Турбокомпрессор

опи АНИЕ ИЗОБРЕТЕН К ПАТЕ сти ститут строении, в констатепей внутреннетения; турбокомпессорные лопатки 2; которые размеКомитет Российской Федераци по патентам и товарным знака(57) Использование: в двигателерукциях турбокомпрессоров двигго сгорания.- Сущность изобререссор имеет радиальные компр1 и осевые турбинные лопатки(в) ЮУ (11) 51) 5 Р 02 С 6 12 Г 04025 щены соответственно на нэружнои и внутреннеи поверхностях полого цилиндра 3, выполняющего одновременно роль компрессорного и турбинного колес Свободные концы лопаток 2 продлены до оси вращения и скреплены между собой. Подводящий патрубок 6 и выходной патрубок 7 установлены соосно оси вращения, причем в патрубке 6 концентрично ему установлена подвижная подпружиненная втулка 13, которая имеет фигурные отверстия 14, рычаг 15 и направляющий сопловой ап-. парат 16 в виде лопаток радиально сходящихся к центру, скрепленных вместе и повернутых в сторону, противоположную лопаткам 2. 3 зпф-пы, 2 ип.Изобретение относится к двигателестраению и может быть использовано в конструкциях турбакампрессоров двигателей внутреннего сгорания,Известны турбакампрессары Я с внешним расположением подшипников (бесконсольная схема), содержащие колеса турбины и компрессора, вал, соединяющий оба колеса, корпуса турбины и компрессора, подшипники, расположенные снаружи турбинного и компрессорнога колес, К преимуществам такой конструкции относятся простота монтажа и обслуживания, малый теплоотвод к подшипникам.Недостатками известной конструкции являются большие габаритная длина, изгибные нагрузки на вал, масса ротора и соответственно инерционность его, а также эаграмаждение потока воздуха и отработавших газов подшипникавыми узлами и соответственно повышенные потери энергии.Известен также турбокампрессар (21 с внутренним расположением опор (двухконсольная схема). Турбокампрессор содержит колеса турбины и турбакампрессора, вал, соединяющий оба колеса, корпуса турбины и компрессора, подшипники, расположенные между турбиной и компрессором, Колеса турбины и компрессора могут быть радиальными и осевыми.Недостатками известной конструкции являются гидравлические потери, связанные с загромождением воздушного и газо- вага патока элементами ротора (вал, гайки); гидравлические потери, обусловленные поворотам отработавших газов (воздуха) на различные углы (от 90 до 180), и соответственно более низкий КПД турбокомпрессора; высокая трудоемкость балансировки ротора по причине малого расстояния между подшипниками ротора; наличие изгибных моментов на валу; большие осевые габариты.Известен также турбокампрессор Щ, содержащий компрессорное и турбинное колеса, расположенные концентрично.Недостатками известной конструкции являются наличие поворотов газового потока, невысокая прочность лопаток, выполненных в виде консоли, трудность автоматизации перепуска отработавших газов.Наиболее близким к изобретению по технической сущности (протатипом) является турбокомпрессор, содержащий подшипники, турбинное и компрессорное колеса, которые выполнены совмещенными и представляют собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого установлены осевые турбинные лопатки, расположенные по радиусам цилиндра и образующие турбинное колесо, а на наружной поверхности установлены компрессорные лопатки, образующие компрессор с кольцевым входом воздушного потока (4).5 Турбинное колесо выполнено заодно иканцентрично с компрессорным, при этом внутренняя поверхность цилиндра расположена между подводящим и выходным патрубками отработавших газов, которые 0 жестко прикреплены к корпусу компрессорас помощью направляющих лопаток.Недостатками известной конструкцииявляются невысокие жесткость и прочность турбинного и компрессорного колес, т.