ТУРБОКОМПРЕССОР, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОГО УЗЛА ТУРБОКОМПРЕССОРА И ПРИМЕНЕНИЕ
TURBOCOMPRESSOR, TURBOCOMPRESSOR ASSEMBLY DESIGN METHOD AND APPLICATION

Изобретение относится к турбокомпрессору. Далее изобретение относится к способу изготовления конструктивного узла турбокомпрессора, к применению конструктивного узла и способа.
Принципиальная конструкция турбокомпрессора известна специалисту. Турбокомпрессор имеет турбину, в которой разряжается первая среда. Далее турбокомпрессор имеет компрессор, в котором уплотняется вторая среда, и причём с использованием полученной в турбине при разряжении первой среды энергии. Турбина турбокомпрессора имеет корпус турбины, а также ротор турбины. Компрессор турбокомпрессора имеет корпус компрессора, а также ротор компрессора. Между корпусом турбины и корпусом компрессора позиционирован корпус подшипника, причём корпус подшипника соединён, с одной стороны, с корпусом турбины, а, с другой стороны, с корпусом компрессора. В корпусе подшипника установлен вал, через который ротор турбины соединён с ротором компрессора.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является известный из US 2020141278 А1 (07/05/2020) турбокомпрессор с турбиной для разряжения первой среды,
с компрессором для уплотнения второй среды, с использованием полученной в турбине при разряжении первой среды энергии, причём корпус турбины и корпус компрессора соединены, соответственно, с расположенным между ними корпусом подшипника, причём корпус турбины, и/или корпус компрессора, и/или корпус подшипника образуют конструктивный узел со стороны статора и/или принимают конструктивный узел со стороны статора, содержащий коробку подшипника, конструктивный элемент, втулку подшипника, при этом конструктивный узел служит для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации.
Недостатком технического решения, раскрытого в указанном известном документе является то, что расположенные со стороны статора конструктивные узлы турбокомпрессоров осуществлены в виде литых конструктивных элементов. Тогда, если в такой литой конструктивный элемент должны были помещаться структуры, которые служат для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации, то структуры должны быть либо механически встроены в изготовленную посредством литья заготовку, либо должны быть образованы уже во время процесса литья посредством соответствующих стержней в полуфабрикате. Вследствие этого, для формируемых структур в плане возможности их изготовления имеются существенные ограничения.
Исходя из этого, в основе изобретения лежит задача создания турбокомпрессора нового типа, способа изготовления конструктивного узла турбокомпрессора и соответствующего применения конструктивного узла и способа.
Эта задача решается посредством турбокомпрессора по пункту 1 формулы изобретения. В соответствии с изобретением соответствующий конструктивный узел со стороны статора, который служит для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации, изготовлен посредством генеративного способа, предпочтительно посредством 3D-печати.
Посредством представленного здесь изобретения предлагается, во-первых, изготовление расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора, который служит для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации, посредством генеративного способа, предпочтительно посредством 3D-печати. Благодаря этому, отпадает необходимость в обусловленных способом изготовления геометрических ограничениях на изготавливаемый конструктивный элемент, которые являются обычными для процесса литья. За счёт использования генеративного метода изготовления расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора, в частности, каналов для среды, особые опорные структуры и/или полые пространства могут быть изготовлены пористыми или иметь ячеистые структуры, которые особенно пригодны для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации.
Способ изготовления расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора определён в пункте 6 формулы изобретения. Применение изготовленного посредством генеративного способа конструктивного узла определено в пункте 8 формулы изобретения, а применение генеративного способа изготовления конструктивного узла определено в пункте 9 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения выявляются на основании последующих зависимых пунктов формулы изобретения и последующего описания. Примеры осуществления изобретения, не будучи ограничены этим, поясняются далее более детально на основании чертежей, на которых представлены:
фиг.1 схематичное поперечное сечение первого расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора,
фиг.2 схематичное поперечное сечение второго расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора,
фиг.3 схематичное поперечное сечение третьего расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора,
фиг.4 схематичное поперечное сечение четвёртого расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора,
фиг.5 схематичное поперечное сечение пятого расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора,
фиг.6 схематичное поперечное сечение шестого расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора, и
фиг.7 схематичное поперечное сечение следующего расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора.
Принципиальная конструкция турбокомпрессора специалисту известна. Так турбокомпрессор имеет турбину для разряжения первой среды и компрессор для уплотнения второй среды, с использованием полученной в турбине при разряжении первой среды энергии. Под разряжаемой в турбине первой средой понимается при этом отработавший газ, а под уплотняемой в компрессоре второй средой понимается наддувочный воздух двигателя внутреннего сгорания.
Турбина имеет статор турбины и ротор турбины. К статору турбины относится корпус турбины, который может вмещать в себя другие конструктивные узлы турбины со стороны статора. Компрессор имеет статор компрессора и ротор компрессора. К статору компрессора относится корпус компрессора, который может вмещать в себя другие конструктивные узлы компрессора со стороны статора.
