ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬ И СРЕДСТВО ДЛЯ ОСЕВОЙ ФИКСАЦИИ ВАЛА Российский патент 2008 года по МПК F01D21/04 F04D29/41 

Область техники

Изобретение касается турбонагнетателя и средства для осевой фиксации вала согласно ограничительной части пункта 1 и ограничительной части пункта 12 формулы изобретения.

Уровень техники

Посредством турбонагнетателей отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания могут использоваться для сжатия подаваемого в двигатель воздуха, который необходим для сгорания. Для этого турбонагнетатель снабжен турбиной и компрессором, установленными на общем валу. Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания расширяются в турбине и преобразуются в энергию вращения. Полученная энергия вращения посредством вала передается на компрессор, который сжимает воздух, подаваемый в двигатель. Использование энергии отработавших газов для сжатия воздуха, вводимого в процесс сгорания в двигателе, позволяет оптимизировать процесс сгорания и энергетический выход двигателя.

Поскольку в турбонагнетателях средняя часть корпуса из-за наличия в нем подшипника изготавливается предварительно и является замкнутой, а при известных условиях даже цельной, колесо компрессора может соединяться с валом и с закрепленным на нем турбинным колесом лишь при сборке турбонагнетателя, чтобы вообще можно было обеспечить установку узла турбина-вал-компрессор в корпус. Недостатком такого выполнения является то, что при разрушении колеса компрессора нарушается осевая фиксация вала в корпусе и в подшипниках, при этом за счет осевых сил, создаваемых турбинным колесом, может произойти выход вала из корпуса в осевом направлении. Для предотвращения этого явления корпус или закрепленный на нем коллектор отработавших газов или пластинчатый диффузор или выхлопная труба усиливаются таким образом, чтобы обломки деталей или вал надежно удерживались в корпусе. Однако такое усиление является относительно дорогостоящим и в случае воздействия на вал больших осевых сил, создаваемых турбинным колесом, вал, тем не менее, может выйти из корпуса и привести к тяжелой аварии.

Описание изобретения

В основу изобретения положена задача предложить для турбонагнетателя указанного вида устройство для предотвращения выхода вала из корпуса, которое было бы простым и не требовало больших затрат.

Поставленная задача решается тем, что в турбонагнетателе, содержащем турбину с турбинным колесом и компрессор с компрессорным колесом, при этом турбинное колесо и колесо компрессора соединены валом, вал установлен аксиально с возможностью вращения посредством подшипников, размещенных между турбинным колесом и колесом компрессора, а турбинное колесо, вал и колесо компрессора размещены в корпусе и соединены между собой так, что в случае разрушения колеса компрессора на турбинное колесо и связанный с ним вал в направлении турбины действует осевая сила, согласно изобретению на валу, соединенном с турбинным колесом, между колесом компрессора и турбинным колесом установлено средство для осевой фиксации вала и связанного с ним турбинного колеса, причем указанное средство в случае разрушения колеса компрессора предотвращает осевое перемещение вала и связанного с ним турбинного колеса в направлении турбины.

Сущность изобретения заключается, таким образом, в том, что в корпусе на валу, соединенном с турбинным колесом, установлено средство для осевой фиксации вала и связанного с ним турбинного колеса.

Преимущества изобретения следует усматривать, в частности, в том, что при разрушении колеса компрессора с помощью простых средств обеспечивается надежное удержание вала и закрепленного на нем турбинного колеса в корпусе. Несмотря на применение средств осевой фиксации, сохраняется возможность для проведения сборки и эксплуатации турбонагнетателя обычным известным образом, не усложняя монтаж или демонтаж. Средство для осевой фиксации вала взаимодействует с опорными элементами вала. Благодаря использованию по существу радиально-симметричных средств осевой фиксации предотвращаются воздействия на ротор, т.е. небалансы.

Особенно целесообразно в качестве средства для осевой фиксации вала использовать стопорное кольцо, например пружинное стопорное кольцо, установленное на валу. Можно в качестве стопорного кольца использовать соединяемые между собой кольцевые сегменты.

