Турбокомпрессор, например, для наддува двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к турбокомпрессорам, применяемым, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности к подшипниковым узлам, выполненным в виде подшипников скольжения с плавающими втулками, и позволяет повысить надежность путем улучшения смазки подшипников. Это достигается тем, что подшипниковая втулка снабжена соосными выемками, размещенными в ее торцах, подшипники скольжения выполнены в виде отдельных плавающих вставок, сопряженных с зазором своими наружными поверхностями с внутренними поверхностями торцевых выемок, а каждая из наружных поверхностей вставок снабжена по меньшей мере одной винтовой канавкой, сообщенной с маслораспределительной полостью, плавающие вставки выполнены с наружными торцевыми фланцами, направления подъема винта канавок, размещенных на внутренних и наружных поверхностях одной плавающей вставки, совпадают, причем угол подъема винта канавки плавающей вставки, примыкающей к колесу турбины, ориентирован в направлении против часовой стрелки при любом направлении вращения ротора и угол подъема винта канавки плавающей вставки, примыкающей к колесу компрессора, ориентирован в направлении по часовой стрелке при любом направлении вращения ротора. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к турбокомпрессорам, применяемым, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, и в частности к подшипниковым узлам, выполненным в виде подшипников скольжения с плавающими втулками.

Уже известен турбокомпрессор для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, маслораспределительную и маслосливную полости и ротор с размещенными на его торцах колесом турбины и колесом компрессора, установленный на двух опорах, выполненных в виде цилиндрических подшипников скольжения, размещенных по обе стороны от маслораспределительной полости /патент EP 0021738, F 16 C 17/18, опубл. 1983 г./.

Указанный турбокомпрессор не обеспечивает надежной работы в связи с ограниченной смазывающей способностью подшипников скольжения во всем рабочем диапазоне.

Известен также турбокомпрессор для наддува двигателей внутреннего сгорания, содержащий корпус, маслораспределительную и маслосливную полости и ротор с размещенными на его торцах колесом турбины и колесом компрессора, установленный во втулке на двух опорах, выполненных в виде цилиндрических подшипников скольжения, размещенных по обе стороны от маслораспределительной полости, причем на внутренней цилиндрической поверхности каждой опоры выполнена по меньшей мере одна винтовая канавка для смазывающего масла, с разным направлением винта в каждой опоре ротора /авторское свидетельство СССР N 1701955, F 02 B 37/00, 1989 г./.

Этот турбокомпрессор наиболее близок к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату и взят в качестве прототипа. Смазывающая способность его подшипников скольжения несколько улучшена, хотя и существенно снижается при повышенной вязкости масла, в условиях эксплуатации при высокой температуре окружающей среды и при снижении давления масла на входе.

Задача изобретения состоит в повышении надежности турбокомпрессора при высокотемпературной эксплуатации, пониженном давлении масла на входе или его повышенной вязкости.

Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата в известном турбокомпрессоре, например, для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащем ротор с размещенными на его консолях колесами компрессора и турбины, установленный в подшипниках скольжения, каждый из которых снабжен по меньшей мере одной винтовой канавкой на внутренней цилиндрической поверхности примыкающих к ротору торцевых опор подшипниковой втулки, снабженной маслораспределительной полостью, заключенной между ее опорами и сообщенной с маслоподводящей магистралью, и размещенной с зазором и зафиксированной от проворота в корпусе подшипников, снабженном охлаждающими полостями и маслосливных отверстием, причем направление подъема винта канавки в каждом подшипнике скольжения выполнено разным, согласно изобретению подшипниковая втулка снабжена соосными выемками, размещенными в ее торцах, подшипники скольжения выполнены в виде отдельных плавающих вставок с наружными торцевыми фланцами, сопряженных с зазором своими наружными поверхностями с внутренними поверхностями торцевых выемок, а каждая из наружных поверхностей вставок снабжена по меньшей мере одной винтовой канавкой, сообщенной с маслораспределительной полостью, и направление подъема винта канавок, размещенных на внутренней и наружной поверхностях одной плавающей вставки, совпадают, а угол подъема винта канавки плавающей вставки, примыкающей к колесу турбины, ориентирован в направлении против часовой стрелки при любом направлении вращения ротора и угол подъема винта канавки плавающей вставки, примыкающей к колесу компрессора, ориентирован в направлении по часовой стрелке при любом направлении вращения ротора.

