Турбокомпрессор с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания а.ф.мещерякова

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к турбомоторостроению, и может быть применено в турбопоршневых двигателях. Цель изобретения - повышение эффективной мощности двигателя по наддуву путем регулирования частоты вращения ротора. Турбокомпрессор с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания с консольным расположением колес содержит корпус 3 камеры волнового редуктора, ограниченный со стороны компрессора задней стенкой 4 диффузора, взаимодействующей с уплотнительной муфтой 5, моновтулку 8, установленный в моновтулке ротор. Ротор снабжен звездочкой 20 обгонной муфты с телами качения, в которой обоймой служит ступица 24 жесткого колеса волнового редуктора, развитая по ширине и взаимодействующая выступающей над габаритом звездочки частью с шейкой 9 моновтулки. В качестве генератора волн деформации гибкого колеса 29, неподвижно установленного в камере волнового редуктора соосно с ротором, служит статор электрической машины, причем между габаритной поверхностью полости статора и гибким колесом, а также между зубчатыми венцами жесткого и гибкого колес выполнены зазоры. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к турбомоторостроению, и может быть применено в турбопоршневых двигателя.

Известен турбокомпрессор с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания, преимущественно с консольным расположением колес, содержащий корпус с центральной несущей частью, моновтулку, установленную в осевой полости, выполненной в центральной несущей части корпуса, и фиксированную от смещений патрубком маслосистемы, установленный в моновтулке вал ротора с консольными участками, уплотнительную муфту, установленную за колесом компрессора с возможностью взаимодействия ее кольцевых уплотнительных элементов с крышкой подшипников, служащей задней стенкой диффузора.

Однако эффективная мощность этого турбокомпрессора недостаточно высока для двигателей с малым и передним рабочими объемами цилиндров, велика инерционность составного ротора, затруднено регулирование частоты вращения ротора.

Целью изобретения является повышение эффективности мощности двигателя по наддуву путем регулирования частоты вращения ротора.

Эта цель достигается тем, что в турбокомпрессоре с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания, преимущественно с консольным расположением колес, содержащем корпус с центральной несущей частью, моновтулку, установленную в осевой полости, выполненной в центральной несущей части корпуса, и фиксированную от смещений патрубком маслосистемы, установленный в моновтулке вал ротора с консольными участками, уплотнительную муфту, установленную за колесом компрессора с возможностью взаимодействия ее кольцевых уплотнительных элементов с крышкой подшипников, служащей задней стенкой диффузора, в несущей части корпуса выполнен туннельный прилив с осевой полостью, являющийся продолжением полости несущей части корпуса, и в выполненной таким образом полости установлена удлиненная моновтулка с концевым участком, выступающим за торец прилива, в моновтулке установлен вал ротора с удлиненной консольной частью со стороны колеса компрессора, причем на участке, примыкающем к торцу концевого участка моновтулки, как одно целое с валом выполнена обойма звездочки обгонной муфты, снабженная заклинивающими телами качения, а в камере, образованной стенкой корпуса и задней стенкой диффузора, соосно с ротором неподвижно установлен электромагнитный генератор волн волновой передачи, выполненный в виде статора генератора трехфазного тока с пускорегулирующим устройством, в полости статора размещено гибкое колесо волновой передачи, выполненное в виде стальной упругой тонкостенной оболочки, на одном торце которой выполнен зубчатый венец внутреннего зацепления, а на другом торце выполнен отвальцованный наружу посадочный фланец, жестко присоединенный к стенке корпуса камеры, причем между габаритной поверхностью статора и гибким колесом выполнен зазор, жесткое колесо волновой передачи выполнено со ступицей, служащей обоймой упомянутой обгонной муфты, причем ступица развита по ширине и установлена на звездочке обгонной муфты с возможностью взаимодействия с упомянутым концевым участком моновтулки, совместно с уплотнительной муфтой установлена шайба для фиксирования ступицы, при этом между зубьями венцов жесткого и гибкого колес выполнен зазор.

Кроме того, турбокомпрессор содержит пускорегулирующее устройство электромагнитного генератора волн волновой передачи, выполненное с возможностью регулирования круговой частоты вращающегося магнитного поля статора и посредством микропроцессорной системы автоматического управления связано с системой автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя, выполненной на электрической основе.

