ТУРБОКОМПРЕССОР

Полезная модель относится конструкции турбокомпрессоров, а именно турбокомпрессоров дизелей тепловозов железнодорожного подвижного состава.
Известен турбокомпрессор ТК, ротор которого состоит из колеса турбины и двух полувалов. На опорных цапфах ротора посажены подшипники скольжения. При этом со стороны компрессора установлен опорно-упорный подшипник, а со стороны турбины - опорный (Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки). Учебник / Симеон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др. - М., Транспорт, 1980, с.88, рис.47).
Однако применяемые до настоящего времени в турбокомпрессорах подшипники скольжения имеют потери на трение в 2-3 раза увеличенные по сравнению с подшипниками качения (там же, с.91). Следствием этого являются частые повреждения опорно-упорных подшипников скольжения за счет ослабления и выработки втулки подшипника. Требуется проведение внеплановых ремонтов турбокомпрессора из-за «проседания» ротора до соприкосновения с лабиринтными уплотнениями из-за износа подшипников.
Специалисты относят к наиболее слабыми узлами турбомашин опорно-уплотнительные системы роторов. Среди повреждений, которые требуют немедленного останова или останова в течение ближайших 5 часов, повреждение подшипников составляет 17,7%. (В.А.Максимов, Г.С.Баткис. Трибология подшипников и уплотнений жидкостного трения высокоскоростных турбомашин. Казань: Фэн, 1998, с.6).
В литературе описана типовая схема циркуляционной смазочной системы турбокомпрессора, содержащая электропривод, насосы, смазочный бак, фильтры, охладитель масла и т.д. (Гидон Л.М. Машинист компрессорных установок: Справочное пособие. - М.: Машиностроение, 1992, с.28).
В процессе эксплуатации турбокомпрессора с такой смазочной системой может наблюдаться недостаточное поступление масла в подшипниковые узлы, что приводит к увеличение температуры подшипников или вибрация компрессора из-за разрыва масляной пленки в подшипнике (там же, сс.70-71). Это, в свою очередь, может повлечь повреждение деталей и частей или нарушение нормального режима работы, требующее немедленной остановки турбокомпрессора. Таким образом, основным направлением дальнейшего совершенствования турбокомпрессоров остается повышение надежности.
Известна модернизация турбокомпрессора ТК 34, при которой опорный и опорно-упорный подшипники скольжения заменены шариковыми радиально упорными однорядными подшипниками качения, установленными в корпусах попарно, при этом подшипниковые узлы крепятся к корпусным деталям турбокомпрессора с помощью шпилек. Между наружным кольцом каждого подшипника и корпусом подшипникового узла установлена индивидуальная втулка, между которой и упомянутым корпусом, в свою очередь, размещен пакет упругих радиальных перфорированных пластин, имеющих фиксирующий ус для предотвращения поворота. Варианты модернизации предусматривают возможность применения как принудительной, так и автономной смазочной систем. В случае реализации варианта с принудительной системой смазки (Чертеж 8910.000 СБ ПКБ ВНИИЖТ, 1989) использована существующая система смазки серийного турбокомпрессора, включающая систему подвода масла от дизеля и систему слива масла. При реализации варианта с автономной смазочной системой (Чертеж 8909.000СБ, ПКБ ВНИИЖТ, 1989) смазка подшипников осуществляется из масляных полостей подшипниковых узлов путем разбрызгивания маслоподающими дисками, посаженными с обоих сторон ротора. При этом, для увеличения объема масляных полостей подшипниковых узлов, при модернизации был увеличен размер горизонтальной цилиндрической части крышки. Кроме того, крышка дополнительно снабжена указателем уровня масла, а также пробками для долива и слива масла.
Однако такие конструктивные изменения в серийном турбокомпрессоре не позволяет существенно увеличить надежность работы подшипниковых узлов и ресурс турбокомпрессора, обеспечивая при этом невысокие затраты на модернизацию. Наличие в подшипниковых узлах двух наружных втулок приводит к тому, что, при вращении подшипников, кромки торцов втулок разрезают упругие радиальные перфорированные пластины, которые, под воздействием крутящего момента, также начинают вращаться. Это приводит к срезанию выполненных на них фиксирующих усов и заклиниванию в конечном итоге подшипников. Кроме того, смазочные системы в известных модернизациях недостаточно эффективны.
