УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ

2.1. Общий вид

Газовые турбины, применяемые в наддуве ДВС, относятся к тепловым машинам лопаточного типа.

У судовых дизелей наиболее часто встречаются осевые реактивные одноступенчатые нерегулируемые надувочные газовые турбины, работающие в равномерном потоке газа.

На рисунке 2.1 показан общий вид газотурбонагнетателя (ГТН), суть работы которого заключается в использовании кинетической энергии выпускных газов дизеля. Выпускной газ из коллектора дизеля направляется в специальные газоподводящие каналы корпуса, далее в сопловые каналы газовой турбины, где происходит его расширение. После сопл газ устремляется на рабочие лопатки турбины, приводя ее во вращение. На роторе газовой турбины установлен центробежный компрессор (нагнетатель), который нагнетает в дизель, охлажденный после воздухоохладителя воздух из атмосферы.

Рис. 2.1 Общий вид газотурбонагнетателя

Основными деталями центробежно-нагнетательной части ГТН (рис. 2.2) являются: 1 – корпус (улитка) с выходными патрубками; 2 – направляющий аппарат (диффузор); 3 – рабочее колесо; 4 – входной патрубок.

Рис. 2.2 Центробежный компрессор

1 – корпус (улитка) с выходными патрубками;

2 – направляющий аппарат (диффузор); 3 – рабочее колесо; 4 – входной патрубок.

2.2. Особенности устройства турбокомпрессоров ряда ТК

На рис. 2.3 представлен чертеж продольного разреза турбоком­прессора ряда ТК. Его конструктивные особенности характерны для ТК-23; ТК-30 м ТК-38, выпускаемых Пензенским дизельным заводом. Турбокомпрессор ряда ТК состоит из одноступенчатой осевой турбины и одноступенчатого центробежного компрессора, объединенных в один агрегат. Подшипники расположены по кон­цам вала. Основными элементами турбокомпрес­сора являются: корпус, ротор с рабочими колесами турбины и ком­прессора, подшипники, сопловой аппарат и диффузор.

Корпус турбокомпрессора. Корпус (или остов) турбокомпрессора отливается из чугуна или алюминиевого сплава и состоит из трех частей: газоприемного корпуса 11, газоотводящего корпуса 5 и компрессорного корпуса 1.

Отдельные части корпуса соединяются между собой при помощи круглых фланцев с центрирующими буртами, которые позволяют получать различные компоновки турбокомпрессора с поворотом корпусов относительно друг друга через каждые 30°. Соединитель­ные фланцы видны на рис. 2.4 (ТК-3ОС) и рис. 2.5 (ТК-23С).

Газоприемный и газоотводящий корпуса подвергаются воздей­ствию выпускных газов, нагретых до 500 – 700 °С. Для обеспече­ния работоспособности деталей турбокомпрессора и создания не­обходимых условий обслуживания предусмотрено охлаждение ука­занных корпусов, для чего между двойными стенками образованы полости, в которых циркулирует вода, поступающая из системы охлаждения дизеля.

Газоприемный корпус 11 служит для подвода выпускных газов дизеля к сопловому аппарату турбины 10. В зависимости от числа выпускных коллекторов дизеля, корпус может иметь один или не­сколько входных каналов.

Как известно, разделение выпускных коллекторов на несколько ветвей связано с использованием в турбине энергии импульсов сво­бодного выпуска. Поэтому наличие в газоприемном корпусе двух или четырех входных каналов указывает на то, что турбина рабо­тает на газах переменного давления. На рис. 2.4 показана моди­фикация турбокомпрессора ТК-ЗОС с двумя входными кана­лами 3, расположенными в газоприемном корпусе 4.

Выход газа из газоотводящего корпуса 2 показан стрелкой. Нагнетание воздуха из корпуса компрессора 1 происходит через выходной патрубок 5. Из рис.2.5 видно, что газоприемный корпус турбокомпрессора ТК-23С имеет 4 входных канала, позволяющие подключить к турбине четыре ветви выпускного коллектора дизеля.

