Турбокомпрессор Советский патент 1992 года по МПК F04D25/04 

Изобретение относится к энергетике, преимущественно к агрегатам турбонадду- ва двигателей внутреннего сгорания, кроме того, оно может быть эффективно использовано в автономных турбокомпрессорах, предназначенных для сжатия газа.

Известны турбокомпрессоры для наддува ДВС, выполненные подвухконсольной схеме с внутренним расположением подшипников 1, 2. Агрегаты этой схемы пол- учили широкое распространение, однако они имеют существенные недостатки: большие габариты и масса, значительные потери ча дисковое трение вследствие больших градиентов скорости на тыльных торцах дисков, потери на трение в кольцевых уплотнениях вала и др., приводящие к снижению КПД.

Известны конструктивные схемы турбокомпрессоров с моноротором 3, в которых диски компрессора и турбины непосредственно соприкасаются тыльными торцами или выполнены за одно целое. Указанная схема положительно отличается наибольшей компактностью, но ей тоже присущи серьезные недостатки:

-контакт между дисками компрессора и турбины предопределяет большой тепловой поток от турбины и нагрев диска компрессора, что приводит к избыточному нагреву ежи- маемого воздуха и снижению КПД,

-вал с подшипниками расположен в корпусе, что приводит к увеличению осевых габаритов и массы агрегата,

-втулки подшипников неподвижно ус- тановлены в корпусе, вследствие чего в зазорах подшипников реализуются большие градиенты скорости в смазочной жидкости

и значительные потери на трение.

Известна конструкция турбокомпрессо- ра 4, содержащая моноротор из двух плотно соединенных между собой рабочих колес компрессора и турбины, на периферии моноротора имеется кольцевая полость, в которой размещен диск, сопряженный с корпусом и выполняющий функции теплового экрана. Внутри ротора выполнена осевая расточка с подшипниками, сопряженными с осью, кон- сольно закрепленной в корпусе внутри выпускного патрубка турбины.

Существенными недостатками указанного устройства являются:

-крепление оси внутри выпускного патрубка снижает надежность агрегата вследствие высокой теплонапряженности подшипникового узла, требует для охлаждения большого расхода масла, снижает КПД,

-плотное соединение рабочих колес компрессора и турбины по коническим поверхностям большой площади обуславливает значительный тепловой поток от турбины к компрессору, снижение КПД.

- размещение диска в кольцевой полости моноротора с возможностью касания его опорных поверхностей на торцах колес характеризуется низкой работоспособностью и надежностью, большими потерями на трение.

Цель изобретения - устранение указанных недостатком, т.е. повышение КПД и массогабаритных характеристик турбокомпрессора. Цель достигается установкой в зазоре между рабочими колесами тепловых экранов в виде набора шайб, разделенных кольцевыми прокладками, кольцевых вставок между корпусами, исполнением вала в виде цапфы, неподвижно закрепленной в корпусе компрессора и посредством плавающих подшипниковых втулок сопряженной с отверстием в рабочем колесе компрессора.

На чертеже изображен турбокомпрессор в осевом разрезе.

Корпус компрессора выполнен сварно- литым из алюминиевого сплава, его литая часть содержит воздухозаборник 1 счетырь- мя 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, с толщиной порядка 1,5 мм. В ступице 3 запрессована ось б, на которой посредством подшипниковых втулок 7, 8 и винта 9 установлено рабочее колесо 10, причем подшипниковые втулки подвижно по ходовой посадке сопряжены и с осью, 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 пррошка, 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, напри- мер, из титанового сплава, они могут иметь покрытие с высоким коэффициентом отражения в инфракрасной и красной области спектра. По наружному диаметр/ шайбы с минимальным зазором сопряжены с коль- цом 25, неподвижно установленным в корпусе. Очевидно, 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 сварнолитую 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. Действует турбокомпрессор подобно прототипу: при подаче выпускных газов из коллектора Д. В. С. в улитку 28 и через направляющий аппарат с сопловыми лопатками 27 на лопатки рабочего колеса 22 турбины моноротор, т.е. блок соединенных жестко между собой рабочих колес турбины и компрессора, проводится во вращение на плавающих подшипниковых втулках 7, 8, осевые усилия при этом воспринимаются упорными подшипниками с шайбами 11. Через штуцер 13, каналы 14,15 и через осевое отверстие в винте 9 под некоторым мини- мальным давлением (возможно самотеком из расположенного выше бака) подается смазочная жидкость (масло), которая в полости стяжки 19 вовлекается во вращение с ротором, на периферии полости возникает центробежный напор, под которым масло нагнетается в зазоры между головкой винта 9 и отверстием в стяжке в зазоры подшипника 8, затем подшипника 7, после чего смазка сбрасывается в полость расточки в ступице 3 и через канал 16 отводится в сливной бак. Винтовая нарезка на внешнем конце вкладыша 12 обеспечивает винтовое лабиринтное уплотнение смазочного тракта. При вращении рабочего колеса 10 цент- робежного компрессора воздух через воздухозаборник 1 поступает на лопатки рабочего колеса, далее в диффузор 4 и в улитку 5, откуда под давлением наддува подается в цилиндры двигателя. Набор шайб 23 препятствует теплопередаче конвекцией и излучением от рабочего колеса 22 турбины к колесу 10 компрессора и выполняет функции лабиринтного уплотнения, блокирующего утечки воздуха от компрессора к турбине.

