ТУРБОКОМПРЕССОР
TURBOCHARGER

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок, работающих по замкнутому циклу, обеспечивающих высокую мощность при малых массогабаритных показателях.
Известен турбокомпрессор, содержащий корпус с размещенными в нем несколькими рядами направляющих лопаток, ротор, содержащий обечайку с закрепленными на ней несколькими рядами рабочих лопаток. Две стальные крышки закрывают обечайку ротора с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис.3.06).
При вращении ротора компрессора на него действует осевое усилие, возникающее от действия газов на рабочие лопатки и которое направлено против направления потока газа. Это усилие может достигать больших значений и обычно воспринимается осевым подшипником. Для уменьшения этой силы применяют разгрузочные камеры (думмисы).
Наиболее близким к данному изобретению устройством является турбокомпрессор, компрессор которого содержит корпус с размещенными в нем несколькими рядами направляющих лопаток, ротор, содержащий обечайку с закрепленными на ней несколькими рядами рабочих лопаток. Две стальные крышки закрывают обечайку ротора с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники. Для уменьшения осевой силы к передней торцевой стенке ротора турбомашины из полости нагнетания компрессора подведен сжатый воздух. Чтобы уменьшить утечку воздуха из разгрузочной камеры, ее снабжают двумя уплотнениями, размещенными на периферии и у цапфы компрессора (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис.2.14).
Недостатком известного устройства является необходимость установки уплотнений на наружной и внутренней поверхностях газовой камеры, через которые происходит утечка рабочего тела ГТД.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является значительное уменьшение осевой силы, действующей на ротор, повышение допустимой окружной скорости и жесткости ротора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении осевой силы, действующей на ротор при его вращении, исключении утечки рабочего тела из газовой камеры, охлаждении газостатического подшипника, повышении механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости с уменьшением массогабаритных показателей, повышением жесткости конструкции и упрощением технологии изготовления.
Поставленная задача решается тем, что турбокомпрессор, содержащий корпус, снабженный направляющими лопатками, в полости которого с возможностью вращения в подшипниках размещен ротор, снабженный средствами закрепления лопаток, отличается тем, что ротор содержит соосные вал и обечайку, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки, ориентированных вдоль продольной оси ротора, при этом концевые участки ротора выполнены с возможностью его газостатического поддержания в подшипниках корпуса, кроме того, торец ротора, размещенный со стороны корпуса, на которую направлена продольная реактивная сила, возникающая при вращении ротора, наглухо перекрыт и составляет с соответствующим участком корпуса газовую камеру, сообщающуюся с полостью нагнетания компрессора, при этом первый зазор, образованный поверхностью подшипника и обращенной к ней поверхностью ротора, изолирован от газовой камеры уплотнением, размещенным у концевого участка ротора, непосредственно связан с полостью нагнетания компрессора источником рабочего тела, с давлением, необходимым для разгрузки ротора от осевого усилия, кроме того, первый зазор открыт в первое газосборное кольцо, которое каналом связано с полостью всасывания компрессора, при этом второй зазор, образованный поверхностью второго газостатического подшипника и обращенной к нему поверхностью ротора, изолирован от полости нагнетания компрессора уплотнением, размещенным между последней ступенью компрессора и обращенной к нему стороной второго подшипника, при этом названный зазор непосредственно связан с выходом компрессора, кроме того, второй зазор открыт во второе газосборное кольцо, которое каналами связано с полостью корпуса, сообщенной с полостью всасывания компрессора.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «…ротор содержит соосные вал и обечайку, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки, ориентированных вдоль продольной оси ротора…» образуют монолитную конструкцию ротора при минимальной массе и массовых моментах инерции ротора турбокомпрессора, обеспечивают равномерное распределение механических напряжений и, тем самым, увеличивают прочность, радиальную и осевую жесткость.
Признак «…концевые участки ротора выполнены с возможностью его газостатического поддержания в подшипниках корпуса…» обеспечивает минимальную деформацию цапф подшипников и тем самым обеспечивает возможность применения газостатического подшипника при высоких частотах вращения без заклинивания ротора.
Признак «…торец ротора, размещенный со стороны корпуса, на которую направлена продольная реактивная сила, возникающая при вращении ротора, наглухо перекрыт и составляет с соответствующим участком корпуса газовую камеру, сообщающуюся с полостью нагнетания компрессора, кроме того, первый зазор, образованный поверхностью подшипника и обращенной к ней поверхностью ротора, изолирован от газовой камеры уплотнением, размещенным у концевого участка ротора, непосредственно связан с полостью нагнетания компрессора источником рабочего тела, с давлением, необходимым для разгрузки ротора от осевого усилия…» обеспечивает уменьшение осевой силы, действующей на ротор при его вращении, тем самым разгружая осевой подшипник, исключает утечки рабочего тела из газовой камеры.
Признак «…первый зазор открыт в первое газосборное кольцо, которое каналом связано с полостью всасывания компрессора…» обеспечивает работу газостатического подшипника.
Признак «…второй зазор, образованный поверхностью второго газостатического подшипника, и обращенной к нему поверхностью ротора, изолирован от полости нагнетания компрессора уплотнением, размещенным между последней ступенью компрессора и обращенной к нему стороной второго подшипника, при этом названный зазор непосредственно связан с выходом компрессора…» предотвращает утечки рабочего тела в окружающую среду.
Признак «…второй зазор открыт во второе газосборное кольцо, которое каналами связано с полостью корпуса, сообщенной с полостью всасывания компрессора…» обеспечивает работу второго газостатического подшипника.
На фиг.1 и фиг.2 показаны продольный и поперечный разрезы компрессора турбокомпрессора.
Компрессор турбокомпрессора содержит внутренний корпус 1, снабженный направляющими лопатками 2, наружный корпус 3, в полости которого с возможностью вращения в подшипниках 4, 5 размещен ротор 6, снабженный средствами закрепления рабочих лопаток 7. Ротор 6 содержит соосные вал 8 и обечайку 9 жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками 10. Перемычки 10 выполнены в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки 9, ориентированных вдоль продольной оси ротора 6. Концевые участки ротора 6 выполнены с возможностью его газостатического поддержания в подшипниках 4, 5 наружного корпуса 3. Торец ротора 6, размещенный со стороны наружного корпуса 3, на которую направлена продольная реактивная сила, возникающая при вращении ротора 6, наглухо перекрыт крышкой 11 и составляет с соответствующим участком наружного корпуса 3 газовую камеру 12, сообщающуюся с полостью нагнетания компрессора. При этом первый зазор, образованный поверхностью подшипника 4 и обращенной к ней поверхностью ротора 6, изолирован от газовой камеры 12 уплотнением 13, размещенным у концевого участка ротора 6, непосредственно связан с полостью нагнетания компрессора источником рабочего тела, с давлением, необходимым для разгрузки ротора 6 от осевого усилия, кроме того, первый зазор открыт в первое газосборное кольцо 14, которое каналом 15 связано с полостью всасывания компрессора. Второй зазор, образованный поверхностью газостатического подшипника 5 и обращенной к нему поверхностью ротора 6, изолирован от полости нагнетания компрессора уплотнением 16, размещенным между последней ступенью компрессора и обращенной к нему стороной подшипника 5, при этом названный зазор непосредственно связан с выходом компрессора. Кроме того, второй зазор открыт во второе газосборное кольцо 17, которое каналами 18 связано с полостью корпуса, сообщенной с полостью всасывания компрессора.
Ротор 6 турбокомпрессора изготавливают в следующем порядке. Заготовку в виде цилиндра, который может иметь внутреннее отверстие, подвергают механической обработке с целью формирования пазов 19 грушевидной формы, например сверлением с последующим фрезерованием. Торцевую крышку 11 крепят к торцу ротора 6, например, вакуумно-диффузионной сваркой. На наружной поверхности внешнего цилиндра фрезеруют пазы, например, замка «елочного» типа для установки и крепления лопаток 7. Цапфы ротора 6 шлифуют и притирают в притире для получения необходимой геометрии.
Турбокомпрессор работает следующим способом. Перед пуском воздух из ресивера подают в газостатические подшипники 4, 5 и затем через питающие отверстия он поступает в смазочный зазор подшипников. Ротор 6 всплывает на газовом смазочном слое и производится пуск турбокомпрессора. При вращении ротора 6 воздух засасывается из полости всасывания и нагнетается в полость нагнетания, проходя через ступени компрессора. При этом на ротор 6 начинает действовать продольная реактивная сила, которая направлена против потока газа. После создания необходимого давления компрессором происходит переключение работы газостатических подшипников 4, 5 на работу от компрессора турбомашины. Из полости нагнетания через отверстие 20 в крышке 21 в газовую камеру 12 поступает сжатый газ, который создает силу, направленную противоположно продольной реактивной силе. Воздух, прошедший через уплотнение 13 подшипника 4 и из газовой камеры 12, отводится через отверстие 15 в полость всасывания. Воздух, прошедший через уплотнение 16 подшипника 5 и из подшипника 5, отводится через отверстие 18 в окружающую среду. В предложенной схеме разгрузки осевого усилия, действующего на ротор 6, используется вся торцевая поверхность ротора компрессора, что позволяет наиболее полно разгрузить осевые подшипники. Конфигурация поперечного сечения ротора препятствует прогибу крышки 11 по всему сечению, а вакуумно-диффузионная сварка по всей торцевой поверхности ротора 6 придает крышке 20 дополнительную жесткость.