Газоотводящий корпус 5 (рис. 2.3) предназначен для отвода газов из турбины в выпускную систему дизеля. Вместе с тем, он является средней частью остова турбокомпрессора, к которой крепятся газоприемный и компрессорный корпуса. Каналы 16 в кор­пусе предназначены для подвода сжатого воздуха из корпуса ком­прессора к лабиринтным уплотнениям 18. В газоотводящем кор­пусе крепятся теплоизоляционный кожух ротора 6 и экран кожуха 7, назначением которых являются: теплоизоляция полости компрессора от горячих полостей турбины; защита вала ротора от теплового излучения газов; образование канала для направле­ния потока газов к выпускному отверстию. Кожух и экран болтами соединяются с лабиринтом 18 и винтами крепятся к корпусу. К фланцам газоотводящего корпуса крепятся кронштейны 17, при помощи которых турбокомпрессор устанавливается на двигателе. Корпус компрессора 1 образует улитку, в которой происходит некоторое повышение давления воздуха при его движении из диф­фузора 4 к ресиверу. В зави­симости от конструкции ди­зеля, корпус компрессора мо­жет иметь один или два вы­ходных патрубка. В корпусе компрессора устанавливается щелевой или лопаточный диф­фузор, ограниченный встав­кой 3, застопоренной от про­ворачивания штифтом. Для предотвращения перетекания воздуха из улитки в полость за рабочим колесом компрес­сора устанавливается лаби­ринтное уплотнение 18 и резиновое кольцо. Во входном патрубке, прикрепленном к корпусу компрессора, предусматривается отвер­стие, через которое происходит вентиляция картера дизеля.

Ротор турбокомпрессора. Составными частями ротора являются вал 15, рабочее колесо турбины 9 и рабочее колесо компрессора 2. В рассматриваемой конструкции ТК вал состоит из двух сваренных полувалов. К валу приварено рабочее колесо турбины 9. На рис.2.3 видно, что рабочие лопатки турбины, выполненные из жаропроч­ной стали, прикреплены к диску также при помощи сварки. Во мно­гих случаях лопатки турбины имеют елочный замок, при помощи которого они соединяются с диском. Лопатки свободно входят в пазы диска (зазор в холодном состоянии Δ = 0,2 - 0,3 мм), что исключает появление высоких термических напряжений в ободе и лопатках во время работы и в случае необходимости позволяет легко заменять лопатки. Недостатком елочного замка является сложность его конфигурации и необходимость высокой точности обработки зубьев лопатки и пазов ротора. Малые радиусы закруг­лений в зубьях замка могут явиться причиной концентрации на­пряжений, вызывающих трещины в ножке лопатки и выступе диска. Вид рабочей лопатки с елочным замком изображен на рис. 2.6 (1 — рабочая лопатка, 2 — диск турбинного колеса). В некоторых слу­чаях рабочие лопатки отливаются заодно с диском турбины.

Рабочее колесо турбины 9 изготовляется из жаростойких сталей. Рабочее колесо компрессора 2 отливается из алюминиевого сплава, плотно насаживается на вал и в условиях эксплуатации не может подвергаться разборке. Общий вид рабочих колес осевой турбины и центробежного компрессора показан на рис. 2.7

Уплотнения. На тыльной стороне рабочего колеса ком­прессора имеются гребешки, которые входят в пазы ана­логичных гребешков на разъ­емном неподвижном диске, образуя лабиринтные уплот­нения 18 (см. рис. 2.3), ис­ключающие перетекание сжа­того воздуха в полости газо­отводящего корпуса. Справа от упорно-опорного подшип­ника компрессора 19 и слева от опорного подшипника тур­бины 13 предусмотрены уплот­нения 12, состоящие из двух разрезных уплотнительных колец, действующих подобно поршневым кольцам дизеля, гребешков, завальцованных в вал и образующих лабиринт, а также ограничивающей втулки 21, запрессованной в корпус (рис 2.3).

Устройство уплотнения со стороны компрессора показа­но на рис. 2.8. В пространстве между валом 4 и втулкой 3 по сверлениям в корпусе и во втулке 5 на рис. 2.8 из компрессора подводится сжатый воздух, который обеспе­чивает эффективное уплотнение полости подшипников. Таким обра­зом, масляная полость отделяется от воздушной полости компрес­сора уплотнительными кольцами 1 (рис. 2.8), лабиринтными гребешками 2 и запорным воздухом. Со стороны турбины уплотнение конструктивно выполнено так же, как со стороны компрессора. Оно предназначено для предохранения полости подшипника от прорыва в нее газов из зазора между рабочим колесом турбины и сопловым аппаратом, а также для предотвращения попадания смазочного масла из по­лости подшипника на нагретые участки вала и в зазоры между дета­лями турбины.

Сжатый воздух поступает из компрессора в полость лабиринт­ного уплотнения под давлением, превышающим давление газов в зазорах между колесом турбины и сопловым аппаратом, и таким образом препятствует прорыву газов к валу и подшипнику. Кроме того, он способствует охлаждению вала вблизи подшипника. Воз­дух, поступающий в полости лабиринтных уплотнений, по системе дренажных каналов 16 и 22 отводится во входное устройство ком­прессора или удаляется в атмосферу, чтобы предотвратить попада­ние воздуха в полости подшипников и систему отвода смазочного масла.

