ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬ, РАБОТАЮЩИЙ НА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ, С АУКСЕТИЧЕСКИМИ СТРУКТУРАМИ
EXHAUST GAS TURBOSUPERCHARGER WITH AUXETIC STRUCTURES

Изобретение относится к турбонагнетателю, работающему на отработавших газах.
Обычные турбонагнетатели, работающие на отработавших газах, используют для увеличения мощности и оптимизации сгорания. Для хорошего и полного сгорания в двигателе необходимо определенное соотношение компонентов смеси (стехиометрическое соотношение компонентов смеси). При наддуве турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, увеличивают плотность всасываемого воздуха и, тем самым, увеличивают количество воздуха. С помощью наддува отчетливо улучшают коэффициент заполнения и, таким образом, коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Помимо этого, можно существенно увеличить крутящий момент, за счет чего можно добиться увеличения мощности.
Главным компонентом турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, является ротор, состоящий из турбинного колеса с валом и рабочего колеса нагнетателя, которые расположены в корпусе турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. Турбинное колесо расположено на стороне отработавших газов и в большинстве случаев стационарно соединено с валом. Рабочее колесо нагнетателя смонтировано на другом конце вала ротора. Колеса в зависимости от исполнения обычно оснащены лопатками рабочего колеса и образуют на концевой стороне зазор относительно корпуса. При этом ширина зазора оказывает непосредственное влияние на коэффициент полезного действия турбонагнетателя, работающего на отработавших газах.
В зависимости от числа оборотов вала на различных вращающихся и неподвижных деталях возникают также различные доли деформации, ведущие тем самым к изменяемым относительным позициям.
Таким образом, изменяется также зазор между остриями лопаток и стенкой корпуса. Применительно к поведению при растяжении наблюдают, в частности, так называемое неустоявшееся поведение при растяжении между ротором и корпусом при прохождении одного цикла. Это неустоявшееся поведение при растяжении отчетливо отличается для вращающихся и неподвижных деталей. Следовательно, существует высокая опасность перемыкания зазора, при котором острия лопаток скользят по корпусу. Такая опасность соприкосновения между корпусом и острием лопатки существует, в частности, при разгоне турбонагнетателя, работающего на отработавших газах.
Во избежание опасных и/или недопустимых эксплуатационных состояний между подвижными относительно друг друга деталями в неустоявшемся режиме размеры номинальных зазоров в уровне техники назначают в соответствии с этим достаточно большими. За счет этого, конечно, в неустоявшемся режиме можно избежать соприкосновения или перемыкания зазора со вхождением в контакт с корпусом. Однако, зазор с соответственно большими размерами одновременно приводит в процессе последующей работы турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, к пониженному коэффициенту полезного действия.
В случае растрескивания – при отказе вращающихся деталей – могут возникать опасные ситуации с разлетающимися осколками турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. Для этого в уровне техники предложены различные устройства защиты от растрескивания.
Для предотвращения вылета фрагментов деталей при определенных сценариях отказа вращающихся деталей при обычных конструкциях корпусов предусматривают, например, массивные толщины стенок и/или монтируют непосредственно вокруг корпуса сложные дополнительные конструкции защиты от растрескивания. Цель настоящего изобретения заключается, однако, в достижении возможности отказа от дорогостоящих конструкций защиты от растрескивания и/или массивных, проводящих поток конструкций корпуса.
Далее, в случае известных из уровня техники турбонагнетателей, работающих на отработавших газах, существует проблема, в результате которой соединенные между собой детали в своем поведении при растяжении расширяются различным образом. При обычных соединениях между такими деталями возникают высокие нагрузки на болты, например, в результате блокад растяжения, и соответствующий износ, например, вследствие относительных движений в контактируемых поверхностях. Также желательна реализация оптимизации этих вредных свойств с использованием идеи настоящего изобретения.
По этой причине в основу изобретения положена задача преодоления названных выше недостатков и предложения улучшенного решения для турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, который обладает надежной эксплуатационной характеристикой с высоким коэффициентом полезного действия и, в частности, улучшением проблематики неустоявшегося растяжения.
Эту задачу решают с помощью комбинации признаков в соответствии с п. 1 формулы изобретения и п. 3 формулы изобретения.
Основой настоящего изобретения является то, что для оказания целенаправленного влияния на поведение при растяжении соответствующих областей в определенных областях корпуса или турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, используют свойства материалов с отрицательным числом Пуассона (коэффициентом Пуассона).
В соответствии с изобретением, предложено оригинальное использование ауксетического материала или ауксетической структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона в или на газотурбинном нагнетателе на одной или между двумя соседними деталями для влияния на термические и неустоявшиеся растяжения.
В предпочтительном исполнении изобретения предложено использование ауксетического материала, причем ауксетической материал или ауксетическая структура расположены между двумя стенками корпуса турбонагнетателя в полом пространстве деталей турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, и/или между, по меньшей мере, двумя граничащими друг с другом деталями турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, причем в названном последним случае ауксетический материал предусмотрен предпочтительно в качестве упругого соединительного элемента.