Поверхность сопряжения торцевых выемок и плавающих вставок может быть выполнена цилиндрической или конической или по любому сложному профилю. Она может быть подвергнута предварительной механической обработке, например, хонингованию.

Винтовые канавки могут быть выполнены с симметричным и несимметричным профилем в поперечном сечении, каждая сторона канавки может быть выполнена с радиальной или тангенциальной направленностью.

Канавки могут быть выполнены с равномерным или переменным шагом по длине вставки и с равномерной или переменной глубиной, причем глубина канавки со стороны турбины может превышать глубину канавки со стороны колеса компрессора. Винтовые канавки могут быть многозаходными и количество заходов предпочтительно может быть выполнено равным 2-4, причем минимальная величина указанного предела соответствует канавке на вставке, примыкающей к колесу компрессора, а максимальная - канавке, примыкающей к колесу турбины. Величина шага винта канавок предпочтительно может быть выполнена равной 5-56 мм, причем минимальная величина этого предела соответствует канавке на вставке, примыкающей к колесу турбины, а максимальная - канавке на вставке, примыкающей к колесу компрессора.

Торцевая поверхность выемок в подшипниковой втулке, прилегающая к торцевой поверхности плавающих вставок, может быть выполнена конической, предпочтительно под углом 45-60^o к оси ротора.

Плавающие вставки могут быть выполнены с применением металлокерамики или пористых материалов.

Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы не выявил известности заявленной совокупности существенных признаков.

Сущность изобретения поясняется чертежавми.

На фиг. 1 представлен предлагаемый турбокомпрессор, продольный разрез через опорно-подшипниковый узел.

На фиг. 2 показан опорно-подшипниковый узел в увеличенном масштабе.

В корпусе 1 подшипников, снабженном охлаждающими полостями 2, маслоподводящей магистралью 3 и маслосливным отверстием 4, установлена с зазором подшипниковая втулка 5, зафиксированная от проворота. В торцах подшипниковой втулки 5 выполнены соосные выемки 6 с внутренней торцевой поверхностью 7, которая может быть выполнена конической. Две торцевые опоры подшипниковой втулки 5 выполнены в виде подшипников скольжения, представляющих собой отдельные от подшипниковой втулки плавающие вставки 8, сопряженные с зазором своими наружными поверхностями 9 с внутренними поверхностями 10 торцевых выемок 6 и снабженные наружными торцевыми фланцами 11. Ротор 12 турбокомпрессора с размещенными на его консолях 13 колесами 14 компрессора и 15 турбины установлен на торцевых опорах подшипниковой втулки 5 на двух плавающих вставках 8. Перпендикулярно оси ротора 12 установлена маслоподводящая магистраль 3, патрубок которой служит фиксатором от проворота втулки 5 в корпусе 1.

Внутренняя цилиндрическая поверхность 16 плавающих вставок 8, примыкающая с зазором к ротору 12, а также наружная поверхность 9 плавающих вставок 8 снабжены по меньшей мере по одной винтовой канавкой 17 каждая.

Внутри подшипниковой втулки 5 предусмотрена маслораспределительная полость 18, а винтовые канавки размещены с возможностью сообщения с этой маслорапределительной полостью 18.

Направления подъема винта канавок 17, размещенных на внутренней 16 и наружной 9 поверхностях одной плавающей вставки 8, совпадают. Направление подъема винта канавки 17 в каждом подшипнике скольжения, примыкающем к колесу 14 компрессора и к колесу 15 турбины, выполнено разным, причем угол подъема винта канавки 17 плавающей вставки 8, примыкающей к колесу турбины, ориентирован в направлении против часовой стрелки при любом направлении вращения ротора, а угол подъема винта канавки 17 плавающей вставки, примыкающей к колесу компрессора, ориентирован в направлении по часовой стрелке при любом направлении вращения ротора.

