ГАЗОТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02C6/12 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к устройству газотурбонагнетателей (ГТН), которые используются для наддува двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с целью увеличения их мощности.

Известны конструкции ГТН корабельных ДВС, которые осуществляют увеличение мощности двигателя за счет подачи свежего заряда воздуха в цилиндры двигателя под давлением. Подобные конструкции ГТН, как правило, включают в себя следующие элементы: ротор с установленными на нем рабочими колесами компрессора и колесами газовой турбины, подшипники, расположенные на концах ротора, систему смазки, обеспечивающую работу подшипников, содержащую трубопроводы, фильтр, фильтры тонкой очистки, охладитель, масляный насос, нагнетающий масло под давлением. Допустимая температура масла зависит от его сорта и обычно должна быть не выше 75-80^oС (Дизели. Справочник. /Под ред. В.А. Ваншейдта, Н.Н.Иванченко, Л.К.Коллерова. Л.: Машиностроение, 1977, с. 327-335).

Анализ результатов эксплуатации подобных конструкций ГТН показывает ряд существенных недостатков присущих данной конструкции и являющихся причиной значительного снижения ресурса ГТН:
- преждевременный износ подшипников ГТН, приводящий в конечном счете к выходу из строя ГТН;
- сравнительно недоброкачественная смазка подшипников ГТН, зачастую приводящая к его выходу из строя. Это вызвано тем, что для подшипников ГТН может применяться только системное масло (из системы смазки двигателя), не всегда отличающееся требуемой чистотой и качеством из-за попадания топлива и воды в масляную систему дизеля и прорыва газов в картер двигателя;
- вытекание масла через контрольные отверстия или попадание его в проточную часть ГТН вследствие переполнения камер подшипников ГТН маслом за счет повышения его давления при прокачке двигателя маслом в период пуска.

Известна конструкция ГТН ДВС, имеющая ротор с установленными на нем рабочими колесами компрессора и колесами газовой турбины, опорный подшипник и упорный подшипник, расположенные на концах ротора, и автономную гравитационную систему смазки, не связанную с системой смазки двигателя, обеспечивающую работу подшипников и содержащую сборную и напорную масляные цистерны, два масляных насоса, фильтр, охладитель и смотровые окна.

При работе такого ГТН к его подшипникам подается масло из напорной цистерны самотеком по трубопроводу через фильтр, а затем стекает в сборную цистерну. Масло из сборной цистерны одним из двух насосов нагнетается через фильтр и охладитель в напорную цистерну, устанавливаемую на высоте 5-9 м выше уровня подшипников ГТН. Емкости цистерн подбираются таким образом, чтобы при заполнении напорной цистерны уровень масла в сборной цистерне составлял 300-350 мм, а при пустой напорной цистерне все масло могло поместиться в сборной цистерне. Напорная цистерна должна обеспечивать подачу масла к подшипникам ГТН при выходе из строя насоса (Межерицкий А.Д. Турбокомпрессоры систем наддува судовых дизелей. - Л.: Судостроение, 1986, 247 с.).

Однако, данная конструкция имеет несколько существенных недостатков, в том числе:
- снижение моторесурса ГТН за счет тяжелых условий работы подшипников в период запуска и прогрева двигателя, так как при высоких скоростях вращения ротора ГТН имеет место повышенная вязкость масла;
- низкая надежность из-за выхода из строя ГТН по причине образования водомасляной эмульсии при попадании воды в систему смазки;
- сложность и громоздкость ГТН вследствие установки в ее систему смазки дополнительных элементов;
- частая замена масла в системе смазки ГТН, снижающая экономичность конструкции;
- необходимость в дополнительном запасе масла для пополнения данной системы.

Задача, решаемая изобретением, - создание конструкции ГТН ДВС, обеспечивающей повышение его надежности и моторесурса, а также снижение массогабаритных и повышение экономических показателей.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее ротор с установленными на нем рабочими колесами компрессора и колесами газовой турбины, подшипники, расположенные на концах ротора, систему смазки, обеспечивающую работу подшипников и включающую трубопроводы, фильтр и фильтры тонкой очистки, согласно изобретению в качестве подшипников установлены опорно-упорные подшипники скольжения, выполненные в виде самоустанавливающихся сегментов, размещенных в корпусе и контактирующих с упорным диском, расположенным внутри корпуса на втулке вала. Упорный диск имеет осевые и радиальные каналы подвода смазки. Между корпусом, упорным диском и валом размещены кольца из антифрикционного материала, имеющие сквозные продольные пазы, наружные конические поверхности, взаимодействующие с коническими поверхностями корпуса, и внутренние цилиндрические поверхности, периодически контактирующие с втулкой вала. В торцевой части корпуса опорно-упорного подшипника скольжения установлены вкладыши между корпусом и втулкой вала. Система смазки опорно-упорного подшипника скольжения подключена к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания через невозвратно-запорные клапаны.