Ротор турбины, который обозначается также как рабочее колесо турбины, соединяется с ротором компрессора, который также обозначается как рабочее колесо компрессора, через вал, причём вал помещён в следующий компонент турбокомпрессора со стороны статора, а именно в корпус подшипника. Корпус подшипника позиционирован между корпусом турбины и корпусом компрессора и соединён как с корпусом турбины, так и с корпусом компрессора.
Для проведения тепла, и/или для смазывания, и/или для герметизации турбокомпрессор имеет конструктивные узлы со стороны статора. Такие конструктивные узлы со стороны статора, которые служат для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации, могут быть встроенной составной частью корпуса турбины, и/или корпуса компрессора, и/или корпуса подшипника, или же могут быть в качестве отдельных конструктивных узлов помещены в корпус турбины, или в корпус компрессора, или в корпус подшипника. К таким конструктивным узлам со стороны статора относятся, к примеру, коробки подшипников, втулки подшипников, конструктивные узлы для проведения запирающего воздуха и проч.
Посредством изобретения предлагается, чтобы соответствующий конструктивный узел со стороны статора, который служит для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации был изготовлен посредством генеративного способа, в частности, посредством 3D-печати.
При помощи предложенного здесь на рассмотрение изобретения в соответствии с этим предлагается турбокомпрессор с, по меньшей мере, одним конструктивным узлом со стороны статора, который служит для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации, который является либо встроенной составной частью корпуса турбины, и/или корпуса компрессора, и/или корпуса подшипника турбокомпрессора, либо может быть осуществлён в виде отдельного конструктивного узла и может быть помещён в корпус турбины, и/или в корпус компрессора, и/или в корпус подшипника, причём этот конструктивный узел со стороны статора изготовлен посредством генеративного способа, предпочтительно посредством 3D-печати.
Далее изобретение предлагает способ изготовления такого расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора, который служит для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации, посредством генеративного способа, в частности, посредством 3D-печати.
Далее изобретение предлагает применение изготовленного посредством генеративного способа, в частности, посредством 3D-печати, конструктивного узла в качестве расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора, который служит для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации.
И, наконец, предлагается использование генеративного способа, в частности, 3D-печати, для изготовления расположенного со стороны статора конструктивного узла турбокомпрессора, который служит для смазывания, и/или для проведения тепла, и/или для герметизации.
Фиг.1 демонстрирует схематичное поперечное сечение конструктивного узла 10 турбокомпрессора в соответствии с изобретением, причём под конструктивным узлом 10 понимается коробка подшипника. Эта коробка 10 подшипника помещена в предпочтительном варианте в корпус подшипника турбокомпрессора.
Представленная на фиг.1 коробка 10 подшипника выполнена в предпочтительном варианте в виде отдельного конструктивного узла, который помещён в корпус подшипника турбокомпрессора и на котором в представленном примере осуществления располагаются, с одной стороны, радиальный подшипник 11, а, с другой стороны, аксиальный подшипник 12, для установки вала турбокомпрессора. В изготовленной генеративным способом коробке 10 подшипника образованы масляные каналы 13, а также маслонакопительные пространства 14, которые служат для проведения масляной среды, предназначенной для смазывания и, в случае необходимости, для охлаждения не изображённого вала. Такая коробка 10 подшипника может быть изготовлена особо предпочтительным образом посредством 3D-печати.
Фиг.2 демонстрирует два поперечных сечения следующего расположенного со стороны статора конструктивного элемента 20 турбокомпрессора, причём под этим конструктивным элементом 20 понимается конструктивный узел, в котором образованы каналы 21 для запирающего воздуха. Каналы 21 для запирающего воздуха при этом как в аксиальном направлении, так и в направлении периферии, смещены относительно друг друга, причём через каналы 21 для запирающего воздуха конструктивного узла 20 со стороны статора запирающий воздух может быть проведён в направлении уплотнения 22 вала 23. Этот вал 23 соединён с рабочим колесом 24 турбины. Такой конструктивный элемент 20 может быть использован также в зоне компрессора, для проведения запирающего воздуха. Конструктивный элемент 20 помещён в предпочтительном варианте в корпус подшипника или же может являться также встроенной составной частью корпуса 25 подшипника.
Фиг.3 демонстрирует турбокомпрессор в разрезе, в зоне рабочего колеса 30 компрессора и граничащего с рабочим колесом 30 компрессора конструктивного узла 31 со стороны статора, который является встроенной составной частью корпуса компрессора. В конструктивном узле 31 образована полая структура, а именно полое пространство 32, которое может служить для проведения среды, в частности, для направления охлаждающей среды через полое пространство 32, с целью охлаждения ротора 30 компрессора. При этом возможно проведение через полое пространство 32 либо воздуха, либо масла, с целью охлаждения. Полое пространство 32 может быть осуществлено при этом без соединительных отверстий или же в альтернативном варианте с соединительными отверстиями в отношении окружающего пространства.
