Устройство турбокомпрессоров для судовых и стационарных двигателей

Для судовых и стационарных двигателей могут применяться турбокомпрессоры как с осевой, так и с радиальной турбиной, в зависимости от мощности двигателя и условий эксплуатации.

Турбокомпрессоры типа ТКР, применяемые на судовых двигателях, принципиально мало отличаются от рассмотренных для наддува автомобильных двигателей. В основном отличие связано с отсутствием перепускных клапанов в газовом тракте, что связано с особенностями режимов работы судовых и стационарных двигателей (они работают по винтовым или нагрузочным характеристикам). Кроме того, для судовых и стационарных двигателей возможно применение относительно больших типоразмеров (до ТКР23 и выше), что связано с более высокой мощностью двигателей. Соответственно для них могут быть более развиты подшипниковые узлы и узлы уплотнений, а также повышена жёсткость ротора. Более подробное рассмотрение особенностей ТКР для судовых и стационарных ДВС в данном пособии, учитывая его назначение, не представляется целесообразным.

Рассмотрим далее устройство турбокомпрессоров типа ТК. Общая компоновка таких агрегатов может быть выполнена практически по любой из схем, приведенных на рис….. Турбокомпрессоры с консольным расположением подшипников обладают наибольшими габаритами, но, одновременно, обеспечивают наилучшие условия для работы подшипников. По таким схемам турбокомпрессоры изготавливают в России, в Швейцарии, В США и ряде других стран.

В качестве примера подобной конструкции рассмотрим турбокомпрессор типа ТК30 конструкции СКБТ (г. Пенза, Россия). Основными частями турбокомпрессора (рис.27) явля­ются остов, ротор, подшипниковые узлы и узлы уплотнений. Остов турбокомпрессора

Состоит из трёх корпусных частей и теплоизоляционного кожуха 6. Корпусные детали, составляющие остов турбокомпрессора (корпус газоприёмный 13, корпус выхлопной 10 и корпус компрессо­ра 1), соединены между собой круглыми фланцами и центрирова­ны посадочными буртами. Такая конструкция остова позволяет собирать корпусы в различных взаимных положениях с поворо­том через каждые 30°, что бывает необходимо при различных компоновках турбокомпрессора на тех или иных двигателях, ес­ли по каким-либо причинам необходимо изменить взаимное по­ложение корпусных деталей. Корпус газоприёмный, выхлопной и корпус компрессора представляют собой фасонные отливки из чугуна или алюми­ниевого сплава. Первые два, омываемые во время работы горя­чими газами, имеют водяную рубашку, в которой циркулирует вода из системы охлаждения двигателя.

Корпус газоприемный, в зависимости от числа выхлопных коллекторов, подводящих газ к турбине, выполняется с одним, двумя и четырьмя входными каналами.

Корпус компрессора, в зависимости от конструкции двигате­ля, выполняется с одним или двумя выходными патрубками.

В центральной части корпуса газоприёмного и корпуса комп­рессора расположены конические вставки с полостями для размещения подшипников, которые закрыва­ются крышками 15. К фланцам выхлопного корпуса крепятся кронштейны 20 в виде лап, которыми турбокомпрессор устанавливается на дви­гателе. Кожух теплоизоляционный 6 выполняет несколько функций:

а) защищает вал ротора от теплового излучения горячих газов;

б) вместе с кожухом соплового аппарата 8 образует канал, двигаясь по которому газы совершают поворот и направляются в сторожу выхлопного отверстия;

в) изолирует полости компрессора от горячих полостей турбины.

Кожух теплоизоляционный состоит из кожуха ротора 19 и экрана 18, соединяемых болтами с лабиринтом колеса 21, кото­рый крепится к выхлопному корпусу с помощью восьми винтов. Все эти три элемента разъемные, что позволяет производить их сборку и разборку без снятия колеса компрессора 2 с вала ро­тора.

Плоскости разъема этих элементов повернуты относительно друг друга на 90°; таким образом, каждый элемент является свя­зующим звеном для соседнего. В корпусах турбокомпрессора сформированы газовый и воздушный каналы, обеспечивающие работу компрессорной и турбинной части.

