Нагнетатель

двигателя 5ТДФ

2

Введение

Для осуществления продувки цилиндров на двигателе со стороны главной передачи установлен центробежный нагнетатель. Нагнетатель, кроме того, обеспечивает наддув двигателя, т. е. увеличение плотности поступающего в цилиндр воздушного заряда. Вследствие этого увеличивается весовое количество заряда в цилиндре, что позволяет сжечь большее количество топлива и, следовательно, увеличить мощность двигателя.

Нагнетатель состоит из входного патрубка 1 (рис. 1), регулируемого направляющего аппарата 10, рабочего колеса 7 с вращающимся направляющим аппаратом 9, диффузора 8 и сборной улитки 2 с выходными патрубками. Рабочее колесо нагнетателя приводится во вращение от коленчатых валов двигателя и от турбины через редуктор 3.

Принцип действия центробежного нагнетателя заключается в следующем.

Воздух, проходящий по каналам, образованным лопатками рабочего колеса, вращается вместе с колесом и, находясь в поле центробежных сил, сжимается и выходит из колеса с повышенным давлением и значительно большей, чем на входе, скоростью. При этом на входе в рабочее колесо создается разрежение, под действием которого воздух поступает в нагнетатель.

Из рабочего колеса воздух попадает в безлопаточную часть диффузора, а затем в каналы лопаточного диффузора. Здесь происходит снижение скорости, что приводит к дальнейшему повышению давления воздушного заряда.

Сжатие воздуха в рабочем колесе и увеличение его скорости происходит под действием энергии, подводимой к валу колеса. При работе двигателя на режиме п = 3000 об/мин величина мощности, затрачиваемой на привод нагнетателя, достигает 230 л. с.

Назначение, устройство и работа элементов нагнетателя

Входной патрубок 1 (рис. 2) служит для подвода воздуха из воздухоочистителя к рабочему колесу нагнетателя. Входной патрубок с воздухоочистителем соединяется резиновыми рукавами. Внутри патрубка выполнены направляющие ребра 28 и обтекатель 29, которые обеспечивают равномерный вход воздуха в рабочее колесо с минимальными гидравлическими потерями.

Регулируемый направляющий аппарат служит для регулирования величины давления наддува в зависимости от числа оборотов двигателя. Необходимость такой регулировки вызвана тем, что в нерегулируемом центробежном нагнетателе, подобранном из условия обеспечения требуемой величины давления наддува на режиме максимального крутящего момента, расход и давление воздуха на больших оборотах чрезмерно возрастают. Это приводит к излишним затратам мощности на привод нагнетателя и, как следствие, к ухудшению экономичности двигателя на этих режимах. Регулируемый направляющий аппарат позволяет поддерживать изменение расхода и давления воздуха в зависимости от числа оборотов двигателя в нужных пределах.

Регулируемый направляющий аппарат состоит из корпуса 1 (рис. 3), 13 поворотных направляющих лопаток 2, зубчатого венца 5 и зубчатых секторов 6. Зубчатые секторы закреплены на хвостовиках поворотных лопаток, причем один из них (поводковый сектор) связан с механизмом привода лопаток. Лопатки изготовлены из пластмассы.

Поворачиваются лопатки вокруг осей с помощью регулятора. При перемещении тяги 14 (рис. 4), связанной через промежуточный рычаг 17 с регулятором, поворачивается рычаг 15, установленный на хвостовике валика 9. Валик 9 через соединительные сухари 8 поворачивает поводковый зубчатый сектор 16, который в свою очередь поворачивает зубчатый венец 5 и входящие с ним в зацепление зубчатые секторы 7 всех лопаток, а следовательно, и сами лопатки.

Принцип регулирования давления наддува поворотными лопатками направляющего аппарата может быть уяснен из схемы, представленной на рис. 5. Лопатки регулируемого направляющего аппарата показаны на схеме в виде ряда профилей 1, которые могут поворачиваться вокруг осей, лопатки вращающегося направляющего аппарата и рабочего колеса — в виде ряда профилей 2 и 3, движущихся в направлении, указанном стрелкой.

Ври установке лопаток регулируемого направляющего аппарата (рис. 5) под углом φ, большим 90°, воздушный поток будет двигаться навстречу лопаткам вращающегося направляющего аппарата. Это приведет к увеличению расхода и давления воздуха no-сравнению с расходом и давлением у нагнетателя без регулируемого направляющего аппарата. Поскольку увеличение давления наддува и расхода воздуха целесообразно при запуске и работе двигателя на пониженных

3

скоростных режимах, максимальная величина угла φ = 112° сохраняется неизменной в интервале изменения оборотов двигателя от нуля до пм = 2050 об/мин. При этом положении лопаток, удерживаемых пружиной 13 (рис. 4), стрелка-указатель 11 находится против деления 112 на градуированном секторе 10.