Такие средства являются дешевыми и простыми в применении, поскольку кроме недефицитного стопорного кольца никаких других дополнительных деталей не требуется. Рекомендуется на валу выполнить круговую кольцевую канавку для установки стопорного кольца, из которой вставленное стопорное кольцо выступает радиально наружу, при этом осевые боковые поверхности кольцевой канавки охватывают стопорное кольцо в осевом направлении по точной посадке или с зазором.

Кроме того, изменения в деталях, применявшихся до сих пор, минимальны. Кольцевая канавка, которую необходимо выполнить на валу для установки стопорного кольца, очень мала и не влияет на параметры вала.

Стопорное кольцо в смонтированном состоянии представляет собой замкнутое кольцо, охватывающее вал. Причем стопорное кольцо радиально снаружи охвачено предохранительным элементом, при этом в нерабочем состоянии предусмотрен радиальный зазор, меньший, чем радиальная глубина кольцевой канавки, за счет чего предохранительный элемент в процессе эксплуатации удерживает стопорное кольцо в кольцевой канавке. Кроме того, стопорное кольцо благодаря предохранительному элементу в нерабочем состоянии и в процессе нормальной эксплуатации не подвержено нагрузке в осевом направлении.

Рекомендуется предохранительный элемент выполнить в виде уплотнительной шайбы с выемкой, открытой со стороны турбины, и чтобы осевая протяженность выемки превышала осевую протяженность стопорного кольца, в то время как радиальная протяженность выемки была такова, что она охватывала бы стопорное кольцо в нерабочем состоянии с небольшим радиальным зазором.

Предпочтительно, когда средство для осевой фиксации вала представляет собой закрепленную на валу стопорную втулку.

Поставленная задача решается также тем, что средство для осевой фиксации вала и жестко соединенных с этим валом деталей турбонагнетателя, при этом на валу жестко установлены турбинное колесо и колесо компрессора, вал установлен аксиально с возможностью вращения посредством размещенных между турбинным колесом и колесом компрессора подшипников и турбинное колесо, вал и колесо компрессора установлены и соединены друг с другом так, что в случае разрушения колеса компрессора на турбинное колесо и жестко соединенные с ним детали действует осевая сила, согласно изобретению, соединено с валом таким образом, что в случае разрушения колеса компрессора оно взаимодействует с опорными элементами вала и это взаимодействие компенсирует силу, действующую в осевом направлении, и предотвращает осевое перемещение вала и жестко соединенных с ним деталей.

Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения станут более понятны из нижеследующего описания и чертежей.

Краткое описание чертежей

Примеры осуществления изобретения поясняются ниже с помощью чертежей. Одинаковые элементы на различных фигурах обозначены одинаковыми позициями. Направление течения сред указано стрелками.

Фиг.1 показывает схематически продольный разрез турбонагнетателя, согласно уровню техники;

Фиг.2 - увеличенный фрагмент А на фиг.1, первый вариант выполнения предмета изобретения;

Фиг.3 - фрагмент В из фиг.2 с некоторым увеличением первого варианта выполнения предмета изобретения;

Фиг.4 - изображение, аналогичное изображению на фиг.2, второй вариант выполнения предмета изобретения.

При этом представлены лишь элементы, существенные для понимания изобретения. Не показан, например, двигатель внутреннего сгорания, входящий в установку.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематически в продольном разрезе показан турбонагнетатель 1, включающий турбину 2 и компрессор 3. Турбина 2 в основном содержит турбинное колесо 4 с турбинными лопатками 6 и корпус 5, охватывающий турбинное колесо 4. Компрессор 3 содержит компрессорное колесо 7 с лопатками 8 и корпус 9, охватывающий колесо 7 компрессора. Турбинное колесо 4 и колесо 7 компрессора связаны между собой валом 10, установленным в корпусе подшипникового узла посредством различных опорных элементов. Турбина 2 и компрессор 3 в приведенном здесь примере выполнены радиальными. Турбинное колесо 4 известным образом приводится во вращение отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания (не показан), которые подаются в турбинное колесо 4 по каналам 11, 12. Расширяющийся и охлажденный за счет расширения отработавший газ отводится по газоотводному каналу (не показан). В результате вращательного движения турбинного колеса 4 колесо 7 компрессора, связанное валом 10 с турбинным колесом 4, также приводится во вращение. Посредством колеса 7 компрессора воздух 14 всасывается, сжимается и по отводному каналу 15 известным образом подается в двигатель внутреннего сгорания (не показан) для повышения эффективности.