Замена опорного и упорного подшипников ГТН на опорно-упорные подшипники скольжения предлагаемой конструкции с самоустанавливающимися сегментами, работающими на маловязкой жидкости, позволяет снизить потери мощности на трение и ослабить износ деталей подшипника в целом, что позволит значительно увеличить ресурс ГТН.

Установка опорно-упорных подшипников скольжения, работающих на маловязких жидкостях на концах ротора ГТН вместо опорного и упорного подшипников, позволяет воспринимать как радиальную, так и осевую нагрузку на ротор, использовать для смазки маловязкие жидкости, что в свою очередь снижает потери мощности на трение. При этом для смазки данного подшипника могут использоваться маловязкие жидкости (тосол, антифриз и другие), которые поступают в систему смазки подшипника из системы охлаждения двигателя, поддерживая таким образом установленный температурный режим.

Вкладыши, размещенные в торцевой части корпуса опорно-упорного подшипника скольжения между корпусом и втулкой вала, упорный диск с выполненными в нем осевыми и радиальными каналами подвода смазки и самоустанавливающиеся сегменты в заявляемой конструкции работают только при установившемся режиме работы ГТН в гидродинамическом режиме смазывания маловязкой жидкостью и воспринимают как осевую, так и радиальную нагрузку с минимальными потерями на трение и с невысоким уровнем тепловой напряженности, что обеспечивает увеличение надежности ГТН.

Наличие у колец наружной конической поверхности и внутренней цилиндрической поверхности, а также механические особенности антифрикционного материала обеспечивают постоянный контакт колец по данным поверхностям с сопряженными деталями и защищают вкладыши, упорный диск и самоустанавливающиеся сегменты от прямого контакта трущихся частей.

Выполнение в кольцах сквозных продольных пазов обеспечивает их ввод в действие для восприятия осевой и радиальной нагрузки при неустановившемся режиме работы ГТН, а также улучшает циркуляцию смазочной жидкости и снижает теплонапряженность элементов подшипника.

Кольца из антифрикционного материала вступают в работу во время пуска и остановки ГТН, и одновременно из работы выходят вкладыши, упорный диск и самоустанавливающиеся сегменты подшипника, в которых переходные процессы являются опасными вследствие малой вязкости смазывающей жидкости и ее неудовлетворительной смазывающей способности. Кольца из антифрикционного материала функционируют кратковременно, в режиме сухого трения, с небольшими потерями на трение и малым износом, тем самым обеспечивая работу на маловязкой жидкости.

Подключение системы смазки подшипников ГТН к системе охлаждения ДВС позволяет осуществить перевод смазки подшипников в заявляемой конструкции на использование маловязких жидкостей, а также исключает использование системного масла ДВС с высокими выбраковочными показателями, упрощает конструкцию ГТН и, как следствие, повышает экономические и снижает массогабаритные показатели.

Установка в заявляемую конструкцию невозвратно-запорных клапанов позволяет проводить замену фильтра и фильтров тонкой очистки системы смазки подшипников ГТН, а также монтаж и демонтаж ГТН независимо от системы охлаждения ДВС.

Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг.1а и 1б, представляющих единую фигуру.

ГТН ДВС содержит ротор 1 с установленными на нем рабочими колесами компрессора 2 для сжатия воздуха и рабочими колесами газовой турбины 3 для привода компрессора 2 в действие, а также опорно-упорные подшипники скольжения 4, работающие на маловязкой жидкости, расположенные на концах ротора 1; подключенную к системе охлаждения (на чертеже не показана) ДВС через невозвратно-запорные клапаны 5 систему смазки подшипников, состоящую из трубопроводов 6, фильтра 7 и фильтров тонкой очистки 8 для очистки смазывающей жидкости.

