RU2290543C2 - Turbocompressor - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; manufacture of turbocompressors.

SUBSTANCE: novelty is that compressor housing is made as one piece with rounded off shaped insert and diffuser, exhaust housing is made as separate part, unit of support and thrust bearing being arranged in exhaust housing.

EFFECT: improved convenience of servicing and conditions of operation.

3 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области компрессоростроения, в частности к производству турбокомпрессоров.The present invention relates to the field of compressor engineering, in particular the production of turbochargers.

Известно устройство, содержащее корпус и последовательно расположенные в нем рабочее колесо и лопаточный диффузор со щитком, размещенным в зоне покрывного диска и снабженным радиальными ребрами, контактирующими с торцовой стенкой корпуса (см. а.с. СССР №1342126). Указанное устройство повышает КПД компрессора.A device is known comprising a housing and an impeller and a blade diffuser sequentially arranged in it with a shield located in the area of the cover disk and provided with radial ribs in contact with the end wall of the housing (see AS USSR No. 1342126). The specified device increases the efficiency of the compressor.

Известно также устройство для совмещения радиальной турбины турбонагнетателя с двигателем внутреннего сгорания, причем радиальная турбина на входе газа имеет впускную газовую камеру, замыкающуюся в пространственном отношении при помощи соплового кольца, а на выходе газа имеет рабочее колесо с лопатками, а также выпускной фланец, соединенный с впускной газовой камерой, укрепленный на ней с возможностью разъема с помощью затяжки и по меньшей мере одного болта, расположенного в направлении периметра. Это устройство помогает уменьшить затраты и время на изготовление.A device is also known for combining a radial turbine of a turbocharger with an internal combustion engine, wherein the radial turbine at the gas inlet has an inlet gas chamber that is spatially closed by means of a nozzle ring, and at the gas outlet has an impeller with vanes and an exhaust flange connected to an inlet gas chamber mounted on it with the possibility of a connector by tightening and at least one bolt located in the direction of the perimeter. This device helps reduce manufacturing costs and time.

Из всех устройств аналогичного назначения наиболее близким по технической сущности является устройство, реализованное в турбокомпрессоре 6ТК производства ОАО "Холдинговая компания Коломенский завод имени Куйбышева", г.Коломна. Ввиду того, что это устройство обладает совокупностью существенных признаков, наиболее близких к предлагаемому изобретению, оно принято в качестве прототипа. Оно представляет собой турбокомпрессор, содержащий рабочее колесо с лопатками, лопаточный сопловой аппарат с кожухом, газоприемный корпус, выхлопной корпус, компрессор с воздухоприемным патрубком, причем рабочие колеса турбины и компрессора насажены на один вал и установлены с возможностью вращения на подшипниковых опорах.Of all the devices of a similar purpose, the closest in technical essence is the device implemented in the 6TK turbocompressor manufactured by Kolomensky Kuibyshev Plant Holding Company OJSC, Kolomna. Due to the fact that this device has a combination of essential features closest to the proposed invention, it is adopted as a prototype. It is a turbocompressor containing an impeller with blades, a spatula nozzle apparatus with a casing, a gas intake housing, an exhaust housing, a compressor with an air intake pipe, the impellers of the turbine and compressor mounted on one shaft and mounted for rotation on bearing bearings.

Данное устройство позволяет обеспечить нормальную работу турбокомпрессора, автоматически выходящего на режим, соответствующий заданному режиму дизеля. Однако отличительной особенностью прототипа является сложность его сборки и разборки, что особенно сказывается в процессе выполнения ремонтных работ и работ по техническому обслуживанию. Это определяется конструктивными особенностями прототипа, приводящими к тому, что при упомянутых операциях приходится выполнять снятие турбокомпрессора с дизеля и полную разборку. Кроме того, имеет место сильный нагрев подшипников и большая нагрузка на них, что неблагоприятно сказывается на условиях эксплуатации.This device allows you to ensure the normal operation of the turbocharger, automatically enters the mode corresponding to the specified diesel mode. However, a distinctive feature of the prototype is the complexity of its assembly and disassembly, which is especially true in the process of performing repair work and maintenance work. This is determined by the design features of the prototype, leading to the fact that during the operations mentioned, it is necessary to remove the turbocharger from the diesel engine and completely disassemble it. In addition, there is strong heating of the bearings and a large load on them, which adversely affects operating conditions.

Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в повышении удобства обслуживания и улучшении условий эксплуатации.Thus, in the prototype is not achieved a technical result, expressed in increasing ease of maintenance and improving operating conditions.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном турбокомпрессоре, содержащем рабочее колесо с лопатками, лопаточный сопловой аппарат с кожухом, газоприемный корпус, выхлопной корпус, компрессор с воздухоприемным патрубком, причем рабочие колеса турбины и компрессора насажены на один вал и установлены с возможностью вращения на подшипниковых опорах, корпус компрессора выполнен в виде одной детали с закрепленными на нем фасонной вставкой и диффузором, выхлопной корпус выполнен в виде отдельной детали, причем узел опорно-упорного подшипника расположен в корпусе компрессора, а узел опорного подшипника расположен в выхлопном корпусе. Лопаточный сопловой аппарат выполнен в виде одной детали. Газоприемный корпус выполнен в виде отдельной детали.The specified technical result is achieved by the fact that in the known turbocharger containing an impeller with blades, a blade nozzle apparatus with a casing, a gas intake housing, an exhaust housing, a compressor with an air intake pipe, the impellers of the turbine and compressor are mounted on one shaft and mounted to rotate on bearing bearings, the compressor housing is made in the form of a single part with a shaped insert and diffuser fixed to it, the exhaust housing is made as a separate part, and the bearing assembly -upornogo bearing located in the compressor housing and bearing assembly is disposed in the exhaust casing. The blade nozzle apparatus is made in the form of one part. The gas intake housing is made as a separate part.

В результате проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не было выявлено устройства с такой совокупностью существенных признаков и обеспечивающего заявленный технический результат. Таким образом, можно предположить, что предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, обладающее новизной и промышленной применимостью и имеющее изобретательский уровень.As a result of a search by sources of scientific, technical and patent information, no devices with such a combination of essential features and providing the claimed technical result were found. Thus, we can assume that the present invention is a technical solution to the problem, with novelty and industrial applicability and having an inventive step.

На чертеже представлен продольный разрез турбокомпрессора.The drawing shows a longitudinal section of a turbocharger.

