Работа турбокомпрессора и его запчастей.
В этой статье мы узнаем, каким образом турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя в жестких условиях эксплуатации. Мы также узнаем о том, как регуляторы давления наддува, керамические лопатки турбины и шариковые подшипники улучшают работу турбокомпрессора. Турбокомпрессоры являются своего рода системой наддува. Они сжимают воздух, поступающий в двигатель. Преимущество сжатия воздуха состоит в том, что при этом можно впустить больше воздуха в цилиндр, и, соответственно, больше топлива. Таким образом, при каждом взрыве в цилиндрах высвобождается больше энергии. Двигатель с турбонаддувом является более мощным по сравнению с обычным двигателем. Благодаря этому существенно увеличивается удельная мощность двигателя.
Для увеличения мощности двигателя, турбокомпрессор использует выхлопные газы для вращения турбины, которая, в свою очередь, вращает нагнетатель воздуха. Турбина турбокомпрессора вращается со скоростью до 150.000 оборотов в минуту (об/мин) — это примерно в 30 раз быстрее, чем скорость вращения большинства автомобильных двигателей. В связи с тем, что выхлоп идет на турбокомпрессор, температура в турбине очень высокая.
Далее мы расскажем о том, как узнать, насколько увеличится мощность двигателя, если установить турбокомпрессор.
Турбокомпрессоры и двигатели
Одним из самых эффективных способов увеличения мощности двигателя является увеличение количества сгораемого воздуха и топлива. Для этого можно установить дополнительные цилиндры или увеличить их объем. В некоторых случаях невозможно осуществить эти модификации, поэтому установка турбокомпрессора может стать более простым и компактным способом увеличения мощности, особенно для подержанных автомобилей.
Турбокомпрессоры позволяют двигателю сжигать больше топлива и воздуха благодаря увеличению подачи смеси в цилиндры. Стандартное давление сжатия воздуха турбокомпрессором составляет 6-8 фунт/дюйм2 (0,4 — 0,55 бар). Учитывая, что нормальное атмосферное давление составляет 14,7 фунт/дюйм2 (1 бар), при помощи турбокомпрессора в двигатель поступает на 50% больше воздуха. Следовательно, можно рассчитывать на увеличение мощности двигателя на 50%. Однако, эта технология не идеальна, поэтому мощность увеличивается на 30 — 40%.
Одна причина недостаточной эффективности состоит в том, что энергия, которая вращает турбину, не является свободной. Турбина, установленная в потоке выхлопных газов, создает препятствие для выхода газов. Это означает, что во время такта выпуска двигатель должен преодолеть высокое противодавление. В связи с этим происходит расход энергии работающих цилиндров.
Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя при помощи болтового соединения. Выхлопы из цилиндра вращают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух, поступающий в цилиндры.
Отработанные газы от цилиндра проходят через лопатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит через лопатки, тем быстрее происходит вращение.
С другой стороны вала, который установлен на турбине, компрессор вводит воздух в цилиндры. Компрессор представляет собой своего рода центробежный насос — он втягивает воздух в центр лопаток и выпускает его под давлением во время вращения.
Для того, чтобы выдержать скорость вращения до 150.000 об/мин, вал турбины должен иметь надежную опору. Большинство подшипников не выдержит такую скорость и взорвется гидростатические подшипники. Такой тип подшипников поддерживает вал на тонком слое масла, которое непрерывно подается. Это обусловлено двумя причинами: Масло охлаждает вал и некоторые другие детали турбокомпрессора и позволяет валу вращаться, снижая трения.
Существует много различных решений, связанных с конструкцией турбокомпрессоров для автомобильных двигателей. На следующей странице мы расскажем о некоторых оптимальных вариантах и рассмотрим, как они влияют на работу двигателя.
Слишком сильное сжатие?
Когда воздух под давлением запускается в цилиндры при помощи турбокомпрессора и затем сжимается поршнями (читайте статью "Как работает автомобильный двигатель" для наглядного описания), существует риск самовозгорания смеси. Возгорание может произойти при сжатии воздуха, т.к. при этом возрастает температура. При высокой температуре может произойти возгорание еще до срабатывания свечи зажигания. Для предотвращения раннего сгорания топлива, автомобили с турбокомпрессором рекомендуется заправлять высокооктановым бензином. Если давление наддува слишком высокое, возможно придется уменьшить степень сжатия двигателя для того, чтобы избежать раннего сгорания топлива.