Следующий аспект настоящего изобретения относится к турбонагнетателю, работающему на отработавших газах, с валом и, по меньшей мере, одним расположенным на вале рабочим колесом нагнетателя и турбинным колесом, а также с корпусом, в котором расположены вал, рабочее колесо нагнетателя и турбинное колесо, причем, по меньшей мере, часть корпуса состоит из ауксетического материала с отрицательным коэффициентом Пуассона.
В предпочтительном исполнении изобретения предусмотрено, что корпус содержит одну внутреннюю стенку и одну промежуточную стенку и ауксетический материал (М) расположен между стенками корпуса, предпочтительно полностью в промежуточном пространстве.
За счет интеграции ауксетической структуры в корпус компрессора и/или расположенный на стороне турбины корпус радиального или осевого турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, можно согласовать поведение при растяжении корпуса с поведением при растяжении ротора. При этом согласование осуществляют посредством целенаправленной настройки геометрических параметров ауксетической структуры. Настройку геометрических параметров осуществляют таким образом, что согласование характеристики удлинения корпуса с характеристикой удлинения ротора осуществляют с учетом неустоявшихся термических удлинений и долей удлинений вследствие давления и центробежной силы. За счет этого выставляемый в стационарном режиме радиальный зазор оказывается более узким, нежели при обычных конструктивных исполнениях. В результате за счет этого можно добиться более высокого коэффициента полезного действия для турбин и более высокой границы помпажа для нагнетателей.
Далее, предпочтительно, если ауксетический материал расположен полностью в области вокруг рабочего колеса нагнетателя и/или вокруг турбинного колеса, предпочтительно между стенками корпуса, в результате чего достигают дополнительного защитного эффекта на случай растрескивания турбонагнетателя. При этом ауксетическую структуру в качестве повреждаемой при столкновении зоны для поглощения кинетической энергии при ударе вращающейся детали интегрируют в структуру корпуса и, следовательно, повышают защиту от вылета деталей и/или фрагментов деталей без существенного увеличения веса.
Далее, предпочтительно, если между, по меньшей мере, двумя граничащими друг с другом деталями турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, расположен упругий соединительный элемент, который состоит из ауксетического материала с отрицательным коэффициентом Пуассона (например, между корпусом подшипника и приточным корпусом турбины). Структура может быть, например, непосредственно напрессована или нанесена на деталь или обе детали или укреплена с помощью не описанных более подробно соединительных элементов на обеих деталях.
Альтернативно обе соседних детали можно соединить между собой непосредственно с помощью ауксетического материала.
В следующей предпочтительной форме исполнения изобретения предусмотрено, что предусмотрены полые пространства в корпусе, которые заполнены ауксетическим материалом. За счет соответствующего исполнения структуры выставляют требуемую жесткость, так что несмотря на малый вес достигают соблюдения требований в области техники колебаний.
Предпочтительно также, если детали турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, на поведение которых при растяжении необходимо оказать влияние, покрыты или нагружены ауксетическим материалом.
Изобретательскую концепцию можно использовать, в частности, при следующих турбонагнетателях, работающих на отработавших газах: радиальные турбонагнетатели, осевые турбонагнетатели, турбовоздуходувки или турбины (электротурбины).
Другие предпочтительные усовершенствования изобретения указаны в дополнительных пунктах формулы изобретения или изображены более подробно ниже в совокупности с описанием предпочтительного исполнения изобретения на основании фигур. На фигурах представлено следующее:
фиг. 1 - показывает схематический пример исполнения настоящего изобретения;
фиг. 2 - показывает альтернативный пример исполнения настоящего изобретения.
В последующем изобретение пояснено более подробно со ссылкой на фиг. 1 и 2, причем одинаковые ссылочные обозначения на фигурах указывают на одинаковые структурные и/или функциональные признаки.
На фиг. 1 показан первый, чисто схематический пример исполнения настоящего изобретения. Показан фрагмент корпуса 3 газотурбинного нагнетателя с рабочим колесом L (например, турбинным колесом Т или рабочим колесом V нагнетателя) с рабочими лопатками 7. Рабочее колесо L расположено на вале 2 в корпусе 3.
Корпус 3 содержит внутреннюю стенку 4 корпуса и наружную стенку 5 корпуса, причем между обеими стенками 4, 5 корпуса расположен ауксетический материал М или ауксетическая структура с отрицательным коэффициентом Пуассона.
Между лопатками 7 рабочего колеса и внутренней стенкой 4 в соответствии с назначением предусмотрен зазор S.
В показанном примере исполнения ауксетический материал М полностью расположен в области вокруг рабочего колеса L между стенками 4, 5 корпуса.
Фиг. 2 показывает альтернативный пример исполнения настоящего изобретения. Показаны деталь В1 и деталь В2 турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, причем между двумя соседними, то есть граничащими друг с другом деталями В1, В2 турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, расположен упругий соединительный элемент 10, который состоит из ауксетического материала М или из ауксетической структуры М с отрицательным коэффициентом Пуассона. При этом обе соседние детали В1, В2 непосредственно соединены между собой с помощью ауксетического материала М.
В своем исполнении изобретение не ограничено указанными выше примерами исполнения. Более того, представляются возможными варианты, позволяющие применять также исполнения, в корне отличные от показанного решения.