При сборке турбонагнетателя 1 турбинное колесо 4, соединенное с валом 10, вдвигают в корпус 16 подшипникового узла в сторону компрессора. При этом радиальный подшипник 17а, находящийся со стороны турбины, может быть уже смонтирован в корпус 16, как показано на фигуре, или может быть насажен на вал 10. Для дальнейшей установки вала 10 на опоры на него затем насаживают упорный подшипник 18, упорное кольцо 18а и вспомогательный подшипник 19. И, наконец, на валу устанавливают крышку 21 подшипникового узла с предварительно смонтированной уплотняющей шайбой 20 и радиальный подшипник 17b, находящийся со стороны компрессора. Вслед за этим путем навинчивания колеса 7 компрессора на вал 10 между корпусом 16 подшипникового узла и колесом 7 компрессора аксиально фиксируют все насаженные элементы 18, 18а, 19, 20. Теперь появляется возможность со стороны турбины надеть корпус 5 турбины на турбинное колесо 4 и закрепить его на корпусе 16 подшипникового узла. Соответственно со стороны компрессора можно надеть на его колесо 7 корпус 9 компрессора и также закрепить его на корпусе 16 подшипникового узла. В других турбонагнетателях порядок монтажа может в деталях происходить несколько иначе, чем в турбонагнетателе, представленном в данном примере, при этом основной принцип вдвигания вала с турбинным колесом в корпус подшипникового узла, последующего насаживания различных подшипниковых элементов и фиксации колеса компрессора на валу остаются неизменными.

Благодаря креплению колеса 7 компрессора на валу 10 - в данном примере конец вала имеет наружную резьбу, а колесо 7 компрессора для его фиксации снабжено внутренней резьбой - за счет комбинации, состоящей из уплотняющей шайбы 20, вспомогательного подшипника 19, упорного подшипника 18, упорного кольца 18а, радиальных подшипников 17а и 17b и корпуса 16 подшипникового узла, узел компрессорное колесо-вал-турбинное колесо надежно удерживается в корпусе 16 с небольшим осевым зазором. Если же в процессе эксплуатации турбонагнетателя 1 происходит разрушение колеса 7 компрессора или срезается соединение между колесом 7 компрессора и валом 10, турбинное колесо 4 разгоняется до недопустимо высоких оборотов, так как отсутствует противодействующая сила, создаваемая колесом 7 компрессора. К тому же турбинное колесо 4 подвергается действию осевой составляющей силы, которая из-за отсутствия обычно имеющейся компенсации, создаваемой колесом 7 компрессора, приводит к осевому перемещению вала 10 и турбинного колеса 4. В зависимости от действующих сил одновременно с разрушением турбинного колеса 4 происходит осевой выход турбинного колеса 4 и вала 10 из корпуса 5 турбины. Это создает угрозу окружающей среде и обслуживающему персоналу.