Подшипники. Ротор турбокомпрессора вращается в двух под­шипниках скольжения, которые дешевле и надежнее подшипников качения. На некоторых модификациях турбокомпрессоров, уста­новленных на тихоходных мощных дизелях, подшипники скольже­ния отрабатывают до 50 000 - 60 000 часов. На рис. 2.3 опорный подшипник 13 расположен в центральной части газоприемного корпуса и обеспечивает свободное расширение вала ТК при нагрева­нии. Подшипник 19 расположен в корпусе компрессора и является опорно-упорным. Опорный подшипник обычно состоит из двух по­ловинок, изготовленных из оловянистой бронзы, залитой бабби­том.

Подшипник центрируется двумя втулками и болтами крепится к корпусу ТК. Смазочное масло подводится от циркуляционной системы дизеля к штуцеру, расположенному в крышке 14 газопри­емного корпуса. На опорной поверхности верхней части подшип­ника, в месте подвода масла, имеется вырез, обеспечивающий равно­мерное распределение масла по всей длине подшипника. Подшип­ник 19, расположенный в районе компрессора, не только выполняет опорные функции, но и воспринимает осевые усилия и потому называется опорно-упорным. Подвод масла к подшипнику 19 осу­ществляется через штуцер, установленный в крышке 20. Отвод масла из полостей подшипников производится по патрубкам, уста­новленным в крышках подшипников 14 и 20.

В унифицированных турбокомпрессорах применяются опорно-упорные подшипники двух модификаций.

Подшипник, изображенный на рис. 2.9, устроен следующим об­разом. Втулка подшипника 26 из высокооловянистой бронзы за­прессована в стальной корпус 27 и застопорена винтом 29. В корпусе подшипника имеются каналы 23 для подвода и сли­ва смазочного масла (место подвода масла показано стрел­кой). Продольная канавка на рабочей поверхности втулки подшипника, доходящая до торца упорной пяты 25, пред­назначена для улучшения условий смазки и может при­меняться только в опорно-упорных подшипниках.

Положение упорной пяты фиксируется штифтом 24. Крепление подшипника про­изводится при помощи гайки 31 с замочной пластиной 32. Между гайкой и корпусом подшипника устанавливается шайба 30. В месте крепления корпуса и крышки подшипника предусмотрен компенса­тор 28.

На рис. 2.10 изображен опорно-упорный подшипник повышенной несущей способности, конструкция которого приспособлена для ра­боты напряженных турбокомпрессоров. Опорная часть подшип­ника выполнена в виде плоского подпятника 35 из высокооловянистой бронзы, застопоренной от проворачивания штифтом 39. Осевые усилия воспринимаются упорной пятой 37, боковые поверх­ности которой упираются в подпятник и выступ вала. Между под­пятником 35 и корпусом подшипника 33 установлены упругие ме­таллические пластины 34, между которыми находится масло. Пла­стины и масло компенсируют возможные перекосы упорного торца подпятника при монтаже подшипника и во время работы. Масло подводится к подшипнику из системы смазки дизеля по штуцерам и каналам в корпусе подшипника 33 и подпятнике 35.

Для предотвращения уноса масла из полости подшипника пре­дусмотрены кольца, лабиринтные уплотнения и подвод запорного воздуха, а также дополнительные устройства в виде защитных ко­лец 38, установленных на упорной пяте 37, стопорного кольца 36 и маслосгонной резьбы на ее наружном диаметре.

В некоторых конструкциях напряженных турбокомпрессоров опорные и упорно-опорные подшипники выполняются из свинцо­вистой бронзы, что обеспечивает их длительную надежную работу при повышенных удельных давлениях.

Сопловой аппарат. В сопловом аппарате 10 (рис. 2.3), распо­ложенном перед рабочим колесом 9, происходит преобразование потенциальной энергии газов в кинетическую, вследствие чего воз­растает скорость и уменьшается давление газов при входе на ло­патки рабочего колеса.

Конструктивно сопловой аппарат представляет собой непод­вижный лопаточный венец, состоящий из профильных лопаток, внутреннего и наружного колец и кожуха 8. Лопатки соплового аппарата могут отливаться вместе с внутренним кольцом (ободом), привариваться к кольцу или набираться из отдельных секторов. Внутреннее кольцо при помощи болтов крепится к газоприемному корпусу 11. Наружное кольцо соплового аппарата удерживается в выточках стального или чугунного кожуха 8 так, что оно может свободно расширяться при нагревании. Кожух соплового аппарата 8 имеет удлиненную цилиндрическую форму, которая препятствует утечке газа из рабочего колеса турбины в радиальном направлении. Кожух вместе с экраном 7 формирует поток газов, вытекающих из рабочего колеса, и повышает безопасность эксплуатации в случае обрыва или поломки рабочих лопаток. На рис. 2.3 видно, что кожух соплового аппарата крепится болтами к газоприемному корпусу.

