Устройство и работа турбокомпрессоров различного типа и назначения

Современныетурбокомпрессоры всех типов и назначений имеют сходное устройство. Основными их элементами являются турбина и компрессор, установленные на одном валу в отдельном от двигателя корпусе. На рис. 2…8 приведены принципиальные схемы и разрезы основных типов современных турбокомпрессоров.

Рис. 2. Принципиальная схема и разрез турбокомпрессора типа ТКР (совместная разработка Ивеко и Мотор-Сич): 1 – газоприёмная улитка; 2 – сопловой аппарат турбины; 3 – рабочее колесо турбины (вращающийся спрямляющий аппарат турбины); 4 – рабочее колесо турбины (радиальная часть лопаток); 5,6 –подшипники; 7 – колесо компрессора (вращающийся направляющий аппарат); 8 – колесо компрессора (радиальная часть лопаток); 9– лопаточный диффузор; 10 – улитка-воздухосборник; 11 – воздушный фильтр-глушитель

При работе турбокомпрессоров газы из выпускного коллектора двигателя поступают к сопловому аппарату турбины (см. рис.2,4,6). Их температура составляет 550...1250°С в зависимости от назначения турбокомпрессора и значения П_к. Да­лее газы проходят через неподвижные лопатки соплового аппарата, через лопатки вращающе­гося рабочего колеса 2 и уходят через каналы газоотводного корпуса в газоотводящую систему двигателя. В осевых турбинах (см. рис. 6…8) сопловые аппараты обеспечивают увеличение скорости потока газов и изменение его направления. Для этого сопловой аппарат снабжён профилированными лопатками. Исключение составляют турбины малых размеров, где сопловой аппарат может выполняться в виде кольцевой щели без лопаток, поскольку для малых размеров их трудно выполнить с необходимым качеством.

Рис. 3. Декомпозиция турбокомпрессора типа ТКР:

1 – корпус компрессора ( улитка-воздухосборник); 2 – колесо компрессора; 3 – втулки с гребнями (упорными пятами) для передачи осевого усилия; 4 – упорный подшипник; 5 – средний корпус; 6 – втулки опорных подшипников; 7 – ротор с турбинным колесом; 8 – корпус турбины (газоприёмная улитка)

В каналах рабочего колеса изменяются величина скорости потока, его направление, давление и температура газа. Высокоскоростной поток газов воздействует на лопатки рабочего колеса и сообщает им энергию, приводящую во вращение ротор турбокомпрессора. В современных турбокомпрессорах расширение газа обычно происходит как в сопловой, так и в рабочей решётках. Такие турбины называют реактивными. При этом рабочие лопатки, так же, как и сопловые, образуют сужающиеся межлопаточные каналы. В них относительная скорость потока растёт от входа в канал к выходу из него. Давление газов здесь снижается примерно в одинаковой пропорции на сопловом аппарате и на рабочем колесе.

Рис. 4. Схема одной ступени осевой газовой турбины: 1 – лопатки соплового аппарата; 2 – корпус турбины; 3 – лопатки рабочего колеса; 4 – диск колеса турбины; 5 – вал турбины

Элемент проточной части турбины, состоящий из ряда неподвижных лопаток (соплового аппарата для первой ступени и спрямляющих аппаратов для последующих ступеней) и вращающихся лопаток турбинного колеса, называется турбинной ступенью. Обычно для турбокомпрессоров применяют одну турбинную ступень, хотя известны конструкции и с двумя ступенями. Увеличение числа ступеней применяют для повышения КПД турбины, и это связано с ростом П_к.

Радиальные турбины можно рассматривать как обращённый центробежный компрессор (см. рис. 1, поз. б, г, рис.2, 5). Схематически они идентичны, но течение газа противоположно течению воздуха. Кроме того, лопатки турбины и соплового аппарата образуют более широкий канал, чем у компрессора, и выполняются из жаропрочных материалов. У центростремительных турбин лопатки рабочего колеса образуют канал, направленный по радиусу в месте входа газа, а затем поворачивающий газ в осевом направлении перед выходом потока. Осевая часть лопаток имеет отгиб, обеспечивающий при работе турбины направление потока газа на выходе, близкое к осевому.