Воздушный канал сформирован в корпусе компрессора. Входной участок канала выполнен в виде конического конфузора. Центральная часть входного участка заполнена конической вставкой 23, в которой располагается полость для крепления упорно-опорного подшипника. Эта вставка установлена в центре участка на трёх плоских рёбрах. Плоскости рёбер ориентированы параллельно оси ротора, рёбра расположены относительно друг друга под углом 120^о и не мешают осевому входу воздуха на колесо компрессора.

Рис 27. Турбокомпрессор типа ТК 30

Участок проточной части компрессора между входом и выходом рабочего колеса ограничен с одной стороны межлопаточными каналами колеса, а с передней части – фигурной корпусной вставкой 22. Поверхность корпусной вставки, обращённая к колесу, эквидистантна профилю лопастей колеса в меридианном сечении со стороны всасывания. Между вставкой и лопастями колеса устанавливается минимальный зазор. Следующий участок проточной части компрессора между колесом и спи­ральной улиткой, в котором происходит снижение скорости при одновременном повышении давления и температуры воздуха, называется дуффузором. В данном турбокомпрес­соре применяются два типа диффузоров: безлопаточный (или щелевой) и лопаточный.

Безлопаточный диффузор представляет собой сравнительно короткий участок щели между двумя неподвижными дисками. Он начинается непосредственно за колесом компрессора и заканчивается входом в лопаточный диффузор. Наличие безлопаточного диффузора обязательно для выравнивания потока воздуха перед входом на лопатки лопаточного диффузора. Кроме того, здесь происходит снижение скорости потока воздуха до дозвукового значения, если абсолютная скорость воздуха за колесом превышает скорость звука.

Лопаточный диффузор 4 (рис. 27) также представляет собой участок щели между дисками, в которой расположены направляющие лопатки, образующие решетку аэродинамических профилей. Благодаря решетке траек­тория движения частиц воздуха в диффузоре делается значитель­но короче, чем в аналогичной щели без лопаток, что приводит к сокращению газодинамических потерь, поэ­тому компрессор с лопаточным диффузором обладает более вы­соким КПД на расчётном режиме. Вставные диски, между которыми размещаются каналы безлопаточного и лопаточного диффузоров, зажима­ются между вставкой 22 и упругим резиновым кольцом 5 и фиксируются от проворачивания штифтом. Улитка – воздухосборник выполнена в виде литого канала в компрессорном корпусе. Щелевой приёмный канал улитки охватывает выход из лопаточного диффузора, далее воздух в сложном спиральном движении направляется по расширяющемуся каналу улитки в сторону нагнетательного патрубка. Канал улитки в сечении имеет вид окружности, центр которой смещён в сторону всасывания компрессора относительно оси воздушного канала колеса на выходе и одновременно приближен к оси вращения.

Газовые каналы формируются в газоприёмном и газоотводном корпусах. В газоприёмном корпусе размещаются спиральные газоприёмные улитки, отлитые заодно с корпусом. Эти улитки охватывают всю или часть окружности соплового аппарата в зависимости от числа отверстий в газоприёмном корпусе, выполненных для подводов газовыпускных коллекторов. Вся окружность охватывается при одном подводе, половина для двух подводов, 1/3 для трёх и 1/4 окружности для четырёх. Улитки охлаждаются водой, циркулирующей в полости охлаждения. Такое решение нельзя признать современным. В более совершенных конструкциях турбокомпрессоров между стенками улиток и охлаждающей водой выполняется газовый или воздушный зазор, чтобы снизить непроизводительные потери энергии газов в охлаждающую жидкость из-за технологического охлаждения корпусной конструкции. Выходные отверстия улиток выходят на плоскость сечения входа соплового аппарата турбины.

Неподвижный лопаточный венец 12, расположенный перед рабочими лопатками турбины, называется сопловым аппаратом. В сопловом аппарате происходит преобразование потенциаль­ной и внутренней энергии газов в кинетическую. Лопаточный венец соплового аппарата может отливаться за одно целое с внутренним кольцом или свариваться из отдельных лопаток, а также может набираться из отдельных секторов. За внутрен­нее кольцо сопловой аппарат крепится болтами к газоприемно­му корпусу.