Диффузор представляет собой расширяющийся канал, располо­женный в проточной части компрессора, между рабочим колесом и улиткой, давление в котором повышается за счет уменьшения кинетической энергии воздуха. Диффузоры могут быть щелевыми (безлопаточными) или лопаточными. На рис. 2.3 диффузор 4 выпол­нен в виде диска с лопатками, образующими расширяющиеся ка­налы, по которым воздух направляется в улитку.

Применение лопаточного диффузора позволяет повысить КПД компрессора и при равных π_к умень­шить радиальные размеры компрессора в сравнении с безлопаточ­ным диффузором. Поворотом лопаток диффузора можно изменить характеристику, расширить зону устойчивой работы и повысить КПД компрессора на частичных режимах работы дизеля.

2.3. Особенности устройства турбокомпрессоров ряда ТКР

Турбокомпрессоры ряда ТКР состоят из центростремительной радиальной (или осе-радиальной) турбины и центробежного компрессора. На рисунке 2.11 показан турбокомпрессор ТКР-23Н.

Корпус турбокомпрессора состоит из трех частей: корпус компрессора 3, корпуса подшипников 5 и корпуса турбины 6.

Рис. 2.11 Схема и общий вид турбокомпрессора ТКР-23Н

Литой корпус компрессора выполнен из алюминиевого сплава в виде двойной улитки. К корпусу компрессора крепиться вставка 4, а сам корпус крепиться к среднему корпусу подшипников, который также отлит из алюминиевого сплава. К другой стенке среднего корпуса крепиться корпус турбины 6, отлитой из жаропрочного чугуна. В корпусе подшипника со стороны турбины предусмотрены полости, в которых циркулирует охлаждающая вода, поступающая из системы охлаждения двигателя. Полость охлаждения обеспечивает теплоизоляцию проточной части компрессора и предотвращает подогрев воздуха.

Рабочее колесо компрессора 11, отлитое из алюминиевого сплава, с лопатками 2, насажено на шлицы концевой части вала 1 и закреплено гайкой-обтекателем 12. Безлопаточный диффузор 10 образуется торцевыми стенками вставки компрессора 4 и корпуса подшипников 5. Канал диффузора переходит в улиточную часть корпуса компрессора. Рабочее колесо газовой турбины 7, также полуоткрытого типа, отлитое из жаропрочной стали, приварено к валу ротора. Сопловый аппарат 9, выполненный также из жаропрочной стали, крепиться в корпусе турбины 6. В зависимости от модификации турбокомпрессора, газы из выпускного коллектора двигателя поступают к сопловому аппарату 9 турбины по двум или четырем каналам через двухзаходную улитку. На рис.2.11 показан общий вид ТКР-23Н-2 с двухканальным подводом газа. Есть модификации ТКР-23Н-4 (с четырех канальным подовом газа). Подшипники скольжения 8 (рис. 2.11) располагаются между роторами в среднем корпусе 5, т.е. турбокомпрессор выполнен по конструктивной схеме на рис. 2.12

Рис. 2.12 Схема расположения подшипников между радиальной турбиной

и центробежным компрессором

Подвод масла для смазки подшипников осуществляется из циркуляционной системы по каналу 13. В данной конструкции применяются бесконтактные лабиринтовые уплотнения 14. Как и турбокомпрессоры ряда ТК, турбокомпрессоры ряда ТКР выполняются с различным взаимным расположения корпусов, что обеспечивает возможность целесообразного размещения и крепления их на разных двигателях.

На рис. 2.13 показан компоновка турбокомпрессора 1 и воздухоохладителя 2 на двухтактном дизеле марки 16ДРПН23/30.

Рис. 2.13 Общий вид дизеля 16ДРПН23/30

2.4 Особенности устройства турбокомпрессоров типа PDH, VTR, Н3, N3

В дизелестроении нашли широкое применения ТК типа PDH марки PDH и Н5 (приложение 4) в главных ДВС таких как NVD 48 AU и NVD 48 A-2U; в дизелях NVD 36 А-1 применяются турбокомпрессоры типов N3, Н3, Н5 и VTR-250.

Общая компоновка турбокомпрессоров определяется расположением турбины и компрессора на общем валу. Для ТК типов PDH, VTR и Н5 компоновка с подшипниками по концам общего вала, характерная для дизелей средней и большей мощности, обеспечивает надежность агрегата и удобство в обслуживании. В ТК типов N3 и Н3 принято консольное расположение ротора, обеспечивающее простоту и компактность конструкции агрегата.