Рис. 5. Схема радиальной центростремительной турбины: 1 – сопловой аппарат; 2 – рабочее колесо; 3 – радиальная часть рабочей лопатки; 4 – осевая часть рабочей лопатки (вращающийся спрямляющий аппарат); 5 – газоприёмная улитка

Эта отогнутая часть носит название вращающегося спрямляющего аппарата. Принцип работы соплового аппарата и рабочего колеса таков же, как и в осевых турбинах. Аналогично осевым турбинам радиальные выполняются также реактивными, причём если осевые турбины иногда могут выполняться активными (газ расширяется только в сопловом аппарате), то радиальные турбины выполняют только реактивными, что объясняется необходимостью преодоления действия центробежных сил при работе ступени. При одинаковых значениях скоростей газа в колесе и при прочих равных условиях центростремительные турбины способны обеспечить больший выход энергии в ступени, чем осевые турбины, а значит, обеспечивают больший КПД. Это объясняется дополнительным влиянием в ступени центробежных сил, отсутствующих в той же мере в осевой ступени. Кроме того, при малых расходах газа размеры лопаток малы и становятся соизмеримыми с зазорами между лопатками и корпусом. В центростремительных турбинах соотношение зазоров и высот лопаток для названных условий более удачно, чем для осевых турбин. Указанные отличия сильнее проявляются в области малых мощностей двигателей и малых расходов газа, в связи с чем радиальные турбины в этой области более эффективны. Осевые турбины более технологичны, это позволяет обеспечивать высокий уровень чистоты рабочих поверхностей и уровень точности обеспечения заданных профилей. Они лучше компонуются в агрегате, и в области сравнительно высоких расходов газа эти качества сводит на нет преимущества радиальных турбин.

Турбина вращает общий вал, на котором находится колесо компрессора. Воздух, находящийся в межлопаточных кана­лах колеса компрессора, вовлекается во враща­тельное движение и под действием центробеж­ных сил и перемещается от оси вращения к выходу из межлопаточного канала. Поскольку из вращающихся каналов колеса на его периферии происходит непрерывный отток воздуха, на входе в колесо возникает разрежение воздуха. Под действием разности давлений воздух поступает через каналы фильт­ра-глушителя на вход в колесо. Фильтр-глу­шитель (см. рис.6, б) состоит из наружной сетки и фильтрующей набивки 8 из пористого материала, пропускающего воздух и улавлива­ющего различные частицы. Далее воздух про­ходит через щелевые каналы, образованные сис­темой дисков 9, установленных в кольцевом зазоре между стенкой входного конфузора 10 и входной частью конуса 11. Стенки этих дисков покрыты упругим звукопоглощающим матери­алом, воспринимающим энергию звуковых ко­лебаний воздушного потока на всасывании, после чего она преобразуется в теплоту, обес­печивая необходимое снижение уровня шума при работе компрессора. Из глушителя воздух поступает на входные кромки лопаток колеса компрессора 6. Эти кромки имеют отгиб в осевом направлении. Та часть лопаток, где выполнен этот отгиб, носит название вращающегося направляющего аппа­рата. Необходимость отгиба объясняется следу­ющим. Соударение движущихся частиц возду­ха и входных кромок лопаток происходит не по линии, параллельной оси ротора, а по линии вектора относительной скорости входа потока воздуха на колесо w₁ (рис.11). Вектор получает свое на­правление в результате сложения абсолютной скорости потока с_1а, имеющей осевое направ­ление, и окружной скорости кромок лопаток u₁, направленной перпендикулярно оси вращения. Вектор скорости w₁ будет направлен как раз вдоль профиля отогнутой лопасти, который отгибом обес­печивает безударное поступление потока на вход колеса, снижая входные потери.