Снаружи сопловой аппарат и колесо турбины охватывает чугунный или стальной кожух 8, который удерживает наружное кольцо соплового аппарата, не препятствуя его термическим расширениям, предотвращает утечку газа из турбинного колеса в радиальном направлении, а также обеспечивает безопасность в случае обрыва лопаток турбины. Кожух соплового аппарата 8, как и сопловой аппарат, крепится к газоприемному корпусу спе­циальными болтами.

Ротор турбокомпрессора 7 имеет вал сварной конструкции, состоящий из колеса турбины и приваренных к нему полувалов. Рабочие лопатки колеса турбины 9 крепятся к диску с помощью елочных замков, с помощью сварки или в некоторых случаях отливаются заодно с диском. Крепление с помощью елочных замков позволяет заменять отдельные лопатки в случае их пов­реждения. Диск и лопатки колеса турбины изготовляются из специальных жаропрочных сталей.

Колесо компрессора 2 изготовляется литьём из алюминиевого спла­ва. Оно плотно насажено на вал и разборке не подлежит, замена его возможна только в заводских условиях. Лопатки колеса на входе имеют отгиб в осевом направлении. Часть колеса, где есть этот отгиб, носит название вращающегося направляющего аппарата (ВНА). ВНА обеспечивает уменьшение входных потерь. На выходе из колеса лопатки имеют радиальное направление. Колесо полуоткрытое, поскольку межлопаточные каналы колеса со стороны всасывания открыты, а с противоположной стороны закрыты задним диском.

На диске колеса компрессора с тыльной стороны выполнены гребешки, которые с небольшим зазором сопрягаются с подобными гребешками на разъёмном неподвижном диске - лаби­ринте 21 и таким образом создают лабиринтное уплотнение, пре­пятствующее утечкам сжатого воздуха в газовую полость вы­хлопного корпуса. Лабиринтное уплотнение разграничивает область высокого давления на выходе из колеса и полость низкого давления, расположенную с тыльной поверхности диска колеса компрессора, ниже уплотнения, ближе к ротору. Низкое давление в упомянутой полости обеспечивается благодаря наличию уплотнения и соединению полости через кольцевую щель вдоль ротора с газоотводным каналом, где давление существенно ниже, чем за колесом. Соответственно величина осевого усилия на колесе компрессора от действия разницы статических давлений по обе стороны колеса изменится. Оно будет направлено в сторону всасывания компрессорного колеса, но станет меньше, чем при равномерно высоком давлении с тыльной стороны колеса. Такое распределение давлений по заднему диску колеса могло бы иметь место, если бы уплотнение располагалось не на тыльной стороне диска колеса, а запирало бы только кольцевую щель вдоль ротора. Следует иметь в виду, что осевое усилие создаётся не только на колесе компрессора, но и на колесе турбины. В конструкции данного турбокомпрессора усилие на турбинном колесе направлено, как и на колесе компрессора, в сторону всасывания компрессорного колеса. Изменение осевого усилия на колесе компрессора позволяет уменьшить суммарное осевое усилие на роторе, компенсируемое в рассматриваемой конструкции турбокомпрессора главным упорным подшипником.

Во время работы двигателя ротор турбокомпрессора делает от 25 до 32 тысяч оборотов в минуту (более высокие обороты относятся к меньшим типоразмерам и исполнениям высокого давления), поэтому при изготовлении ротор подвергается точ­ной динамической балансировке. Прогиб вала или другие пов­реждения ротора, которые ведут к нарушению балансировки, совершенно недопустимы, так как неизбежно приводят к выходу из строя подшипников, лабиринтов и к более тяже­лым авариям.