В рассматриваемых типах ТК многие конструктивные исполнения являются общими. Корпус состоит из трех частей (корпуса компрессора, газовпускного и газовыпускного корпуса турбины). Опора вала (ротора) имеет подшипники качения (со стороны турбины – опорный; со стороны компрессора – опорно-упорный). К лабиринтовым уплотнениям подводиться запорный воздух. Газовая турбина имеет рабочие лопатки, сопловый аппарат и диффузор с различными конструктивными размерами.

1) ТК типа PDH-50, применяемый в дизелях типа NVD состоит из центробежного компрессора и осевой турбины. Корпус ТК составной (приложение 4 Турбокомпрессор типа PDH): газовпускной (8) и газовыпускной (10) турбины; корпуса компрессора (25) с присоединенной к нему всасывающей камерой воздушным фильтром (21), который выполняет дополнительно функцию глушителя. Корпуса турбины, изготовленные из высококачественного чугуна, охлаждаются водой, подводимой из зарубашечного пространства цилиндров. Для защиты от коррозии крышка (9) водяной полости снабжена цинковыми протекторами.

Для уменьшения передачи тепла от газов к рабочему колесу (27) компрессора в газовыпускном корпусе турбины предусмотрена теплозащитная вставка (13), состоящая из коробчатой сетки, заполненной стекловатой и цилиндрического экрана, защищающего вал ТК.

Ротор (28) откован заодно с диском турбины. Осевое усилие вала воспринимается двухрядным опорно-упорным шарикоподшипником (20). Опорный однорядный шарикоподшипник (33) допускает осевое смещение вала от теплового расширения. Оба подшипника имеют упругие опоры с пластинчатыми пружинами, демпфирующие вибрации корпуса турбокомпрессора. Смазка подшипников осуществляется разбрызгиванием смазочными дисками 6, которые вращаясь в масляных картерах, создают масляный туман. Лопатки турбины (12) изготовлены из жаропрочной стали и закреплены на диске турбины с помощью елочного замка. Тепловое удлинение лопаток учитывается обеспечением зазора между рабочей лопаткой и корпусом турбины. Для предохранения лопаток от вибрации они скреплены бандажной проволокой, проходящей через отверстия в лопатках.

Корпус компрессора (25) отлит из алюминиевого сплава и может быть снабжен всасывающим патрубком (18), к которому присоединяется наружный всасывающий трубопровод. Всасывающая камера имеет звукоизоляционное покрытие (17). В качестве фильтрующего материала в воздушном фильтре (21) применяется металлическая вата и искусственное волокно, пропитанное маслом.

Рабочее колесо компрессора (27) изготовлено из алюминиевого сплава и зафиксировано на валу шпонкой, а в осевом направлении при помощи стопорной гайки (24). Уплотнение воздушной полости компрессора со стороны всасывания обеспечивается сальниковой втулкой (23), имеющей в средней части отверстие, сообщающееся через разгрузочную полость (А) и отверстие в крышке (16) с атмосферой, предотвращающее всасывание масла через сальник из картера опорно-упорного подшипника.

Со стороны нагнетания предусмотрено прохождения воздуха через зазоры в уплотнении колеса компрессора и вдоль вала (28) в газовыпускную камеру, благодаря чему защищается от нагрева рабочее колесо и вал ТК.

Газовое пространство турбины кроме сальниковых уплотнений (31 и 32) имеет лабиринтовое уплотнение (29) с камерой укупорки, в которую поступает запирающий воздух по каналам (В). Количество запирающего воздуха регулируется винтом (34) с таким расчетом, чтобы из разгрузочно-контрольной полости (С) через отверстие в крышке (30) выходил бы воздух, а не газы. Благодаря этому предотвращается поступление газов в масляную полость опорного подшипника.

Воздух засасывается компрессором через фильтр (21). Для обеспечения безударного поступления воздуха на рабочее колесо (27) компрессора служит вращающийся направляющий аппарат (26). Сжатый воздух после рабочего колеса дополнительно сжимается в лопаточном диффузоре (15), за счет преобразования кинетической энергии в работу сжатия. Далее воздух поступает в спиральную воздушную улитку (14), в которой происходит дальнейшее снижение скорости и некоторое повышение давления воздуха.

Газ из выпускного коллектора дизеля поступает в газоподводящие каналы корпуса (8), затем проходит через сопловые каналы (11), где происходит частичное расширение газа и превращение его потенциальной энергии в кинетическую. При выходе из сопл газ поступает в каналы между рабочими лопатками (12) диска турбины, где кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу, затрачиваемую на вращение вала турбины.