На фиг.1 изображен фрагмент центральной части корпуса турбокомпрессора; на фиг.2 фрагмент узла гибкого и жесткого колес волнового редуктора; на фиг. 3 принципиальные графики зависимости коэффициента избытка воздуха α и дымности D (%) отработавших газов от текущего времени τ_a автоматического регулирования частоты вращения n_тк ротора, а также зависимость n вращения двигателя при увеличении цикловой подачи топлива g_ц от времени τ_a регулирования наддува в переходном процессе. Для сравнения штриховыми линиями изображены графики α, D и n, характерные для обычных турбопоршневых двигателей.

Турбокомпрессор содержит центральную часть корпуса 1 со стенкой 2 корпуса камеры 3 волнового редуктора, ограниченной задней стенкой 4 диффузора, взаимодействующей с муфтой 5 и выполненной в центральной части корпуса, обращенный в камеру туннельный прилив 6 с осевой полостью 7, в которой установлена удлиненная моновтулка 8 с шейкой 9, кольцевой полостью 10 и осевыми расточками 11, 12.

В осевых расточках моновтулки установлен вал 13 с опиранием на шейки 14 и 15. На носках 16, 17 вала соответственно установлены колесо турбины 18 и колесо компрессора 19. Продолжением шейки 15 служит звездочка 20 обгонной муфты, выполненная как одно целое с шейкой вала, в полостях которой размещены тела качения 21, подпираемые плунжерами 22 с пружинами 23 (см. фиг.2).

Обоймой обгонной муфты служит ступица 24 жесткого зубчатого колеса 25 волнового редуктора с полостью 26 для размещения звездочки, причем ступица развита по ширине и частью, выходящей за габарит звездочки, посажена на шейку 9 моновтулки.

Для фиксирования моновтулки от смещений служит конец впускного масляного патрубка 27, а для фиксирования жесткого колеса 25 тонкостенная профилированная шайба 28, установленная на шейке уплотнительной муфты 5 с возможностью скользящего контакта с торцом его ступицы.

Гибкое колесо 29 волновой зубчатой передачи волнового редуктора (ВР) выполнено в виде стальной гибкой и тонкостенной оболочки с зубчатым венцом внутреннего зацепления на свободном торце и отвальцованным наружу посадочным фланцем 30 с помощью прижимного центрирующего кольца 31 на винтах 32 неподвижно присоединено к стенке корпуса камеры ВР, при этом между зубьями венцов жесткого и гибкого колес выполнен некоторый минимальный зазор.

Применяемый в качестве известного электромагнитного генератора волн (ГВ) деформации гибкого колеса статор асинхронного генератора трехфазного тока 33 соосно с ротором и при внешнем расположении по отношению к гибкому колесу неподвижно установлен в камере ВР, и между внутренней (габаритной) поверхностью статора и гибким колесом выполнен некоторый зазор, обеспечивающий гибкому колесу требуемую радиальную деформацию.

Жесткое и гибкое колеса совместно с генератором волн деформации гибкого колеса образуют ВР.

Предлагаемый турбокомпрессор работает следующим образом.

Пуск двигателя осуществляют при включенной системе регулирования наддува. С увеличением цикловой подачи топлива g_ц и началом переходного процесса частота n вращения двигателя возрастает и с учетом регулируемого наддува протекает по некоторой кривой 34 зависимости n f(τ), где τ текущее время переходного процесса (см. фиг.3).

В конце исходного режима (Исх.), т.е. 1, сигналы системы автоматического регулирования частоты поступают в микропроцессор системы автоматического управления, на этой основе включается регулятор частоты вращения магнитного поля (РЧМП), подающий ток возбуждения на обмотки статора 33 ГВ.

Вращающееся магнитное поле оказывает давление на гибкое колесо 29, вызывая в нем две бегущие радиальные волны деформации и при выбранном зазоре ω₁, волны деформации безударно вводят в многоперное зацепление гибкое колесо с жестким колесом 25, обеспечивая расчетное передаточное отношение и ВР при вращении жесткого колеса в направлении, совпадающем с направлением вращения вала 13 ротора турбокомпрессора (ТК) с замкнутой обгонной муфтой.

С последующим резким (программным) повышением частоты вращающегося магнитного поля ГВ частота вращения жесткого колеса ВР, а вместе с ней и частота n_тк вращения ротора ТК резко возрастают и протекает по левой ветви кривой с т. т. 1,2 графика 35: n_тк f(ω). Программированный по времени участок графика с т.т. 2,3 характеризует кратковременную работу ВР с постоянной частотой ω_max ГВ, обеспечивающей согласованную подачу воздуха на резко возрастающем участке графика.

При достижении частоты n некоторого значения, приближенного к новому скоростному (нагрузочному) режиму, РЧП, снижая частоту ω, регулирует частоту n_тк вращения ротора по правой ветви графика 35 с началом в т.3 и окончанием на более высоком уровне по отношению к исходному в т.1 с выключением РЧМП и обгонной муфты из работы.