На фиг.2 показан находящийся со стороны компрессора фрагмент А турбонагнетателя 1, согласно изобретению, выполненного, в принципе, так же как и представленный на фиг.1 турбонагнетатель 1, согласно уровню техники. Но как видно на фиг.2 и 3, на валу 10 в соответствии с изобретением установлено стопорное кольцо 22, выполненное в этом примере в виде пружинного стопорного кольца. Стопорное кольцо 22 входит в кольцевую канавку 23 вала 10, из которой оно выступает радиально наружу и аксиально зафиксировано в своем положении ее (канавки) осевыми боковыми поверхностями по точной посадке или с небольшим зазором для монтажа. Возможно и такое выполнение кольцевой канавки (не показано), при котором ее осевая ширина больше осевой ширины стопорного кольца 22 и стопорное кольцо 22 в нерабочем состоянии и в процессе нормальной эксплуатации находится в ней вблизи боковой поверхности, находящейся со стороны компрессора, так как для потока осевых сил, возникающих при поломке, важной является, прежде всего, боковая поверхность со стороны компрессора. Стопорное кольцо 22 радиально окружено предохранительным элементом 27, который для монтажа охватывает стопорное колесо 22 с небольшим радиальным зазором. Чтобы в процессе эксплуатации предотвратить радиальный выход стопорного кольца 22 из кольцевой канавки 23, указанный радиальный зазор выполнен меньшим, чем радиальная глубина кольцевой канавки 23, за счет чего предохранительный элемент 27 в процессе эксплуатации охватывает стопорное кольцо 22 по точной посадке. В приведенном здесь примере уплотнительная шайба 20 одновременно выполняет задачу предохранительного элемента 27, так что, кроме стопорного кольца 22, никакого дополнительного элемента не требуется, что упрощает монтаж. Для выполнения функции предохранительного элемента 27 уплотнительная шайба 20 имеет со стороны турбины выемку 24, радиальная протяженность которой примерно соответствует радиально выступающей из кольцевой канавки 23 части стопорного кольца 22 с зазором. Осевая ширина выемки 24 несколько больше осевой ширины стопорного кольца 22, поэтому стопорное кольцо 22 установлено в кольцевой канавке 23 вала 10 с осевым зазором относительно уплотнительной шайбы 20 и смежного вспомогательного подшипника 19. Этот осевой зазор обеспечивает отсутствие нагрузки в осевом направлении на стопорное кольцо 22 в нормальных условиях в нерабочем состоянии и в процессе эксплуатации.

При сборке турбонагнетателя 1 с предложенным согласно изобретению средством в виде стопорного кольца 22 для осевой фиксации вала 10 проводятся те же действия, что были описаны выше для уровня техники. После монтажа вспомогательного подшипника 19 в кольцевую канавку 23 помещают стопорное кольцо 22. Независимо от того, выполнено ли стопорное кольцо 22 в виде пружинного стопорного кольца или состоит из соединяемых кольцевых сегментов, его рассчитывают таким образом, чтобы после размещения в кольцевой канавке 23 оно было замкнутым и в нерабочем состоянии находилось на валу без зазора в радиальном направлении, так что в смонтированном состоянии стопорное кольцо 22 является по существу радиально-симметричным. Это необходимо с целью предотвращения дебаланса вала 10. Затем уплотнительную шайбу 20 насаживают на вал 10 и выемкой 24 надевают на стопорное кольцо 22 так, чтобы он вошел в соприкосновение со вспомогательным подшипником 19. Тем самым стопорное кольцо 22 в осевом направлении с зазором окружено уплотнительной шайбой 20 и вспомогательным подшипником 19, а в процессе эксплуатации оно радиально снаружи зафиксировано по точной посадке уплотнительной шайбой 20. Далее колесо 7 компрессора соединяют с валом 10 посредством, например, резьбового соединения. Смонтированное колесо 7 компрессора спрессовывает уплотнительную шайбу 20, вспомогательный подшипник 19, упорный подшипник 18 и упорное кольцо 18а с валом 10, точнее с буртиком вала 10, который служит контропорой и фиксирует таким образом указанные элементы. Осевой зазор стопорного кольца 22 между уплотнительной шайбой 20 и вспомогательным подшипником 19 обеспечивает при нормальной эксплуатации отсутствие осевой нагрузки на стопорное кольцо 22. В случае разрушения колеса 7 компрессора вал 10 под действием осевых сил может переместиться по оси в сторону турбины только до упора стопорного кольца 22 во вспомогательный подшипник 19 и образования стопорным кольцом 22 соединения с геометрическим замыканием между валом 10 и вспомогательным подшипником 19. Осевые силы через вспомогательный подшипник 19 и упорный подшипник 18 передаются затем на корпус 16 подшипникового узла. Благодаря уплотнительной шайбе 20, которая радиально охватывает стопорное кольцо 22 и аксиально удерживается корпусом, стопорное кольцо 22 продолжает оставаться на валу радиально зафиксированным.