к. ло патки выполнены консольными; большиеэнергетические потери отработавших газов в связи с наличием нескольких струй и их смещением до прихода на турбинные лопатки, а также в связи с несогласованностью 20 формы струи с формой кольцевого подводак лопаткам турбины; конструктивная трудность осуществления перепуска отработавших газов, большие осевые нагрузки.28 Целью изобретения является повышение прочности и эфФективности работы турбокомпрессара, снижение энергетическихпотерь отработавших газов; автоматизацияперепуска отработавших газов,30 Поставленная цель достигается тем, чтов турбокомпрессоре, содержащем корпус иустановленный в нем ротор, выполненный ввиде полого цилиндра, на наружной поверхности которага установлены компрессорЗБ нце лопатки; а на внутренней - турбинныелопатки, подводящий и выходной патрубкитурбины, жестко прикрепленные к корпусупри помощи направляющих лопаток компрессора, согласно изобретению турбинные40 лопатки продлены до оси вращения искреплены между собой, подводящий и выходнойпатрубки турбины установлены соасна осивращения и в них и полом цилиндре выполнены перепускные каналы, Подводящий45 патрубок турбины снабжен концентричноустановленной в нем с возможностью пово.рота подпружиненной втулкой с размещенными на ее внутренней поверхностирадиальными лопатками со скрепленными60 между собой внутренними концами и выполненными в ее цилиндрической поверхности перепускными отверстиями,сообщенными с перепускными каналамиподводящего патрубка, полого цилиндра и55 выходного патрубка.Кроме того, с целью повышения эффективности перепуска газа стенки перепускных каналов выполнены в виде лопаток,повернутых относительно оси вращения всторону, противоположную турбинным ло 20038205 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 паткам, с образованием тормозного венца,канцентричного оси вращения.С целью уравновешивания осевой силыпри выполнении рабочего колеса компрессора центробежным одностороннего видавходной патрубак расположен со стороньподводящего патрубка,При выполнении рабочего колеса компрессора центробежным двустороннего видатурбокомпрессор снабжен дополнительным входным патрубком, установленнымсимметрично основному патрубку.Сравнительный анализ с прототипомпоказывает, что заявляемое устройство отличается тем, что турбина и комп. рессор выполнены в виде одного колеса, а также тем,что в подводящем патрубке турбины соосноему установлена подпружиненная втулка снаправляющим сапловым аппаратом в видеустановленных на ее внутренней поверхности лопаток, радиально сходящихся к центру и скрепленных вместе,Таким образом, заявляемое устройствосоответствует критерию изобретения "новизна".Известно применение полых цилиндров в виде корпуса турбины, внутри которыхразмещены турбинные колеса 2). Однако вданном случае лопатки турбины размещенына валу, который загромождает поток отработавших газов (особенно при осевой турбине), что вызывает повышенныегидравлические потери и снижение КПДтурбокомпрессара. Известно также применение монороторных турбокомпрессаров,когда турбинные и компрессарные колесаизготовлены заодно (Орлин А,С, и др. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. М.; Машиностроение,1970). Однако и в этом случае отработавшиегазы и воздух имеют повороты более 90 и,загромождены деталями турбакампрессора, что снижает его КПД. В предлагаемомтехническом решении турбина и компрессор не разнесены на разные концы вала, чтаустраняет недостатки известных конструкций. Зто позволяет сделать вь 1 вод о соответствии технического решения критерию"существенные отличия",На фиг.1 изображен разрез турбокомпрессора по оси вращения ротора; на фиг.2 -разрез А-А на фиг.1.Предлагаемый турбокомпрессар имеетротор, представляющий собой радиальныекомпрессорные 1 и осевые турбинные 2 лопатки, размещенные соответственно на наружной и внутренней поверхностях пологоцилиндра 3, выполняющий одновременнороль компрессорного и турбинного колес.