Полезная модель направлена на решение такой задачи, как улучшение эксплуатационных характеристик серийно выпускаемых турбокомпрессоров.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении надежности работы турбокомпрессора, улучшении условий смазки подшипниковых узлов и сокращении эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в турбокомпрессоре, содержащем корпусные элементы с торцовыми крышками, ротор, опорный и опорно-упорный подшипниковые узлы с установленными в корпусах подшипниками качения, наружными втулками для них и размещенными между этими втулками и корпусами подшипниковых узлов пакетами упругих радиальных перфорированных пластин с фиксирующими элементами, а также смазочную систему для подшипниковых узлов, включающую закрепленные на концах ротора маслоподающие диски, наружная втулка выполнена единой для двух подшипников. Выполнение наружных втулок цельными, с длиной, достаточной для установки в нее пары подшипников, а также увеличение до двух количества фиксирующих элементов на упругих радиальных перфорированных пластинах, позволяет повысить надежность работы подшипниковых узлов и предотвратить их заклинивание.
Технический результат достигается также тем, что смазочная система турбокомпрессора содержит дополнительные емкости для масла, одна из которых закреплена в нижней части торцовой крышки со стороны опорно-упорного подшипникового узла, а другая установлена на раме и гидравлически сообщена с опорным подшипниковым узлом. Существенное увеличение объема масла, циркулирующего в подшипниковых узлах, позволяет оптимизировать условия смазки за счет улучшения его естественного охлаждения и, следовательно, повысить надежность работы подшипников.
Учитывая, что подшипниковый узел со стороны турбины подвержен более интенсивному нагреву, наличие в смазочной системе опорного подшипникового узла лотка для масла, который закреплен на крышке и сообщен выполненным в корпусном элементе каналом с полостью за подшипниками, позволяет улучшить условия смазки заднего подшипника пары. Кроме того, смазочная система этого подшипникового узла содержит жестко закрепленный на торцовой крышке турбокомпрессора стакан для масла, гидравлически сообщенный с дополнительной емкостью. Наилучшей формой этого стакана является цилиндрический сегмент. В процессе заполнения стакана маслом оно естественным образом охлаждается и, перетекая в дополнительную емкость, обеспечивает циркуляцию в смазочной системе.
Выполнение дополнительной емкости для масла, закрепленной в нижней части торцовой крышки со стороны опорно-упорного подшипникового узла в виде цилиндрического сегмента, позволяет рационально увеличить рабочий объем масляной полости, снизив при этом общую металлоемкость крышки.
Благодаря выполнению дополнительной емкости для масла, сообщенной с опорным подшипниковым узлом, из двух секций, каждая из которых раздельно соединена с одним из установленных на тепловозе турбокомпрессоров, достигается возможность увеличения объема циркулирующего в системе масла при обеспечении компактности дополнительно размещаемого оборудования.
Укомплектование опорного подшипникового узла шариковыми радиальными однорядными подшипниками вместо радиально-упорных, используемых в прототипе, позволяет снизить стоимость узла без снижения эксплуатационной надежности.
На фиг.1 показан подшипниковый узел турбокомпрессора со стороны турбины; на фиг.2 - подшипниковый узел со стороны компрессора; на фиг.3 - вид А на фиг, 2; на фиг.4 - дополнительная емкостью для масла, гидравлически сообщенная с турбокомпрессором; на фиг.5 - вид Б на фиг.4.
Модернизация выполнена для турбокомпрессора типа ТК-34, содержащего корпусные элементы в виде газоприемного корпуса 1 со стороны рабочего колеса турбины (фиг.1) с торговой крышкой 2 и корпуса 3 со стороны рабочего колеса компрессора (фиг.2) с торцовой крышкой 4. В корпусах 1 и 3 соответственно размещены опорный подшипниковый узел 5 и опорно-упорный подшипниковый узел 6 в которых установлены цапфы ротора 7. На концах ротора гайками 8 и 9 закреплены маслоподающие диски 10 и 13.
Смазочная система модернизированного турбокомпрессора выполнена смешанного типа: с проточной циркуляцией масла в опорных подшипниковых узлах, и с замкнутой системой циркуляции в опорно-упорных подшипниковых узлах.