2) ТК типа VTR (швейцарская фирма Броун-Бовери) состоит из одноступенчатой газовой турбины реактивного типа и центробежного компрессора (приложение 4 Турбокомпрессор типа «Броун-Бовери» VTR).

Ротор (28) цельнокованый, вращается в двух подшипниках качения, расположенных на противоположных его концах. Подшипник (33.4) со стороны турбины роликовый, однорядный, опорный; со стороны компрессора подшипник (20.5) – шариковый, двухрядный, опорно-упорный. Оба подшипника имеют упругие наружные обоймы, предохраняющие их от вибрации корпуса. Смазка подшипников осуществляется при помощи шестеренчатых насосов или разбрызгивающих дисков (6), насажанных на ротор вместо насосов. Масло заливается в корпус подшипников (картеры), расположенные на концах ротора. Смену масло рекомендуется производить по опыту эксплуатации двигателя через 2000 часов.

Колесо центробежного компрессора (27) насажено на ротор с помощью шпоночного соединения. Вращающийся направляющий аппарат (26) выполнен отдельно и соединен с ротором также с помощью шпонки. На выходе из колеса компрессора установлен лопаточный диффузор (15). Утечка воздуха из компрессорной полости препятствует лабиринтовое уплотнение.

Впускной (8) и выпускной (10) корпуса турбины имеют специальные полости, сообщающиеся с системой охлаждения дизеля. Установленные в газовыпускном корпусе теплозащитные вставки (13) препятствуют передаче тепла от выхлопных газов к надувочному воздуху. На турбинном конце ротора имеются сильно развитые лабиринтные уплотнения (29), препятствующие утечки газов. Между двумя группами уплотнений (пять и шесть уплотнительных поясов) расположена камера подвода уплотняющего воздуха (Д), которая соединена каналом (В) с компрессорной полостью. Лабиринтовые уплотнения состоят из гребешков изготовленных из стальной полосы толщиной 0,3 мм. Гребешки заводятся в пазы, выфрезерованные на роторе, и зачеканиваются специальной чеканной проволокой.

Лопатки соплового аппарата штампуются из полосовой аустенитной стали. Набор лопаток монтируется в специальных формах и заливается чугуном, вследствие чего образуются внутреннее и наружное кольца диафрагмы. Рабочие лопатки турбины (12) крепятся к диску с помощью елочного замка.

В некоторых конструкциях приемный патрубок компрессора соединяется трубопроводом с картером дизеля с целью его вентиляции. Однако это приводит к интенсивному отложению масла на лопатках компрессора.

3) ТК типа Н5 по конструкции во многом аналогичен ТК типов VTR и PDH. Одноступенчатый центробежный компрессор и одноступенчатая осевая турбина расположены на одном валу с концевыми опорами (приложение 4 Турбокомпрессор типа Н5).

Остов ТК состоит из трех корпусов: среднего газовыпускного (10), турбины (8) и компрессора (25).

Средний корпус и корпус турбины охлаждается водой, подводимой из зарубашечного пространства дизеля.

Ротор ТК состоит из вала, колеса компрессора и диска турбины. Вал цельнокованый. Рабочее колесо (27) компрессора и вращающийся направляющий аппарат (26) насажены на вал и стопорятся между собой от осевого смещения стопорным кольцом (24). Диск турбины выполнен заодно с валом, лопатки крепятся к диску с помощью елочного замка, через сверление в лопатках проходит бандажная проволока.

Колесо центробежного компрессора полузакрытого типа с радиальными лопатками. Лопаточный диффузор (15) присоединен к корпусу (25) компрессора.

Турбинные и компрессорные концы ротора, а также масляные картеры подшипников, снабжены радиальными уплотнениями, препятствующими утечке газов из турбины и попаданию масла в компрессор.

Лабиринтовые уплотнения радиальные со стороны турбины и осевые со стороны нагнетания компрессора выполнены на съемных основаниях (лабиринтовая втулка (38) на валу и лабиринтовое кольцо (39) на теплоизоляционной вставке (13)), в которых выфрезерованы канавки и зачеканены с применением специальной (чеканной) проволоки гребешки, изготовленные из стальной полосы толщиной 0,25 – 0,30 мм.

Со стороны всасывания ТК и со стороны каждого подшипника установлены уплотнительные втулки (22, 23, 31, 32).

Организация разгрузки концевого уплотнения компрессора и укупорки сжатым воздухом (из улитки) лабиринтового уплотнений турбины аналогична использованной в ТК типа VTR и PDH.

Ротор ТК вращается в подшипниках качения: опорном однорядном шарикоподшипнике (33) со стороны турбины и опорно-упорном двухрядном шарикоподшипнике (20) со стороны компрессора.

