ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к турбокомпрессорам автотракторных дизелей, в частности, к подшипниковым узлам.
Известен подшипниковый узел турбокомпрессора, содержащий корпус, с установленным в нем с зазором подшипником, выполненным в виде моновтулки, цилиндрический стопор, удерживающий подшипник от проворачивания и осевого перемещения, снабженный осевым каналом для подвода смазки к подшипнику, в моновтулке подшипника выполнена поперечная прорезь, образующая плоские поверхности, в которые упирается цилиндрический стопор, выполненный с плоским вильчатым выступом, создающим плоские рабочие поверхности сопряжения (Патент РФ на П.М. №31619 от 20.08.03 г.).
Недостатком подшипникового узла турбокомпрессора такой конструкции является небольшой срок его устойчивой работоспособности из-за высокого уровня вибрации и быстрого изнашивания по этой причине сопрягаемых поверхностей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков, взятых в качестве прототипа, является устройство подшипникового узла турбокомпрессора, состоящего из корпуса, в рабочей полости которого с радиальным зазором и соосно, но с ограничением от проворачивания и осевого перемещения установлен плавающий не вращающийся подшипник, выполненный в виде моновтулки, в который, в свою очередь, с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора, установленный в двух раздельных плавающих вращающихся подшипниках скольжения жидкостного трения, связанных между собой дистанционным элементом, и выполненных в виде втулок с гладкими внутренними и наружными цилиндрическими поверхностями, сообщающимися между собой сквозными отверстиями, а торцевые поверхности снабжены маслопроточными пазами (Патент РФ на П.М. №56503 от 10.09.06 г.).
В такой конструкции подшипникового узла маслопроточные пазы на торцевых поверхностях и маслоперегонные отверстия, сообщающиеся между собой наружные и внутренние цилиндрические поверхности, выполненные на двух раздельных, плавающих и вращающихся подшипниках скольжения, способствуют обильному наполнению объема подшипниковой системы смазочным материалом. В результате этого, повышается эффективность демпфирования вибрации, уменьшается усилие механического воздействия динамического характера на сопрягаемых поверхностях.
Но и в этой конструкции срок эксплуатации также недостаточно высок. Как показывает опыт эксплуатации, процессы изнашивания сопрягаемых поверхностей в подшипниковом узле турбокомпрессора, по причине которых резко снижается общий эксплуатационный срок его устойчивой работоспособности, происходят по иному и гораздо быстрее, чем в обычных подшипниках скольжения двигателя. («Автомобильные двигатели с турбонаддувом», Н.С.Ханин, Э.В.Аболтин и др. - М., Машиностроение, 1991 г., стр.336).
Срок эксплуатации подшипникового узла с устойчивой работоспособностью, в основном, зависит от продолжительности сохранения заданной предельной точности по параметрам геометрических форм и размеров сопрягаемых поверхностей подшипниковой системы.
Основным фактором, влияющим на значительное снижение общего срока эксплуатации подшипниковых узлов, является интенсивное изнашивание сопрягаемых поверхностей, происходящее на режимах в первой половине каждого эксплуатационного цикла его работы. Цикл между каждыми эксплуатационными работами подшипникового узла состоит из следующих режимов:
- режима «покоя» - когда турбокомпрессор не работает и за счет имеющихся зазоров между сопрягаемыми поверхностями, ротор турбокомпрессора с подшипниками скольжения под весом своих масс опускается вниз и «лежит» на внутренней поверхности рабочей полости корпуса подшипникового узла. При этом, геометрическая ось вала ротора относительно геометрической оси рабочей полости корпуса, вокруг которой он должен вращаться, оказывается опущенной вниз на суммарную величину радиальных зазоров, предусмотренных в конструкции для жидкостного трения;
- режима запуска двигателя - самого неблагоприятного, при котором неуравновешенный вдоль своей геометрической оси ротор турбокомпрессора, на котором масса колеса турбины в несколько раз превышает массу колеса компрессора, моментально начинает вращаться на сверхвысоких скоростях - 60-70 м/сек (120000 об/мин.), совершая в подшипником узле прецессионное движение динамического характера, сопровождающееся колебаниями высокой частоты, что становится источником появления в турбокомпрессоре вибраций, с довольно высокой амплитудой, а сопрягаемые поверхности подвергаются интенсивному износу;
- режима постепенного совмещения геометрических осей всех звеньев подшипниковой системы, осуществляемого под действием гидродинамических сил и в процессе жидкостного трения при вращении ротора на сверхвысоких скоростях. Этот процесс происходит постепенно и продолжается с момента пуска двигателя до полного заполнения каждого пространства между сопрягаемыми поверхностями смазочной жидкостью одинаковой толщины по всей окружности;
- режима устойчивого процесса жидкостного трения подшипников скольжения - самого благоприятного, когда между сопрягаемыми поверхностями осуществляется чистое жидкостное трение, отсутствуют вибрации, поэтому, независимо от продолжительности эксплуатационной работы в данном цикле, степень износа близка к нулю.