Поверхность сопряжения торцевых выемок /внутренняя поверхность 10/ и плавающих вставок/ наружная поверхность 9/ могут быть выполнены цилиндрической или конической или по любому профилю или подвергнуты специальной механической обработке, например хонингованию.

Винтовые канавки 17 могут быть выполнены как одно-, так и многозаходными, предпочтительно с количеством заходов, равным 2-4, причем минимальная величина этого предела соответствует канавке на вставке, примыкающей к колесу компрессора, а максимальная - к колесу турбины. Глубина канавки 17 со стороны колеса турбины может превышать глубину канавки со стороны колеса компрессора. Винтовые канавки 17 могут быть выполнены с симметричным и несимметричным профилем в поперечном сечении, а их стороны - как с радиальной, так и тангенциальной направленностью, с равномерной и переменной глубиной по длине вставки 8 и с равномерным и переменным шагом, причем величина последнего предпочтительно равны 5-56 мм, а минимальная величина предела соответствует канавке на вставке, примыкающей к колесу турбины, и максимальная - колесу компрессора.

Плавающие вставки 8 могут быть выполнены с применением металлокерамики или пористых металлов.

Для лучшего прохождения смазки из маслораспределительной полости 18 к винтовым канавкам предусмотрено направленное расширение канала подвода смазки - внутренняя торцевая поверхность 7 плавающей вставки 8 выполнена конической под углом 45-60^o к оси ротора 12.

В процессе работы турбокомпрессора отработавшие газы из двигателя поступают в турбину и приводят во вращение колесо 15 турбины и колесо 14 компрессора. Ротор 12 вращаются в плавающих вставках 8. Частота вращения вставок составляет около половины частоты вращения вала ротора 12 и определяется величиной зазора между ротором и вставкой 8, геометрией вставок 5 и другими факторами. При этом относительные скорости вала ротора 12 и вставок 8 меньше, чем при выполнении подшипниковой втулки 5 вместе с опорами для ротора в виде цельной неподвижной конструкции. Выполнение плавающих вставок отдельными от подшипниковой втулки снижает механические потери.

Зазоры между наружной поверхностью плавающей вставки 8 и внутренней поверхностью 10 торцевых выемок 6, между корпусом 1 подшипников и сопряженной поверхностью подшипниковой втулки 5, а также полость, образованная винтовыми канавками 17, образуют масляные слои, к которым масло подводится через маслоподводящую магистраль 3 под давлением 0,05-0,35 МПа. Зазор между патрубком этой магистрали 3 и корпусом 1 подшипников допускает некоторое перемещение подшипниковой втулки 5 в корпусе 1 как в осевом, так и в радиальном направлении. Наличие зазора между корпусом 1 и втулкой 5 обеспечивает демпфирование втулки и высокую несущую способность подшипника.

Маслораспределительная полость 18 служит аккумулятором смазки, в особенности при резком увеличении частоты вращения ротора, например, на переходных режимах, внезапном понижении давления масла в подводящей магистрали, при изменении вязкости масла или при высокотемпературной эксплуатации.

Улучшенная смазка подшипников скольжения при оптимальной подаче его по оптимально расcчитанным, в основном горизонтально направленным каналам подвода к подшипникам снижает механические потери и повышает надежность работы турбокомпрессора.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим изобретательский уровень и промышленно применимо в автотракторной промышленности.

Таким образом, использование предлагаемого турбокомпрессора с оптимально разработанным опорно-подшипниковым узлом позволит существенно улучшить смазку его подшипников и повысить надежность работы при любой нагрузке двигателя, даже в условиях его работы при высоких температурах окружающей среды и на переходных режимах.