Одна из основных проблем турбокомпрессоров состоит в том, что они не обеспечивают мгновенный форсированный наддув по нажатию на педаль газа. Турбине требуется несколько секунд для того, чтобы набрать скорость вращения, необходимую для наддува. В результате возникает задержка между временем нажатия на педаль газа и временем начала ускорения автомобиля при срабатывании турбины.
Одним из способов устранения задержки является снижение инерции вращающихся деталей, благодаря снижению их массы. Это способствует более быстрому набору скорости вращения турбины и компрессора и раннему началу наддува. Одним из наиболее надежных способов снижения инерции турбины и компрессора является уменьшение их размеров. Небольшой турбокомпрессор быстрее начнет наддув при низкой скорости работы двигателя, однако он не сможет обеспечить достаточный наддув при больших скоростях двигателя, когда в цилиндры поступает значительные объемы воздуха. Также существует риск слишком быстрого вращения на высоких скоростях двигателя, т.к. при этом через турбину проходит значительный объем выхлопа.
Большой турбокомпрессор может обеспечить сильный наддув при высокой скорости вращения двигателя, однако при этом может наблюдаться сильная задержка наддува, т.к. необходимо определенное время на разгон тяжелой турбины и компрессора. К счастью, существует ряд решений данных проблем.
В большинстве автомобильных турбокомпрессоров используется регулятор давления наддува, который позволяет уменьшить время задержки наддува небольших турбокомпрессоров, предотвращая слишком быстрое вращение при высокой скорости вращения двигателя. Регулятор давления наддува представляет собой клапан, который обеспечивает выпуск выхлопа в обход лопаток турбины. Регулятор давления наддува измеряет давление наддува. Если давление слишком высокое, это означает, что турбина вращается слишком быстро, поэтому регулятор давления наддува выпускает определенное количество выхлопа в обход лопаток для снижения скорости вращения турбины.
В некоторых турбокомпрессорах используются шариковые подшипники вместо гидростатических подшипников для поддержки вала. Но это не обычные шариковые подшипники – это особые подшипники, изготовленные из специального материала, которые могут выдержать скорости и температуры турбокомпрессора. Они снижают трение вала турбины при вращении, как и гидростатические подшипники. Они также позволяют использовать меньший и облегченный вал. Благодаря этому происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что, в свою очередь, снижает задержку.
Керамические лопатки турбины легче стальных лопаток, которые используются в большинстве турбокомпрессоров. Благодаря этому опять же происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что снижает задержку.
Тэурбокомпрессор обеспечивает наддув при большой скорости вращения двигателя.
Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.
Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.
Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.
Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотним и содержит больше молекул, чет теплый воздух.
Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.
В старых автомобилях с карбюраторами автоматически увеличивается подачу топлива в соответствии с увеличением подачи воздуха. В современных автомобилях происходит то же самое. Система впрыска топлива ориентируется на данные датчика кислорода в выхлопе для определения необходимого соотношения топлива и воздуха, так что система автоматически увеличивает подачу топлива при установленном турбокомпрессоре.
При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.
Подшипники роторов газотурбинных установок (ГТУ)
Роторы турбин и компрессоров опираются на опорные подшипники, которые воспринимают их вес. В свою очередь, на ротор действуют силы, возникающие при работе турбины или компрессора. Эти силы возникают при воздействии газа, который стремится сдвинуть ротор в осевом направлении в сторону меньшего давления. По направлению действия эти силы называют осевыми. Перемещению ротора в осевом направлении препятствует упорный подшипник.
При больших нагрузках длительно работают подшипники скольжения, которые в мощных ГТУ используются в качестве опорных и упорных. Для смазывания подшипников применяют турбинное масло.