Учитывая эти характерные особенности, срок эксплуатации подшипниковых узлов возможно увеличить за счет сокращения продолжительности переходного периода - от момента запуска двигателя до момента наступления устойчивого процесса жидкостного трения подшипников скольжения. Кроме этого, срок эксплуатации подшипникового узла с устойчивой работоспособностью зависит от продолжительности сохранения заданной предельной точности по параметрам геометрических форм и размеров на сопрягаемых поверхностях подшипниковой системы.
В подшипниковых узлах турбокомпрессоров ротор с гарантированным радиальным зазором устанавливают в подшипниках скольжения жидкостного трения, выполненных в виде втулок, а в качестве материала для их изготовления, традиционно выбирают бронзу. («Вал ротора турбокомпрессора свободно вращается в бронзовой втулке». М.И.Злоткин, А.А.Лазарев и др. «Трактор Т-130М» Москва. Агропромиздат.1985 г. с.197, стр.46).
Бронза характеризуется пластичностью и сравнительно низкой твердостью, поэтому, сопрягаемые рабочие поверхности подшипников, подвергающиеся механическим воздействиям динамического характера высокой частоты при сверхвысоких скоростях вращения, легко теряют заданную предельную точность параметров по геометрическим формам и размерам.
Задачей, предлагаемой полезной модели, является увеличение срока эксплуатации подшипникового узла турбокомпрессора за счет повышения износостойкости рабочих сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения жидкостного трения, и сохранение их предельной точности по параметрам, а именно, их геометрических форм и размеров, в пределах первоначально заданной точности.
Указанная задача решается следующим образом:
В подшипниковом узле турбокомпрессора, содержащем корпус, два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения и дистанционный элемент между ними, выполненные в виде втулок, с маслоперегонными сквозными отверстиями и маслопроточными пазами на торцевых поверхностях, с наружными и внутренними цилиндрическими гладкими поверхностями, в которых с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора, авторы предлагают: вал ротора турбокомпрессора и два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения с дистанционным элементом между ними, установить непосредственно в рабочую полость корпуса подшипникового узла.
На гладкой внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса подшипникового узла выполнить не менее двух симметричных сегментных канавок, соединенных с центральными магистральными каналами для протока смазки.
Плавающие вращающиеся подшипники скольжения жидкостного трения выполнить из более твердого и прочного материала, чем бронза, например, из стали, с последующей термической обработкой, твердостью HRc 60…64.
Такая конструкция подшипникового узла, а именно, когда подшипники скольжения жидкостного трения выполнены из более прочного и твердого материала, чем бронза, например, из стали с последующей термической обработкой, твердостью HRc 60…64, позволит повысить износостойкость их сопрягаемых поверхностей, увеличить продолжительность периода сохранения всех основных параметров по геометрическим формам и размерам в пределах первоначальной заданной точности и, как результат, значительно увеличить общий срок эксплуатации подшипникового узла.