Основными частями его являются остов, ротор, подшипники, уплотнения, сопловой аппарат, диффузор. Турбокомпрессор выполняется по бесконсольной схеме. Воздухоприемный патрубок 1 закреплен на корпусе 2 компрессора. Остов турбокомпрессора состоит из трех изготовленных из чугуна корпусных деталей: корпуса 2 компрессора, выхлопного корпуса 8 и газоприемного корпуса 11. Корпус 2 компрессора может изготавливаться из алюминиевого сплава. Газоприемный 11 и выхлопной 8 корпусы изготавливаются сварно-литыми из стали или литыми из серого чугуна. Они центрируются между собой посадочными буртами и соединены фланцами. Корпус 2 компрессора имеет входное отверстие для воздуха и спиральный канал, по которому воздух, сжатый в колесе 3 компрессора и диффузоре 4, направляется в систему воздухоснабжения дизеля. В центральной части корпуса 2 компрессора имеется полость, в которой монтируется опорно-упорный подшипник и уплотнение компрессора. Корпус 2 компрессора имеет фланец для подсоединения трубопровода отсоса газов из картера двигателя. На корпусе 2 компрессора установлена аварийная захлопка для защиты дизеля от разноса. Газоприемный корпус 11 имеет два канала, по которым газы из выхлопного коллектора дизеля направляются в турбину. В центральной части газоприемного корпуса 11 расположены уплотнения компрессора, препятствующие утечкам сжатого воздуха из компрессора в газовую полость выхлопного корпуса 8. Отработавшие в турбине газы через выхлопной корпус 8 удаляются в атмосферу. В центральной части выхлопного корпуса 8 находится полость, в которой монтируется опорный подшипник 9 и уплотнение турбины. Газоприемный 11 и выхлопной 8 корпусы охлаждаются водой из системы охлаждения дизеля. Ротор состоит из рабочих колес турбины 7 и компрессора 3, имеющих общий вал 5. Лопатки колеса 7 турбины соединены с диском с помощью "елочных замков", что позволяет заменять отдельные лопатки в случае их повреждения. Диск и лопатки колеса 7 турбины изготовлены из специальных жаропрочных сталей. На валу ротора 5 установлены колесо 3 компрессора и спаренный с ним вращающийся направляющий аппарат (ВНА), изготовленные фрезерованием из деформируемого алюминиевого сплава. Колесо 3 компрессора установлено на валу 5 с зазором и вместе с ВНА фиксируются от проворачивания, колесо 3 - штифтами, а ВНА - шлицами, а от осевого смещения - гайкой. Вал 5 ротора по концам имеет закаленные цапфы, работающие в подшипниках 9 и 12 скольжения. На конце вала 5 со стороны компрессора установлена пята (не показана). Она имеет закаленную рабочую поверхность, через которую осевые усилия, действующие на ротор в направлении от турбины к компрессору, передаются на подпятник. На наружной цилиндрической поверхности пяты выполнена левая резьба, которая используется для навертывания съемника при снятии и установке пяты. Шайба, закрепленная гайкой, ограничивает осевое перемещение (люфт ротора) в подшипнике. Подшипники 9 и 12 служат опорами ротора. Подшипник 9, расположенный со стороны компрессора, является опорно-упорным, то есть он воспринимает как радиальные, так и осевые усилия. Он состоит из стального корпуса, втулки из высокооловянистой бронзы, упругой опоры и подпятника. Подшипник 9, расположенный со стороны турбины, является опорным и состоит из стального корпуса и втулки из высокооловянистой бронзы. Радиальный зазор между втулкой и корпусом в упомянутых подшипниках 9 и 12 при работе заполняется маслом и служит для демпфирования колебаний ротора. Масло к подшипникам подается из системы смазки двигателя. Снаружи полости подшипников 9 и 12 закрыты крышками. Уплотнения отделяют полости этих подшипников от внутренних полостей компрессора и турбины (не показано). Уплотнение компрессора препятствует уносу масла из полости опорно-упорного подшипника 9 в компрессор. Уплотнение турбины препятствует прорыву горячих газов из турбины в полость подшипника и предотвращает попадание масла из полости подшипника в турбину. Сопловой аппарат является элементом проточной части турбины. Горячие газы, проходя неподвижные направляющие лопатки соплового аппарата и приобретая высокую скорость и нужное направление, попадают на лопатки колеса 7 турбины. Сопловой аппарат состоит из соплового венца 10, несущего неподвижные лопатки, и охватывающего его кожуха 6. Диффузор 4 представляет собой диск с лопатками, образующими решетку. Уплотнительная набивка компенсирует зазоры между диффузором 4 и газоприемным корпусом 11, а также выполняет роль уплотнительной прокладки.The main parts of it are the skeleton, rotor, bearings, seals, nozzle apparatus, diffuser. The turbocharger is designed in a non-console manner. The air inlet pipe 1 is mounted on the compressor housing 2. The core of the turbocharger consists of three body parts made of cast iron: the compressor housing 2, the exhaust housing 8 and the gas intake housing 11. The compressor housing 2 can be made of aluminum alloy. Gas intake 11 and exhaust 8 bodies are made of welded-cast steel or cast of gray cast iron. They are centered among themselves by landing collars and are connected by flanges. The compressor housing 2 has an air inlet and a spiral channel through which air compressed in the compressor wheel 3 and the diffuser 4 is sent to the diesel air supply system. In the central part of the compressor housing 2 there is a cavity in which the thrust bearing and compressor seal are mounted. The compressor housing 2 has a flange for connecting the exhaust gas pipe from the crankcase. An emergency shut is installed on the compressor housing 2 to protect the diesel engine from spacing. The gas intake housing 11 has two channels through which gases from the exhaust manifold of the diesel are directed to the turbine. Compressor seals are located in the central part of the gas intake housing 11, preventing leaks of compressed air from the compressor into the gas cavity of the exhaust housing 8. The exhaust gases in the turbine through the exhaust housing 8 are discharged into the atmosphere. In the central part of the exhaust housing 8 there is a cavity in which the thrust bearing 9 and the turbine seal are mounted. The gas inlet 11 and exhaust 8 buildings are cooled by water from a diesel cooling system. The rotor consists of the impellers of the turbine 7 and the compressor 3 having a common shaft 5. The blades of the turbine wheel 7 are connected to the disk using “Christmas-tree locks”, which allows you to replace individual blades in case of damage. The disk and blades of the turbine wheel 7 are made of special heat-resistant steels. On the shaft of the rotor 5, a compressor wheel 3 and a rotary guide vane (VNA) paired with it are installed, made by milling from a deformable aluminum alloy. The compressor wheel 3 is mounted on the shaft 5 with a clearance and together with the BHA are fixed against rotation, the 3 wheel with pins and the BHA with splines, and with axial displacement with a nut. The rotor shaft 5 at the ends has hardened trunnions operating in bearings 9 and 12. At the end of the shaft 5, a heel (not shown) is installed on the compressor side. It has a hardened working surface through which axial forces acting on the rotor in the direction from the turbine to the compressor are transmitted to the thrust bearing. The left thread is made on the outer cylindrical surface of the heel, which is used to wind the puller when removing and installing the heel. A washer secured by a nut limits axial movement (rotor play) in the bearing. Bearings 9 and 12 serve as rotor bearings. The bearing 9, located on the compressor side, is support-thrust, that is, it perceives both radial and axial forces. It consists of a steel body, a sleeve made of high tin bronze, an elastic support and a thrust bearing. The bearing 9, located on the turbine side, is support and consists of a steel casing and a sleeve made of high tin bronze. The radial clearance between the sleeve and the housing in said bearings 9 and 12 during operation is filled with oil and serves to damp rotor vibrations. Oil is supplied to bearings from the engine lubrication system. Outside, the bearing cavities 9 and 12 are closed by covers. Seals separate the cavities of these bearings from the internal cavities of the compressor and turbine (not shown). The compressor seal prevents the entrainment of oil from the cavity of the thrust bearing 9 into the compressor. The turbine seal prevents the breakthrough of hot gases from the turbine into the bearing cavity and prevents oil from entering the bearing cavity into the turbine. The nozzle apparatus is an element of the flow part of the turbine. Hot gases passing through the stationary guide vanes of the nozzle apparatus and acquiring high speed and the desired direction, fall on the blades of the turbine wheel 7. The nozzle apparatus consists of a nozzle rim 10 carrying stationary blades and a casing 6 covering it. The diffuser 4 is a disk with blades forming a grate. The sealing gasket compensates for the gaps between the diffuser 4 and the gas intake housing 11, and also acts as a gasket.

