Гибридный турбокомпрессор

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам турбонаддува двигателей внутреннего сгорания.
Известен турбокомпрессор с регулируемым наддувом (Патент RU №2517952 МПК F04D 25/04, МПК F02B 37/00, опубликовано 10.06.2014 г.), содержащий корпус, рабочее колесо турбины, рабочее колесо первой ступени компрессора, рабочее колесо второй ступени, первая обгонная муфта, вторая обгонная муфта, электродвигатель с регулируемым управлением.
Недостатком известного устройства следующее: наличие двух обгонных муфт значительно усложняют конструкцию турбокомпрессора и снижают ее надежность. В случае неисправности электродвигателя с регулируемым управлением рабочее колесо второй ступени компрессора создаст дополнительный инерционный момент рабочего колеса компрессора в частности и вала турбокомпрессора в целом. Этот инерционный момент снижает ускорение рабочего колеса компрессора, тем самым увеличивая время выхода двигателя внутреннего сгорания на установившийся режим. Таким образом, снижается приемистость двигателя.
Известен турбокомпрессор с системой регулирования наддува двигателя внутреннего сгорания и консольным расположением колес А.Ф. Мещерякова (Патент RU №2053412 МПК F04B 39/00, опубликовано 27.01.1996 г.), содержащий корпус турбокомпрессора со стенкой корпуса камеры волнового редуктора, ограниченной стенкой диффузора, взаимодействующей с обгонной муфтой, туннельный прилив с осевой полостью, в которой установлена моновтулка, масляный патрубок, статор асинхронного генератора трехфазного тока, установленный в камере волнового редуктора соосно с гибким колесом.
Однако, прототип имеет большой инерционный момент полувала компрессора в частности и вала турбокомпрессора в целом. В случае неисправности генератора волн тот инерционный момент снижает ускорение рабочего колеса компрессора, тем самым увеличивая время выхода двигателя внутреннего сгорания на установившийся режим. Таким образом, снижается приемистость двигателя.
Техническим результатом предложенной полезной модели является повышение приемистости турбокомпрессора на переходных режимах работы.
Технический результат предложенной полезной модели достигается тем, что в гибридном турбокомпрессоре, содержащем центральный корпус турбокомпрессора, корпус подводящего канала компрессора, корпус подводящего канала турбины, рабочее колесо компрессора, рабочее колесо турбины, обратимая электрическая машина, состоящая из ротора и статора, сборного ротора турбокомпрессора, шарообразные тела заклинивания устройства размыкания ротора турбокомпрессора, подшипник скольжения, согласно полезной модели, рабочее колесо компрессора установлено на полуроторе компрессора, с противоположной стороны полуротора компрессора имеется буртик с конусной расточкой, представляющей собой внешнюю обойму устройства размыкания вала турбокомпрессора, внутренняя обойма устройства размыкания вала турбокомпрессора имеет каналы, в которые помещаются шарообразные тела заклинивания, в полуроторе компрессора имеется осевая расточка, в которую входит внутренняя цапфа полуротора турбины, рабочее колесо турбины выполнено с внутренней обоймой устройства размыкания ротора турбокомпрессора как единое целое и установлено на полуротор турбины, корпус подводящего канала турбины имеет опору с подшипником скольжения, в который входит внешняя цапфа полуротора турбины, ротор электрической машины выполнен в виде цилиндрического ярма, установленного на полуроторе компрессора, статор обратимой электрической машины жестко связан с корпусом гибридного турбокомпрессора в зоне принудительного охлаждения последнего.
Предложение поясняется схемой (фигура 1, фигура 2, фигура 3).
Предлагаемый гибридный турбокомпрессор содержит: центральный корпус турбокомпрессора 1, корпус подводящего канала компрессора 2, корпус подводящего канала турбины 3 с опорой полуротора турбины 4, рабочее колесо компрессора 5, рабочее колесо турбины 6, полуротор компрессора 7 с осевой расточкой 8 (фиг. 2), полуротор турбины 9 с внутренней цапфой 10 и внешней цапфой 11 (фиг. 3), ротор обратимой электрической машины 12, статор обратимой электрической машины 13, шарообразные тела заклинивания устройства размыкания ротора турбокомпрессора 14, подшипник скольжения 15, внешняя обойма устройства размыкания ротора турбокомпрессора 16, внутренняя обойма устройства размыкания ротора турбокомпрессора 17, каналы тел заклинивания 18.
Предлагаемая модель работает следующим образом.
При совместной работе гибридного турбокомпрессора с двигателем внутреннего сгорания на установившемся режиме работы, отработавшие газы поступают на рабочее колесо турбины 6, обеспечивая вращение полуротора турбины 9. Образованный крутящий момент полуротора турбины 9 через шараобразные тела заклинивания устройства размыкания ротора турбокомпрессора 14 (фиг. 3), которые находятся в жестком зацеплении между внутренней 17 и внешней обоймой устройства размыкания ротора турбокомперссора 16, передается на полуротор компрессора 7. Вращение рабочего колеса компрессора 5, установленного на полуроторе компрессора 7, обеспечивает оптимальное воздухоснабжение цилиндров двигателя. При увеличении подачи топлива, двигатель переходит на неустановившийся режим работы. В этот момент на обмотку статора обратимой электрической машины 13 подается электрическая энергия. Силы электромагнитной индукции, возникающие на обмотке статора обратимой электрической машины 13, способствуют образованию крутящего момента на роторе обратимой электрической машины 12, который находится в жестком зацеплении с полуротором компрессора 7. Крутящий момент на полуроторе компрессора 7 превышает крутящий момент на полуроторе турбины 9, в результате чего шарообразные тела заклинивания устройства размыкания ротора турбокомпрессора 14, перемещаясь в каналах тел заклинивания 18 внутренней обоймы устройства размыкания ротора турбокомпрессора 17, выходят из заклинивания, благодаря чему прерывается жесткая механическая связь между внутренней обоймой устройства размыкания ротора турбокомпрессора 17 и внешней обоймой устройства размыкания ротора турбокомпрессора 16. В результате этого прерывается передача крутящего момента на полуротор турбины 9, тем самым снижается инерционность турбокомпрессора и обеспечивается ускоренный выход полуротора компрессора на номинальный режим работы.
По мере увеличения расхода отработавших газов происходит увеличение крутящего момента полуротора турбины 9. В момент, когда крутящий момент полуротора турбины 9 превышает крутящий момент полуротора компрессора 7, происходит заклинивание шарообразных тел заклинивания устройства размыкания ротора турбокомпрессора 14, что приводит к образованию жесткой механической связи между полуротором турбины 9 и полуротором компрессора 7. Таким образом, крутящий момент, образованный на полуроторе турбины 9, передается на рабочее колесо компрессора 5, обеспечивая оптимальное воздухоснабжение рабочей камеры двигателя. Одновременно с этим прекращается подача электрической энергии на обмотку статора обратимой электрической машины 13.
По сравнению с прототипом, предлагаемое техническое решение позволяет значительно увеличить приемистость турбокомпрессора.