Рис.1. Устройство опорного подшипника газотурбинной установки
1, 2 — нижний в верхний вкладыши, 3 — шейка ротора,
4 — направление вращения, 5 — баббитовая заливка,
6 — ось расточки вкладышей, 7 — ось ротора,
8 — полость для прохода масла
В опорном подшипнике (рис. 1) шейка 3 ротора располагается в цилиндрической полости, образованной верхним 2 и нижним 1 неподвижными вкладышами. Направление вращения ротора показано стрелкой 4. Масло под небольшим давлением подается в зазор между шейкой и вкладышами, омывает шейку в верхней части, проходя по полости 8 в верхнем вкладыше, и силами трения о поверхность вращающегося ротора увлекается в зазор между шейкой и нижним вкладышем. Таким образом между шейкой ротора и нижним вкладышем подшипника создается тонкая пленка масла (масляный клин). Давление масла в масляном клине резко повышается. В результате создается усилие, равное весу той части ротора, которая приходится на данный подшипник, и ротор как бы «плавает» на масляной пленке.
При работе ГТУ ротор «всплывает» на масляной пленке так, что центр расточки подшипников и ось 7 шейки ротора не совпадают. Расстояние между ними составляет 0,5—0,7 мм. Коэффициент трения при нормальной работе подшипника составляет 0,002—0,005; Но даже при таком малом коэффициенте трения выделяется большое количество теплоты и масло нагревается на 20—25°С. Чтобы уменьшить трение при пуске и останове ГТУ, поверхность вкладышей заливают баббитом 5 — легкоплавким сплавом, обладающим низким коэффициентом трения. Этот сплав состоит из 83% олова, 11% сурьмы и 6% меди (марка Б-83).
Рис.2. Поперечный разрез опорного подшипника ГТУ
1 — корпус, 2 — труба (подвод масла), 3 — фланец,
4 — крышка, 5,7 — верхний и нижний вкладыши,
6 — планки, 8 — колодка, 9 — установочная прокладка,
10 — шейка ротора, 11 — картер
В простейшем опорном подшипнике (рис.2) нижний вкладыш 7, установленный в корпус 1, обычно опирается на него через три колодки 8 и установочные прокладки 9. Изменяя толщину этих прокладок, устанавливают нижний вкладыш в требуемое положение, что необходимо при центровке ротора. Вследствие трения вращающейся шейки ротора о масляную пленку на вкладыши действуют силы, стремящиеся сдвинуть их по окружности (провернуть). Нижний вкладыш фиксируется от поворота планками 6.
Шейка ротора 10 накрывается верхним вкладышем, который шпильками крепится к нижнему. Сверху, устанавливается крышка 4, которую соединяют болтами с корпусом подшипника через фланцы 3. Между крышкой и верхним вкладышем также размещают колодку с установочными прокладками. Масло поступает к подшипнику по трубе 2, размещенной в корпусе, через отверстие в колодке, установочной прокладке и нижнем вкладыше.
Так как при работе турбин и компрессоров их роторы вращаются в прогнутом состоянии, подшипники устанавливают с учетом этого прогиба, возникающего под действием сил тяжести. Однако положение ротора относительно подшипников может изменяться и по другим причинам, например из-за изменения осевого усилия или деформации корпуса. Чтобы уменьшить перекосы шейки ротора относительно подшипника, применяют подшипники со сферическими вкладышами (рис.3).
Рис.3. Опорный подшипник ГТУ со сферическими вкладышами
1,4 — обоймы, 2,3 — нижний и верхний вкладыши,
5 — подвод масла, 6 — сферическая поверхность,
7 — канал подвода масла от аварийного бачка
В этом случае наружную поверхность нижнего 2 и верхнего 3 вкладышей, соединенных между собой болтами, обтачивают по сфере радиусом R. Аналогично обрабатывают внутреннюю поверхность также соединенных между собой болтами верхней 4 и нижней 1 половинок обоймы. Детали обрабатываются так, чтобы центр сферы радиусом R находился точно на оси вращения ротора. Сопрягающиеся сферические поверхности обойм и вкладышей смазываются маслом, поступающим в каналы 5 и 7. Основным назначением канала 5 является подвод масла в подшипник. Канал 7 заполняется маслом из аварийного бачка. Обоймы 4 и 1 крепятся в корпусе подшипника неподвижно, а нижний и верхний вкладыши могут поворачиваться относительно точки О при изменении положения ротора относительно подшипника.
В настоящее время в опорных подшипниках почти не применяют круговую расточку (см. рис.1), так как при этом велики расходы масла, возникает низкочастотная вибрация ротора и заметное смещение вала в работающем подшипнике по отношению к неработающему.