С увеличением оборотов двигателя от пм лопатки регулируемого направляющего аппарата под действием регулятора начинают поворачиваться по направлению вращения рабочего колеса и при оборотах 3000 об/мин занимают положение, при котором угол φ = 80 - 75° (рис. 5, б). Воздух в этом случае закручивается в сторону вращения колеса. Закрутка воздуха приводит к тому, что с ростом оборотов нагнетателя давление наддува и расход воздуха, а следовательно, и мощность, затрачиваемая на привод нагнетателя, увеличиваются в меньшей мере, чем у центробежного нагнетателя без регулируемого аппарата.

Поворот лопаток в сторону увеличения угла φ ограничивается жестким упором, установленным в корпусе направляющего аппарата, а в сторону уменьшения — упором в регуляторе.

Вращающийся направляющий аппарат 13 (рис. 6) служит для того, чтобы обеспечить плавное обтекание воздухом передних кромок лопаток рабочего колеса. Он представляет собой вращающиеся лопатки, передние кромки которых изогнуты по направлению вращения рабочего колеса. Угол изгиба кромок выбирается таким, чтобы на расчетном режиме работы нагнетателя направление лопаток совпадало с направлением скорости движения воздуха в межлопаточных каналах колеса.

Вращающийся направляющий аппарат выполнен из алюминиевого сплава отдельно от рабочего колеса и в нем имеется 14 лопаток.

Рабочее колесо обеспечивает предварительное сжатие воздуха, поступающего в нагнетатель. При этом скорость воздуха на 'выходе из колеса значительно возрастает.

Рабочее колесо 12 закрытого типа, в нем имеется 14 радиальных лопаток, ограниченных с торцов стенками. Колесо изготовлено из алюминиевого сплава и вместе с вращающимся направляющим аппаратом установлено на общей шлицевой втулке 3 (рис. 7) и затянуто зажимной гайкой 4. Со шлицевой втулкой 3 рабочее колесо соединено шестью цилиндрическими штифтами 7, с вращающимся направляющим аппаратом — двумя штифтами 6.

Диффузор. Из рабочего колеса воздух выходит с большой скоростью, которая при максимальных оборотах двигателя достигает 400 м/сек. Следовательно, воздух обладает кинетической энергией. В диффузоре воздух движется по расширяющимся каналам. При этом скорость потока уменьшается, а давление воздуха увеличивается. Таким образом, в диффузоре происходит дальнейшее увеличение давления воздуха в результате преобразования части кинетической энергии воздуха в потенциальную энергию давления.

Лопаточный диффузор, имеющий 18 лопаток, состоит из двух деталей: диска 9 (рис. 2), выполненного заодно с лопатками, и конического диска 10. Обе детали изготовлены из алюминиевого сплава. От проворачивания диск 10 удерживается шестью штифтами 11, которые одновременно и центрируют его. Штифты выполнены ступенчатыми, что исключает возможность их выпадания в проточную часть диффузора.

Сборная улитка 25 служит для плавного направления воздуха, выходящего из диффузора, к отводящим патрубкам 13 и 26. Улитка

и корпус 24 нагнетателя отлиты из алюминиевого сплава как одно целое.

Давление выходящего из нагнетателя воздуха на режиме максимальной мощности равно 2,35 ат, а на режиме максимального крутящего момента —1,65 ат.

Редуктор нагнетателя предназначен для привода рабочего колеса от главной передачи двигателя и от турбины.

Привод рабочего колеса нагнетателя от главной передачи осуществляется через ведущую шестерню 7 (рис. 6) редуктора, связанную рессорным валиком 6 привода с промежуточной шестерней 5 главной передачи и двумя промежуточными валиками 9 с шестернями 4 и 10. Шестерни 10 промежуточных валиков входят в зацепление с шестерней 1, выполненной заодно с валом 11 рабочего колеса нагнетателя.

Двухступенчатое повышение оборотов рабочего колеса необходимо для сообщения ему большой окружной скорости, обеспечивающей получение заданной величины давления наддува. Передаточное отношение от коленчатых валов к рабочему колесу нагнетателя составляет 10,83. При этом число оборотов рабочего колеса на режиме максимальной мощности достигает 32490

4

об/мин. Привод рабочего колеса нагнетателя от турбины осуществляется через редуктор турбины, рессорный валик 3, шестерню 2 и шестерню 1 вала рабочего колеса.

Для уменьшения динамических нагрузок на детали редуктора, возникающих в результате колебаний угловой скорости коленчатых валов, в ведущей шестерне 7 редуктора установлены упругие элементы 8, которые вместе с шестерней образуют упругую муфту.

