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 в котором установлены плавающая моновтулка с наружными и внутренними кольцевыми канавками, подшипники и распорная втулка с выполненными в них радиальными сквозными отверстиями, и стопор, закрепленный в корпусе и удерживающий моновтулку от осевого перемещения (Патент РФ на полезную модель №78883 МПК F04D опубл. 10.12.2008 г. бюлл. №34).
Недостатком такого подшипникового узла турбокомпрессора является небольшой срок его устойчивой работоспособности из-за быстрого изнашивания сопрягаемых поверхностей, причиной которого является задержка поступления достаточного количества смазочного материала непосредственно в зону контакта между сопрягаемыми поверхностями подшипникового узла в режиме «запуск двигателя».
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и взятым в качестве прототипа, является подшипниковый узел турбокомпрессора, содержащий корпус с рабочей полостью, в которой с гарантированными зазорами установлены два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения и дистанционный элемент, выполненные в виде втулок, в которых также с гарантированным зазором, помещен вал ротора турбокомпрессора, выполненный с колесом турбины как одно целое (Патент РФ на полезную модель №120146 МПК F02C, F16C, F04D опубл. 10.09.2012 г. бюлл. №25).
Такая конструкция подшипникового узла позволяет значительно повысить износостойкость сопрягаемых поверхностей, подвергающихся интенсивному износу (особенно в режиме «запуск двигателя»), и способствует продлению периода сохранения значений основных параметров сопрягаемых поверхностей по геометрическим формам и размерам, в пределах первоначальной заданной точности.
Но и в этой конструкции подшипникового узла суммарный срок продолжительности его эксплуатации с устойчивой работоспособностью также недостаточно высок. Причина заключается в том, что подшипники скольжения жидкостного трения выполнены в виде втулок, с гладкими сопрягаемыми поверхностями. В зоне контакта гладких цилиндрических рабочих сопрягаемых поверхностей поступление смазочного материала задерживается. Из-за нехватки количества смазочного материала в зоне контактирующих поверхностей происходит интенсивное изнашивание сопрягаемых поверхностей. Кроме этого, одним из главных условий работоспособности подшипникового узла является сохранение устойчивого вращения ротора турбокомпрессора, которое обеспечивается только при выполнении условий соосности геометрических осей вала ротора и рабочей полости в корпусе турбокомпрессора, и непрерывной подачи достаточного количества смазочного материала между сопрягаемыми рабочими поверхностями.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение срока эксплуатации подшипникового узла с устойчивой работоспособностью за счет снижения интенсивности изнашивания рабочих сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения жидкостного трения.
Указанная задача решается следующим образом.
В подшипниковом узле турбокомпрессора, содержащем корпус с рабочей полостью, в которой с гарантированными зазорами помещены два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения и дистанционный элемент между ними, выполненные в виде втулок, в которых с гарантированным зазором помещен вал ротора турбокомпрессора, выполненный с колесом турбины как одно целое, авторы предлагают: на каждой наружной цилиндрической поверхности вала ротора турбокомпрессора и двух раздельных плавающих вращающихся подшипников скольжения жидкостного трения, выполнить винтовые нарезки, со встречным (правым и левым) направлением рядом расположенных винтовых нарезок, с равномерным расположением винтовых нарезок по цилиндрической поверхности.
Такая конструкция подшипникового узла, а именно, когда на каждой наружной цилиндрической поверхности вала ротора турбокомпрессора и двух раздельных плавающих вращающихся подшипников скольжения жидкостного трения, выполнены винтовые нарезки, в равном количестве, равномерно расположенные по цилиндрической поверхности, со встречным (правым и левым) направлением рядом расположенных нарезок, которые образуют маслопроточные каналы, обеспечивающие свободное и беспрерывное поступление смазочной жидкости. Обеспечение смазочной жидкостью обеспечивается как в режиме «покой», так и в самом неблагоприятном режиме - «запуск двигателя». С момента запуска двигателя, при вращении ротора турбокомпрессора на сверхвысоких скоростях, каждая винтовая нарезка, выполненная на наружных цилиндрических поверхностях вала ротора и двух раздельных подшипников скольжения, будет менять свое место по всей длине сопрягаемой поверхности вдоль зоны контакта, обеспечивая равномерное и непрерывное поступление достаточного количества смазочной жидкости между каждой парой сопрягаемых поверхностей.
Все это обеспечит полноценное демпфирование подшипников и вала ротора, значительно улучшит условия гидротехнического процесса, сократит переходный период «от несоосности к совмещению» геометрических осей вала ротора и двух раздельных подшипников скольжения с геометрической осью рабочей полости подшипникового узла, что позволит сохранить значения всех основных параметров геометрических форм и размеров в пределах первоначальной заданной точности, и как результат, увеличит срок эксплуатации подшипникового узла турбокомпрессора.
