Турбокомпрессор

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к турбокопрессорам, применяемым, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности к подшипниковым узлам. Изобретение позволяет повысить надежность и долговечность подшипникового узла путем улучшения смазки подшипников. Турбокомпрессор для наддува двигателя внутреннего сгорания содержит ротор с размещенными на его консолях колесами турбины и компрессора, установленный в подшипниках скольжения, выполненных в плавающей невращающейся моновтулке с маслоподводящими каналами, установленной с зазором в корпусе подшипников с охлаждающими полостями и маслосливным отверстием, снабженной маслораспределительной полостью между подшипниковыми опорами и сообщенной через полый фиксатор с маслоподводящей магистралью, причем плавающая невращающаяся моновтулка со стороны каждого торца имеет не менее трех продольных каналов, соосных оси вращения ротора, равномерно расположенных по окружности, и радиальные каналы, пересекающие продольные, того же диаметра. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к агрегатам турбонаддува двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен турбокомпрессор, содержащий ротор с размещенными на его консолях колесами компрессора и турбины, установленный в подшипниках скольжения, подшипниковую втулку с винтовыми каналами подвода смазывающего материала, зафиксированную от проворота с маслораспределительной полостью, сообщенной с маслоподводящей магистралью, корпус подшипников (патент №2172432, МПК F04D 27/00, F04B 37/00, прототип).

Недостатком данного технического решения является сопутствующее разрушение винтовой канавкой, тем более несколькими, несущего гидродинамического слоя смазочного материала и, главное, ламинарного подслоя смазки, ответственного за предотвращение «металлического» контакта в парах трения (шип-втулка). И хотя необходимая несущая способность и виброустойчивость подшипника поддерживаются на требуемом уровне за счет увеличенного расхода смазочного материала по винтовым канавкам, турбокомпрессор имеет завышенные механические потери в узле подшипника, что приводит к снижению КПД турбокомпрессора на 1,5...1,8% и, стало быть, к ухудшению нагрузочной характеристики ДВС.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и долговечности подшипникового узла турбокомпрессора с высоким механическим КПД во всем диапазоне режимов работы ДВС за счет создания конструкции, обеспечивающей виброустойчивый гидродинамический несущий слой смазки с сохранением ламинарного подслоя по всей длине подшипниковой пары: шип - втулка.

Данная техническая задача решается за счет конструкции турбокомпрессора, имеющего ротор с колесами турбины и компрессора, закрепленными на его консолях, который установлен в корпусе в подшипниковом узле, выполненного в виде плавающей невращающейся моновтулки с гладкими рабочими сопряженными поверхностями радиального и упорного подшипников, в каждом из которых в определенные места по продольным и радиальным каналам подается смазывающий материал. Моновтулка в корпусе устанавливается с зазором, от проворота и осевого перемещения закреплена с помощью фиксатора, через внутреннее отверстие которого смазочный материал из системы ДВС подается в разделительную полость моновтулки. Относительно моновтулки фиксатор устанавливается с зазором.

Гидродинамические подшипники с обеих сторон выполнены с гладкими торцовыми поверхностями для упорного и гладкими цилиндрическими для радиальных. Подвод смазочного материала из маслораспределительной полости к гладким торцовым поверхностям моновтулки, которые в совокупности с гладкими торцами втулок-кольцедержателей со стороны колеса турбины и крыльчатки компрессора образуют упорный подшипник, осуществляется по продольным каналам диаметром не менее 0,8 мм, но не более 1,0 мм, выполненных в стенке моновтулки, оси которых параллельны оси вращения ротора и расположенным равномерно по центровой окружности. Число продольных каналов не менее трех с каждого торца моновтулки. Продольные каналы противоположных торцов расположены на одной оси.

