RU1776885C - Турбокомпрессор - Google Patents

Abstract

Использование: в области турбокомп- рессоростроени , преимущественно к турЮ 15 4 Ht П бокомпрессорам турбонаддува двигателей внутреннего сгорани . Сущность изобретени : турбокомпрессор снабжен двум  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

Description

Изобретение относитс  к энергетике, преимущественно к агрегатам турбонадду- ва двигателей внутреннего сгорани , кроме того, оно может быть эффективно использовано в автономных турбокомпрессорах, предназначенных дл  сжати  газа.

Известны турбокомпрессоры дл  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 уплотнени х вала и др., привод щие к снижению КПД.

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

-контакт между дисками компрессора и турбины предопредел ет 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 реализуютс  большие градиенты скорости в смазочной жидкости

и значительные потери на трение.

Известна конструкци  турбокомпрессо- ра 4, содержаща  моноротор из двух плотно соединенных между собой рабочих колес компрессора и турбины, на периферии моноротора имеетс  кольцева  полость, в которой размещен диск, сопр женный с корпусом и выполн ющий функции теплового экрана. Внутри ротора выполнена осева  расточка с подшипниками, сопр женными с осью, кон- сольно закрепленной в корпусе внутри выпускного патрубка турбины.

Существенными недостатками указанного устройства  вл ютс :

-крепление оси внутри выпускного патрубка снижает надежность агрегата вследствие высокой теплонапр женности подшипникового узла, требует дл  охлаждени  большого расхода масла, снижает КПД,

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

- размещение диска в кольцевой полости моноротора с возможностью касани  его опорных поверхностей на торцах колес характеризуетс  низкой работоспособностью и надежностью, большими потер ми на трение.

Цель изобретени  - устранение указанных недостатком, т.е. повышение КПД и массогабаритных характеристик турбокомпрессора . Цель достигаетс  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 сопр женной с отверстием в рабочем колесе компрессора.

На чертеже изображен турбокомпрессор в осевом разрезе.

Корпус компрессора выполнен сварно- литым из алюминиевого сплава, его лита  часть содержит воздухозаборник 1 счетырь- м  крестообразно расположенными ребрами 2, ступицей 3, диффузором с направл ющими лопатками 4. К литой части приварена улитка 5, отформованна  (например , штамповкой, ротационным выдавливанием ) из листового материала, с толщиной пор дка 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 сопр жены 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, выступающа  часть которого имеет на внешней поверхности винтовую резьбу, сопр женную с минимальным зазором с расточкой в ступице. Направление резьбы выбираетс  из услови  перемещени  гребней витков при работе компрессора внутрь расточки. Дл  подачи смазки в корпусе установлен штуцер 13, выполнены каналы 14, 15, осевое отверстие в винте 9; дл  отвода смазочной жидкости имеетс  канал 16 и штуцер 17. На рабочем колесе винтами 18 закреплена ст жка 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 отражени  в инфракрасной и красной области спектра. По наружному диаметр/ шайбы с минимальным зазором сопр жены с коль- цом 25, неподвижно установленным в корпусе . Очевидно, возможен вариант исполнени  с шайбами и кольцевыми прокладками, неподвижно св занными 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 ст нуты между собой хомутом в виде полуколец 29,30 с трапецеидальной канавкой на внутренней поверхности, сопр женной с соответствующими кольцевыми выступами на корпусах. Концы полуколец ст нуты между собой винтами . Турбокомпрессор и воздуховод к нему креп тс  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 направл ющий аппарат с сопловыми лопатками 27 на лопатки рабочего колеса 22 турбины моноротор, т.е. блок соединенных жестко между собой рабочих колес турбины и компрессора, проводитс  во вращение на плавающих подшипниковых втулках 7, 8, осевые усили  при этом воспринимаютс  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) подаетс  смазочна  жидкость (масло), котора  в полости ст жки 19 вовлекаетс  во вращение с ротором, на периферии полости возникает центробежный напор, под которым масло нагнетаетс  в зазоры между головкой винта 9 и отверстием в ст жке в зазоры подшипника 8, затем подшипника 7, после чего смазка сбрасываетс  в полость расточки в ступице 3 и через канал 16 отводитс  в сливной бак. Винтова  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 подаетс  в цилиндры двигател . Набор шайб 23 преп тствует теплопередаче конвекцией и излучением от рабочего колеса 22 турбины к колесу 10 компрессора и выполн ет функции лабиринтного уплотнени , блокирующего утечки воздуха от компрессора к турбине.

Технико-экономическа  эффективность предложени  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 , преп тствующее 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 поверхност х рабочих колес, причем возле торца колеса компрессора вследствие низкой температуры и более высокой плотности воздуха создаетс  повышенный (по сравнению с воздухом у торца турбины) центробежный напор, который обеспечивает направление перетечек от компрессора к турбине, что в определенной мере снижает ее теплонапр - 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 теплонапр женкость агрегата.

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

Claims (6)

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 поверхност ми колес в периферийной их части, отличающийс  тем, что с целью повышени  КПД, турбокомпрессор снабжен двум  кольцевыми вставками, расположенными концентрично оси в пространстве между торцами колес, внутренн   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 ст жкой, 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   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   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   тем, что втулки снабжены кольцевыми прокладками, установленными по их торцам.

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

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