Свободные концы турбинных лопаток 2 продлены до оси вращения цилиндра 3 и скреплены вместе,Цилиндр 3 установлен на подшипниках 4. Для восприятия осевых усилий имеются стопорные кольца 5, установленные на внутренней поверхности цилиндра 3 и наружной поверхности подводящего б и выходного 7 патрубков. Внутренние кольца подшипников 4 надеты на патрубки 6 и 7, поэтому цилиндр 3 с лопатками 1 и 2 может вращаться относительно патрубков,Подводящий б, выходной 7 патрубки и цилиндр 3 установлены соосно, На внутрен ней поверхности цилиндра 3 имеются также уплотнения в виде пружинных колец 8, что предотвращает попадание отработавших газов к подшипникам. Уплотнения могут быть выполнены любыми другими, однако,должны обеспечивать уплотнение и иметь малые габариты. Корпус 9 компрессора жестко связан с неподвижными подводящим б и выходным 7 патрубками с помощью направляющих лопаток 10, служащих в качестве силовых элементов и обеспечивающих закрутку воздушного потока для безударного охода воздуха. Форма лопаток 10 выбирается наиболее оптимальной с аэродинамической точки зрения. Корпус 9 компрессора имеет полость 11, выполненную в виде улитки для отвода воздуха,Для устранения осевых саставгяющих газовых сил вазикает на турбинных лопатках и передаются на подшипники 4) компрессор имеет входной патрубак, расположенный са стороны подводящего патрубка б турбины, в результате чего осевые составляющие уравновешиваются, В этом случае лопатки 10 и 1 справа ат оси симметрии убираются, а корпус 9 изготавливается с минимально возможным зазором относительно цилиндра 3 для предотвраце 11 ия утечек воздуха, Образовавшееся отверстие закрывается фланцем,Внутри подводящего патрубка б. Име 1 ощего радиальные отверстия 12, канцентри 1- чо ему установлена подвижная втулка 13, имеющая радиальные фигурные отверстия 14, рычаг 15 и направлгпощий саг 1 лавай аппарат 16 в виде лопаток, радиально схадящихся к центру, скрепленных вместе.и повернутых в сторону, пративапслажну 1 О турбинным лопаткам 2, Пад действием силы предварительнага натяжения пружины 17, Одним ка 1 цам саеди 1 Ф 1 най с подводя 1 и 1 патруОкам О, Й друг 11 м с рычагам 1 , 5 тул,а 13 устанавливается в крайнее положе 111 е так, чта отверстия 12 и 14 не совпадают, Прл повороте втулки 13 в подводящем па; убке б под вазде 1,свием отработавших газов 11 а лопатки направляющего ап 11 арзта 16) про2003820 5 10 15 га 25 30 35 50 тив часовой стрелки (фиг.2) отверстия 12 и 14 совмещаются.Форма отверстий 12 и 14 должна обеспечивать заданную характеристику перепуска.В выходном патрубке 7 имеются наклонные радиальные отверстия 18,Количество отверстий 12, 14 и 18 должно удовлетворять .необходимому расходу перепускаемых газов.Внутри цилиндра 3 выполнены перепускные каналы 19, соединяющие внутренние полости подводящего 6 и выходного 7 патрубков через совмещенные отверстия 12 и 14 и отверстия 18.Стенки перепускных каналов 19 могут быть выполнены в виде тормозных лопаток 20, повернутых в сторону, противоположную повороту турбинных лопаток 2, образующих тормозное колесо, расположенное соосно и концентрично цилиндру 3.Пружина 17 находится в потоке поступающего воздуха для ее охлаждения и снижения температурных воздействий на ее упругость.Турбокомпрессор работает следующим образом, Отработавшие газы от выпускнойтрубы двигателя подаются к подводящему латрубку 6. Проходя направляющий аппарат 16, между турбинными лопатками 2 и далее по выходному патрубку 7, газы вращают цилиндр 3, связанный с лопатками 2, в результате чего вращаются и компрессорные лопатки 1, Осуществляя нагнетание воздуха в полость 11 и далее в цилиндры двигателя, При этом отверстия 12 и 14 не совмещены.