Соответственно регулировочному (программному) графику частоты n_тк ротора ТК по времени τ_a переходного процесса дизеля автоматически осуществляется и регулирование коэффициента избытка воздуха α, протекающего по времени τ_a с характерными т. т. 1,2,3 графика 36: α f(n_тк), причем снижению частоты ω ГВ на участке кривой с началом в т.3 соответствует участок плавного снижения α с избыточным значением над исходным уровнем т.1.

Резкое повышение коэффициента α (т.т. 1,2, поз.36) над исходным уровнем с началом регулирования его ОРН исключает провалы частоты вращения двигателя и обеспечивает темп роста кинетической энергии вращающихся масс двигателя, что в целом ускоряет по времени τ рост крутящего момента.

Наряду с этим с началом регулирования наддува ротор турбины работает в принудительном ускоренном режиме, обеспечивая независимо от текущих параметров отработавших газов (ОГ), улучшение газоочистки выпускного коллектора и цилиндров дизеля, что также служит повышению эффективной мощности по наддуву.

Вместе с полным сгоранием топлива при согласованной подаче воздуха (предусмотрен перепуск воздуха в газовую турбину) в период по времени τ обеспечивается снижение дымности D, ОГ в период регулирования наддува ниже исходного уровня. На графике 37 с характерными т.т. 1,2,3 снижению уровня дымности D соответствует регулировочный график 36 коэффициента избытка воздуха α.

Для сравнения предлагаемых результатов регулирования наддува на графике 38 показано относительно замедленное повышение частоты n вращения двигателя в переходном процессе по времени τ с обычным турбокомпрессором, в котором с началом увеличения цикловой подачи топлива коэффициент избытка воздуха α резко падает график 39 (штриховая линия), а дымность резко возрастает график 40.

Очевидно, что с применением предлагаемого турбокомпрессора с низкой высокоэффективной системой регулирования наддува возможно ускоренное решение проблем улучшения воздухоснабжения, способствующего дальнейшему совершенствованию технико-экономических и мощностных показателей дизелей.

Формула изобретения

1. Турбокомпрессор с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания преимущественно с консольным расположением колес, содержащий корпус с центральной несущей частью, моновтулку, установленную в осевой полости, выполненной в центральной несущей части корпуса, и фиксированную от смещения патрубком маслосистемы, установленный в моновтулке вал ротора с консольными участками, уплотнительную муфту, установленную за колесом компрессора с возможностью взаимодействия ее кольцевых уплотнительных элементов с крышкой подшипников, служащей задней стенкой диффузора, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективной мощности двигателя по наддуву путем регулирования частоты вращения ротора на всех режимах и в переходных процессах двигателя, в несущей части корпуса выполнен туннельный прилив с осевой полостью, являющейся продолжением полости несущей части корпуса, и в выполненной таким образом полости установлена удлиненная моновтулка с концевым участком, выступающим за торец прилива, в моновтулке установлен вал ротора с удлиненной консольной частью со стороны колеса компрессора, причем на участке, примыкающем к торцу концевого участка моновтулки, как одно целое с валом выполнена обойма звездочки обгонной муфты, снабженная заклинивающими телами качения, а в камере, образованной стенкой корпуса и задней стенкой диффузора, соосно с ротором неподвижно установлен электромагнитный генератор волн волновой передачи, выполненный в виде статора генератора трехфазного тока с пускорегулирующим устройством, и в полости статора размещено гибкое колесо волновой передачи, выполненное в виде стальной упругой тонкостенной оболочки, на одном торце которой выполнен зубчатый венец внутреннего зацепления, а на другом торце - отвальцованный наружу посадочный фланец, жестко присоединенный к стенке корпуса камеры, причем между габаритной поверхностью статора и гибким колесом выполнен зазор, жесткое колесо волновой передачи выполнено со ступицей, служащей обоймой упомянутой обгонной муфты, причем ступица развита по ширине и установлена на звездочке обгонной муфты с возможностью взаимодействия с упомянутым концевым участком моновтулки, совместно с уплотнительной муфтой установлена шайба для фиксирования ступицы, причем между зубьями венцов жесткого и гибкого колес выполнен зазор.

2. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что система регулирования наддува содержит пускорегулирующее устройство электромагнитного генератора волн волновой передачи, выполненное с возможностью регулирования круговой частоты вращающегося магнитного поля статора и посредством микропроцессорной системы автоматического управления связанное с системой автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя, выполненной на электрической основе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3