Другие формы расточки опорных подшипников позволяют избавиться от тех или иных недостатков. На рис.4,а—в показаны круговая расточка со смещением верхнего вкладыша относительно нижнего; овальная и трехклиновая (по числу масляных «клиньев», возникающих при работе подшипника).
Рис.4. Опорные подшипники газотурбинных установок
а — с круговой расточкой со смещением верхней половины относительно нижней,
б,в — с овальной и трехклиновой расточкой, г — с качающимися сегментами,
1,3 — верхний и нижний вкладыши, 2 — сегменты;
О1 О2 — оси верхнего и нижнего вкладышей, Rb — радиус вала,
R — радиусы расточек вкладышей
Используются также подшипники с качающимися сегментами (рис.4,г), на которые опираются шейки ротора, сегменты 2 в свою очередь опираются на поверхность внутренней расточки верхнего 1 и нижнего 3 вкладышей. При вращении ротора они самоустанавливаются так, что давление в масляном клине компенсирует ту часть ротора, которую воспринимает данный сегмент.
Рис.5. Схема работы опорного подшипника с качающимися сегментами
1 — сегменты, 2 — шейка ротора,
3 — масляный клин (распределение давления),
4 — направление вращения ротора, 5 — вал
На рис.5 показана схема работы подшипника с качающимися сегментами. Сегменты 1 устанавливаются под некоторым углом к поверхности вала 5. Масло увлекается силами трения о поверхность вращающегося вала в зазор между сегментами и валом. Давление в масляном клине 3 повышается и препятствует смещению ротора вниз.
Как уже отмечалось, кроме опорных применяются упорные подшипники, назначение которых препятствовать смещению ротора относительно корпуса вдоль оси вращения под действием осевого усилия.
Рис.6. Сегментный упорный подшипник
1,8 — нижняя и верхняя половины корпуса,
2,4 — упорные и установочные колодки,
3 — вал, 5 — отверстия для выхода масла,
6 — упорный диск (гребень), 7 — места опирания колодок
Сегментный упорный подшипник (рис.6) имеет корпус, состоящий из верхней 8 и нижней 1 половин, соединенных друг с другом по горизонтальному разъему. Внутри на корпус опираются упорные колодки 2. На валу ротора выточен упорный диск — (гребень) 6. Осевое усилие с вала 3 передается через упорный диск 6 колодкам 2, а через них — верхней половине 8 корпусаподшипника.
Полость, в которой расположены упорные колодки 2, заполнена маслом, поступающим вдоль поверхности вала. Нагретое масло удаляется из подшипника через отверстия 5. Упорные колодки А-А — работают по тому же принципу, что и сегменты трехклинового подшипника.
Масляный клин создается между упорными колодками 2 и поверхностью упорного диска 6. Давление, возникающее в масляном клине, позволяет компенсировать осевое усилие.
С противоположной стороны упорного диска расположены установочные колодки 4.
Осевой разбег (перемещение) ротора при работе не должен превышать 0,3—0,5 мм. При сборке, когда в подшипнике нет масла, разбег ротора заметно больше, так как упорный диск упирается непосредственно в упорные колодки без масляного клина.
Наиболее широко распространено опирание упорных колодок на ребро и на штифты. Чтобы добиться равномерного распределения усилий по упорным колодкам без точной подгонки, применяют различные способы опирания упорных колодок на корпус подшипника, например через плоские пружины и рычажную систему. Оба способа позволяют автоматически перераспределить нагрузки на колодки до полного выравнивания.
Подшипники турбины: основные виды и их обслуживание
Вал больших и компактных энергетических турбин вращается при больших скоростях. Чтобы предотвратить износ деталей используются подшипники. Подшипники скольжения устанавливаются в паровые и газовые энергетические турбины, газодинамические устройства применяются в микротурбинных установках.
Подшипники турбины воспринимают на себя вес ротора и усилия, действующие на него.
Подшипники скольжения турбин
Для мощных энергетических турбин используют опорные или опорно-упорные подшипники скольжения. Они долговечны, надежны и обладают высокой несущей способностью при постоянных или динамических нагрузках.
Они предназначены только для работы в условиях жидкостного трения. Для смазывания и охлаждения подшипников используется синтетическое огнестойкое масло.
