книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

ТУРБОКОМПРЕССОРЫ

СХЕМЫ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

Производство турбокомпрессоров для наддува двигателей внутреннего сгорания представляет собой специфическую об­ ласть машиностроения. Как за рубежом, так и в нашей стране наряду со специализированными предприятиями их производст­ вом занимаются ведущие двигателестроительные заводы. Высо­ кие частоты вращения роторов турбокомпрессоров, термическая

ивибрационная напряженность деталей, компактность конструк­ ции при требуемой высокой эксплуатационной надежности сти­ мулируют постоянное улучшение их конструктивных форм и технологии изготовления. Как правило, изготовляющие ТК пред­ приятия имеют созданные на основе установившихся традиций

иопыта эксплуатации типовые конструкции. На их базе созда­ ются модификации и новые модели ТК, обладающие более вы­ сокими технико-экономическими показателями. Например, фир­ мой Швитцер Корпорейшн за одно десятилетие было разработа­ но три модели ТК- В результате систематического совершенство­ вания стоимость последней модели составляет 42% стоимости

первой, количество деталей в ней уменьшено с 58 до 18 шт.

В конструкциях ТК можно выделить характерные для них основные компоновочные и конструктивные факторы. Одним из наиболее важных факторов является конструктивная схема тур­ бокомпрессора, под которой понимается взаимное расположение рабочих колес компрессора и турбины и опор ротора. В первом приближении конструкции турбокомпрессоров можно классифи­ цировать по типу компоновочной схемы (рис. 153):

с опорами по концам ротора и рабочими колесами компрес­ сора и турбины, расположенными между подшипниками (рис. 153, а) ;

с опорами между рабочими колесами компрессора и турбины

срасположением колеса компрессора и турбины по одну сто­ рону от опор ротора (рис. 153, г ) ;

сопорами ротора по обеим сторонам турбины и расположен­

ным на консоли рабочим колесом компрессора (рис. 153, б); с опорами ротора по обеим сторонам компрессора и рабочим

колесом турбины на консоли (рис. 153, е );

222

с опорами ротора по обеим сторонам компрессора и отдель­ но по обеим сторонам турбины (рис. 153, ж).

Турбокомпрессоры с опорами по концам ротора. Основным преимуществом такой схемы является равномерное распределе­ ние нагрузки на опоры ротора, что благоприятно сказывается на их работоспособности. Так как диаметры цапф определяются при этом только требованиями прочности, то, уменьшая их, можно значительно снизить окружные скорости скольжения цапф в подшипнике, а следовательно, и уменьшить количество выде­ ляющегося при трении тепла. Подшипники доступны для осмот­

ра, ремонта и замены без демонтажа турбокомпрессора. Удобно размещаются узлы уплотнений, сравнительно легко применить систему автономной смазки с масляными насосами или масло­ разбрызгивающими кольцами.

Однако турбокомпрессоры с опорами по концам ротора име­ ют увеличенный размер по длине. Воздух входит в колесо ком­ прессора через криволинейные каналы, разделенные ребрами. Вследствие этого трудно обеспечить равномерное поле скоро­ стей, что отрицательно сказывается на к. п. д. и рабочем диапа­ зоне компрессора. Ребра во входном устройстве создают в по­ токе закромочные следы, служащие возбудителями резонанс­ ных колебаний лопаток входной части колеса компрессора. Ротор имеет увеличенные по длине и диаметрам размеры. Большой мо­ мент инерции его отрицательно сказывается на работе двигателя на неустановившихся и переходных режимах. Так как опоры ро­

223

тора (подшипники) расположены в разных корпусах, то требует­ ся дополнительный контроль соосности расточек, усложняется и удорожается обработка корпусов. Практика эксплуатации пока­ зывает, что в проточной части высоконапорных компрессоров (особенно их диффузорах) откладывается нагар. Вследствие этого с течением времени снижаются к. п. д. ТК, давление над­ дува и расход воздуха, повышаются температуры выпускных газов и расход топлива. Характер изменения этих параметров по результатам испытаний турбокомпрессора типа ТКР-40 приве­

вод им. Ленина в г. Брно и др. Образец турбокомпрессора фир­ мы Нэпир серии S-510 для мощных двухтактных двигателей при­ веден на рис. 157. Подробное описание некоторых конструкций этого типа приведено в работе П. С. Моргулиса и В. Г. Перфилова [25] и др.