Рис. 6. Принципиальная схема турбокомпрессора типа ТК (серии NA/T фирмы МБД):

а - конструктивная схема; в - конструктивная схема фильтра-глушителя;

1 — сопловой аппарат турбины; 2 — колесо турбины; 3 — опорный подшипник; 4 — опорно-упорный подшипник; 5 - фильтр-глушитель; 6 - колесо компрессора; 7 - сетка; 8 - фильтрующая набивка; 9 – диски со звукопоглощающим покрытием; 10 - входной участок всасывающего воздушного канала; 11 - конусная направляющая вставка

Лопатки компрессора своими входными кромками загромождают подводящий канал, по которому воздух поступает на колесо. При консольном расположении колес (в ТК фирмы МБД) площадь поперечного сечения канала на входе может быть больше, чем при консольном расположении подшипников, которые загро­мождают входное сечение (в ТК фирмы АББ). Степень загромождения канала лопатками уве­личивается с уменьшением поперечного сече­ния подводящего канала при прочих равных условиях. Соответственно возрастают входные потери. Для уменьшения этих потерь применяют "вырезание" входных участков лопаток через одну там, где степень загромождения чрезмер­на (см. рабочее колесо на рис.9). Двигаясь под воздействием лопаток колеса, частицы воз­духа в межлопаточных каналах направляются по окружности и одновременно по радиусу. В результате движение частиц происходит по спирали и выход потока воздуха из колеса на­правлен по линии вектора с₂ (рис.12).

Рис. 7. Разрез турбокомпрессора типа ТК (серии NA/T фирмы МБД):

Рис.8. Принципиальная схема турбокомпрессора типа ТК (серии VTR фирмы АББ):

1 - сопловый аппарат; 2 - колесо турбины; 3 - опорный подшипник; 4 - опорно-упорный подшипник; 5 - фильтр-глушитель; 6 - колесо компрессора

Двига­ясь указанным образом, воздух выходит в сво­бодный канал, имеющий ширину, примерно равную высоте лопатки рабочего колеса на вы­ходе. Уже в процессе движения по каналам колеса происходит час­тичное преобразование кинетической энергии в потенциальную, что выражается в уменьше­нии скорости движения и повышении статичес­кого давления в потоке.

Рис.9. Разрез турбокомпрессора типа ТК (серии VTR фирмы АББ)

При дальнейшем движении по этому ка­налу воздух поступает на установленные в нем неподвижные лопатки. После прохождения участка с лопатками воздух собирается спиралевидным воздухо­сборником, охватывающим выход из участка с лопатками, и отводится в нагнетательный пат­рубок, откуда поступает к охладителю надду­вочного воздуха и далее в ресивер двигателя. Участок канала за колесом, не содержащий ло­паток, называется безлопаточным диффузором. Его продолжение, содержащее лопатки, называется лопаточным диффузором. Отводной спиралевидный канал называется улиткой. Движение воздуха в компрессоре сопровож­дается сложными процессами передачи и пре­образования энергии. В колесе воздух приоб­ретает кинетическую энергию.

Рис.10. Декомпозиция турбокомпрессора типа ТК с консольным расположением подшипников (подобного серии VTR фирмы АББ):

1 - воздухоприемный корпус с улиткой-воздухозборником, нагнетательным патрубком, воздухоподводящим каналом и корпусом подшипника; 2 - рабочее колесо; 3 - лопатки диффузора компрессора; 4 - газоотводный корпус; 5 - рабочее колесо осевой турбины; 6 - сопловой аппарат турбины; 7 - газоприемный корпус

Рис.11. Схема входа воздуха в каналы рабочего

колеса:

а - расчетный режим; б - расход больше расчетного; в - расход меньше расчетного

Получение и преобразование энергии идут одновременно, в результате чего на выходе из колеса имеет место сочетание значительной части кинетической энергии и соответству­ющей части потенциальной энергии. Процесс преобразования энергии в колесе происходит в основном за счет изменения относительной ско­рости потока. Движение вдоль вектора относи­тельной скорости сопровождается постепенным увеличением площади сечения канала, нормаль­ного этому вектору. Такая форма канала называется диффузорной в относительном движении и обеспечивает замедление протекающего через нее потока.