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.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами:
На фиг. 1 - изображена конструктивная схема подшипникового узла турбокомпрессора в режиме «покой», когда он еще не работает.
На фиг. 2 - сечение А-А, схематичное расположение геометрических осей составляющих звеньев подшипникового узла в режиме «покой».
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 - показаны:
a - геометрическая ось рабочей полости подшипникового узла;
в - общая геометрическая ось подшипников скольжения жидкостного трения;
с - геометрическая ось вала ротора.
Подшипниковый узел турбокомпрессора содержит корпус 1 с рабочей полостью 2, образованной гладкой внутренней цилиндрической поверхностью 3 корпуса 1, в которой с зазорами помещены два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения 4, имеющие гладкие внутренние 5 и наружные 6 цилиндрические поверхности, и дистанционный элемент 7 между ними, выполненные в виде втулок с маслоперегонными сквозными отверстиями 8 и 9, равномерно расположенными по окружности. На каждой наружной 6 цилиндрической поверхности подшипников 4 выполнены винтовые нарезки с направлением правые 10 и левые 11, в равном количестве и с равномерным расположением по цилиндрической поверхности, образующие в зоне контакта сопрягаемых поверхностей 3 и 6 маслопроточные каналы 12. Внутри центральных отверстий раздельных подшипников скольжения 4 и дистанционного элемента 7, с гарантированным зазором помещен вал ротора 13 турбокомпрессора, выполненный с колесом турбины 14 как одно целое и с установленным на другом конце колесом 15 компрессора, закрепленном резьбовым соединением 16. На наружной цилиндрической поверхности 17 вала ротора 13 выполнены правые 18 и левые 19 винтовые нарезки в равном количестве и с равномерным расположением по цилиндрической поверхности, которые образуют в зоне контакта сопрягаемых поверхностей 5 и 17 маслопроточные каналы 20. На внутренней гладкой цилиндрической поверхности 3 рабочей полости 2 корпуса 1 турбокомпрессора выполнены две симметричные сегментные канавки 21, соединенные с центральными магистральными каналами 22 для протока смазочной жидкости.
1
1
2
2
1
2
Подшипниковый узел работает следующим образом: В режиме, когда турбокомпрессор еще не работает, (фиг. 1 и фиг. 2) вал ротора 13 не вращается, два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения 4, с наружными цилиндрическими поверхностями 6, на которых выполнены с направлением правые 10 и левые 11 винтовые нарезки, с общей геометрической осью «в», под весом своих масс «лежат» на нижней части внутренней гладкой цилиндрической поверхности 3 рабочей полости 2, образованной в корпусе 1 турбокомпрессора, с геометрической осью «а». Гладкие наружные цилиндрические поверхности 6 из мест контакта с гладкой внутренней цилиндрической поверхностью 3, полностью вытесняя смазочный материал по всей длине контакта, образуют плотную контактную зону, а в верхней части рабочей полости 2 между этими же сопрягаемыми поверхностями 3 и 6 образуется односторонний зазор величиной 2δ, равной двум радиальным гарантированным зазорам, предусмотренным конструкцией подшипникового узла для создания условий осуществления устойчивого процесса жидкостного трения. При этом общая геометрическая ось «в» подшипников скольжения 4, относительно геометрической оси «а» рабочей полости 2, образованной в корпусе 1 турбокомпрессора, опущена вниз на величину δ. Также, вал ротора 13 с колесами турбины 14 и компрессора 15, с наружной поверхностью 17 на которой выполнены правые 18 и левые 19 винтовые нарезки, с общей геометрической осью «с», под весом своих масс «лежит» на нижней части внутренних гладких цилиндрических поверхностей 5 подшипников скольжения 4 с общей геометрической осью «б». Гладкая наружная цилиндрическая сопрягаемая поверхность 17 из мест контакта с внутренними гладкими цилиндрическими поверхностями 5, полностью вытесняя смазочный материал по всей длине контакта, образуют плотную контактную зону, а в верхней части между сопрягаемыми поверхностями 5 и 17 образуется односторонний зазор величиной 2δ, равный двум радиальным гарантированным зазорам, предусмотренным конструкцией подшипникового узла для создания условий осуществления устойчивого процесса жидкостного трения. При этом, общая геометрическая ось «с» вала ротора 13 относительно общей геометрической оси «б» двух раздельных подшипников скольжения 4 опущена на величину δ, равную зазору, предусмотренному для создания условий жидкостного трения между сопрягаемыми поверхностями 5 и 17. Таким образом, общая геометрическая ось «с» вала ротора 13 с колесом турбины 14 и компрессора 15 относительно геометрической оси «а» рабочей полости 2, по которой вал ротора 13 должен вращаться, опущена на суммарную величину δ=δ+δ
Перед запуском двигателя (на фиг. не показан) включают маслозакачивающий насос (на фиг. не показан), с помощью которого из системы смазки через магистральные каналы 22 и сегментные канавки 21, все зазоры и, в том числе, маслопроточные каналы 12 и 20, образованные винтовыми нарезками 10; 11 и 18; 19, под давлением заполняются смазочным материалом. В каждой паре, между поверхностями 6; 3 и 5; 17, участки винтовых нарезок в контактной зоне по местам их расположения относительно внутренних поверхностей 3 и 5 образуют сегментные ячейки, которые постоянно заполнены смазочным материалом.