Подвод смазочного материала из маслораспределительной полости в радиальный подшипник и зазор между расточкой корпуса и наружной поверхностью моновтулки осуществляется по сквозным продольным и радиальным каналам дополнительного подвода смазочного материала к упорному подшипнику. Число пар продольных и радиальных каналов может быть по 3 с каждой стороны и более. Продольные каналы попарно с обеих сторон плавающей невращающейся моновтулки располагаются на одной оси, параллельной оси вращения ротора, и расположены на окружности, диаметр (D) которой определяется зависимостью:

D=D₁+1/3(D₂-D₁),

где D₁ - внутренний диаметр моновтулки,

D₂ - наружный диаметр моновтулки,

При этом расстояние от стенки внутреннего диаметра моновтулки до стенки продольного канала не менее 1,5 мм.

Продольные каналы с пересекающими их радиальными каналами могут быть выполнены и глухими. Исполнение глухими продольных каналов наиболее предпочтительно для турбокомпрессоров низкого и среднего давлений. При сквозном исполнении продольных каналов для подвода смазки к радиальным подшипникам дополнительное количество смазывающего материала получает и упорный подшипник, что использовано для турбокомпрессоров высокого давления. Продольные и радиальные каналы выполнены одного и того же диаметра, не менее 0,8 мм, но не более 1,0 мм. Продольные каналы расположены по обе стороны от маслораспределительной полости, причем продольные каналы с пересекающими их радиальными каналами чередуются с продольными каналами без радиальных каналов. На торцах моновтулки на внутреннем отверстии выполнена фаска, имеющая тороидальную поверхность, т.е. поверхность сопряжения упорного с радиальным подшипником выполнена тороидальной формы с радиусом не более 1 мм, но не менее 0,6 мм. Смазочный материал в упорный подшипник подводится непосредственно из маслораспределительной полости по продольным каналам в радиальный подшипник, а в зазор между моновтулкой и корпусом - по радиальным каналам. Радиальные каналы, пересекающие продольные каналы, расположены на расстоянии 2/3 длины от торца моновтулки до стенки маслораспределительной полости. Продольные каналы противоположных торцов расположены на одной оси. Плавающая невращающаяся моновтулка выполнена из легированного антифрикционного чугуна.

На фиг.1 изображен турбокомпрессор в разрезе, на фиг.2 изображена моновтулка с глухими продольными каналами.

Турбокомпрессор состоит из ротора 1, установленного в корпусе 2 посредством подшипникового узла, состоящего из плавающей невращающейся моновтулки 3, которая установлена с зазором в расточке корпуса 2 и зафиксирована от проворота посредством полого фиксатора 4, соединенного с маслоподводящей магистралью. На валу ротора 1 по обе стороны моновтулки 3 со стороны рабочих колес турбины 5 и компрессора 6 насажены втулки-кольцедержатели 7 и 8, которые своими торцевыми поверхностями со стороны моновтулки 3 совместно с прилегающими торцами моновтулки 3 образуют упорный подшипник. Сопрягаемые торцовые поверхности втулок-кольцедержателей 7, 8 и моновтулки 3 выполняются гладкими посредством шлифования. Радиальный подшипник турбокомпрессора образован двумя гладкими цилиндрическими расточками 9 и 10 в моновтулке 3, в которые с зазором входит вал ротора 1 своими гладкими шлифовальными поверхностями-шипами 11 и 12. Между опорными рабочими поверхностями 9 и 10 радиального подшипника в плавающей невращающейся моновтулке 3 выполнена цилиндрическая расточка, образующая совместно с валом ротора 1 и фиксатором 4 маслораспределительную полость 13, в которую подводится смазывающий материал из централизованной системы смазки ДВС. Подвод смазывающего материала к рабочим поверхностям с обеих сторон упорного подшипника осуществляется непосредственно из маслораспределительной полости 13 по продольным каналам 14, радиальным каналам 15, расположенным по обе стороны маслораспределительной полости 13, оси которых расположены соосно оси ротора 1 и равномерно на окружности диаметром

D=D₁+1/3(D₂-D₁),

где: D - диаметр окружности, на которой расположены оси

продольных каналов;

D₁ - внутренний диаметр моновтулки 3;

D₂ - наружный диаметр моновтулки 3.