При проведении поиска по патентной и научно-технической литературе не было обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Промышленная применимость видна из описания конструкции подшипникового узла турбокомпрессора.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами:
На фиг.1 - изображена конструктивная схема подшипникового узла турбокомпрессора, работающего в режиме устойчиво установленного жидкостного трения.
На фиг.2 - сечегие А-А, схематическое расположение геометрических осей составляющих звеньев подшипникового узла в режиме покоя, когда компрессор еще на работает.
На фиг.3 - сечение А-А, схематическое расположение геометрических осей составляющих звеньев подшипникового узла турбокомпрессора, работающего в режиме устойчиво установленного жидкостного трения.
На фиг.2 и фиг.3 - представлены:
«а» - геометрическая ось вала ротора,
«в» - геометрическая ось подшипника скольжения,
«с» - геометрическая ось рабочей полости корпуса.
Подшипниковый узел турбокомпрессора содержит два подшипника скольжения жидкостного трения 1, выполненные из более прочного и твердого материала, чем бронза, например, из стали с последующей термической обработкой, твердостью HRc 60…64, выполненные в виде втулок с гладкими внутренними 2 и наружными 3 цилиндрическими поверхностями и маслоперегонными сквозными отверстиями 4, равномерно расположенными по окружности и предназначенными для подачи смазочного материала на цилиндрическую гладкую поверхность 5 вала ротора 6, выполненным с колесом турбины 7 как одно целое. На каждой из торцевых поверхностей подшипника 1 выполнены маслопроточные пазы 8. Между подшипниками 1 с зазором и соосно установлен дистанционный элемент 9, в виде втулки, выполненный с гладкой внутренней 10 и наружной 11 цилиндрической поверхностью со сквозными маслоперегонными отверстиями 12. Ротор 13 содержащий вал ротора 6 с колесом турбины 7 как одно целое с одной стороны и с установленным на другом конце вала колесом компрессора 14, закрепленным резьбовым соединением 15. Вал ротора 6 турбокомпрессора с подшипниками 1 и дистанционным элементом 9, выполненные в виде втулок, установлены в рабочей полости 16 корпуса 17 подшипникового узла, выполненной с гладкой внутренней 18 цилиндрической поверхностью. На внутренней цилиндрической поверхности 18 полости 16 корпуса 17 подшипникового узла выполнены две симметричные сегментные канавки 19, соединенные с центральными магистральными каналами 20 для протока смазки.
Предлагаемый подшипниковый узел турбокомпрессора работает следующим образом:
1
1
2
2
1
2
В режиме покоя, когда турбокомпрессор не работает, (фиг.2) два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения 1 и дистанционная втулка 9, под весом своих масс, «лежат» на нижней части внутренней 18 цилиндрической поверхности рабочей полости 16 корпуса 17 подшипникового узла, образуя в верхней части между сопрягаемыми поверхностями 3 и 18 односторонний зазор величиной 2δ равный диаметральному зазору, предусмотренному в конструкции подшипников скольжения жидкостного трения для создания условий осуществления жидкостного трения. При этом, геометрические оси подшипников скольжения 1, относительно геометрической оси рабочей полости 16 корпуса 17 опущены вниз на величину δ. Также, на нижних внутренних поверхностях 2 подшипников скольжения жидкостного трения 1 лежит вал ротора 6 с колесами турбины 7 и компрессора 14, образуя сверху односторонний диаметральный зазор 2δ между сопрягаемыми внутренними, гладкими поверхностями 2 подшипников 1 и наружной цилиндрической поверхностью 5 вала ротора 6. При этом, геометрическая ось вала ротора 6 относительно геометрических осей двух раздельных подшипников скольжения 1, опущена на величину δ равную радиальном зазору, предусмотренному для обеспечения условий жидкостного трения. Таким образом, геометрическая ось вала ротора 6 относительно геометрической оси полости 16 корпуса 17, по которой ротор 13 должен вращаться, опущена на суммарную величину δ=δ+δ, где:
1
δ- величина радиального зазора между осью полости корпуса подшипников и осью подшипников скольжения;
2
δ - величина радиального зазора между осью подшипника скольжения и осью вала ротора;
δ - суммарный радиальный зазор;
1
2δ - диаметральный зазор между поверхностями скольжения полости корпуса подшипников и наружной поверхностью подшипника скольжения;
2
2δ - диаметральный зазор между внутренней поверхностью скольжения подшипника и наружной поверхностью вала ротора.