В опорном подшипниковом узле предусматривается возможность осевого скольжения наружной втулки относительно корпуса подшипника (33) при тепловом удлинении вала. Оба подшипника снабжены обоймой упругих прокладок из тонких стальных пластин. Демпфирование радиальных вибраций корпуса ТК способствует перетеканию масла через ассиметрично расположенные отверстия в упругих пластинах.

Опорно-упорный подшипник снабжен с обеих сторон обоймами упругих стальных прокладок (колец) для демпфирования осевых вибраций ротора. Осевой разбег ротора определяется суммарным зазором в упругой осевой обойме и составляет 0,10 – 0,15 мм.

Смазка подшипников автономная и обеспечивается двумя шестеренчатыми насосами (6) с червячными приводами, насаженными на концах ротора. Контроль за смазкой подшипников осуществляется с помощью двух смотровых стекол (4),имеющихся в крышке каждого люка картера. По верхнему стеклу наблюдается поток масла, по нижнему – уровень. Турбинное масло должно иметь класс вязкости по SAE – 20.

4) ТК типа Н3 и N3 (приложение 4 Турбокомпрессор типа Н3 и N3) отличается от рассмотренных конструкций ТК консольным расположением роторов. Опоры ротора находятся между турбиной и компрессором в гнездах среднего охлаждаемого корпуса (10) остова ТК, внутренняя полость которой образует общий масляный картер. С одной стороны к нему крепится корпус турбины, состоящий из газоподводящей улитки, газовыпускного корпуса (8) и находящимися между ними наружного кольца осевой турбины и соплового аппарата (11). С другой стороны – корпус компрессора, состоящий из спиральной воздушной улитки (14), корпуса опорно-упорного подшипника (20), лопаточного диффузора (15) и присоединенного к входному фланцу фильтра-глушителя (21).

Вал ТК откован заодно с диском турбины, крепление лопаток (12) к диску обеспечивается елочным замком, через отверстия в лопатках проходит бандажная проволока, скрепляющая их в пакеты с целью предохранения от вибрации.

Колесо компрессора (27) и вращающийся направляющий аппарат (26) насажены на общей шпонке и зафиксированы с торца вала стопорной гайкой (24). Вал с обеих сторон имеет радиальные уплотнения поршневого типа с одним упругим кольцом. Кольца вставлены в выточки уплотнительных втулок, которые снабжены также маслоотбойными гребнями.

Утечки сжатого воздуха в компрессоре предотвращаются лабиринтовым уплотнением «в паз» с прямоугольными гребешками на стенке рабочего колеса (27) компрессора и на корпусе (20) опорно-упорного подшипника. Имеющиеся утечки сжатого воздуха используются для подвода по каналу (В) запирающего воздуха к лабиринтовым уплотнениям турбины: радиальному, образованному двумя расточенными на валу кольцевыми гребнями и двумя гребешками на лабиринтовой втулке (38); и осевому – между тремя гребешками на лабиринтовом кольце (39) и торцевой поверхности диска турбины.

Опоры ротора состоят из однотипных однорядных шарикоподшипников, насаженных непосредственно на вал, и зафиксированных между собой распорной втулкой. Со стороны турбины опорный подшипник через уплотнительную втулку упирается в бурт ротора, а со стороны компрессора – опорно-упорный подшипник через такую же уплотнительную втулку и дистанционное кольцо – в колесо компрессора. Вся система стягивается одной стопорной гайкой (24).

Демпфирование радиальных и осевых вибраций корпуса и вала ТК в опорно-упорном подшипнике, а также компенсация теплового удлинения вала в опорном подшипнике, выполнены аналогично конструкциям в ТК типа Н5 и PDH-50.

Смазка подшипников принудительная. Масло поступает из циркуляционной системы смазки двигателя под давлением 0,05 – 0,3 МПа через дополнительный фильтр тонкой очистки и фильтр (сито), расположенные в верхней части опорного корпуса ТК. Распыливание и направление масла к подшипникам осуществляется через сопло, возврат масла – в циркуляционную систему.

Основные параметры рассмотренных турбокомпрессоров указаны в таблице 3.2.

2.5 Система охлаждение надувочного воздуха

При сжатии воздуха в компрессоре одновременно с давлением увеличивается и его температура, плотность заряда воздуха в определенной мере из-за этого уменьшается, а температура цикла возрастает.

Охлаждение надувочного воздуха применяется как в целях увеличения плотности этого воздуха, так и для снижения температур цикла и деталей цилиндропоршневой группы. Охлаждение надувочного воздуха на каждые 10 К увеличивает массу поступающего в рабочий цилиндр воздуха на 2 – 2,5% и приводит к снижению средней температуры рабочего цикла и теплонапряженности деталей дизеля при повышенном давлении наддува.