Устройство по предлагаемому изобретению работает следующим образом. Турбокомпрессор устанавливают на двигателе. Выхлопные газы с выхлопного коллектора дизеля (не показано) попадают в газоприемный корпус 11 турбокомпрессора. Они проходят через лопаточный сопловый аппарат 10, где им неподвижными лопатками соплового аппарата задается угол, под которым они попадают на лопатки колеса 7 турбины, поворачивая колесо. Потенциальная энергия давления выхлопных газов в сопловом аппарате турбокомпрессора преобразуется в кинетическую энергию направленного потока газов, которая преобразуется в механическую энергию вращения колеса турбины. Крутящий момент от колеса 7 турбины через вал 5 ротора передается на колесо 3 компрессора, которое при вращении обеспечивает всасывание воздуха из окружающей среды через воздухоприемный патрубок 1 в корпус 2 компрессора (улитку). Затем воздух подается в холодильник дизеля (не показано). На корпусе 2 компрессора установлена воздушная захлопка, предназначенная для автоматического перекрывания воздуха в случае разноса дизеля (при повышении давления масла в масляной магистрали дизеля на это реагирует мембрана, связанная с воздушной захлопкой).The device according to the invention works as follows. The turbocharger is mounted on the engine. The exhaust gases from the exhaust manifold of the diesel engine (not shown) fall into the gas intake housing 11 of the turbocharger. They pass through the blade of the nozzle apparatus 10, where they are fixed with the fixed blades of the nozzle apparatus the angle at which they fall on the blades of the turbine wheel 7, turning the wheel. The potential pressure energy of the exhaust gases in the nozzle apparatus of the turbocompressor is converted into kinetic energy of the directed gas flow, which is converted into mechanical energy of rotation of the turbine wheel. The torque from the turbine wheel 7 through the rotor shaft 5 is transmitted to the compressor wheel 3, which, when rotated, provides air intake from the environment through the air inlet pipe 1 to the compressor housing 2 (scroll). Then air is supplied to the diesel refrigerator (not shown). An air shut is installed on the compressor housing 2, designed to automatically shut off air in the event of a diesel spacing (with an increase in oil pressure in the diesel oil line, a membrane connected to the air shut responds to this).

В результате конструктивного исполнения предлагаемого изобретения по бесконсольной схеме обеспечивается разборка и замена подшипников без снятия турбокомпрессора с дизеля и полной разборки (в отличие от прототипа). При ремонте и обслуживании турбокомпрессора не требуется дополнительных устройств и принадлежностей. Кроме того, это обеспечивает уменьшение потерь на трение в подшипниках за счет уменьшения диаметра шеек вала ротора и втулок подшипников. Осевое исполнение узлов турбокомпрессора обеспечивает меньшую трудоемкость при изготовлении, повышает удобство при ремонте турбокомпрессора за счет облегчения доступа к подшипниковым узлам. Вынесение подшипников из наиболее нагреваемой зоны турбокомпрессора (в прототипе они располагались в газоприемном корпусе) в выхлопной корпус и корпус компрессора улучшает условия работы подшипников и увеличивает срок их службы. Корпус компрессора выполняется в виде одной детали, что упрощает технологию и снижает трудоемкость при ремонте.As a result of the design implementation of the invention according to the non-console scheme, disassembly and replacement of bearings without removing the turbocharger from the diesel engine and complete disassembly (in contrast to the prototype) is provided. When repairing and maintaining a turbocharger, no additional devices or accessories are required. In addition, this provides a reduction in friction losses in bearings by reducing the diameter of the necks of the rotor shaft and bearing bushings. The axial design of the turbocompressor units provides less laboriousness in manufacturing, increases the convenience in repairing the turbocompressor due to easier access to the bearing units. The removal of bearings from the most heated zone of the turbocharger (in the prototype they were located in the gas intake housing) into the exhaust housing and the compressor housing improves the working conditions of the bearings and increases their service life. The compressor housing is made in one piece, which simplifies the technology and reduces the complexity of the repair.

В качестве примеров конкретного исполнения можно указать следующее. Выполнение корпуса компрессора, газоприемного и выхлопного корпуса обеспечивают литьем из чугуна марки СЧ20. Воздухоприемный патрубок выполняют литьем из алюминиевого сплава АК9Ч. Лопатки турбины и сопловые лопатки изготовляют литьем из жаропрочной стали ЖС6К, колесо компрессора - из алюминиевого сплава АК6. Остальные детали получают путем механической обработки, поковки, термообработки и сварки в условиях обычного машиностроительного предприятия.As examples of specific performance, you can specify the following. The execution of the compressor casing, gas intake and exhaust casing is provided by casting of cast iron grade SCH20. The air inlet pipe is cast by AK9Ch aluminum alloy. Turbine blades and nozzle blades are made by casting from heat-resistant steel ZhS6K, and the compressor wheel is made of AK6 aluminum alloy. The remaining parts are obtained by machining, forging, heat treatment and welding in a conventional machine-building enterprise.

Таким образом, как видно из вышеописанного, именно совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения позволяет обеспечить технический результат, выраженный в повышении удобства обслуживания и улучшении условий эксплуатации.Thus, as can be seen from the above, it is the totality of the essential features of the present invention that can provide a technical result, expressed in improving serviceability and improving operating conditions.

Claims (3)

1. Турбокомпрессор, содержащий рабочее колесо с лопатками, лопаточный сопловой аппарат с кожухом, газоприемный корпус, выхлопной корпус, компрессор с воздухоприемным патрубком, причем рабочие колеса турбины и компрессора насажены на один вал и установлены с возможностью вращения на подшипниковых опорах, отличающийся тем, что корпус компрессора выполнен в виде одной детали с закрепленными на нем фасонной вставкой и диффузором, выхлопной корпус выполнен в виде отдельной детали, причем узел опорно-упорного подшипника расположен в корпусе компрессора, а узел опорного подшипника расположен в выхлопном корпусе.1. A turbocharger containing an impeller with blades, a blade nozzle apparatus with a casing, a gas intake housing, an exhaust housing, a compressor with an air intake pipe, the impellers of the turbine and compressor mounted on one shaft and mounted for rotation on bearing bearings, characterized in that the compressor housing is made in the form of a single part with a shaped insert and diffuser fixed to it, the exhaust housing is made as a separate part, and the thrust bearing assembly is located in the housing ompressora and bearing assembly is disposed in the exhaust casing. 2. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что лопаточный сопловой аппарат выполнен в виде одной детали.2. The turbocharger according to claim 1, characterized in that the blade nozzle apparatus is made in one piece. 3. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что газоприемный корпус выполнен в виде отдельной детали.3. The turbocharger according to claim 1, characterized in that the gas intake housing is made in the form of a separate part.