Маслозакачивающий насос работает до достижения в системе смазки устойчивой величины давления, равной трем атмосферам, после чего запускают двигатель, а маслозакачивающий насос отключают, и далее подшипниковый узел турбокомпрессора снабжается смазочным материалом при помощи масляного насоса двигателя (на фиг. не показан).
С момента запуска двигателя энергия потока выхлопных газов, направленная на лопатки колеса турбины 14, преобразуется в механическую энергию и мгновенно приводит его к вращению на высоких скоростях (40000-120000 об/мин). В режиме запуска двигателя подшипниковый узел в определенный период времени работает в самых неблагоприятных условиях, что обусловлено следующим обстоятельством: ротор турбокомпрессора, неуравновешенный по причине неравенства масс колеса турбины 14 и компрессора 15, с общей геометрической осью «с», находящейся в положении несоосности относительно геометрических осей «в» - двух раздельных подшипников скольжения 4 и «а» - внутренней цилиндрической поверхности 3 рабочей полости 2, вращаясь на сверхвысокой скорости в условиях одностороннего контакта рабочих сопрягаемых поверхностей 5; 7 и 3; 6 (фиг. 1 и фиг. 2), в течение промежутка времени с момента пуска двигателя до момента установления режима полного жидкостного трения, совершает прецессионное движение динамического характера, подвергающее подшипниковый узел турбокомпрессора интенсивному трению под влиянием вибраций высокого уровня.
С момента начала вращения вала ротора 13, винтовые нарезки, с направлением правые 10; 18 и левые 11; 19, выполненные на наружных цилиндрических поверхностях 17 и 6 соответственно, вала ротора 13 и двух раздельных подшипников скольжения 4, совершают винтовые движения в контактирующей зоне каждой пары 3; 6 и 5; 17 сопрягаемых поверхностей. При этом объем смазочного материала, заключенного во всех маслопроточных каналах 12 и 20, образованных винтовыми нарезками и ограниченного соответствующей внутренней цилиндрической сопрягаемой поверхностью, совершает также винтовое движение, состоящее из вращательного и поступательного, направленного вдоль оси вращения, чем обеспечивается постоянное одновременное смазывание в зоне контакта сопрягаемых поверхностей 5; 17 и 3; 6.
С момента начала вращения вала ротора 13 на высоких скоростях, под действием гидродинамических сил и процесса жидкостного трения раздельные подшипники 4 и дистанционная втулка 7 между ними начинают вращаться, выравнивая толщину масляного слоя, заключенного между наружными поверхностями 6 подшипников 4 и внутренней поверхностью 3 рабочей полости 2, по всей ее окружности. При этом вал ротора 13 постепенно «всплывает», и его геометрическая ось «с» располагается соосно с геометрической осью «а» рабочей полости 2 корпуса 1. После выравнивания толщины масляных слоев между всеми рабочими сопрягаемыми поверхностями по всей окружности, достигается с максимальной точностью соосность геометрических осей «с» - вала ротора 13 и «а» - рабочей полости 2 корпуса 1, подшипниковый узел переходит в режим полного жидкостного трения. Данный режим характеризуется прекращением вибраций высокого уровня, приводящих к быстрой потере предельного значения заданной точности по геометрическим формам и размерам сопрягаемых рабочих поверхностей, при этом износ сопрягаемых рабочих поверхностей практически отсутствует.
Таким образом, в подшипниковом узле предлагаемой конструкции, при каждом эксплуатационном цикле на режимах «покой» и «запуск двигателя», когда цилиндрические рабочие сопрягаемые поверхности находятся в плотном контакте, через маслопроточные каналы, образованные правыми и левыми винтовыми нарезками на наружных цилиндрических поверхностях вала ротора турбокомпрессора и двух раздельных плавающих вращающихся подшипников скольжения, в контактную зону беспрерывно поступает смазочная жидкость. С момента вращения ротора и подшипников скольжения, в контактной зоне вдоль оси вращения происходит обильное, непрерывное смазывание всех контактирующих поверхностей по всей площади. Это позволяет снизить интенсивность изнашивания рабочих сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения жидкостного трения и повысить срок эксплуатации подшипникового узла с устойчивой работоспособностью.