Опорно-упорный подшипник скольжения 4 содержит корпус 9 с расположенными в нем самоустанавливающимися сегментами 10 и упорный диск 11, установленный на втулке 12 вала 13. Внутри данного диска выполнены радиальные 14 и осевые 15 каналы подвода смазывающей жидкости к рабочим трущимся поверхностям упорного диска 11, самоустанавливающихся сегментов 10. Втулка 12 с упорным диском 11 установлена на валу 13, который имеет канал 16 подвода смазки. В конструкции предусмотрены два вкладыша 17, выполненные из металла, размещенные в торцевой части корпуса 9 и воспринимающие во время работы ГТН ДВС радиальную нагрузку с вала 13 через втулку 12. Между корпусом 9, упорным диском 11 и валом 13 установлены два кольца 18, выполненные из антифрикционного материала, каждое из колец 18 размещено так, что его наружная 19 коническая поверхность контактирует с соответствующими внутренними 20 коническими поверхностями корпуса 9 подшипника 4. Кроме того, кольца 18 имеют продольный сквозной паз 21. Наружная торцевая поверхность (на чертеже не обозначена) антифрикционных колец 18 контактирует с тарельчатыми пружинами 22. Каждое кольцо 18 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность, периодически контактирующую со втулкой 12 вала 13, и внутреннюю торцевую поверхность, контактирующую с поверхностью упорного диска 11. Оба данных кольца сориентированы в корпусе 9 навстречу друг другу внутренними (на чертеже не обозначены) поверхностями, при этом их наружные торцевые (на чертеже не обозначены) поверхности взаимодействуют с пружинами 22.

Работа ГТН ДВС осуществляется следующим образом. При вращении ротора 1 с установленными на нем рабочими колесами компрессора 2 и рабочими колесами газовой турбины 3 смазывающая жидкость из системы охлаждения двигателя по трубопроводам 6 через невозвратно-запорный клапан 5, фильтр 7 и фильтры тонкой очистки 8 подается на смазку опорно-упорных подшипников скольжения 4, расположенных на концах ротора 1, к каналу 16 вала 13 и по радиальному 14 и осевым 15 каналам упорного диска 11 к зонам трущихся поверхностей. Смазав и охладив трущиеся поверхности, смазывающая жидкость из нижней части корпуса 9 опорно-упорного подшипника скольжения 4 ГТН ДВС через невозвратно-запорный клапан 5 поступает в систему охлаждения ДВС.

При неустановившемся режиме работы ГТН ДВС во время запуска и остановки ДВС, когда давление жидкости в системе охлаждения ДВС незначительно, наблюдается краткосрочный процесс сухого трения между поверхностью втулки 12 и внутренней цилиндрической поверхностью кольца 18, а также между торцевыми поверхностями упорного диска 11 и внутренними торцевыми поверхностями колец 18. По мере выхода ГТН ДВС на установившийся режим работы при дальнейшем росте давления жидкости в корпусе 9 она начинает поступать по осевым каналам 15 упорного диска 11 к внутренним торцевым поверхностям колец 18 и воздействовать на данные поверхности. Состояние равновесия колец 18 будет нарушено в том случае, когда силы гидравлического давления, действующие на поверхности, превысят силы упругости пружин 22. В этот момент кольца 18 начнут смещаться от упорного диска 11 на периферию, выводя при этом из режима сухого трения свои внутренние поверхности. В связи с тем, что в корпусе 9 находится уже достаточное количество смазывающей жидкости, то в работу вступают самоустанавливающиеся сегменты 10, воспринимающие осевую нагрузку с упорного диска 11 и работающие в гидродинамическом режиме смазывания на маловязкой жидкости. Одновременно с этим изменяется внутреннее напряженное деформированное состояние колец 17, так ширина паза 21 увеличивается и внутренняя цилиндрическая поверхность освобождает наружную поверхность втулки 12, выводя ее из режима сухого трения. Смазочная жидкость через паз 21 поступает к вкладышам 17, которые начинают работать в гидродинамическом режиме смазки и воспринимать радиальную нагрузку со втулки 12, вследствие чего кольца 18 из антифрикционного материала выходят из работы, давая возможность функционировать вкладышам 17, упорному диску 11 и самоустанавливающимся сегментам 10 в гидродинамическом стационарном режиме, при оптимальном давлении жидкости в корпусе 9.