Для охлаждения воздуха в судовых дизелях наиболее часто применяются охладители рекуперативного типа, т.е. теплообменные аппараты, в которых охлаждаемый воздух и забортная вода, используемая в качестве охлаждаемого агента, протекают одновременно и теплота передается через охлаждающую стенку.

Воздух охлаждается в холодильниках различных конструкций: круглотрубчатых; плоскотрубчатых с гофрированными общими пластинами; с поверхностью, выполненной из профильных листов. В качестве теплообменной поверхности используется круглые или овальные гладкие трубы, а также элементы, набранные из профильных листов (трубки-пластины). Забортная вода движется внутри труб, воздух обтекает их снаружи. Оребрение труб делается с целью увеличения теплообменной поверхности.

В охладителях (теплообменных аппаратах) судовых дизелей, как правило, применяется перекрестный ток воды и воздуха (рис. 2.14).

Воздухоохладитель состоит из сварного корпуса 1, трубных досок 4, между которыми находятся трубки 3. С целью увеличения поверхности теплоотдачи от воздуха к воде привариваются по всей длине трубок пластины. Корпус теплообменного аппарата закрывается верхней 2 и нижней 7 крышками, образующими полости для подвода 6 и отвода 5 охлаждающей воды. Для защиты от коррозии в корпусе установлен цинковый протектор.

Во время эксплуатации воздухоохладителя возможен нагрев его деталей. Для компенсации теплового расширения предусматривается возможность перемещения в осевом направлении нижней трубной доски.

Конструктивно оребрение трубок исполнено: внутреннее – из медно-никилевого сплава для охлаждения воздуха морской водой; наружное – накатка спиральных ребер из алюминиевого сплава. Такие трубки называются биметаллическими, они обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными трубками: высокой стойкостью к вибрации, небольшим гидравлическим сопротивлением проходу потока воздуха, они меньше засоряются. Для повышения теплообмена в охладителях трубки заменяют плоскими трубками-пластинами. Их изготавливают из металлической ленты, на которой выштампованы полусферические углубления диаметром 4 – 6 мм. Они предназначены для более эффективного перешивания воды.

Как показали испытания, пластинчатые воздухоохладители имеют высокую эффективность охлаждения, небольшую массу и габариты. Однако в случае выхода из строя одной из пластин замене подлежит весь теплообменный узел. Кроме того, теплообменник с плоскими трубками быстро засоряется и трудно очищается.

Рис. 2.14 Охладитель надувочного воздуха

1 – сварной корпус; 2 – верхняя крышка; 3 – трубки; 4 – трубные доски; 5 – отвод охлаждающей воды; 6 – подвод охлаждающей воды;

7 – нижняя крышка

Степень охлаждения воздуха в любых по конструкции воздухоохладителях зависит от температуры воздуха и охлаждающей воды на входе в холодильник, скорости движения потоков воздуха и воды, эффективности теплообмена и других.

Для характеристики системы охлаждения и свойств самого охладителя используется следующие показатели:

1) Степень охлаждения воздуха (Ех = Тв – Ткц / Тв – То); характеризующая глубину охлаждения надувочного воздуха, где Тв, Ткц, То – температуры после компрессора, после охладителя и окружающей среды.Для современных дизелей Ех находиться в пределах 0,2 – 0,9.

Значение Ех при постоянной температуре воздуха на всасывании в компрессор зависит от температуры охлаждающей воды, уменьшаясь с ее ростом, что создает неудобства для использования этого показателя в эксплутационных расчетах.

2) Термический КПД охладителя воздуха (ηх = Тв – Ткц / Тв – Тw), представляет собой отношение действительной разности температур воздуха на входе в охладитель и на выходе из него к эталонному значению (Тв – Тw), которое могло бы быть при идеально полном охлаждении надувочного воздуха до температуры воды Тw, поступающей на воздухоохладитель.

Даже в наиболее совершенных охладителях с развитой поверхностью теплообмена температура воздуха после воздухоохладителя превышает температуру охлаждающей воды на 15 - 30ºC.

Для охладителя значение термического КПД остается практически постоянным в широком диапазоне изменения температур Тв и Тw. Это позволяет использовать зависимость (ηх = Тв – Ткц / Тв – Тw), для расчета температуры надувочного воздуха при изменении температур Тк и Тw на различных режимах работы дизеля:

Ткц = Тв – ηх (Тв – Тw),

Значения термических КПД охладителей в зависимости от охлаждающей поверхности лежат в пределах от 0,2 до 0,9.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: