КОНСОЛЬНЫЙ ТУРБОКОМПРЕССОР Российский патент 2006 года по МПК F04D17/00 

Предлагаемое устройство относится к области машиностроения, а именно к турбокомпрессорам, применяемым, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности, транспортного назначения (большегрузные автосамосвалы), и позволяет повысить надежность и КПД силовой установки, упростить диагностику и ремонт турбокомпрессора.

Характерной особенностью турбокомпрессоров, применяемых, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности, транспортного назначения являются устройства, содержащие турбину, состоящую из рабочего колеса с лопатками 1, лопаточного соплового аппарата 2 с кожухом 3, газоприемного 4 и выхлопного 5 корпусов, и компрессора, состоящего из колеса компрессора 6, диффузора (например, лопаточного) 7 и корпуса компрессора 8, причем рабочее колесо турбины и колесо компрессора посажены на общий вал 9, установленный с возможностью вращения на подшипниковых опорах 10, расположенных между рабочими колесами турбины и компрессора (см. фиг.1).

Известен компрессор (см. а.с. СССР №821750, МКИ F 04 D 17/02). Он содержит ряд последовательно установленных центробежных ступеней и сборную камеру, размещенную за концевой ступенью и связанную с предпоследней ступенью кольцевым каналом, причем в кольцевом канале установлен ряд осевых ступеней. Указанный компрессор позволяет повысить напор.

Известна также радиальная многоконтурная центростремительная турбина (см. а.с. СССР №500376, МКИ F 04 D 17/02; F 02 С 9/100). Она содержит корпус и сопловой аппарат, ограничивающая стенка которого подпружинена и установлена в корпусе подвижно в осевом направлении, причем эта стенка установлена на направляющих штифтах. Данное устройство позволяет осуществлять регулировку давления наддува.

Известен центробежный компрессор (см. а.с. СССР №1342126, 7 МКИ F 04 D 17/00). Он содержит корпус и последовательно расположенные в нем рабочее колесо и лопаточный диффузор со щитком, размещенным в зоне покрывного диска рабочего колеса, причем щиток диффузора снабжен радиальными ребрами, контактирующими с торцовой стенкой корпуса и расположенными с радиальными зазорами относительно его боковой поверхности, радиальные зазоры между ребрами и боковой поверхностью корпуса имеют переменную величину, ребра установлены с возможностью радиального перемещения. Указанный компрессор позволяет повысить КПД.

Из всех устройств аналогичного назначения наиболее близким по технической сущности является устройство, реализованное в турбокомпрессоре производства ОАО «СКБТ» типа ТК18 В-19. Он представляет собой устройство, содержащее турбину, состоящую из рабочего колеса с лопатками 1, лопаточного соплового аппарата 2 с кожухом 3, газоприемного 4 и выхлопного 5 корпусов и компрессор, состоящий из колеса компрессора 6, диффузора (например, лопаточного) 7 и корпуса 8 компрессора, причем рабочие колеса компрессора и турбины установлены на одном валу 9 с возможностью вращения на подшипниковых опорах 10 (фиг.1). Подшипниковые опоры размещены в расточке выхлопного корпуса между рабочими колесами компрессора и турбины, установленными консольно по разные стороны от опор.

Газоприемные корпуса данного прототипа представляют собой специально спрофилированные каналы, отлитные заодно с фланцами, служащими для подсоединения корпуса к турбокомпрессору (ТК) и двигателю, и наружными стенками корпуса, таким образом, что между стенками профилированных каналов и наружными стенками имеется полость, в которую в процессе работы ТК принудительно подается из системы охлаждения двигателя охлаждающая жидкость (например, вода), которая затем отводится в систему охлаждения двигателя.

Такое устройство позволяет обеспечить нормальную работу турбокомпрессора. Однако для ее функционирования необходима постоянная принудительная циркуляция охлаждающей жидкости через полость газоприемного корпуса. Для ее осуществления необходимо отбирать дополнительную часть полезной мощности двигателя на привод насосов системы охлаждения, что ухудшает экономичность силовой установки. В связи с тем, что выхлопные газы в процессе своего движения по каналу газоприемного корпуса теряют часть имеющейся энергии в виде тепла, отводимого в охлаждающую жидкость, снижается КПД турбокомпрессора и увеличивается потребная мощность охлаждения (габариты радиаторов) силовой установки в целом. Кроме того, необходимость коммуникации системы охлаждения двигателя с охлаждаемой полостью газоприемного корпуса турбокомпрессора посредством трубопроводов усложняет его установку на двигатель. В случае образования в процессе эксплуатации в охлаждаемых газоприемных корпусах турбокомпрессора трещин (что, учитывая высокую нагруженность термическими и вызванными избыточным давлением напряжениями, имеет достаточно высокую вероятность) ремонт (подварка) корпуса затруднителен, а зачастую невозможен.