Таким образом, после отделения колеса 7 компрессора стопорное кольцо 22 предотвращает осевое перемещение вала 10 в направлении турбинного колеса 4. Поскольку отсутствует противодействующая сила колеса 7 компрессора, турбинное колесо 4 разгоняется до очень высоких оборотов до тех пор, пока не разрушатся лопатки 6 или вся ступица и не затормозится в результате этого турбинное колесо 4 или пока вал 10 не затормозится иными средствами, не представленными в описании.

На фиг.4 представлено еще одно решение для осевой фиксации вала 10 в случае поломки. Смонтировав уплотнительную шайбу 20, на вал устанавливают и жестко соединяют с ним, например, путем навинчивания по существу радиально-симметричную стопорную втулку 25, которая удерживает на валу уплотнительную шайбу 20 и вспомогательный подшипник 19. Затем на вал устанавливают колесо 7 компрессора, имеющее выемку 26 и охватывающее стопорную втулку 25. При разрушении колеса 7 компрессора, когда вал 10 стремится переместиться в осевом направлении к турбинному колесу, посредством стопорной втулки 25 осуществляется соединение с геометрическим замыканием между валом 10, уплотнительной шайбой 20 и вспомогательным подшипником 19. Последний в свою очередь фиксируется в осевом направлении упорным подшипником 18, который удерживается в корпусе 16 подшипникового узла.

После отделения колеса 7 компрессора стопорная втулка 25 предотвращает осевое перемещение вала 10 в направлении турбинного колеса 4 так же, как это происходит в предыдущем решении с помощью стопорного кольца 22. Поскольку отсутствует противодействующая сила колеса 7 компрессора, турбинное колесо 4 разгоняется до очень высоких оборотов до тех пор, пока не разрушатся лопатки 6 или вся ступица и не затормозится в результате этого турбинное колесо 4 или пока вал 10 не затормозится иными средствами, не представленными в описании.

Само собой разумеется, что изобретение не ограничивается показанными на фигурах и описанными примерами выполнения. Согласно изобретению могут быть предусмотрены другие варианты выполнения средств осевой фиксации. Предложенные в соответствии с изобретением средства фиксации могут использоваться не только в показанных здесь, но и в других видах турбин и компрессоров. Вместо указанных опорных элементов с предложенным в изобретении и установленным на валу средством фиксации подобным же образом могут взаимодействовать и другие опорные элементы иного выполнения. Описанные и показанные на фигурах примеры демонстрируют с помощью конкретных вариантов выполнения лишь принцип действия средства фиксации и, следовательно, не являются ограничением.