По концам ротор имеет закаленные ТВЧ цапфы, работающие в подшипниках. На конце ротора со стороны компрессора имеется пята 25 (рис. 4) в виде массивной плоской шайбы с кале­ной рабочей поверхностью, через которую осевые усилия, дейст­вующие на ротор в направлении от турбины к компрессору, передаются на торец упорного подшипника (рис. 4). Шайба 30, закрепленная гайкой 31, ограничивает осевой люфт ротора. Как пята 25, так и шайба 30 не могут проворачиваться относитель­но вала, т. к. этому препятствуют штифты. Гайка 31 стопорится замочной пластиной 32, изогнутой в виде «П». Один конец ее располагается в пазу шайбы 30, другой – в пазу гайки 31.

Подшипники и уплотнения

В унифицированных турбокомпрессорах применяются под­шипники скольжения. Ротор турбокомпрессора вращается в двух подшипниках, один из которых, 23, расположен в центральной вставке корпуса компрессора, другой, 14, – в центральной вставке газоприемного корпуса. Подшипник 23, расположенный со стороны компрессора, воспринимает радиальные и осевые усилия, т. е. яв­ляется опорно-упорным.

Подшипник (рис. 28) состоит из стального корпуса 27, имею­щего фланец с отверстиями для крепления, и запрессованной в него втулки 26 из высокооловянистой бронзы. Втулка 26 со стороны колеса компрессора имеет бурт (упорный торец), который воспринимает осевое усилие. На упорном торце выполнены радиальные канавки и скосы на образованных таким образом торцевых поверхностях упорных секторных подушек для создания гидродинамического слоя скольжения. Втулка застопорена винтом 29. На корпусе подшипника имеются два резьбовых отверстия для съемника, каналы для подвода смазки и сливные каналы для масла.

У некоторых модификаций турбокомпрессоров упорно-опор­ный подшипник имеет на боковой поверхности втулки продольную канавку, выходя­щую на упорный торец, с целью увеличения подачи смазки на упорную поверхность (эта канавка показана на рис.28). Подшипники с такой канавкой нельзя использовать в качест­ве чисто опорных, т. е. нельзя ставить со стороны турбины.

Для более напряженных турбокомпрессоров применяются опорно-упорные подшипники другой конструкции, имеющие повышенную несущую способность (рис. 29). В таком подшип­нике упорная часть представляет собой отдельный плоский подпятник 35 из высокооловянистой бронзы со смазочными канав­ками на рабочем торце, зафиксированный от проворачивания штифтом 39. Подпятник имеет упругую опору, состоящую из набора металлических пластин и слоя масла между ними, кото­рая служит для компенсации перекосов упорного торца, возни­кающих при монтаже и работе узла. При монтаже подшипник устанавливается так, чтобы слив­ные каналы располагались внизу. Масло к подшипнику подводится из системы смазки двигате­ля по штуцерам 16 (рис. 27).

Полости, в которых располагаются подшипники, как со сто­роны турбины, так и со стороны компрессора, отделены от внут­ренних полостей агрегата уплотнениями. Уплотнение со стороны компрессора препятствует уносу масла из полости подшипника в компрессор. Оно состоит из двух упругих колец типа поршневых (рис. 30) и лабиринтов, об­разуемых завальцованными в вал гребешками и запрессованной в корпус компрессора втулкой. В промежуток между кольцами и лабиринтами подводится воздух по сверлениям в корпусе и во втулке. В некоторых модификациях турбокомпрессора воздух подводится из улитки корпуса компрессора (как изображено на рис. 27), в других — из систем дизеля. Но как в том, так и в дру­гом случае, попадая между кольцами и лабиринтом, воздух компенсирует то разряжение, которое передается от входной ча­сти колеса компрессора, и, таким образом, обеспечивает эффек­тивность уплотнения.

Рис 28. Опорно-упорный подшипник с жёстко фиксированными поверхностями скольжения

Кольца во время вращения ротора за счет своей упругости прижимаются ко втулке и остаются неподвижными или медлен­но проворачиваются. В турбокомпрессорах некоторых модификаций в качестве дополнительной меры для предотвращения уноса масла из по­лости подшипника к пяте крепится импеллер и на наружном диаметре пяты выполняется маслосгонная резьба (рис. 29).