Основными компонентами опорного подшипника являются:
- Вкладыши со стопорными элементами
- Опорные колодки
- Крепежные детали
- Регулировочные прокладки для обеспечения плотной посадки
- Каналы для прохода масла и маслораздаточные канавки
- Диафрагма
При нормальной работе между шейкой вала и вкладышем подшипника образуется устойчивая масляная пленка толщиной около 20 мкм, которая снижает износ в процессе работы турбины.
При перебоях в маслообеспечении перекрывают поток рабочего тела и останавливают турбину. До момента полной неподвижности ротора смазочная жидкость подается из аварийной системы.
Лепестковые газодинамические подшипники микротурбины
Микротурбинные установки малых размеров производят экологически чистую энергию. Это возможно благодаря отказу от масляного оборудования.
Разделяющие и смазочные функции в данном случае выполняет воздушная подушка, которая образуется на высоких оборотах вращения вала. Она создается благодаря комплексу из тонких металлических пластин. Они вставляются между ротором и корпусом и образуют замкнутую систему. Под давлением воздуха при разгоне вала лепестки деформируются и принимают необходимое положение.
Газовый клин не имеет ограничений максимальной скорости и обеспечивает стабильное и плавное движение ротора.
Подшипники турбины: обслуживание и способы увеличения ресурса
В начале и окончании работы микротурбины происходит соприкосновение и трение лепестков с ротором. Это приводит к усиленному износу деталей.
Для предотвращения фрикционного разогрева и повреждений элементов на поверхность, обращенную к валу, наносят антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY 2560. Оно существенно увеличивает ресурс подшипников, функционирующих при нагреве до +500 °С. При менее высоких температурах применяют материалы MODENGY 1007 и MODENGY 1014.
Наибольший износ подшипников скольжения энергетических турбин также наблюдается в моменты пуска-останова агрегатов, то есть на малых скоростях вращения, когда вал еще не принял необходимое положение. После «всплытия» вала трение между деталями становится минимальным.
Для предотвращения повреждений при запуске или остановке на поверхность вкладышей, которая касается ротора, наносят баббит – антифрикционный материал, представляющий собой сплав из легирующих металлов на основе олова.
Износ баббитового слоя контролируется с помощью скоб в нижней части подшипника.
Совершенствование разработки подшипников крупногабаритных турбин будет направлено на отказ от масляной системы и переход к газодинамическим устройствам. Сейчас это затруднительно, так как газовой клин обладает низкой грузоподъемностью.
Присоединяйтесь
Все материалы сайта https://atf.ru/ принадлежат
ООО «НОВЫЕ РЕШЕНИЯ» ИНН 5751054390
© 2004 – 2023 ООО «АТФ». Все авторские права защищены. ООО «АТФ» является зарегистрированной торговой маркой.
Подшипники вала турбокомпрессора
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. Изобретение позволяет увеличить ресурс подшипников вала турбокомпрессора за счет повышения износостойкости рабочих сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения жидкостного трения путем применения трибологических пар из керамических композиционных материалов с низким коэффициентом трения (не более 0,1). Подшипники вала турбокомпрессора состоят из двух раздельных плавающих вращающихся подшипников скольжения жидкостного трения и дистанционного элемента между ними, подшипники выполнены в виде втулок с маслоперегонными сквозными отверстиями и маслопроточными пазами на торцевых поверхностях, с наружными и внутренними цилиндрическими гладкими поверхностями, в которых с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора. Подшипники скольжения и дистанционный элемент между ними изготовлены из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC) с твердостью поверхности 88-90 HRC, а на поверхность вала ротора турбокомпрессора нанесено покрытие на основе модифицированного карбонитрида титана (TiCN) c твердостью поверхности 82-84 HRC. 1 ил., 1 табл.
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.
Известен подшипниковый узел турбокомпрессора, содержащий корпус, с установленным в нем с зазором подшипником, выполненным в виде моновтулки, цилиндрический стопор, удерживающий подшипник от проворачивания и осевого перемещения, снабженный осевым каналом для подвода смазки к подшипнику, в моновтулке подшипника выполнена поперечная прорезь, образующая плоские поверхности, в которые упирается цилиндрический стопор, выполненный с плоским вильчатым выступом, создающим плоские рабочие поверхности сопряжения (Патент РФ на полезную модель №31619 от 20.08.2003 г.).