Перед запуском двигателя (на фиг. не показан) включают маслозакачивающий насос, с помощью которого из системы смазки, через магистральные каналы 20 и сегментные канавки 19, все зазоры подшипникового узла турбокомпрессора под давлением заполняются смазочным материалом. Маслозакачивающий насос работает до тех пор, пока в системе смазки давление не стабилизируется до трех атмосфер. После этого запускают двигатель (на фиг. не показан), а маслозакачивающий насос отключают, и далее подшипниковый узел турбокомпрессора смазочным материалом снабжается от двигателя.
1
2
С момента пуска двигателя энергия потока выхлопных газов, направленная на лопатки колеса турбины 7, преобразуется в механическую энергию и мгновенно приводит к вращению на больших скоростях (40000-120000 об/мин) колесо турбины 7, выполненное с валом ротора 6, как одно целое. В связи с несоосностью геометрических осей вала ротора 6 и рабочей полости 16 величиной δ=δ+δ, перед запуском двигателя и неуравновешенности ротора 13, от неравенства масс на колесах турбины 7 и компрессора 14, при каждом запуске двигателя в течение времени с момента пуска двигателя до момента установления режима полного жидкостного трения, ротор 13 в рабочей полости 16 совершает прецессионное движение динамического характера с нутационными колебаниями высокой частоты, приводящее всю систему к вибрациям высокого уровня и к быстрой потере заданных предельных точностей параметров по геометрическим формам и размерам сопрягаемых рабочих поверхностей.
С момента начала вращения ротора 13 с валом 6 на сверхвысоких скоростях, под действием гидродинамических сил и процесса жидкостного трения, раздельные подшипники 1 и дистанционная втулка 9 между ними начинают вращаться, постепенно выравнивая толщину масляного слоя, заключенного между наружными поверхностями 3 подшипников 1 и внутренней поверхностью 18 рабочей полости 16, по всей ее окружности. При этом, вал ротора 6 постепенно «всплывает» и его геометрическая ось располагается соосно с геометрической осью полости 16 корпуса 17. После того, как пространства между всеми рабочими сопрягаемыми поверхностями заполняться масляными слоями равномерной толщины по всей окружности, осуществится соосность геометрических осей вала ротора 6 и полости 16 корпуса 17 с максимальной точностью, подшипниковый узел переходит в режим полного жидкостного трения. С этого момента прекращаются вибрации с высокой амплитудой, приводящие к быстрой потере предельно заданной точности по геометрическим формам и размерам сопрягаемых рабочих поверхностей, и в условиях полного жидкостного трения износ сопрягаемых рабочих поверхностей практически не происходит.
Таким образом, предлагаемая конструкция подшипникового узла, когда вал ротора турбокомпрессора с двумя раздельными подшипниками скольжения, установлен непосредственно в рабочей полости корпуса подшипникового узла, позволяет уменьшить суммарную величину несоосности геометрических осей вала ротора и рабочей полости корпуса, образующуюся каждый раз в режиме «покоя», когда компрессор не работает. При уменьшении суммарной величины несоосности геометрических осей в режиме «покоя», после каждого запуска двигателя, соосность быстрее восстанавливается и этим значительно уменьшается период работы подшипникового узла в условиях несоосности, сопровождающийся постепенным по интенсивности изнашиванием сопрягаемых рабочих поверхностей. При этом, вибрации с высокой амплитудой, приводящие к потере заданной точности по параметрам сопрягаемых поверхностей, также значительно снижаются. Подшипники скольжения жидкостного трения, выполненные из стали, с последующей термической обработкой значительно повышают их износостойкость, что приводит к повышению срока эксплуатации всего подшипникового узла турбокомпрессора.