Турбокомпрессоры с опорами между рабочими колесами. Консольное расположение рабочих колес создает благоприят­ ные условия для входа воздуха в центробежный или диагональ­ ный компрессор и выхода газов из турбины. Вследствие этого они находят применение в новых конструкциях быстроходных двигателей. Основными преимуществами турбокомпрессоров с опорами между рабочими колесами являются:

пониженный момент инерции ротора (на 25—50%) за счет сокращения осевой длины, диаметра вала ротора между рабо­ чими колесами и уменьшения диаметра ступиц рабочих колес; возможность достижения высоких значений к. п. д. турбо­ компрессора за счет снижения чисел Мда, и углов поворота по­ тока во входной части колеса компрессора. По этой же причине расширяется рабочий диапазон компрессора (рис. 158) и турбо­ компрессоры с консольным расположением колес получили боль­

шее распространение; сравнительная легкость очистки лопаточного диффузора от

отложений: для этого требуется снять лишь нескольких легко-

224

доступных деталей, не снимая турбокомпрессор с двигателя; уменьшенные габаритные размеры и масса турбокомпрессора. При проектировании турбокомпрессоров с консольными ра­ бочими колесами необходимо обеспечить приблизительно одина­ ковую нагрузку на опорные подшипники. В противном случае возможна перегрузка одного из подшипников и нестабильность

положения ротора.

Рис. 155. Турбокомпрессор Пензенского дизельного завода:

1 — корпус компрессора; 2 — колесо компрессора; 3 — вставка; 4 — диффузор; 5 — резиновое кольцо; 6 — кожух теплоизоляционный; 7 — ротор; 8 — кожух соплового ап­ парата; 9 — рабочее колесо турбины; 10 — корпус выпускной; 11 — проушина; 12 —- сопловой аппарат; 13 — корпус газоприемный; 14— подшипник опорный; 15 — крышка подшипника; 16 — штуцер; 17 — дроссельная заслонка; 18 — экран; 19 — кожух ротора; 20 — кронштейн; 21 — лабиринт; 22 — прокладка регулировочная; 23 — подшипник

упорный

К недостаткам указанной конструктивной схемы относятся увеличенные диаметры цапф. Осмотр или замена подшипников связаны с демонтажом ротора (этот недостаток может быть ис­ ключен введением корпуса с осевым разъемом — см. ниже). Расположение подшипников между дисками колес обусловливает интенсивный подвод к ним тепла, что требует принятия специ­ альных мер для снижения тепловой нагрузки подшипников. С этой целью в ТК применяют жарозащитные экраны, как это предусмотрено, например, в турбокомпрессорах ЯМЗ (рис. 159),

фирмы ККК (рис. 160) и др. По этой схеме строят турбоком­ прессоры как с осевыми, так и радиальными турбинами. Осо-

Рис. 158. Относительный диапазон характе­ ристик компрессоров с консольным колесом и вынесенным подшипником:

сплошные линии — с консольным колесом; ш три ­ ховые линии — с вынесенным подшипником

бенно широко она используется в конструкциях ТК для авто­ тракторных двигателей, частота вращения роторов которых до­ стигает 3000 об/с.

Рис. 159. Турбокомпрессор ТК.Р-14 (ЯМЗ):

/ — корпус турбины; 2 — сопловой аппарат; 3 — колесо турбины; 4 — раз­ резное уплотнительное кольцо; 5 — проставка корпуса турбины; 6 — внутренний экран; 7 — корпус подшипников; 8 — ротор; 9 — упорная шайба; 10 — крышка корпуса подшипников; 11 — упорный фланец; 12 — маслоотражатель; 13 — уплотнительное кольцо ротора; 14 — колесо ком­ прессора; 15 — стопорная шайба; 16 — гайка колеса компрессора; 17 — впускной патрубок; 18 — корпус компрессора; 19 — диффузор; 20 — крыш­ ка корпуса компрессора; 21 — упорное кольцо; 22 — втулка; 23 — шайба;

Нелир, Испано — Сюиза (рис. 161), Швитцер Корпорейшн, Эбершпехер, Ротол, Алко и др. Подробное описание некоторых из этих ТК приведено в ряде работ [25, 27].