Недостатком подшипникового узла турбокомпрессора такой конструкции является небольшой срок его устойчивой работоспособности из-за высокого уровня вибрации и быстрого изнашивания по этой причине сопрягаемых поверхностей.
Известно устройство подшипникового узла турбокомпрессора, состоящего из корпуса, в рабочей полости которого с радиальным зазором и соосно, но с ограничением от проворачивания и осевого перемещения установлен плавающий не вращающийся подшипник, выполненный в виде моновтулки, в который, в свою очередь, с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора, установленный в двух раздельных плавающих вращающихся подшипниках скольжения жидкостного трения, связанных между собой дистанционным элементом, и выполненных в виде втулок с гладкими внутренними и наружными цилиндрическими поверхностями, сообщающимися между собой сквозными отверстиями, а торцевые поверхности снабжены маслопроточными пазами (Патент РФ на полезную модель №56503 от 10.09.2006 г.).
Но и в этой конструкции процессы изнашивания сопрягаемых поверхностей в подшипниковом узле турбокомпрессора по причине большой скорости вращения и повышенной температуры значительно снижают ресурс работы турбокомпрессора («Автомобильные двигатели с турбонаддувом», Н.С. Ханин, Э.В. Аболтин и др. — М. Машиностроение, 1991 г., стр. 336).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является подшипниковый узел турбокомпрессора, содержащий корпус, два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения и дистанционный элемент между ними, выполненные в виде втулок с маслоперегонными сквозными отверстиями и маслопроточными пазами на торцевых поверхностях, с наружными и внутренними цилиндрическими гладкими поверхностями, в которых с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора, при этом вал ротора турбокомпрессора и два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения с дистанционным элементом между ними установлены непосредственно в рабочую полость корпуса подшипникового узла. На гладкой внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса подшипникового узла выполнены не менее двух симметричных сегментных канавок, соединенных с центральными магистральными каналами для протока смазки. Плавающие вращающиеся подшипники скольжения жидкостного трения выполнены из более прочного и твердого материала, чем бронза, например, из стали, с последующей термической обработкой, твердостью HRC 60-64 (Патент РФ на полезную модель №120146 от 10.09.2012 г.).
Недостатком данного изобретения является изготовление основных деталей пар трения (вал-подшипник) из стали (коэффициент трения при этом не менее 0,3), что не позволяет достичь высоких показателей ресурса турбокомпрессора из-за недостаточной износостойкости подшипников.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса подшипников вала турбокомпрессора за счет повышения износостойкости рабочих сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения жидкостного трения, путем применения трибологических пар из керамических композиционных материалов с низким коэффициентом трения (не более 0,1).
Указанная задача решается следующим образом.
Подшипники вала турбокомпрессора состоят из двух раздельных плавающих вращающихся подшипников скольжения жидкостного трения и дистанционного элемента между ними, выполненных в виде втулок с маслоперегонными сквозными отверстиями и маслопроточными пазами на торцевых поверхностях, с наружными и внутренними цилиндрическими гладкими поверхностями, в которых с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора. Подшипники скольжения и дистанционный элемент между ними изготовлены из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC) с твердостью поверхности 88-90 HRC, а на поверхность вала ротора турбокомпрессора нанесено покрытие на основе карбонитрида титана (TiCN)c твердостью поверхности 82-84 HRC.
Такая конструкция подшипников вала турбокомпрессора, а именно, когда подшипники скольжения выполнены из более твердого материала, чем термически обработанная сталь с твердостью 60-64 HRC, позволит повысить износостойкость сопрягаемых поверхностей, тем более что на поверхность вала турбокомпрессора, сопрягаемого с подшипниками, нанесено покрытие из композиционного материала, при этом сочетание трибологических пар трения из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC) и карбонитрида титана (TiCN), по результатам испытаний показало низкий коэффициент трения, который является интегральным параметром, влияющим на износостойкость подшипников вала турбокомпрессора.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом подшипников вала турбокомпрессора (фиг. 1).