Таким образом, в прототипе не обеспечивается технический результат, выраженный в повышении КПД и надежности устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном консольном турбокомпрессоре, содержащем турбину, состоящую из рабочего колеса с лопатками 1, лопаточного соплового аппарата 2 с кожухом 3 газоприемного 4 и выхлопного 5 корпусов и компрессора, состоящего из колеса 6 компрессора, диффузора (например, лопаточного) 7 и корпуса 8 компрессора, причем рабочее колесо турбины и колесо 6 компрессора посажены на общий вал 9, установленный с возможностью вращения на подшипниковых опорах 10, расположенных между рабочими колесами турбины и компрессора, поверх газоприемного корпуса 4, содержащего профилированный канал 11 с присоединительными фланцами 12, 13, установлен теплоизоляционный кожух, состоящий из обечайки 14 с крепежными 15 и поддерживающими 16 узлами, изолирующего элемента 17 и защитного экрана 18. Кроме того, центрирование газоприемного корпуса 4 относительно выхлопного корпуса 5 осуществляется посредством бурта 19, находящегося на периферии фланца 12 газоприемного корпуса 4 и охватывающего выступ выхлопного корпуса 5 и имеющего радиальную протяженность δR, значительно превышающую толщину h, а в центральной части газоприемного корпуса 4 располагается (например, вваривается) заглушка 20, имеющая податливый элемент 21 (например, чашеобразную с окружным гофром стенку). Здесь δR - радиальная протяженность зоны центрирования, h - толщина привалочного фланца газоприемного корпуса. Дополнительно, кожух лопаточного соплового аппарата на закрепляемом конце выполнен с диаметром D1 большим, чем диаметр обечайки D2, с возможностью установки в осевом направлении между газоприемным 4 и выхлопным 5 корпусами с гарантированным зазором и имеет элемент 22 (например, в виде фрезеровки под штифт, установленный в газоприемный корпус 4), однозначно определяющий положение кожуха относительно корпусов в окружном направлении. Далее, колесо 6 компрессора выполнено в виде двух частей с осевым разъемом, одна из которых представляет собой вращающийся направляющий аппарат (далее ВНА) 23, а другая - выходную секцию 24, причем:

- центрирование выходной секции на валу осуществляется при помощи центрирующего элемента 25, выполненного в виде тела вращения с тремя зонами в осевом направлении при соотношении δr2<δr1≪δr3,

где δr1, δr2, δr3 - радиальная протяженность центрирующей, переходной и центрируемой зон соответственно,

- крутящий момент от вала передается на ВНА через шлицевое или шпоночное соединение 26, а от ВНА на выходную секцию за счет соответствующих радиальных торцевых пазов и шипов 27,

- центрирование ВНА осуществляется только относительно выходной секции 24 либо посредством тех же радиальных торцевых шипов и пазов 27, что передают крутящий момент, либо при помощи дополнительных центрирующих поверхностей (не показано).

В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной литературы не обнаружено устройств с совокупностью существенных признаков, совпадающих по достигаемому техническому результату с предлагаемым изобретением. Таким образом, можно предположить, что заявляемое устройство соответствует критериям патентоспособности, так как представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, обладающее изобретательским уровнем и промышленно применимым.

На чертеже показан общий вид заявляемого устройства в разрезе.