Технико-экономическая эффективность предложения обусловлена следующими факторами.

1. Кольцевые вставки из материала с низкой теплопроводностью многократно уменьшают тепловой поток от турбины к компрессору.

2. Набор шайб, разделенных кольцевыми прокладками, образует систему тепловых экранов с воздушными промежутками, пресекающих конвективные потоки воздуха в зазоре между колесами компрессора и турбины, лучистый теплообмен и нагрев вследствие теплопроводности. Кроме того, набор шайб образует лабиринтное уплотнение, препятствующее перетечкам газа и повышающее таким образом объемный КПД агрегата.

Наибольший эффект в повышении КПД обеспечивает исполнение с набором шайб, зафиксированных на вставке ротора: в этом варианте отсутствует градиент скорости и дисковое трение на тыльных поверхностях рабочих колес, причем возле торца колеса компрессора вследствие низкой температуры и более высокой плотности воздуха создается повышенный (по сравнению с воздухом у торца турбины) центробежный напор, который обеспечивает направление перетечек от компрессора к турбине, что в определенной мере снижает ее теплонапря- женность и блокируетлеретечки выпускных газов от турбины к компрессору. Вариант с шайбами, закрепленными на вставке корпусе, менее критичен в отношении прочности материала шайб, последние могут быть выполнены, например, в виде диска из пеноке- рамики.

3.Установка моноротора на оси, закрепленной в корпусе компрессора, снижает теплонапряженкость агрегата.

4.Соединение корпусов компрессора и турбины посредством хомута из двух полуколец обеспечивает тонкостенное исполнение корпусных деталей и снижение массы турбокомпрессора.

Формула изобретения

1. Турбокомпрессор, содержащий корпус компрессора и турбины, ось, неподвижно закрепленную в корпусе, рабочие колеса центробежного компрессора и турбины, установленные на оси посредством подшипникое и соединенные друг с другом в центральной части, тепловой экран, расположенный в пространстве между торцовыми поверхностями колес в периферийной их части, отличающийся тем, что с целью повышения КПД, турбокомпрессор снабжен двумя кольцевыми вставками, расположенными концентрично оси в пространстве между торцами колес, внутренняя из которых установлена с упором в торцах колес, а тепловой экран выполнен в виде набора шайб, установленных между кольцами, и кольцевых прокладок, размещенных между шайбами, а колеса соединены стяжкой, пропущенной с радиальным зазором через цен- тральное отверстие колеса турбины,

2. Турбокомпрессор по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что шайбы с кольцевыми прокладками установлены на внутренней кольцевой вставке.

3.Турбокомпрессор по п. 1. о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что шайбы с кольцевыми прокладками установлены на наружном кольце.

4.Турбокомпрессор по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что втулки снабжены кольцевыми прокладками, установленными по их торцам.

5.Турбокомпрессор по п. 1,отличаю- щ и и с я тем, что корпуса турбины и компрессора снабжены скобой в виде полуколец с трапецеидальной канавкой на внутренней поверхности, охватывающей ответные выступы корпусов, причем полукольца стянуты между собой винтами.

6.Турбокомпрессор по п. отличающийся тем, что ось закреплена в корпусе компрессора, а подшипники установлены в центральной расточке рабочего колеса компрессора.

Использование: в области турбокомп- рессоростроения, преимущественно к турЮ 15 4 Ht П бокомпрессорам турбонаддува двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: турбокомпрессор снабжен двумя кольцевыми вставками 21, 25, расположенными концентрично оси между торцами колес 10, 22, а тепловой экран выполнен в виде набора шайб 11, установленных между вставками 21, 25, и кольцевых прокладок 24, размещенных между шайбами 11. 5 з. п. ф-лы, 1 ил. ЈJ Ё V| V| Оч 00 СО сл