При остановке ДВС начинают падать частота вращения вала 13 и давление жидкости в корпусе 9, силы упругости преодолевают силы гидравлические и кольца 18, контактируя своими наружными коническими поверхностями 19 с внутренними коническими поверхностями 20 корпуса 9, начинают перемещаться от периферии к центру, т.е. к упорному диску 11. При дальнейшем падении давления кольца 18 деформируются, паз 21 уменьшает свою ширину, а внутренние цилиндрические поверхности начинают контактировать с поверхностью втулки 12, приводя работу колец 18 в режим сухого трения; при этом металлические вкладыши 17 выводятся из режима гидродинамической смазки. Одновременно с этим между торцевыми поверхностями упорного диска 11 и внутренними торцевыми поверхностями колец 18, которые были прижаты пружинами 22, наблюдается краткосрочный процесс сухого трения, в результате вкладыши 17, упорный диск 11 и самоустанавливающиеся сегменты 10 выводятся из работы, а вместо него начинают работать кольца 18 из антифрикционного материала.

По сравнению с прототипом в предлагаемом техническом решении значительно улучшен температурный режим работающих опорно-упорных подшипников скольжения с самоустанавливающимися вкладышами за счет использования системы охлаждения двигателя, что также повышает надежность безаварийной работы ГТН ДВС.

Применение опорно-упорных подшипников скольжения в конструкции ГТН ДВС и использование маловязкой охлаждающей жидкости для их смазки из системы охлаждения ДВС позволяет значительно увеличить срок службы ГТН ДВС за счет ряда технических и экономических преимуществ:
- снижаются потери мощности на трение;
- упрощается конструкция ГТН ДВС и улучшаются ее массогабаритные показатели за счет исключения установки дополнительных элементов в систему смазки подшипника ГТН ДВС;
- решается проблема смазывания и охлаждения подшипников скольжения, работающих на маловязкой жидкости;
- снижается влияние выбраковочных показателей смазочной жидкости на работу ГТН ДВС.

Изобретение предназначено для наддува двигателей внутреннего сгорания. Газотурбонагнетатель содержит ротор с установленными на нем рабочими колесами компрессора и колесами газовой турбины, опорно-упорные подшипники скольжения, расположенные на концах ротора, систему смазки, обеспечивающую работу подшипников и включающую трубопроводы, фильтр и фильтры тонкой очистки. Работающие на маловязкой жидкости опорно-упорные подшипники скольжения выполнены в виде самоустанавливающихся сегментов, размещенных в корпусе и контактирующих с упорным диском, расположенным внутри корпуса на втулке вала. Упорный диск имеет осевые и радиальные каналы подвода смазки. Между корпусом, упорным диском и валом размещены кольца из антифрикционного материала, имеющие сквозные продольные пазы, наружные конические поверхности, взаимодействующие с коническими поверхностями корпуса, и внутренние цилиндрические поверхности, периодически контактирующие с втулкой вала. В торцевой части корпуса опорно-упорного подшипника скольжения установлены вкладыши между корпусом и втулкой вала. Система смазки опорно-упорного подшипника скольжения подключена к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания через невозвратно-запорные клапаны. Такое выполнение газотурбонагнетателя позволяет повысить его надежность, моторесурс и оптимальные экономические показатели при значительном снижении массы и габаритов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газотурбонагнетатель двигателя внутреннего сгорания, содержащий ротор с установленными на нем рабочими колесами компрессора и колесами газовой турбины, подшипники, расположенные на концах ротора, систему смазки, включающую трубопроводы, фильтр и фильтры тонкой очистки, отличающийся тем, что в качестве подшипников установлены опорно-упорные подшипники скольжения, выполненные в виде самоустанавливающихся сегментов, размещенных в корпусе и контактирующих с упорным диском, расположенным внутри корпуса на втулке вала и имеющим осевые и радиальные каналы подвода смазки, и размещенных между корпусом, упорным диском и валом колец из антифрикционного материала, имеющих сквозные продольные пазы, наружные конические поверхности, взаимодействующие с коническими поверхностями корпуса, и внутренние цилиндрические поверхности, периодически контактирующие с втулкой вала, и вкладышей, установленных в торцевой части корпуса между корпусом и втулкой вала, а система смазки подключена к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания. 2. Газотурбонагнетатель двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что система смазки подключена к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания через невозвратно-запорные клапаны.