Упругая муфта состоит из ступицы 4 (рис. 8) ведущей шестерни и зубчатого венца 2, между которыми установлены обоймы 1 с пружинами 3. Боковые крышки 5 и 6 фиксируют обоймы от осевых перемещений. При вращении коленчатых валов ступица 4 своими выступами нажимает через обоймы и пружины на выступы зубчатого венца 2-й венец вращается вместе со ступицей. Колебания угловой скорости коленчатых валов и связанной с ними ступицы 4, совершающиеся с большой частотой, гасятся пружинами 3 и на венец шестерни не передаются.

При резком изменении числа оборотов двигателя в приводе нагнетателя возникают значительные инерционные моменты. Во избежание поломки деталей редуктора от этих моментов шестерни 10 (рис. 6) промежуточных валиков выполнены в виде дисковых фрикционных муфт.

Ступица 2 (рис. 9) шестерни промежуточного валика установлена на шлицах промежуточного валика 1 независимо от зубчатого венца 4, имеющего возможность свободно вращаться на бронзовой втулке 11. Момент от ступицы к венцу передается тремя ведущими металлическими дисками 3 и четырьмя ведомыми дисками 5 с металлокерамическими накладками. Ведущие диски входят в зацепление со шлицами ступицы 2, ведомые — со шлицами зубчатого венца 4. Диски прижаты к бурту ступицы с помощью нажимного диска 6 и пружин 14, установленных на пальцах 13. Величина максимального момента, передаваемого муфтой, определяется усилием затяжки пружин, которое регулируется замковыми шайбами 12.

При резком изменении числа оборотов двигателя, когда инерционный момент рабочего колеса и вращающихся деталей турбины превосходит момент трения муфты, диски проскальзывают, предохраняя тем самым детали привода от перегрузки.

В отличие от устанавливавшихся ранее центробежных фрикционных муфт в рассматриваемой муфте момент трения не зависит от оборотов двигателя. Это благоприятно сказывается на запуске двигателя и на его приемистости. Рабочее колесо нагнетателя в этом случае раскручивается быстрее, что обеспечивает подачу в цилиндры двигателя большего количества воздуха и, следовательно, возможность сжигания большего количества топлива. В результате двигатель при запуске или разгоне быстрее достигнет заданного режима.

Вал 6 (рис. 10) рабочего колеса нагнетателя установлен на двух опорах, одна из которых выполнена упругой. Это дало возможность вывести критические обороты вала из зоны рабочих оборотов. Они стали значительно ниже рабочих и, следовательно, нагрузки на опоры вала при критических оборотах не представляют опасности, 'так как они кратковременны и незначительны по величине.

Конструктивно упругий элемент опоры вала выполнен в виде упругого кольца 10, имеющего по восемь выступов на наружной и внутренней поверхностях. Кольцо установлено в стакане 8 роликового подшипника и отделено от наружной обоймы подшипника внутренним кольцом 11, на торце которого имеются два выступа, входящие в пазы стакана 8. Благодаря этому внутреннее кольцо предохраняет от износа выступы упругого кольца в случае проворачивания наружной обоймы подшипника.

Осевое усилие, действующее на рабочее колесо нагнетателя и его вал, воспринимает шариковый радиально-упорный подшипник 75. Это усилие возникает из-за разности давлений воздуха на стенки рабочего колеса. Со стороны входного патрубка создается пониженное давление, а в полости за задней стенкой колеса, куда через зазоры в лабиринтном уплотнении 8 (рис. 2) проникает сжатый воздух, — повышенное. В результате возникает осевая сила, направленная в сторону патрубка. Для уменьшения этой силы полость за колесом соединяется с входным патрубком нагнетателя.

Масло для смазки подшипников нагнетателя и других трущихся поверхностей элементов редуктора подводится из системы смазки двигателя. Из канала в плите главной передачи через переходную втулку масло поступает по сверлениям в корпусе редуктора через специальные форсунки 5 и 9 (рис. 10) и форсуночные отверстия в корпусе к подшипникам редуктора и другим трущимся поверхностям. Стекающее в корпус редуктора масло через отверстия в плите главной передачи сливается в картер двигателя. Попадание масла из полости редуктора в полость рабочего

5

колеса предотвращается с помощью беззазорного масляного уплотнения 23 (рис. 2). Уплотнение состоит из графитового кольца 12 (рис. 10) и двух стальных разрезных упругих колец 14. При работе нагнетателя графитовое кольцо 12 прижимается своим торцом к поверхности маслоотражательного кольца 13 под действием избыточного давления воздуха в полости за рабочим колесом.

6