоким передаточным отношением U (50. и более), определяемым числами зубьев колес и числом зубьев в многопарном зацеплении, зависящим от параметра деформации гибкого колеса, причем направление вращения жесткого колеса совпадает с направление вращения волн деформации гибкого колеса и вращающегося магнитного поля.

Передаточное отношение U ВР выбирают исходя из проектируемой рабочей характеристики компрессора, например, в пределах частот n_к вращения полувала компрессора 30000.100000 об/мин и необходимости поддержания максимального значения n_кmax или некоторого превышения этой частоты в начале переходных процессов двигателя.

Предлагаемый турбокомпрессор работает следующим образом.

С увеличением цикловой подачи топлива g_ц и началом переходного процесса частота n вращения двигателя возрастает и с учетом регулируемого наддува протекает по некоторой кривой 32 зависимости n f(τ) с характерными т.т. 1,2,3 и 4, где τ текущее время переходного процесса (см.фиг.3).

В конце исходного режима (исх.) т.1, сигналы системы автоматического регулирования частоты поступают в микропроцессор системы автоматического управления (САУ) и на этой основе включается регулятор частоты вращения магнитного поля, подающий ток возбуждения на обмотки статора 31 ГВ.

Вращающееся магнитное поле оказывает давление на гибкое колесо 28, вызывая в нем две бегущие волны деформации и, при выбранном зазоре ω₁ волны деформации вводят в многопарное зацепление гибкое колесо с жестким колесом 24, обеспечивая расчетное передаточное отношение U при вращении жесткого колеса в направлении, совпадающем с направлением вращения полувала 9 турбины.

С началом включения РЧМП, обеспечивающего примерное равенство пониженной (регулируемой) частоты вращающегося магнитного поля и частоты вращения составного ротора (ω·U≈ n_тк), зацепление колес ВР происходит безударно.

С последующим резким (программным) повышением частоты вращающегося магнитного поля ГВ частота n_к вращения полувала компрессора 21 (левая ветвь графика 33 с т. т. 1(S), 2 регулировочного графика полувала компрессора в автономном режиме его работы (см. фиг.2) становится равной n_к ω· U и превосходит частоты вращения n_тк составного ротора
ω· U n_к > n_тк.

При этом из-за разности частот вращения полувалов составного ротора происходит расклинивание обгонной муфты: ступица 23 жесткого колеса отгоняет тела качения 14 в крайние (левые на фиг.4) положения в полостях, звездочки 12. С этого момента (т. 1, S, поз.33) полувалы составного ротора вращаются с разными частотами в направлении, совпадающем с направлением вращения магнитного поля ГВ, обеспечивая полувалу турбины работу в автономном режиме, описанную кривой 35 ст.т. 1(S), 2 и 3 графика (см. фиг.3).

Запрограммированное САУ по текущему времени τ_a плавное регулирование со снижением частоты вращения n_к полувала компрессора (с достижением некоторого максимума в т.2 левой ветви 33 графика) происходит по правой ветви 34 графика с т.т. 2, 3 и так, что в т.3 (S) кривая 34 пересекается с кривой 35 изменения частоты вращения n_т полувала турбины над исходным уровнем частоты вращения n_тк составного ротора, в т.1 (S). При этом в т.3 (S) происходит заклинивание обгонной муфты телами качения и полувалы турбины и компрессора с этого момента начинают работать совместно (т.S) при отключенном ГВ с окончанием регулирования наддува по времени τ_a и началом работы составного ротора его частота n_тк несколько снижается (т.т. 3 и 4) с приемом нагрузки компрессора, но превосходит исходный уровень и отвечает установившейся частоте n вращения двигателя (т.4, поз.32).

Соответственно регулировочным графикам (поз. 33-38) осуществляется регулирование и других параметров (см. фиг.3).

Изобретение относится к машиностроению, в частности к турбомоторостроению. Целью изобретения является повышение эффективной мощности двигателя по наддуву путем повышения уровня адаптации микропроцессорной системы автоматического управления к регулированию частоты вращения жесткого колеса аолувала компрессора в атомном режиме его работы, упрощение полувала турбины и снижение его инерционности. Трубокомпрессор с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания и консольным расположением колес содержит корпус 1 со стенкой 2 корпуса камеры волнового редуктора, ограниченной стенкой 3 диффузора, взаимодействующей с муфтой 4, туннельный прилив 5 с осевой полостью 6, в которой установлена моновтулка 7, масляный патрубок 8, при этом генератором волн деформации гибкого колеса служит статор асинхронного генератора трехфазного тока 31, установленный в камере волнового редуктора соосно с гибким колесом, причем между внутренней габаритной поверхностью статора и гибким колесом выполнен зазор, а зацепление зубчатых колес волнового редуктора выполнено внутренним. 3 ил.

Турбокомпрессор с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания и консольным расположением колес, содержащий корпус камеры волнового редуктора с выполненным в нем туннельным приливом центральной части корпуса турбокомпрессора, моновтулку, установленную в полости туннельного прилива и центральной части корпуса, фиксированную от смещений, установленный в моновтулке полувал турбины с выполненной на свободном конце звездочкой обгонной муфты, снабженной телами качения, сопряженный с полувалом компрессора, в средней части которого выполнена обойма обгонной муфты, служащая ступицей жесткого колеса волнового редуктора, гибкое колесо волнового редуктора, неподвижно присоединенное к стенке камеры редуктора и с зазором между зубьями колес, причем полувалы турбины и компрессора образуют составной ротор, обеспечивающий полувалам совместное и относительное вращение в направлении, совпадающем с направлением волн деформации гибкого колеса, и генератор волн деформации гибкого колеса, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективной мощности двигателя по наддуву путем повышения уровня адаптации микропроцессорной системы автоматического управления и регулирования частоты вращения жесткого колеса полувала компрессора в автономном режиме его работы, упрощения полувала турбины и снижения его инерционности, генератор волн деформации гибкого колеса выполнен в виде статора генератора трехфазного тока, неподвижно установленного в камере волнового редуктора соосно с гибким колесом, причем между внутренней габаритной поверхностью статора и гибким колесом выполнен зазор, а зацепление зубчатых колес волнового редуктора выполнено внутренним.