Турбокомпрессор системы наддува двигателя внутреннего сгорания
TURBOCHARGER OF THE PRESSURIZATION SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к турбокомпрессорам систем наддува двигателей внутреннего сгорания.
Известен турбокомпрессор, содержащий колесо турбины, связанное с ним при помощи вала колесо компрессора, и подшипниковый узел вала, выполненный в виде опор качения, расположенных в корпусе (RU 2117772 С1, опуб., 20.08.1998).
Недостатком известного устройства является повышенное трение в опорах из-за наличия трения скольжения в подшипнике качения, обусловленного проскальзыванием элементов качения относительно внутренней и наружной обойм, а также между сепаратором и элементами качения. Наличие трения скольжения требует подачи заметного количества смазывающей и охлаждающей среды, что является дополнительным фактором увеличения механических потерь, способствующих возникновению явления «турбояма».
Задачей изобретения является предотвращение проскальзывания элементов качения в опорах вала турбокомпрессора. Техническим результатом является повышение механического КПД, надежности и ресурса.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в турбокомпрессоре, содержащем корпус, колесо турбины, связанное с ним при помощи вала колесо компрессора, и подшипниковый узел вала, выполненный в виде опор качения, согласно изобретению, опоры качения выполнены в виде, по меньшей мере, одной группы, состоящей из, по меньшей мере, трех опорных блоков, расположенных вокруг вала в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения вала и выполненных в виде катков, катящихся своей наружной контактной поверхностью качения вокруг геометрической оси вращения вала по внутренней опорной поверхности и контактирующих указанной поверхностью качения с наружной опорной поверхностью, расположенной вокруг вала, при этом катки снабжены средством предотвращения их проскальзывания относительно контактирующих с ними опорных поверхностей, которое выполнено в виде планетарного зубчатого зацепления, а подшипниковый узел снабжен устройством, ограничивающим осевое перемещение вала с колесами относительно корпуса и выполненным в виде упорных поверхностей, которые расположены с возможностью взаимодействия с упорной поверхностью катков
Поставленная задача достигается также тем, что контактная поверхность качения катков может быть выполнена цилиндрической.
Поставленная задача достигается также тем, что контактная поверхность качения катков может быть выполнена конической.
Поставленная задача достигается также тем, что упорные поверхности, по меньшей мере катков, могут быть выполнены коническими.
Поставленная задача достигается также тем, что в качестве упорных поверхностей могут использовать боковые поверхности зубьев зубчатого зацепления.
Поставленная задача достигается также тем, что каждый опорный блок может быть выполнен в виде пары соосных катков, расположенных в параллельных плоскостях и связанных между собой. При этом наружная опорная поверхность, расположенная вокруг вала, может быть выполнена на опорной втулке, установленной на шлицевой втулке, которая закреплена на валу.
Поставленная задача достигается также тем, что опоры качения могут быть выполнены в виде двух групп не связанных между собой опорных блоков, расположенных в параллельных плоскостях, при этом каждый блок снабжен одним катком и зубьями планетарного зубчатого зацепления.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг. 1 показан продольный разрез турбокомпрессора;
Н фиг. 2 показан выносной вид А на фиг. 1;
На фиг. 3 - поперечный разрез турбокомпрессора.
Заявленный турбокомпрессор содержит колесо 1 турбины, связанное с ним при помощи вала 2 колесо 3 компрессора, подшипниковый узел вала 2, который представляет собой опоры качения, расположенные, например, в корпусе 4 (или в узле привода вала) и выполненные в виде группы, состоящей из трех опорных блоков, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения вала 2. Опорные блоки выполнены в виде катков 5, катящихся своей наружной контактной поверхностью 6 качения вокруг геометрической оси 7 вращения вала 2 по внутренней опорной поверхности 8 в корпусе 4 и контактирующих поверхностью 6 с наружной опорной поверхностью 9, расположенной вокруг вала 2. Катки 5 снабжены средством предотвращения их проскальзывания относительно контактируемых с ними опорных поверхностей 8 и 9, которое выполнено в виде планетарного зубчатого зацепления, состоящего из солнечной шестерни 10, установленной вокруг вала 2, коронной шестерни 11, закрепленной в корпусе 4, сателлитов 12, закрепленных соосно с катками 5. Подшипниковый узел снабжен устройством, ограничивающим осевое перемещение вала 2 с колесами 1 и 3 относительно корпуса 4 и выполненным в виде упоров 13 с упорными поверхностями 14, которые расположены с возможностью взаимодействия с упорной поверхностью 15катков 5. При этом упорная поверхность может быть выполнена плоской или конической. В качестве упора может быть использованы вершины зубьев 16 шестерен 10, 11 и 12, боковая поверхность которых может быть плоской или конической.
Контактная наружная поверхность 6 качения катка 5 может быть выполнена цилиндрической или конической. В последнем случае указанная поверхность совмещает функции опорной поверхности и упорной, поэтому в варианте применения конических катков 5 не требуются дополнительные средства ограничения их осевого перемещения.