В большинстве случаев ТК с консольными колесами рассчи­ таны на работу с высокой температурой газов перед турбиной и степенями повышения давления в компрессоре (до л к >3,0). Фирмой Швитцер Корпорейшн созданы турбокомпрессоры обес­ печивающие степень повыше­

турбины по одну сторону от опор ротора. Конструкции, в кото­ рых рабочие колеса компрессора и турбины расположены кон­ сольно по одну сторону от опор, обычно называют моноротор­ ными. Они имеют наименьшие по сравнению с другими конструк­ тивными схемами габаритные размеры и массу.

В такой конструкции подшипники защищены от нагрева со стороны газовой турбины, имеют небольшое количество уплотне­ ний (только с одной стороны колес), вследствие чего их конст­ рукция упрощается. Компактность конструкции обеспечивает малый момент инерции ротора, что улучшает работу двигателя на неустановившихся и переходных режимах. Турбокомпрессор имеет только две корпусные детали, прост в обслуживании. Не­ достатком указанной схемы является подогрев колеса компрес­ сора и сжатого воздуха тепловым потоком со стороны турбины. Для уменьшения этого подогрева целесообразна защита ком­ прессора при помощи экранов с водяным охлаждением или с теп­ ловой изоляцией (по примеру фирмы Де-Лаваль [25]).

Турбокомпрессоры по указанной конструктивной схеме изго­ товляют фирмы Де-Лаваль, Декстер и др.

228

Турбокомпрессоры с опорами ротора по обеим сторонам тур­ бины. В этой конструктивной схеме созданы благоприятные ус­ ловия обтекания воздухом лопаток центробежного компрессора при его сочетании как с осевой, так и с радиальной турбиной. Колесо турбины обычно тяжелее колеса компрессора, изготов­ ленного из легкого сплава, поэтому нагрузка на опорные под-

Рис. 161. Турбокомпрессор серии HS-400 фирмы Испано — Сюиза:

1 — корпус компрессора; 2 — диффузор; 3 — корпус подшипника; 4, 5, 6, 7 тл 8 — детали упорного подшипника; 9 — кожух;

шипники в такой конструкции примерно одинакова, что благо­ приятно для их работы. Один из подшипников (желательно опорно-упорный) доступен для осмотра и замены. Агрегат в це­ лом достаточно компактен и удобен в обслуживании. Очистка проточной части компрессора от отложений возможна путем де­ монтажа только его улитки, что обычно является несложной

229

операцией. В силу указанных преимуществ схема получила весь­

ров: ТК-34 (4ТК) — рис. 163, ТК-30 (2ТК) и ТК-23 (13ТК); за рубежом по такой схеме выпускают ТК народное предприятие Эльбе Верк (ГДР), фирма Бюхи и др.

Турбокомпрессоры с опорами ротора по обеим сторонам колеса компрессора. Эта схема не имеет каких-либо особых

преимуществ по сравнению с рассмотренными выше (в отноше­ нии габаритных размеров и массы) по распределению нагрузок на подшипники, их доступности и др. Она нашла ограниченное применение в уникальных конструкциях ТК с многоступенчаты­ ми компрессорами и в агрегатах со свободными силовыми турби­ нами. Образцы ТК по указанной схеме разработаны и изготовля­ лись фирмой МАН [25], Харьковским заводом транспортного машиностроения им. В. А. Малышева (рис. 164).

Турбокомпрессоры с многоопорными роторами. ТК такого типа изготовлялись фирмой МАН [25], однако они не получили распространения.

231