На фиг. 1 приведен продольный разрез подшипников вала турбокомпрессора, где обозначены:
1 — подшипник скольжения;
2 — гладкая внутренняя цилиндрическая поверхность подшипника скольжения;
3 — гладкая наружная цилиндрическая поверхность подшипника скольжения;
4 — сквозное маслоперегонное отверстие подшипника скольжения;
5 — цилиндрическая гладкая поверхность вала ротора;
6 — колесо турбины;
7 — маслопроточные пазы;
8 — дистанционный элемент;
9 — гладкая внутренняя цилиндрическая поверхность дистанционного элемента;
10 — гладкая наружная цилиндрическая поверхность дистанционного элемента;
11 — сквозное маслоперегонное отверстие дистанционного элемента;
13 — колесо компрессора;
14 — резьбовое соединение;
15 — рабочая полость корпуса подшипникового узла;
16 — корпус подшипникового узла;
17 — гладкая внутренняя цилиндрическая поверхность рабочей полости корпуса подшипникового узла;
18 — сегментная канавка;
19 — магистральный канал.
Подшипники вала турбокомпрессора состоят из двух подшипников скольжения 1, выполненных из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC) с твердостью поверхности 88-90 HRC в виде втулок с гладкими внутренними 2 и наружными 3 цилиндрическими поверхностями подшипников скольжения и сквозными маслоперегонными отверстиями подшипника скольжения 4, равномерно расположенными по окружности и предназначенными для подачи смазочного материала на цилиндрическую гладкую поверхность вала ротора 5, при этом сам вал ротора 12 выполнен за одно с колесом турбины 6. На каждой из торцевых поверхностей подшипника скольжения 1 выполнены маслопроточные пазы 7. Между подшипниками скольжения 1 с зазором и соосно установлен дистанционный элемент 8 в виде втулки, изготовленной из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC), с гладкой внутренней 9 и наружной 10 цилиндрическими поверхностями дистанционного элемента со сквозными маслоперегонными отверстиями дистанционного элемента 11. Вал ротора 12, выполненный как одно целое с колесом турбины 6 с одной стороны и с установленным на другом конце вала ротора колесом компрессора 13, закрепленным резьбовым соединением 14. Вал ротора 12 турбокомпрессора, изготовленный из стали 38ХМ с покрытием на основе карбонитрида титана (TiCN) с твердостью поверхности 82-84 HRC, с выполненными в виде втулок подшипниками скольжения 1 и дистанционным элементом 8, установлены в рабочей полости корпуса подшипникового узла 15, а сам корпус подшипникового узла 16 выполнен с гладкой внутренней цилиндрической поверхностью рабочей полости корпуса подшипникового узла 17.
На гладкой внутренней цилиндрической поверхности рабочей полости корпуса подшипникового узла 17 выполнены две симметричные сегментные канавки 18, соединенные с центральными магистральными каналами 19 для протока смазки.
Перед запуском двигателя (на фиг. 1 не показан) включают маслозакачивающий насос (на фиг. 1 не показан), с помощью которого из системы смазки, через магистральные каналы 19 и сегментные канавки 18, все зазоры подшипникового узла турбокомпрессора под давлением заполняются смазочным материалом. Маслозакачивающий насос работает до тех пор, пока в системе смазки давление не стабилизируется до трех атмосфер. После этого запускают двигатель (на фиг. 1 не показан), а маслозакачивающий насос отключают, и далее подшипники вала турбокомпрессора снабжаются смазочным материалом от системы смазки двигателя.
С момента пуска двигателя энергия потока выхлопных газов, направленная на лопатки колеса турбины 6, преобразуется в механическую энергию и мгновенно приводит к вращению на больших скоростях (60000-140000 об/мин) колесо турбины 6, выполненного с валом ротора 12 как одно целое. В связи с несоосностью геометрических осей вала ротора 12 и рабочей полости корпуса подшипникового узла 15, перед запуском двигателя и неуравновешенности ротора в целом, от неравенства масс на колесах турбины 6 и компрессора 13, при каждом запуске двигателя в течение времени с момента пуска двигателя до момента установления режима полного жидкостного трения вал ротора 12 в рабочей полости корпуса подшипникового узла 15 совершает прецессионное движение динамического характера с нутационными колебаниями высокой частоты, приводящими всю систему к вибрациям высокого уровня и к быстрой потере заданных предельных точностей параметров по геометрическим формам и размерам сопрягаемых рабочих поверхностей.