Уплотнение со стороны турбины не допускает прорыва име­ющих избыточное давление горячих газов из промежутка между сопловым аппаратом и колесом турбины в полость подшипника, а также предотвращает попадание масла из полости подшипника на нагретую часть вала, где оно может закоксовываться и за­полнять зазоры, препятствуя свободному вращению ротора.

Это уплотнение состоит из двух упругих колец (рис. 30) и двух групп лабиринтов, между которыми по сверлением в вы­хлопном, газоприемном корпусах и во втулке подводится сжа­тый воздух из компрессора. Давление воздуха выше давления в промежутке между сопловым аппаратом и диском турбины, поэтому воздух отсекает горячие газы, кроме того, двигаясь вдоль вала, он способствует охлаждению ротора. Количество воздуха, поступающего в уплотнение, зависит от размера и ко­личества отверстий в дросселе 17 (рис. 27).

Для того, чтобы уравнять давление с обеих сторон колец, а также не допустить поступления газов и воздуха в полость под­шипника и далее по сливному масляному трубопроводу в картер двигателя, турбокомпрессоры имеют дренаж, по которому воз­дух из промежутка между лабиринтами .и упругими кольцами удаляется в некоторых модификациях турбокомпрессора в ат­мосферу по каналам в газоприемном корпусе, в других отводит­ся по сверлениям в .вале во входные каналы компрессора.

Рис. 29. Подшипник упорно-опорный с демпфированной упорной поверхностью: 33 – корпус подшипника; 34 – набор пластин; 35 – подпятник; 36 – стопорное кольцо; 37 – пята; 38 – импеллер; 39 – штифт.

Рис.30. Уплотнение со стороны компрессора

УСТАНОВКА ТУРБОКОМПРЕССОРА НА ДВИГАТЕЛЕ

Надежность турбокомпрессора в большой степени зависит от того, .насколько правильно выполнена установка турбокомп­рессора на двигателе.

Вопросы установки турбокомпрессоров должны быть пра­вильно решены уже при проектировании двигателя, при проек­тировании силовой установки с данным двигателем (тепловоз, судно, электростанция и т. п.), а также при постройке двигате­лей и монтаже силовых установок.

Те требования в части правильной установки турбокомпрес­соров, которые должны быть в обязательном порядке выполнены, при проектировании и постройке двигателей и силовых устано­вок, и без выполнения которых заводом-изготовителем турбоком­прессоров не гарантируется их надежная работа, изложены в специально разработанных технических условиях. Технические условия высылаются ОК'БТ заинтересованным организациям по их требованию.

Требования технических условий исходят из не­обходимости оградить турбокомпрессор как при монтаже на двигателе, так и при .работе от неизвестных и неконтролируемых усилий со стороны трубопроводов, связывающих его с двига­телем и силовой установкой е целом, причем должна быть обеспечена свобода тепловых расширений. Кроме того, технические условия содержат указания по выполнению систем охлаждения и смазки турбокомпрессора; по ограждению турби­ны от попадания посторонних тел, по ограничению вибраций, передающихся на турбокомпрессор от двигателя.

Помимо обязательного выполнения требований упомянутых технических условий при проектировании двигателя и силовой установки следует обеспечить по возможности свободный доступ к турбокомпрессору, к местам его закрепления, к местам присое­динения трубопроводов, к подшипникам и фильтру с целью удобства монтажа, демонтажа и обслуживания в эксплуатации. Немаловажное значение для эффективной и исправной ра­боты турбокомпрессора имеет правильное выполнение воздуш­ного и газового трубопроводов.

Неправильно спроектированный всасывающий трубопровод, например, может явиться не только источником потерь, ухудша­ющих параметры двигателя, но и причиной неравномерности поля давлений перед колесом компрессора и возникновения вследствие этого вибрационных поломок колес компрессора.