Рис.12. Схема выхода воздуха из колеса компрес­сора и обтекания лопаток диффузора с треуголь­никами скоростей в сечении на его наружном диаметре: а – расчетный режим; б – расход больше расчетного; в - расход меньше расчетного

После выхода воздушного потока из рабо­чего колеса в результате последующего преоб­разования энергии его скорость на выходе из компрессора должна приблизиться по величи­не к скорости на входе, а давление - достигнуть заданного значения Pк. Сразу за рабочим коле­сом воздушный поток поступает в безлопаточ­ный диффузор - расширяющийся в направле­нии движения ядра потока воздуха канал, в котором обеспечивается снижение его скорос­ти, что приводит к росту статического давле­ния и температуры воздуха.

Спиральное движение частиц воздуха, на­чатое в колесе, продолжается в безлопаточном диффузоре. Траектория частиц на этом участке в ядре потока близка к логарифмической спи­рали. Длина пробега частиц на единицу увели­чения площади сечения канала, нормального траектории движения, оказывается весьма зна­чительной. С увеличением размеров безлопа­точного диффузора в радиальном направлении повышается статическое давление в потоке, снижается скорость частиц воздуха и растут га­зодинамические потери пропорционально дли­не пробега частиц.

Снизить потери можно, заменив пологую траекторию движения частиц с большой дли­ной пробега на более крутую с меньшей дли­ной. Для этого устанавливаются лопатки лопаточного диффузора. Они встречают поток под углом, близким к набегающему, и плавно изме­няют траекторию по направлению ближе к ра­диальному. Потери, возникающие при обтека­нии лопаток, меньше, чем потери трения в эквивалентном варианте диффузора без лопа­ток. При выходе из лопаточного диффузора по­ток достигает скорости, примерно равной ско­рости на входе в колесо, а давление примерно равно P_к. Далее поток поступает в улитку-воздухосборник (см. рис. 13, 14). В улитке частицы воздуха продолжают спи­ральную траекторию вокруг оси вращения ро­тора. Канал улитки в одной из точек окружности имеет разделительное ребро или язык, максимально приближенный к наружному диаметру диффузора. Этот элемент определяет положение начала (с одной стороны) и конца (со своей противоположной стороны) сбора воздуха, выходящего в улитку. Поскольку воздух из колеса и диффузоров выходит равномерно во все стороны окружности, то в улитке-воздухосборнике он накапливается пропорционально углу охвата, отсчитываемому от разделяющего ребра (языка). Соответственно в каждом последующем сечении улитки по углу охвата расход воздуха непрерывно увеличивается от нуля до полного расхода через компрессор.

Рис. 13. Схема улитки с симметричным сечением канала: D₄ – диаметр выхода из лопаточного диффузора; C_u5 –окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из лопаточного диффузора; θ – текущий угол охвата воздухосборником выходного канала из диффузора

Рис 14. Схема улитки с «заваленным» в сторону всасывания сечением

В этих условиях нарастающее пропорционально углу охвата сечение улитки обеспечи­вает примерно одинаковую скорость потока в окружном движении для всех точек окружнос­ти относительно центра вращения. Это обуслав­ливает примерное равенство давлений во всех точках указанной окружности, и на колесе не возникает дополнительное неуравнове­шенное радиальное усилие от давления воздуха, благодаря чему исключается дополнительное усилие на опорные подшипники вала ротора. Улитка может иметь поперечное сечение канала, симметричное относительно канала диффузора (см. рис. 13), но чаще канал улитки «заваливают» на сторону (см. рис. 14), при этом не только уменьшается габарит компрессора, но и улучшается газодинамика потока в улитке. Скорости воздуха на выходе и входе улитки обыч­но обеспечивают для расчётного режима достаточно близкими, исключая тем самым возможность преобразования энергии потока в ней. Эта возможность прин­ципиально существует и может обеспечивать­ся соответствующим подбором размеров сече­ний на входе и выходе. Однако улитка не является эффективным преобразователем энер­гии. Поэтому ее стараются не использовать в таком качестве, чтобы не снижать общий КПД компрессора.

Если оценивать каждый из элементов про­точной части как преобразователь энергии, то на первое место по КПД преобразования следует поставить колесо, за­тем лопаточный диффузор, далее безлопаточ­ный и в конце улитку.