Формула изобретения

1. Турбокомпрессор, например, для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащий ротор с размещенными на его консолях колесами компрессора и турбины, установленный в подшипниках скольжения, каждый из которых снабжен по меньшей мере одной винтовой канавкой на внутренней цилиндрической поверхности примыкающих к ротору торцевых опор подшипниковой втулки, снабженной маслораспределительной полостью, заключенной между ее опор и сообщенной с маслоподводящей магистралью, размещенной с зазором и зафиксированной от проворота в корпусе подшипников, снабженном охлаждающими полостями и маслосливным отверстием, причем направление подъема винта канавки в каждом подшипнике скольжения выполнено разным, отличающийся тем, что подшипниковая втулка снабжена соосными выемками, размещенными в ее торцах, подшипники скольжения выполнены в виде отдельных плавающих вставок, сопряженных с зазором своими наружными поверхностями с внутренними поверхностями торцевых выемок и снабженных наружными торцевыми фланцами, а каждая из наружных поверхностей вставок снабжена по меньшей мере одной винтовой канавкой, сообщенной с маслораспределительной полостью, направление подъема винта канавок, размещенных на внутренних и наружных поверхностях одной плавающей вставки, совпадают, причем угол подъема винта канавки плавающей вставки, примыкающей к колесу турбины, ориентирован в направлении против часовой стрелки при любом направлении вращения ротора, угол подъема винта канавки плавающей вставки, примыкающей к колесу компрессора, ориентирован в направлении по часовой стрелке при любом направлении вращения ротора.

2. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что поверхность сопряжения торцевых выемок и плавающих вставок выполнена цилиндрической.

3. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что поверхность сопряжения торцевых выемок и плавающих вставок выполнена конической.

4. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что поверхность сопряжения торцевых выемок и плавающих вставок выполнена по любому профилю.

5. Турбокомпрессор по пп.1 - 4, отличающийся тем, что поверхность сопряжения торцевых выемок и плавающих вставок подвергнута предварительной специальной механической обработке, например, хонингованию.

6. Турбокомпрессор по пп.1 - 5, отличающийся тем, что канавки выполнены с симметричным профилем в поперечном сечении.

7. Турбокомпрессор по пп.1 - 5, отличающийся тем, что канавки выполнены с несимметричным профилем в поперечном сечении, причем каждая ее сторона выполнена с радиальной или тангенциальной направленностью.

8. Турбокомпрессор по пп.1 - 7, отличающийся тем, что канавки выполнены с равномерным шагом по длине вставки.

9. Турбокомпрессор по пп.1 - 7, отличающийся тем, что канавки выполнены с переменным шагом по длине вставки.

10. Турбокомпрессор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что канавки выполнены с равномерной глубиной по длине вставки.

11. Турбокомпрессор по пп.1 - 9, отличающийся тем, что канавки выполнены с переменной глубиной по длине вставки.

12. Турбокомпрессор по пп.1 - 11, отличающийся тем, что глубина канавки со стороны колеса турбины превышает глубину канавки со стороны колеса компрессора.

13. Турбокомпрессор по пп.1 - 13, отличающийся тем, что винтовые канавки выполнены многозаходными, а количество заходов предпочтительно выполнено равным 2 - 4, причем минимальная величина предела соответствует канавке на вставке, примыкающей к колесу компрессора, а максимальная - канавке на вставке, примыкающей к колесу турбины.

14. Турбокомпрессор по пп.1 - 12, отличающийся тем, что величина шага винта канавок предпочтительно выполнена равной 5 - 56 мм, причем минимальная величина предела шага винта соответствует канавке на вставке, примыкающей к колесу турбины, а максимальная - канавке на вставке, примыкающей к колесу компрессора.

15. Турбокомпрессор по пп.1 - 14, отличающийся тем, что внутренняя поверхность выемок в подшипниковой втулки, прилегающая к торцевой поверхности плавающих вставок, выполнена конической, предпочтительно под углом 45 - 60^o к оси ротора.

16. Турбокомпрессор по пп. 1 - 15, отличающийся тем, что плавающие вставки выполнены с применением металлокерамики.

17. Турбокомпрессор по пп. 1 - 15, отличающийся тем, что плавающие вставки выполнены с применением пористых металлов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2