Выпускные коллекторы двигателя должны иметь минималь­ные потери энергии газов на пути от цилиндров двигателя к тур­бине; выхлопной трубопровод должен обеспечить минимальное противодавление за турбиной; воздушный трубопровод на вса­сывании должен иметь минимальное сопротивление (разрежение перед компрессором – не более 300 мм вод. ст.) и должен обеспе­чивать равномерное поле давлений перед колесом компрессора, наддувочный коллектор должен обладать достаточным объемом, чтобы сглаживать колебание давления за компрессором.

Газовые и воздушные трубопроводы е целью уменьшения потерь не должны иметь излишних поворотов, Повороты тру­бопроводов должны быть плавными, трубопроводы, не должны иметь резких изменений сечения или других источников мест­ных сопротивлений.

При выборе сечения трубопроводов можно ориентироваться по размерам соответствующих отверстий в корпусах турбокомп­рессора (воздухоприемного, газовыхлопного и т. п.). Во всяком случае, сечение всасывающего и выхлопного трубопроводов не должно быть меньше сечения соответствующих отверстий.

На выпускных коллекторах двигателя необходимо предус­мотреть бонки для термопар перед входом в турбину для заме­ра температуры газов. Водяной трубопровод на выходе из кор­пусов турбокомпрессора должен иметь бонки для измерения температуры выходящей воды.

С целью наиболее полного учёта всех факторов, могущих влиять на работу турбокомпрессора, я наиболее правильного выпол­нения установки рекомендуется при проектировании двигателя и силовой установки пользоваться консультацией Специального конструкторского бюро турбонагнетателей (г. Пенза, п/я 34).

Для правильной эксплуатации знание и соблюдение обслу­живающим персоналом изложенных выше условий, которые ха­рактеризуют собой правильность установки турбокомпрессора на двигателе, необходимо особенно при ремонтах и замене турбокомпрессоров.

При демонтаже турбокомпрессора для ремонта или осмотра необходимо не перепутать и сохранить при последующем монта­же наборы компенсирующих прокладок там, где они были по­ставлены заводом—изготовителем двигателя; при повреждении компенсаторов нельзя заменять их жестким звеном и т. п.

При замене турбокомпрессоров может потребоваться вывер­ка нового турбокомпрессора относительно двигателя с примене­нием компенсирующих прокладок. Поскольку на различных дви­гателях компоновка турбокомпрессоров различна, при выверке нового турбокомпрессора следует руководствоваться указания­ми завода-изготовителя двигателя.

Общее правило, выполнение которого в эксплуатации обяза­тельно, одно: при демонтаже и монтаже турбокомпрессоров с целью ремонта или замены не должны быть нарушены условия, предусмотренные конструкцией двигателя и силовой установки. Нередки случаи, когда турбокомпрессор получает поврежде­ние из-за попадания в его внутренние полости посторонних пред­метов в период небрежного хранения или в момент монта­жа его «а двигателях. Для предотвращения таких повреждений отверстия, сообщающиеся с внутренними полостями, при тран­спортировании и хранении должны быть заглушены. Снимать заглушки. Следует непосредственно в момент монтажа турбоком­прессора на двигателе. Это относится как к новым турбокомпрес­сорам, так и к турбокомпрессорам, прошедшим ремонт или сня­тым с двигателя по любым другим причинам.

Как указывалось выше, турбокомпрессоры имеют патрубок, сообщающийся с входным каналом компрессора, где давление ниже атмосферного.

При решении вопроса об использовании этого патрубка для вентиляции картера двигателя следует учитывать, что отсасыва­емые из картера газы несут с собой масляные пары и копоть и, как правило, служат одним из основных источников загрязнения проточной части компрессора. Поэтому в целях удлинения сро­ков работы турбокомпрессора без обслуживания использовать турбокомпрессоры для вентиляции картера не рекомендуется; в тех же случаях, когда картер вентилируется через турбокомпрес­сор, необходимо обеспечить качественную очистку отсасываемых из картера газов.

Унос с воздухом большого количества масла и попадание его в цилиндры двигателя может привести к тому, что двигатель при выключенном топливе будет продолжать работать на масле, при этом возможен разнос двигателя. У двухтактных двигателей, кроме того, возможен взрыв паров масла в ресивере.

Конец лекции