Продольные каналы 14 могут быть выполнены как сквозными, так и глухими. Исполнение моновтулки 3 с глухими продольными каналами 14 предпочтительно для турбокомпрессоров низкого и среднего давлений. При сквозном исполнении продольных каналов для подводки смазки к радиальным подшипникам дополнительное количество смазывающего материала получает и упорный подшипник, что может быть использовано для турбокомпрессоров высокого давления.

Важным и необходимым условием образования стабильного виброустойчивого гидродинамического слоя смазочного материала с наибольшей несущей способностью в упорном подшипнике является выполнение условия: центры продольных отверстий, параллельных оси вращения ротора 1, должны располагаться на центровой окружности диаметром D, при этом [D-(D₁-d)]≥1,5 мм, т.е. толщина стенки между продольным каналом 14 и центральным отверстием моновтулки 3 не менее 1,5 мм. Радиальные каналы 15 (d), пересекающие цилиндрические каналы с правой или левой стороны от маслораспределительной полости 13 того же диаметра, что и продольные каналы 14, расположены на 2/3 длины торца моновтулки 3 до маслораспределительной полости 13, т.е.

l=2/3 L.

Продольные каналы и радиальные каналы выполнены диаметром d не менее 0,8 мм, но не более 1 мм. Каждая расточка 9 и 10 со стороны торца моновтулки 3 имеет фаску с тороидальной поверхностью радиусом r не менее 0,6 мм, но не более 1 мм, т.е. поверхность сопряжения упорного подшипника с радиальным подшипником выполнена тороидальной. Плавающая невращающаяся моновтулка 3 выполнена из легированного антифрикционного чугуна.

Подшипниковый узел турбокомпрессора работает следующим образом.

Смазывающий материал из системы двигателя внутреннего сгорания подается через полый фиксатор 4 в маслораспределительную полость 13, откуда по цилиндрическим 14 и радиальным 15 каналам поступает в радиальный и упорный подшипники.

Таким образом, турбокомпрессор с подшипниковым узлом данной конструкции позволяет эксплуатировать его во всем диапазоне рабочих режимов ДВС с сохранением стабильного виброустойчивого гидродинамического слоя смазочного материала, что обеспечивает повышение надежности и долговечности турбонаддувного агрегата.

1. Турбокомпрессор для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащий ротор с размещенными на его консолях колесами турбины и компрессора, установленный в подшипниках скольжения с гладкими цилиндрическими и торцевыми рабочими поверхностями, выполненных в плавающей невращающейся моновтулке с маслоподводящими каналами, установленной с зазором в корпусе подшипников с охлаждающими полостями и маслосливным отверстием, снабженной маслораспределительной полостью между подшипниковыми опорами и сообщенной через полый фиксатор с маслоподводящей магистралью, отличающийся тем, что плавающая невращающаяся моновтулка со стороны каждого торца имеет не менее трех продольных каналов, соосных оси вращения ротора, равномерно расположенных по окружности, и радиальные каналы, пересекающие продольные, того же диаметра.

2. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что продольные каналы, имеющие радиальные каналы, выполнены глухими.

3. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что продольные и радиальные каналы выполнены диаметром не менее 0,8 мм, но не более 1,0 мм.

4. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что на моновтулке поверхность сопряжения упорного подшипника с радиальным выполнена тороидальной с радиусом не менее 0,6 мм, но не более 1,0 мм.

5. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что диаметр окружности, на которой расположены оси продольных каналов, определяется зависимостью

D=D₁+1/3(D₂-D₁),

где D₁ - внутренний диаметр моновтулки,

D₂ - наружный диаметр моновтулки, при этом расстояние от стенки внутреннего отверстия моновтулки до стенки продольного канала не менее 1,5 мм.

6. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что оси радиальных каналов, пересекающие продольные, расположены на расстоянии 2/3 длины от торца моновтулки до стенки маслораспределительной полости.

7. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что продольные каналы противоположных торцов расположены на одной оси.

8. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что плавающая невращающаяся моновтулка выполнена из легированного антифрикционного чугуна.