С момента начала вращения вала ротора 12 на сверхвысоких скоростях, под действием гидродинамических сил и процесса жидкостного трения, раздельные подшипники скольжения 1 с дистанционным элементом 8 между ними начинают вращаться, постепенно выравнивая толщину масляного слоя, заключенного между гладкими наружными цилиндрическими поверхностями подшипника скольжения 3 и гладкой внутренней цилиндрической поверхностью рабочей полости корпуса подшипникового узла 17, по всей ее окружности. При этом вал ротора 12 постепенно «всплывает» и его геометрическая ось располагается соосно с геометрической осью рабочей полости корпуса подшипникового узла 15 корпуса подшипникового узла 16. После того, как пространства между всеми рабочими сопрягаемыми поверхностями заполнятся масляными слоями равномерной толщины по всей окружности, осуществится соосность геометрических осей вала ротора 12 и рабочей полости корпуса подшипникового узла 15 корпуса подшипникового узла 16 с максимальной точностью, подшипники вала турбокомпрессора переходят в режим полного жидкостного трения. С этого момента прекращаются вибрации с высокой амплитудой, приводящие к быстрой потере предельно заданной точности по геометрическим формам и размерам сопрягаемых рабочих поверхностей, и в условиях полного жидкостного трения износ сопрягаемых рабочих поверхностей практически не происходит.
Подшипники скольжения жидкостного трения, выполненные из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC), работающие в паре с валом ротора с нанесенным на его поверхность покрытием на основе карбонитрида титана (TiCN) с высокими значениями твердости, значительно превосходящими твердость закаленных сталей, повышают износостойкость трибологической пары, что, в конечном счете, приводит к значительному увеличению срока эксплуатации подшипников вала турбокомпрессора. Данные выводы подтверждены результатами сравнительных испытаний прототипа и предлагаемого техническим решением изобретения (таблица 1). Коэффициент трения снижен в 3 раза, что позволит повысить износостойкость рабочих сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения и прогнозировать увеличение ресурса подшипников вала турбокомпрессора подшипниковой пары в 2-3 раза.
Ниже приведены примеры результатов испытаний трибологических пар трения из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC) и карбонитрида титана (TiCN) с различной твердостью поверхностей, по результатам которых получен низкий коэффициент трения, влияющий на износостойкость подшипников вала турбокомпрессора.
Одним из известных способов повышения износостойкости сопрягаемых поверхностей подшипников вала турбокомпрессора является применение дистанционного элемента между двух раздельных плавающих вращающихся подшипников скольжения жидкостного трения, образующих пару трения с валом ротора.
Подшипники скольжения и дистанционный элемент выполнены в виде втулок с маслоперегонными сквозными отверстиями и маслопроточными пазами на торцевых поверхностях, с наружными и внутренними цилиндрическими гладкими поверхностями, в которых с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора. Подшипники скольжения и дистанционный элемент между ними изготовлены из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC) с твердостью поверхности 88 HRC, а на поверхность вала ротора турбокомпрессора нанесено покрытие на основе карбонитрида титана (TiCN) с твердостью поверхности 82 HRC. Коэффициент трения получен равным 0,095.
Испытаны элементы турбокомпрессора аналогично примеру 1 с тем отличием, что полученная твердость поверхностей пар трения для подшипников скольжения и дистанционного элемента, изготовленных из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC) составит 90 HRC, а на поверхность вала ротора турбокомпрессора будет нанесено покрытие на основе карбонитрида титана (TiCN) с твердостью поверхности 84 HRC. Коэффициент трения получен равным 0,1.
Сравнительные данные испытаний прототипа и примеров предлагаемого изобретения приведены в таблице 1.
Подшипники вала турбокомпрессора, состоящие из двух раздельных плавающих вращающихся подшипников скольжения жидкостного трения и дистанционного элемента между ними, выполненные в виде втулок с маслоперегонными сквозными отверстиями и маслопроточными пазами на торцевых поверхностях, с наружными и внутренними цилиндрическими гладкими поверхностями, в которых с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора, отличающиеся тем, что подшипники скольжения и дистанционный элемент между ними изготовлены из реакционно-спеченного карбида кремния (SiC) с твердостью поверхности 88-90 HRC, а на поверхность вала ротора турбокомпрессора нанесено покрытие на основе карбонитрида титана (TiCN) с твердостью поверхности 82-84 HRC.