Турбонагнетатель содержит турбину с турбинным колесом и компрессор с компрессорным колесом, соединенные валом. Вал установлен аксиально с возможностью вращения посредством подшипников, размещенных между турбинным колесом и колесом компрессора. Турбинное колесо, вал и колесо компрессора размещены в корпусе и соединены между собой так, что в случае разрушения колеса компрессора на турбинное колесо и связанный с ним вал в направлении турбины действует осевая сила. На валу турбонагнетателя между колесом компрессора и турбинным колесом установлено средство для осевой фиксации вала и связанного с ним турбинного колеса. Средство для осевой фиксации вала в случае разрушения колеса компрессора предотвращает осевое перемещение вала и связанного с ним турбинного колеса в направлении турбины. Другое изобретение группы касается средства для осевой фиксации вала и жестко соединенных с этим валом деталей турбонагнетателя, содержащего жестко установленные на валу турбинное колесо и колесо компрессора. Вал турбонагнетателя установлен аксиально с возможностью вращения посредством размещенных между турбинным колесом и колесом компрессора подшипников. Турбинное колесо, вал и колесо компрессора установлены и соединены друг с другом так, что в случае разрушения колеса компрессора на турбинное колесо и жестко соединенные с ним детали действует осевая сила. Средство для осевой фиксации соединено с валом таким образом, что в случае разрушения колеса компрессора оно взаимодействует с опорными элементами вала и это взаимодействие компенсирует силу, действующую в осевом направлении, и предотвращает осевое перемещение вала и жестко соединенных с ним деталей. Изобретения позволяют обеспечить надежное удержание вала и турбинного колеса в корпусе в случае разрушения колеса компрессора, не усложняя при этом монтаж и демонтаж деталей и узлов турбонагнетателя. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Турбонагнетатель (1), содержащий турбину (2) с турбинным колесом (4) и компрессор (3) с компрессорным колесом (7), при этом турбинное колесо и колесо компрессора соединены валом (10), вал установлен аксиально с возможностью вращения посредством подшипников, размещенных между турбинным колесом и колесом компрессора, а турбинное колесо, вал и колесо компрессора размещены в корпусе (5, 9, 16) и соединены между собой так, что в случае разрушения колеса (7) компрессора на турбинное колесо (4) и связанный с ним вал (10) в направлении турбины (2) действует осевая сила, отличающийся тем, что на валу (10), соединенном с турбинным колесом (4), между колесом компрессора и турбинным колесом установлено средство для осевой фиксации вала (10) и связанного с ним турбинного колеса (4), причем указанное средство в случае разрушения колеса (7) компрессора предотвращает осевое перемещение вала (10) и связанного с ним турбинного колеса (4) в направлении турбины (2).2. Турбонагнетатель по п.1, отличающийся тем, что средство для осевой фиксации вала (10) взаимодействует с опорными элементами (18, 18а и 19) вала (10).3. Турбонагнетатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что средство для осевой фиксации вала (10) по существу является радиально-симметричным.4. Турбонагнетатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что средство для осевой фиксации вала (10) представляет собой установленное на валу стопорное кольцо (22).5. Турбонагнетатель по п.4, отличающийся тем, что на валу (10) выполнена круговая кольцевая канавка (23) для установки стопорного кольца (22), из которой вставленное стопорное кольцо (22) выступает радиально наружу, при этом осевые боковые поверхности кольцевой канавки (23) охватывают стопорное кольцо (22) в осевом направлении по точной посадке или с зазором.6. Турбонагнетатель по п.4, отличающийся тем, что стопорное кольцо (22) выполнено в виде пружинного стопорного кольца или в виде соединяемых между собой кольцевых сегментов.7. Турбонагнетатель по п.4, отличающийся тем, что стопорное кольцо (22) в смонтированном состоянии представляет собой замкнутое кольцо, охватывающее вал (10).8. Турбонагнетатель по п.4, отличающийся тем, что стопорное кольцо (22) радиально снаружи охвачено предохранительным элементом (27), при этом в нерабочем состоянии предусмотрен радиальный зазор, меньший, чем радиальная глубина кольцевой канавки (23), за счет чего предохранительный элемент (27) в процессе эксплуатации удерживает стопорное кольцо (22) в кольцевой канавке (23).9. Турбонагнетатель по п.8, отличающийся тем, что стопорное кольцо (22), благодаря предохранительному элементу (27), в нерабочем состоянии и в процессе нормальной эксплуатации не подвержено нагрузке в осевом направлении.10. Турбонагнетатель по п.8, отличающийся тем, что предохранительный элемент (27) выполнен в виде уплотнительной шайбы (20) с выемкой (24), открытой со стороны турбины, и осевая протяженность выемки (24) превышает осевую протяженность стопорного кольца (22), в то время как радиальная протяженность выемки (24) такова, что она охватывает стопорное кольцо (22) в нерабочем состоянии с небольшим радиальным зазором.11. Турбонагнетатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что средство для осевой фиксации вала (10) представляет собой закрепленную на валу (10) стопорную втулку (25).12. Средство для осевой фиксации вала (10) и жестко соединенных с этим валом деталей турбонагнетателя, при этом на валу жестко установлены турбинное колесо (4) и колесо (7) компрессора, вал установлен аксиально с возможностью вращения посредством размещенных между турбинным колесом и колесом компрессора подшипников и турбинное колесо, вал и колесо компрессора установлены и соединены друг с другом так, что в случае разрушения колеса компрессора на турбинное колесо (4) и жестко соединенные с ним детали действует осевая сила, отличающееся тем, что указанное средство соединено с валом (10) таким образом, что в случае разрушения колеса компрессора оно взаимодействует с опорными элементами (18, 18а и 19) вала (10) и это взаимодействие компенсирует силу, действующую в осевом направлении, и предотвращает осевое перемещение вала (10) и жестко соединенных с ним деталей (4).