Консольный турбокомпрессор содержит турбину, состоящую из рабочего колеса с лопатками 1, лопаточного соплового аппарата 2 с кожухом 3 газоприемного 4 и выхлопного 5 корпусов и компрессора, состоящего из колеса 6 компрессора, диффузора (например, лопаточного) 7 и корпуса 8 компрессора. Причем рабочее колесо турбины и колесо компрессора посажены на общий вал 9, установленный с возможностью вращения на подшипниковых опорах 10, расположенных между рабочими колесами турбины и компрессора. Поверх газоприемного корпуса 4, содержащего профилированный канал 11 с присоединительными фланцами 12, 13, установлен теплоизоляционный кожух, состоящий из обечайки 14 с крепежными 15 и поддерживающими 16 узлами, изолирующего элемента 17 и защитного экрана 18. Центрирование газоприемного корпуса 4 относительно выхлопного корпуса 5 осуществляется посредством бурта 19, находящегося на периферии фланца 12 газоприемного корпуса 4 и охватывающего выступ выхлопного корпуса 5 и имеющего радиальную протяженность δR, значительно превышающую толщину h, а в центральной части газоприемного корпуса располагается (например, вваривается) заглушка 20, имеющая податливый элемент 21, например чашеобразную с окружным гофром стенку. Здесь δR - радиальная протяженность зоны центрирования, h - толщина привалочного фланца газоприемного корпуса. Кожух лопаточного соплового аппарата 2 на закрепляемом конце выполнен с диаметром D1 большим, чем диаметр обечайки D2, с возможностью установки в осевом направлении между газоприемным 4 и выхлопным 5 корпусами с гарантированным зазором и имеет элемент 22 (например, в виде фрезеровки под штифт, установленный в газоприемный корпус), однозначно определяющий положение кожуха относительно корпусов в окружном направлении. Колесо 6 компрессора выполнено в виде двух частей с осевым разъемом, одна из которых представляет собой вращающийся направляющий аппарат (далее ВНА) 23, а другая - выходную секцию 24, причем:

- центрирование выходной секции на валу осуществляется при помощи центрирующего элемента 25, выполненного в виде тела вращения с тремя зонами в осевом направлении при соотношении δr2<δr1≪δr3, где δr1, δr2, δr3 - радиальная протяженность центрирующей, переходной и центрируемой зон соответственно,

- крутящий момент от вала передается на ВНА 23 через шлицевое или шпоночное соединение 26, а от ВНА на выходную секцию 24 за счет соответствующих радиальных торцевых пазов и шипов 27, центрирование ВНА 23 осуществляется только относительно выходной секции 24, либо посредством тех же радиальных торцевых шипов и пазов 27, что передают крутящий момент, либо при помощи дополнительных центрирующих поверхностей (не показано).

В предлагаемом изобретении для решения задачи по термоизоляции неохлаждаемого газоприемного корпуса 4 применен теплоизоляционный кожух 3, состоящий из тонкостенной обечайки 14 с крепежными 15 и поддерживающими 16 узлами, изолирующего элемента 17 из листового теплоизоляционного материала, допускающего складывание и перегибы и имеющего достаточную термостойкость и склонность к осыпанию (например, полотно мулликремнеземистое ТКВ-1C размером 555×306 по ТУ 2579.014-00149.386-96), и защитного экрана 18, состоящего из одного или нескольких тонкостенных листовых элементов.

Обечайка 14 посредством крепежных узлов 15 (например, лап с отверстиями под резьбовые крепежные детали) крепится к корпусным деталям турбокомпрессора (ТК) (газоприемному 4 или (и) выхлопному 5 корпусу) и имеет конфигурацию, являющуюся охватывающей по отношению к газоприемному корпусу 4. Для обеспечения удобства монтажа обечайка 14 может быть выполнена разъемной. На обечайке 14 с наружной и (или) внутренней стороны с помощью поддерживающих узлов (например, винтов и гаек с шайбами, отгибных штырей, приваренных к обечайке 14, прижимных планок и т.п.) закрепляется уложенный в необходимое количество слоев изолирующий элемент 17 и защитный экран 18. Для обеспечения лучшей термоизоляции целесообразно располагать изолирующий элемент 17 с обеих сторон обечайки 14, поддерживающие узлы 16 на внутренней поверхности обечайки 14 максимально удалять от поддерживающих узлов 16 на наружной поверхности, а поверхность изолирующего элемента 17, обращенную к газоприемному корпусу 4, выполнять из материала, имеющего высокие отражающие свойства (например, используя алюминированное теплоизоляционное полотно ТКВ-А).