Во время работы ТК ротор передает на под­шипники радиальное усилие от своего веса, а также усилия от несбалансированных масс эле­ментов обоих колес. Частота вращения роторов очень велика. Так, для больших типоразме­ров ТК она лежит в диапазоне 12000.. .75000 мин^-1. Для ТКР она достигает нескольких сотен тысяч оборотов в минуту. Такие условия требуют выполнения тщательной ста­тической и динамической балансировки рото­ра, а также применения подшипниковых опор специальной конструкции, способных гасить упругие колебания ротора при его работе. По­мимо радиальных усилий, подшипники воспри­нимают осевое усилие, направленное вдоль оси ротора. Оно возникает на колесе турбины, и для осевой турбины направлено по линии движения газа (от соплового аппарата), а для радиальной турбины – в сторону выхода газа. На колесе компрессора также создаётся осевое усилие, направленное в сторону всасывания. Усилие на колесе компрессора в основном обусловле­но разностью давлений по обе стороны колеса, когда со стороны всасывания имеется значи­тельная площадь, подверженная воздействию низкого давления, а с противоположной сторо­ны (поверхность заднего диска) по всей площа­ди распространяется высокое давление из ка­нала на выходе рабочего колеса. Аналогичным образом объясняется появление осевого усилия на колесе радиальной турбины. Суммарное осевое усилие на роторе турбокомпрессора может быть в значительной степени скомпен­сировано, если усилия на колёсах турбины и компрессора направить в противоположные стороны. Для этого поток газов на рабочее колесо осевой турбины следует направлять не в сторону колеса комп­рессора, а противоположно ему. Такое решение разгружает подшипники, но усложняет конст­рукцию агрегата. Для конструкций ТК, приведенных на рис. 7 и 8, осевое усилие не ком­пенсируется, направлено в сторону колеса компрессора и воспринимается упорными под­шипниками, расположенными со стороны комп­рессора. Для конструкций ТКР (рис. 2) осевые усилия на турбинном и компрессорном колёсах противоположны, но усилие на турбинном колесе больше. Избыточное осевое усилие направлено в сторону турбины и компенсируется специальным упорным подшипником. Подшипниковые узлы в компрессорах ста­раются защитить от высокотемпературного воз­действия, поэтому на пути теплового потока от турбины выполняют полости, как правило, ох­лаждаемые проточной жидкостью из системы охлаждения. Вместо или наряду с охлаждаемыми полостями путь тепловому потоку преграждают различные неохлаждаемые экраны, устанавливаемые на пути этого потока как во внутренних полостях корпусов, так и на их внешних поверхностях.

На­ружные поверхности современных ТК покрывают слоем теплоизоляции. Этот слой снижает также уро­вень шума от их работы. При организации ох­лаждения ТК стремятся не допустить излиш­него отвода энергии от газов перед сопловым аппаратом, поэтому в современных конструкциях ТК газоподводящие ка­налы не охлаждают жидкос­тью непосредственно, но ограждают охлаждаемыми или неохлаждаемыми тепловыми экранами, от­деленными от стенок каналов воздушным зазором.

Обе рассмотренные схемы компоновки турбокомпрессоров имеют свои достоинства и недостатки. В схеме с консольным расположением подшипников применяются сравнительно простые подшипни­ковые узлы. В то же время обеспечение высо­кой надежности и условий обслуживания этих узлов сопровождается увеличением массы ротора, соответствующим ухудшением дина­мических качеств ТК и динамики газового и воз­душного трактов. Схема с консольными коле­сами обеспечивает лучшую газодинамику, меньшую массу ротора, и, соответственно, улуч­шенные динамические качества ТК, но имеет более сложную конструкцию подшипниковых узлов и большие проблемы с обеспечением их надежности, ремонта и контроля. Потенциально обе схемы имеют как преимущества, так и недостатки, и могут использоваться на всех видах двигателей. В то же время существуют сложившиеся условия их применения. В настоящее время схема с консольным расположением колёс используется для всех конструкций ТКР и для ТК, которые применяются на двигателях малых и средних мощностей. Для двигателей большой, а иногда и средней мощности применяют схемы с консольным расположением подшипников, учитывая в данном случае их потенциально больший ресурс и относительное снижение требований к компактности и динамичности.