Подшипниковый узел 5 (фиг.1) содержит корпус 12 с крышкой 13, установленные между наружной 14 и внутренней 15 втулками два шариковых радиальных однорядных подшипника 16, а также пакет упругих радиальных перфорированных пластин 17, каждая из которых имеет два фиксирующих уса (не показаны).
Для улучшения условий смазки этого подшипникового узла, к крышке 13 шпилькой 18 с гайкой 19, прикреплен лоток 20, сообщенный посредством выполненного в корпусе 1 турбины канала 21 с полостью за подшипниками. К торцовой крышке 2 жестко прикреплен стакан 22 для масла, выполненный в виде цилиндрического сегменте, обращенного вогнутой поверхностью вниз.
Подшипниковый узел 6 (фиг.2) включает корпус 23 с крышкой 24, установленные между наружной 25 и внутренней 26 втулками два шариковых радиально-упорных подшипника 27, а также пакет упругих радиальных перфорированных пластин 28, каждая из которых имеет два фиксирующих уса (не показаны).
Увеличение объема масла, циркулирующего в смазочной системе опорно-упорного подшипникового узла 6, достигается путем расширения масляной полости, образуемой корпусом 3 и крышкой 4. Для этого к последней в нижней части жестко прикреплена дополнительная емкость 29, оборудованная смотровым окном 30 для контроля минимального и максимально уровня масла, горловиной для заливки масла с пробкой 31, и выпускным отверстием в днище с пробкой 32. Дополнительная емкость 29 выполнена в виде цилиндрического сегмента (фиг.3). Общий объем масла составляет около 1,5 литров. Опытным путем установлено, что этого объема достаточно для естественного охлаждения масла, циркулирующего в опорно-упорном подшипниковом узле, не нагревающимся так интенсивно, как опорный подшипниковый узел.
С учетом того, на тепловозе установлены два турбокомпрессора, закрепленные на общей раме (не показана), на последней смонтирована дополнительная емкость 33 (фиг.4), гидравлически сообщенная с опорными подшипниковыми узлами обоих турбокомпрессоров. Эта емкость снабжена вертикальной перегородкой 34 (фиг.5), образующей две секции, каждая из которых раздельно сообщена с одним из установленных на тепловозе турбокомпрессоров, для чего имеет патрубки, гибкими трубопроводами 35, 36 соединенные с крышками 2, а также смотровое окно 37 для контроля минимального и максимально уровня масла и закрытую пробкой 38 горловину для заливки масла. Суммарный объем масла в этой емкости составляет почти 3 литра.
При подготовке к работе турбокомпрессоров необходимо обеспечить поступление масла в подшипниковые узлы 5 и 6 (фиг.1, 2). Для этого отворачивают
пробки 31, 38 дополнительных емкостей 29, 33 (фиг.3, 4) и заливают в них масло, контролируя его уровень через смотровые окна 32, 37.
Во время работы турбокомпрессора ротор 7 вращается вместе с маслоподающими дисками 10, 11. Эти диски, соприкасаясь с маслом в подшипниковых полостях корпусов 1 и 3, при вращении захватывают и разбрызгивают масло, создавая масляный туман, оседающий на подшипниках 16, 27 и внутренней поверхности корпусов 1 и 3. Масло, накапливаясь, стекает вниз в полости корпусов.
Часть разбрызгиваемого и стекающего масла в корпусе 1 попадает в лоток 20, и далее по каналу 21 в полость за подшипниками, обеспечивая тем самым улучшение смазки заднего подшипника пары. Излишки масла из нижней полости корпуса 1 перетекают по трубопроводу 36 в дополнительную емкость 33, туда же по трубопроводу 35 перетекает другая часть масла, попадающая в стакан 22. Это позволяет обеспечивать постоянный уровень и естественное охлаждение масла, циркулирующего в подшипниковом узле.
В корпусе 3 стекающее в нижнюю полость масло перемешивается с большим объемом масла в дополнительной емкости 29 и также естественным образом охлаждается.
Тип дизеля
РДН-25
РДН-35
РДН-50
Модернизированный турбокомпрессор
Объем масла, циркулирующего в опорном подшипниковом узле, л
0,65
0,8
1,5
от 2,5 до 2,8
Объем масла, циркулирующего в опорно-упорном подшипниковом узле, л
0,6
1,15
2,5
от 1,2 до 1,5