Устройство работает следующим образом. Турбокомпрессор устанавливается на двигатель таким образом, что выхлопные газы, имеющие высокую температуру и избыточное давление, из выхлопного коллектора двигателя (на фиг. не показан), подсоединяемого к фланцу 13 газоприемного корпуса, поступают через профилированный канал 11 в каналы лопаточного соплового аппарата 2, ограниченные на периферии кожухом 3, где потенциальная энергия давления выхлопных газов преобразуется в кинетическую энергию потока с приданием потоку необходимого направления. Далее в каналах, образованных лопатками 1 рабочего колеса турбины и кожухом 3, происходит преобразование кинетической энергии потока в механическую мощность вращающегося рабочего колеса турбины, которая через вал 9 передается на привод колеса 6 компрессора. Вращающееся колесо 6 компрессора засасывает воздух, подводимый к компрессору через входное устройство (не показано). В процессе движения воздуха через каналы колеса 6 компрессора и диффузор 7 происходит его сжатие, после чего сжатый воздух через канал в корпусе компрессора направляется обычно через охладитель наддувочного воздуха во всасывающий коллектор двигателя (не показаны).

Как видно из описанного выше, именно заявленная совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения обеспечивает технический результат, выраженный в повышении КПД и надежности устройства. Кроме того, оно позволяет реализовать все преимущества неохлаждаемого газоприемного корпуса с обеспечением надежной термоизоляции, имеет небольшой вес и габариты, обладает стойкостью к осыпанию изолирующего элемента, механическим повреждениям во время эксплуатации и монтажных-демотажных работ и обеспечивает возможность легкого доступа к ответственным элементам конструкции газоприемного корпуса в процессе эксплуатации для их осмотра, диагностики и ремонта.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к турбокомпрессорам, применяемым, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности, транспортного назначения (большегрузные автосамосвалы). Новым в устройстве является то, что поверх газоприемного корпуса, содержащего профилированный канал с присоединительными фланцами, установлен теплоизоляционный кожух, состоящий из тонкостенной обечайки с крепежными и поддерживающими узлами, изолирующего элемента и защитного экрана. В данном устройстве достигается технический результат, выраженный в повышении КПД и надежности. Кроме того, достигается упрощение диагностики и ремонта. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Консольный турбокомпрессор, содержащий турбину, состоящую из рабочего колеса с лопатками, лопаточного соплового аппарата с кожухом, газоприемного и выхлопного корпусов и компрессора, состоящего из колеса компрессора, диффузора, например, лопаточного, и корпуса компрессора, причем рабочее колесо турбины и колесо компрессора посажены на общий вал, установленный с возможностью вращения на подшипниковых опорах, расположенных между рабочими колесами турбины и компрессора, отличающийся тем, что поверх газоприемного корпуса, содержащего профилированный канал с присоединительными фланцами, установлен теплоизоляционный кожух, состоящий из обечайки с крепежными и поддерживающими узлами, изолирующего элемента и защитного экрана.2. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что центрирование газоприемного корпуса относительно выхлопного осуществляется посредством бурта, находящегося на периферии фланца газоприемного корпуса и охватывающего выступ выхлопного корпуса и имеющего радиальную протяженность δR, значительно превышающую толщину h, а в центральной части газоприемного корпуса располагается, например вваривается, заглушка, имеющая податливый элемент, например, чашеобразную с окружным гофром стенку, где δR - радиальная протяженность зоны центрирования, h - толщина привалочного фланца газоприемного корпуса.3. Турбокомпрессор по п.1 или 2, отличающийся тем, что кожух лопаточного соплового аппарата на закрепляемом конце выполнен с диаметром D1 большим, чем диаметр обечайки D2, с возможностью установки в осевом направлении между газоприемным и выхлопным корпусами с гарантированным зазором и имеет элемент, например, в виде фрезеровки под штифт, установленный в газоприемный корпус, однозначно определяющий положение кожуха относительно корпусов в окружном направлении.4. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что колесо компрессора выполнено в виде двух частей с осевым разъемом, одна из которых представляет собой вращающийся направляющий аппарат, а другая - выходную секцию, причем центрирование выходной секции на валу осуществляется при помощи центрирующего элемента, выполненного в виде тела вращения с тремя зонами в осевом направлении при соотношении δr2<δr1≪δr3, где δr1, δr2, δr3 - радиальная протяженность центрирующей, переходной и центрируемой зоны соответственно, крутящий момент от вала передается на вращающийся направляющий аппарат через шлицевое или шпоночное соединение, а от вращающегося направляющего аппарата - на выходную секцию за счет соответствующих радиальных торцевых пазов и шипов, центрирование вращающегося направляющего аппарата выполнено только относительно выходной секции либо посредством тех же радиальных торцевых шипов и пазов, что передают крутящий момент, либо при помощи дополнительных центрирующих поверхностей.