Турбокомпрессор

 

Использование: в области турбокомпрессоростроения, 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (! () (si)s F 04 О 25/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

19

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4907282/06 (22) 07.12.90 (46) 23.11.92. Бюл. М 43 (75) П. С. Владимиров (56) Заявка Франции М 2420673, кл. F 04 0

29/24, опублик. 1979. (54) ТУРБОКОМПРЕССОР (57) Использование: в области турбокомпрессоростроения, преимущественно к турбокомпрессорам 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. и. ф-лы, 1 ил.

1776885

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

Известны турбокомпрессоры для наддува ДВС, выполненные по двухконсольной схеме с внутренним расположением подшипников (1), (2). Агрегаты этой схемы получили широкое распространение, однако они имеют существенные недостатки. большие габариты и масса, значительные потери на 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 сжимаемого воздуха и снижению КПД, — вал с подшипниками расположен в корпусе, что приводит к увеличению осевых габаритов и массы агрегата, — втулки подшипников неподвижно установлены в корпусе, вследствие чего в зазорах подшипников реализуются большие градиенты скорости в смазочной жидкости и значительные потери на трение.

Известна конструкция турбокомпрессора (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, консольно 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 обуславлива5

50 ет значительный тепловой поток от турбины к компрессору, снижение КПД. — размещение диска в кольцевой полости моноротора с воэможностью 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 массо габаритн ых ха ра ктеристик 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 турбокомпрес-. сор в осевом разрезе.

Корпус компрессора выполнен сварнолитым иэ алюминиевого сплава, ceo литая часть содержит воздухозаборник 1 с четырьмя 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 6, 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 иэ материала с низкой теплопроводностью. например, из керамики или пористого металла, спеченного из порошка, на наружной поверхности кольца

1776885 установлен набор шайб 23, разделенных кольцевыми прокладками 24, выполненными также из нетеплопроводного материала.

Шайбы 23 изготовлены иэ листового материала с толщиной примерно 0,2 мм, например, иэ титанового сплава, они могут иметь покрытие с высоким коэффициентом отражения в инфракрасной и красной области спектра, По наружному диаметру шайбы с минимальным зазором сопряжены с кольцом 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 минимальным 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 центробежного 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, блокирую5 щего утечки воздуха от компрессора к турбине.

Технико-экономическая эффективность предложения обусловлена следующими факторами.

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

2. Набор шайб, разделенных кольцевы15 ми прокладками, образует систему тепловых экранов с воздушными промежутками, пресекающих конвективные потоки воздуха в зазоре между колесами компрессора и турбины, лучистый теплообмен и нагрев

20 вследствие теплопроводности. Кроме того, набор шайб образует лабиринтное уплотнение, препятствующее перетечкам газа и повышающее таким образом объемный КПД агрегата.

25 Наибольший эффект в повышении КПД обеспечивает исполнение с набором шайб, зафиксированных на вставке ротора: в этом варианте отсутствует градиент скорости н дисковое трение на тыльных поверхностях

30 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

35 напор, который обеспечивает направление перетечек от компрессора к турбине, что в определенной мере снижает ее теплонапряженность и блокирует перетечки выпускных газов от турбины к компрессору. Вариант с

40 шайбами, закрепленными на вставкекорпусе,менее критичен в отношении прочности материала шайб, последние могут быть выполнены, например, в виде диска иэ пенокерамики.

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

4. Соединение корпусов компрессора и турбины посредством хомута из двух пол50 уколец 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 подшип1776885

Составитель

Техред М.Моргентал

Редактор Т.Иванова

Корректор А.Долинич

Заказ 4110 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ников 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 центральное отверстие колеса турбины;

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

3. Турбокомпрессор по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что шайбы с кольцевыми прокладками установлены на наружном кольце.

5 4. Турбокомпрессор по и. 1. отл и ч а юшийся тем, что втулки снабжены кольцевыми прокладками, установленными по их торцам.

5. Турбокомпрессор по и. 1, о т л и ч а ю10 шийся тем, что корпуса турбины и компрессора снабжены скобой в аиде полуколец с трапецеидальной канавкой на внутренней поверхности, охватывающей ответные выступы корпусов, причем полукольца стянуты

15 между собой винтами.

6. Турбокомпрессор по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что ось закреплена в корпусе компрессора, а подшипники установлены в центральной расточке рабочего колеса ком20 прессора.