При увеличении расхода отработавших газов они с большой силой воздействуют ка лопатки направляющего аппарата 16 и создают вращающий момент, направленный против часовой стрелки фиг,2), Как только этот момент превысит момент, создаваемый силой предварительного натяжения пружины 17, втулка 13 повернется против Формула изобретения 1. ТУРБОКОМЛ РЕССОР, содержащий корпус и установленный в нем ротор, выполненный в аиде полого цилиндра, на наружной поверхности которого установлены компрессорные лопатки, а на внутренней- турбинные лопатки, подводящий и выходной патрубки турбины, жестко прикрепленные к корпусу при помощи направляющих лопаток компрессора, входной и нагнетательный патрубки компрессора, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, турбинные лочасовой стрелки,.и отверстия 12 и 14 совместятся. Часть отработавших газов, минуя турбинные лопатки 2, пройдет через совмещенные отверстия 12 и 14, перепускные каналы 19. отверстие 18 и далее по выходному патрубку 7, В этом случае расход отработавших газов через турбинные лопатки 2 уменьшается, следовательно, снижается частота вращения цилиндра 3, соединенного с турбинными лопатками 2. В результате уменьшается нагнетание воздуха в полость 11, что и требуется при перепуске отработавших газов.При установке в перепускных каналах 19 тормозных лопаток 20 перепускаемые отработавшие газы, проходя через отверстия 14 и 12, воздействуют на тормозные лопатки 20, что приводит к большему эффекту снижения частоты вращения цилиндра 3, и соответственно более значительному уменьшению нагнетания воздуха в полость 11.Силой предварительного натяжения пружины 17 устанавливается момент начала перепуска отработавших газов.Таким образом, предложенная конструкция позволяет сократить гидравлические потери на 1520 О, повысить срабатываемую располагаемую работу и улучшить КПД турбокомпрессора на 24,Применение автоматического перепуска отработавших газов позволяет повысить коэффициент приспособляемости двигателя свыше 1,4;(56) Степанов Г,Ю. Основы теории лонаточных машин комбинированных и газотурбинных двигателей, М.: 958.Авторское свидетельство СССР М 1177522, кл. Р 02 С б/12, опубли к. 1985. Патент США ЬЬ 3892069, кл. 1=02 КЗ/О 2,опублик, 1975,Скубачевский Г.С, Авиационные газотурбинные двигатели, Конструкция и расчет 45 деталей, М,: Машиностроение, 1981. патки продлены до оси вращения и скреплены между собой, подводящий и выходной патрубки турбины установлены соосно с осью вращения и в них и в полом цилиндре выполнены перепускные каналы, подводящий патрубок турбины снабжен концентрична установленной в нем с возможностью поворота подпружиненной втулкой с размещенными на.ее внутренней поверхности радиальными лопатками са скрепленными между собой внутренними концами и выполненными в ее цилиндричческой поверхности перепускными атвер10 2003820 оставитель А.Сви ехред М,Моргента ректор ЛЛивринц дактор Н.Цалих Заказ 331 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 стиями, сообщенными с пере пускными каналами подводящего патрубка, пологоцилиндра и выходного патрубка,2, Турбокомпрессор по п,1, отличающийся тем, что,.с целью повышенияэффективности перепуска газа, стенки перепускных каналов выполнены в виде лопаток, повернутых относительно оси вращения в сторону, противоположную турбинным лопаткам, с образованием тормозного венца, канцентричного оси вращения.3, Турбокомпрессор по п,1, отличающийся тем, что, с целью уравновешиванияФ осевой силы при выполнении рабочего колеса компрессора центробежным одностором нето вида, входной патрубок расположен со стороны подводящего патрубка.4, Турбокомпрессор по п,1, отличающийся тем, что, с целью уравновешивания осевой силы при выполнении рабочего ко леса коМпрессора центробежным двустороннего вида, турбокомпрессор снабжен дополнительным входным патрубком, установленным симметрично основному патрубку15