ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к турбокомпрессорам, применяемым например, для наддува поршневых двигателей внутреннего сгорания, в частности к подшипниковым узлам.
Известен подшипниковый узел турбокомпрессора (патент на полезную модель №78883, пр. 23.06.2008 МКИ F04D 29/04), содержащий корпус, в котором установлена с зазором плавающая «качающаяся» моновтулка и цилиндрический стопор, удерживающий моновтулку от проворачивания и от осевого перемещения и обеспечивающий свободу ее перемещения. В конструкции такого подшипникового узла турбокомпрессора центральная расточка в корпусе гладкая. На ее внутренней поверхности имеются только два сверления для подвода масла. На наружной поверхности моновтулки имеются кольцевые канавки.
Недостатки данного подшипникового узла турбокомпрессора: невысокая эффективность смазки трущихся пар подшипников скольжения. В приведенной конструкции подшипникового узла масло подводится в зазор между расточкой в корпусе и наружной поверхностью моновтулки местно, не по всей окружности радиального зазора, с односторонним давлением. Собираясь в кольцевые канавки, масло поступает к внутренним поверхностям двух отдельных подшипников опять же местно - через радиальные отверстия. Кроме того неспособность подшипникового узла воспринимать осевую нагрузку приводит к быстрому износу торцов рабочих поверхностей и к увеличению осевого люфта в процессе эксплуатации, что в итоге уменьшает ресурс работы турбокомпрессора.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков является турбокомпрессор (патент на полезную модель №103380, пр. 17.11.10 г. МКИ F02B 37/00), содержащий корпус подшипника, в котором на радиально-упорном подшипнике скольжения установлен вал ротора, на консолях которого установлены колесо компрессора и колесо турбины, размещенные каждый в своем корпусе.
Радиально-упорный подшипник выполнен в виде жестко закрепленных в корпусе втулки и пяты, на внутренней поверхности которой выполнена клиновидная выборка, образованная плоскостью эвольвенты в направлении вращения ротора и имеющая радиусные углубления в местах расположения масляных каналов, а на торце втулки выполнены радиусные углубления, соединенные клиновидной выборкой в противоположном направлении вращения ротора, а на торце пяты подшипника выполнен паз, от которого в направлении вращения ротора выполнена клиновидная выборка, кроме того, на валу ротора жестко закреплена кольцо подшипника, при этом между торцами пяты, кольца и втулки имеются зазоры. На внутренней поверхности втулки подшипника имеются радиусные углубления в местах расположения масляных каналов.
-3
-1
Недостатки данного турбокомпрессора: невысокая эффективность смазки трущихся пар подшипников скольжения, плохая приспособленность для работы на переходных режимах. В приведенной конструкции применены жестко закрепленные к корпусу детали подшипникового узла. Такой подшипниковый узел для демпфирования вынужденных колебаний содержит всего один смазочный слой, этот слой ограничен валом ротора и внутренней поверхностью втулки. В такой конструкции подшипника возможно хорошее демпфирование автоколебаний при частотах вращения до 30-40×10 мин однако большие частоты вращения или при резком изменении величины нагрузки на пяту приведет к срыву масляного слоя и к появлению точечных контактах сухого трения, что ускорит износ рабочих поверхностей в процессе эксплуатации, что в итоге уменьшает ресурс работы турбокомпрессора.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача, создать подшипниковый узел турбокомпрессора, обеспечивающий повышение срока эксплуатации и надежности работы турбокомпрессора за счет увеличения эффективности смазки трущихся пар радиально-упорного подшипника скольжения.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве подшипникового узла турбокомпрессора, содержащем корпус подшипника, в котором на радиально-упорном подшипнике скольжения установлен вал ротора, на консолях установлены колесо компрессора и колесо турбины, размещенные каждый в своем корпусе, подшипник воспринимающий осевое усилие, выполнен в виде подпружинено закрепленного в корпусе упорного подшипника, масляные каналы в корпусе и упорном подшипнике соединяются подпружиненным пистоном, а радиальный подшипник выполнен в виде качающейся втулки, которая ограничена в осевом перемещении и частично в окружном направлении стопорным винтом, и вращающейся втулки, на внутренних и торцевых поверхностях которых, имеются радиусные углубления.
Наличие подпружинивания упорного подшипника позволяет значительно снизить динамические нагрузки на него при резком изменении величины осевой нагрузки, тем самым исключается срыв масляного слоя и наличие точечного контакта деталей, вследствие этого отсутствует сухое трение на любых режимах работы турбокомпрессора.
Пакет плавающих втулок увеличивает несущую рабочую поверхность радиального подшипника, позволяет снизить динамические нагрузки на него за счет дополнительного масляного слоя, также снижаются окружные скорости, что дает наличие устойчивого масляного слоя на широких частотах вращения ротора. Применение подпружиненного пистона для соединения масляных каналов пяты и корпуса позволяет в полном объеме и без потери давления подводить масло к рабочим поверхностям пяты, тем самым резко снижается износ трущихся поверхностей.
Выполнение на торцевых поверхностях упорного подшипника радиусных углублений, позволяет много кратно увеличить давление масла за счет клиновидности пазов и наличия центробежной силы и оказать давление в осевом направлении на вал ротора и автоматически воспринимать осевые нагрузки.
Наличие кольцевых маслораспределительных полостей и осевых продольных пазов на внутренних поверхностях втулок позволяет обеспечить равномерный подвод масла к цилиндрическим опорным поверхностям. Наличие радиальных пазов на торцевых поверхностях втулки вращающейся обеспечивает работу вращающейся втулки при ее крайних положениях. В совокупности существенные признаки позволяют автоматически поддерживать зазор между трущимися поверхностями подшипника, воспринимая при этом все радиальные и осевые нагрузки, обеспечить высокую эффективность смазки трущихся пар подшипника скольжения, снизить износ подшипника и повысить ресурс работы турбокомпрессора.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
Фиг.1 - Турбокомпрессор, общий вид в разрезе;
Фиг.2 - Выносной элемент А;
Фиг.3 - Разрез Б-Б;
Фиг.4 - Разрез В-В;
Фиг.5 - Разрез Г-Г
Устройство подшипникового узла турбокомпрессора выполнено в среднем корпусе турбокомпрессора 1 (фиг.1), в котором установлена втулка качающаяся 2, зафиксированная от осевых перемещений винтом 3, во втулке качающейся установлена втулка вращающаяся 4, во втулке вращающейся установлен вал ротора турбокомпрессора 5. В среднем корпусе установлен корпус подшипника 6, внутри которого размещены подшипник упорный 7, подпружиненный набор колец 8, масляный канал упорного подшипника соединен с масляным каналом среднего корпуса с помощью маслоподводящего пистона 9. На валу ротора неподвижно установлены пята 10 и кольцедержатель 11.
На внутренних поверхностях втулки качающейся 2 и втулки вращающейся 4 выполнены осевые пазы радиусного сечения 13 (фиг.3), на торцевых поверхностях втулки вращающейся 4 выполнены радиальные пазы радиусного сечения 14 (фиг.5). На внутренних поверхностях центральной расточки корпуса и втулок имеются кольцевые маслораспределительные полости 15 (фиг.1). На рабочих поверхностях опорного подшипника выполнены специальные клиновидные канавки 16 (фиг.4).
Подшипниковый узел турбокомпрессора работает следующим образом. Перед запуском двигателя (на фиг. не показан) включают маслозакачивающий насос, с помощью которого из системы смазки все зазоры подшипникового узла турбокомпрессора заполняется маслом. Затем запускают двигатель (на фиг. не показан) и выхлопные газы из двигателя поступают в корпус турбины и приводят во вращение колесо турбины и через вал 5 колесо компрессора. Вал ротора 5 вращается во втулке вращающейся 4, а та в свою очередь во втулке качающейся 2 и обе детали ограничены в осевом перемещении с одной стороны пятой, с другой выступом на вале ротора 5. Масло из системы смазки двигателя под давлением через масляный канал 17 подается на упорный подшипник через подпружиненный маслоподводящий пистон 9, и на втулку качающуюся 2. В упорном подшипнике 7, через канал 18 масло подводится к центральной части упорного подшипника, при этом масло контактирует с вращающимися деталями. За счет центробежной силы масляная пленка начинает перемещаться от центра по рабочим поверхностям пяты 10 и кольцедержателя 11, при этом заполняя все полости на упорном подшипнике 7. За счет клиновидных полостей 16 на рабочих поверхностях упорного подшипника 7 при вращении деталей ротора образуется масляный клин, что многократно увеличивает давление масла, действующего в осевом направлении, сдвигая пяту 10, закрепленную на валу 5, что гарантирует наличие масляной пленки и отсутствие касания трущихся деталей. За счет величины зазора Д дозируется подача масла в полости Е и Ж. После попадания масла в полости Е и/или Ж масло беспрепятственно сливается в масляную магистраль двигателя (на фиг. не показано). Остальное масло подаваемое через канал поступает в масляные полости втулки качающейся 2 и втулки вращающейся 4, а оттуда попадает в осевые каналы 13 этих втулок. При вращении вала 5 в радиальном зазоре между валом 5 и втулкой вращающейся 4, и втулкой качающейся 2 (имеется эксцентриситет) образуется масляный клин который приподнимает вал 5 и стремится выровнить толщину масляного слоя, тем самым за счет наличия масляного слоя по всей окружности, поверхности втулок не соприкасаются. Втулка вращающаяся 4 из-за наличия сил трения начинает тоже работать в качающейся втулке 2 по такому же принципу, как и вал 5 внутри вращающейся втулки 4, при этом в зазоре между втулками образуется равномерная масляная пленка. При остановке работы двигателя и отключения масляной системы, масло из турбокомпрессора вытекает не полностью, оно остается в масляных полостях 15 втулок и при кратковременном отсутствии подачи масла из системы смазки двигателя и при работающем турбокомпрессоре подшипниковый узел турбокомпрессора работает в благоприятных условиях.
Перечисленные существенные отличия заявляемого технического решения, от аналогов, позволяет создать подшипниковый узел турбокомпрессора с гидродинамическими свойствами, за счет обеспечения трущихся пар полностью жидкостным трением скольжения и обеспечивающим многократное снижение коэффициента трения, по сравнению с показателями известных в технике подшипников скольжения.
Таким образом, предложенная конструкция подшипникового узла турбокомпрессора позволяет поддерживать наличие зазора между трущимися поверхностями подшипника, воспринимая при этом все радиальные и осевые нагрузки, обеспечивая полное жидкостное трение, снижение износа подшипника и повышение ресурса работы турбокомпрессора.