Фиг.4 демонстрирует турбокомпрессор в соответствии с изобретением в разрезе, в зоне турбины, а именно в зоне рабочего колеса 40 турбины и граничащего с ним корпуса 41 турбины. В корпусе 41 турбины со стороны статора образовано полое пространство 42, которое опять же служит для охлаждения, в данном случае для охлаждения ротора 40 турбины. По аналогии с примером осуществления с фиг.3 это полое пространство 42 может служить для проведения среды, в частности, для проведения воздуха или масла, с целью охлаждения ротора 40 турбины. При этом полое пространство 42 может быть опять же осуществлено с соединительными отверстиями или без соединительных отверстий в отношении окружающей среды.
Фиг.5 демонстрирует схематичное поперечное сечение следующего расположенного со стороны статора конструктивного элемента 50 турбокомпрессора, причём под конструктивным элементом 50 понимается втулка подшипника. В этой втулке 50 подшипника образован канал 51 для проведения среды, в частности, для проведения масла в направлении рабочей поверхности устанавливаемого на подшипниках вала. Конструктивный элемент 50 служит, соответственно, для установки, а также для смазывания и, в случае необходимости, для охлаждения вала турбокомпрессора, под конструктивным элементом 50, в качестве такового, понимается, однако, конструктивный узел со стороны статора. Втулка подшипника в предпочтительном варианте помещена в корпуса подшипника турбокомпрессора.
Следующий вид в разрезе турбокомпрессора в соответствии с изобретением демонстрирует фиг.6 и, притом аналогично фиг.3, опять же в разрезе рабочее колесо 60 компрессора в комбинации с корпусом 61 компрессора. В корпусе 61 компрессора опять же образовано полое пространство 62, и притом полое пространство 62 с заданной пористостью 63. Через этот канал 64 данное полое пространство 32 может снабжаться, к примеру, охлаждающим средством, с целью охлаждения рабочего колеса 60 компрессора.
Фиг.7 демонстрирует следующий вид в разрезе турбокомпрессора в соответствии с изобретением, в зоне рабочего колеса 70 компрессора и корпуса 71 компрессора. Под корпусом 71 компрессора понимается опять же конструктивный узел со стороны статора. В этот конструктивный узел со стороны статора на фиг.7 помещены две определённые структуры, а именно канал 72 для охлаждающего средства, для охлаждения рабочего колеса 70 компрессора, а также полое пространство 73, к примеру, с ячеистой структурой 74, для обеспечения теплоизолирующего эффекта. Ячеистая структура 74 может быть заполнена газом или теплоизолирующими материалами.
Процессы охлаждения и теплоизоляции служат оба для проведения тепла, а именно, процесс охлаждения для отведения тепла от охлаждаемого конструктивного элемента, а процесс теплоизоляции для защиты изолируемого конструктивного элемента от подачи тепла.
Изобретение предлагает изготовление расположенного со стороны статора конструктивного элемента турбокомпрессора, который служит для смазывания, и/или для теплопередачи, и/или для герметизации, посредством генеративного способа, предпочтительно посредством 3D-печати.
Этот конструктивный элемент может быть осуществлён либо в виде отдельного конструктивного узла, либо в виде встроенного составного элемента корпуса компрессора, или корпуса турбины, или корпуса подшипника турбокомпрессора.
В конструктивном элементе могут быть осуществлены структуры, такие, к примеру, как структуры для проведения среды, и/или защитные структуры и проч., и притом без геометрических ограничений, которые имеют место при литье. Благодаря этому, возможно проведение среды для охлаждения, и/или для смазывания, и/или для герметизации через комплексные геометрические структуры, для обеспечения оптимального смазывания, и/или охлаждения, и/или герметизации.
Под конструктивными узлами, которые относятся к изобретению, понимаются металлические конструктивные узлы, причём для печати таких металлических конструктивных узлов подготавливается металлический порошок, который затем для изготовления конструктивного элемента наносится или наплавляется послойно или слоями посредством 3D-печати.
Перечень ссылочных позиций
10 конструктивный узел/коробка подшипника
11 радиальный подшипник
12 аксиальный подшипник
13 масляный канал
14 маслонакопительное пространство
20 конструктивный узел
21 канал для запирающего воздуха
22 уплотнение вала
23 вал
24 рабочее колесо
25 корпус подшипника
30 рабочее колесо компрессора
31 конструктивный узел/корпус компрессора
32 полое пространство
40 рабочее колесо турбины
41 конструктивный узел/корпус турбины
42 полое пространство
50 конструктивный узел/втулка подшипника
51 масляный канал
60 рабочее колесо компрессора
61 конструктивный узел/корпус компрессора
62 полое пространство
63 пористость
64 канал
70 рабочее колесо компрессора
71 конструктивный узел/корпус компрессора
72 охлаждающий канал
73 полое пространство
74 ячеистая структура