Каждый опорный блок может быть выполнен в виде пары соосных катков 5, расположенных в параллельных плоскостях и связанных между собой посредством соединительной оси 17. При этом зубчатое колесо сателлита 12 может быть единственным в блоке и расположено между катками 5. Зубья 16 одного сателлита 12 могут быть расположены в форме двух рядов единого зубчатого колеса, разнесенных на заданное расстояние друг от друга вдоль оси 7 вала 2. Возможно выполнение каждого ряда зубьев 16 на отдельном сателлите 12. В таком случае возможно группирование каждого катка 5 с одним сателлитом 12 с разнесением указанных групп деталей в блоке на требуемое расстояние одна относительно другой. При этом все детали в одном блоке связаны между собой осью 17. Наружная опорная поверхность 9, расположенная вокруг вала 2, может быть выполнена на опорной втулке 18, установленной на шлицевой втулке 19, которая закреплена на валу 2. Такое выполнение позволяет синхронизировать положение зубьев 16 каждого ряда катков 5, в случае их попарного соединения осью 17.
Возможен вариант выполнения, в котором катки 5 не связаны попарно осями 17. В этом случае каждый каток 5 скреплен с сателлитом 12 и вращается независимо от других катков 5, которые расположены в параллельных плоскостях вращения в виде двух параллельных групп блоков, и каждый каток 5 ограничен с двух сторон упорными поверхностями 14. В этом случае катки 5 могут быть расположены на обеих сторонах каждого сателлита 12.
Корпус 4 с опорами качения может быть расположен между колесами 1 и 3 турбины и компрессора, а может быть расположен со стороны входа в компрессор 3. В этом случае колеса 1 и 3 установлены в опорах консольно и приближены один к другому.
Описываемое устройство работает следующим образом. Газовая турбина 1 приводит во вращение компрессор 3 посредством вала 2, на котором оба колеса установлены. Вал 2 своей наружной опорной поверхностью 9 опирается на контактные поверхности 6 катков 5, которые, в свою очередь, оперты на внутреннюю круговую опорную поверхность 8 корпуса 4. Таким образом, вал 2 опирается на корпус 4 посредством катящихся по его внутренней поверхности 8 катков 5. Для предотвращения относительного проскальзывания контактных поверхностей 9, 6 и 8 используется зубчатое планетарное зацепление в составе шестерен 10, 11 и 12. Таким образом, трение скольжения в опорах, представляющих собой, по сути, бессепараторный подшипник качения, сводится к минимуму, что в подобных узлах с повышенными частотами вращения оказывает огромное влияние на величину механического КПД, а также на надежность работы турбокомпрессора. Например, отсутствие необходимости подачи смазки под давлением в подшипниковый узел турбокомпрессора позволяет использовать его в условиях пониженных температур окружающей среды, в частности, на крайнем севере. Кроме того, отсутствие смазки под давлением позволяет использовать турбокомпрессор в условиях переменного его положения в пространстве, в частности, в авиации, так как при этом исключается затекание масла на впуск двигателя внутреннего сгорания и последующий в результате этого выход его из строя.
Как известно из теории зубчатых зацеплений, эвольвентный профиль зуба обеспечивает обкатку взаимодействующих поверхностей без проскальзывания. То есть при правильно спроектированном зацеплении механические потери минимальны. Потери в зубчатых передачах обусловлены отклонением делительных окружностей взаимодействующих колес от требуемого, отклонением осей от параллельности, изменения пространственного положения колес под действием нагрузок при удаленном положении контакта от оси вращения. В заявленном же устройстве указанные проблемы зацепления в значительной степени решены, так как шестерни самоустанавливаются по контактирующим опорным поверхностям, которые максимально приближены к радиусу зацепления и обеспечивают максимальную жесткость зацепления. Ширина зубьев минимальна, так как не происходит передача крутящего момента в зацеплении, а возможность обеспечения радиального натяга не допускает каких-либо колебаний колес и их зубьев, а также сохраняет положение линии зацепления близкое к расчетному. Поэтому описываемый подшипниковый узел в целом позволяет использовать его в высокоскоростных агрегатах при минимальных механических потерях.
Использование же в высокоскоростных узлах стандартных подшипников качения даже с керамическими телами качения связано со следующими проблемами. Для предотвращения неизбежного проскальзывания взаимодействующих поверхностей требуется либо постоянно действующая значительная радиальная сила, либо осевое поджатие (в четырехточечных подшипниках) обойм, зажимающих элементы качения. Однако в узлах с переменным температурным режимом обеспечить требуемое надежное поджатие затруднительно.
Предлагаемое техническое решение позволяет, как обеспечить преднатяг в контактируемых поверхностях, так и допустить возможность появления зазора в опорах без проявления критических явлений в работе узла. То есть даже появление незначительного износа поверхностей, например, от попадания абразива из внешней среды, не повлияет на ресурс изделия.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет обеспечить повышение КПД, повысить надежность и ресурс.