СИСТЕМА НАДДУВА С ПОДШИПНИКАМИ КАЧЕНИЯ


В АО «НПО» Турботехника» выполнены опытно-конструкторские работы по разработке турбокомпрессора размерности ТКР 80 с применением прецизионных шарикоподшипников в ходовой части. Агрегат наддува предназначен для двигателя ЯМЗ 53625 мощностью 176 кВт сельскохозяйственного применения.

Применение эффективных и надёжных систем турбонаддува является одним из необходимых условий достижения высокого технического уровня современных двигателей и улучшения их мощностных показателей, топливной экономичности, сокращения выбросов вредных веществ.

Использование подшипника качения в ТКР дает множество преимуществ с точки зрения термодинамики. Установлено, что снижение потерь на трение в подшипниках качения ТКР может улучшить динамику, КПД и даже снизить выбросы двигателей внутреннего сгорания. Тем не менее, пока мало примеров использования этой технологии в автомобилях.

В ходовой части турбокомпрессора использованы прецизионные шарикоподшипниковые узлы. Применение шарикоподшипников позволило уменьшить зазоры между рабочими колесами и корпусами. Зазор между колесом компрессора и корпусом составил 0,2 мм, между колесом турбины и корпусом турбины – 0,3 мм. При применение подшипников скольжения эти зазоры составляли 0,5 мм и 0,6 мм соответственно. Уменьшение зазоров между колесами и корпусами, а также уменьшение потерь на трение, приведут к увеличению суммарного КПД турбокомпрессора.

Конструктивные особенности разработанного подшипникового узла. Структура подшипникового узла представлена на рис. 1. Как внешний, так и внутренний корпус подшипника состоят из термостойкой несущей стали. В качестве элементов качения используются керамические шарики, которые удерживаются металлической клеткой (сепаратором) на расстоянии. Керамический материал шариков, характеризуется высокой прочностью даже при высоких температурах, отличной термостойкостью, отличной износостойкостью, низким тепловым расширением, средней теплопроводностью и хорошей химической стойкостью.

Рис. 1. Структура подшипникового узла

Для лучшей динамики ротора необходимо обеспечить демпфирование постоянно соприкасающихся в подшипнике качения движущихся твердых тел. С этой целью на внешнем корпусе подшипников предусмотрены конструктивные решения для демпфирования масляной пленкой. Благодаря подаче масла снаружи образуется масляная пленка толщиной 10 микрон, которая служит для гашения возбужденных колебаний ротора. При этом внешняя обойма подшипника конструктивно должна быть обеспечена от проворачивания.

Место расположения шариков в картридже имеет почти о-образную форму благодаря этому хорошо воспринимает как осевые, так и радиальные нагрузки. Кроме того, тонкие отверстия выполнены во внешней оболочке подшипника. Они обеспечивают подачу масла внутрь картриджа подшипника. Большая часть подаваемого масла выходит через центральное отверстие во внешнем корпуса подшипника без давления. Таким образом, обеспечивается смазка и теплоотвод от катящихся элементов. Обеспечение хорошего теплоотвода в такой конструкции имеет определенные проблемы, в силу которых подшипник качения должен иметь минимальное количество смазки. Во время движения качения в подшипниковых оболочках катящийся элемент должен выталкивать это масло, что приводит к заметному сопротивлению. Поскольку этот эффект описывается как сильно зависящий от частоты вращения, он имеет особое значение при применении подшипников качения в турбонагнетателе [10]. Таким образом, возникает конфликт целей между оптимальным охлаждением и смазкой подшипника.

Необходимо справиться с противоречивыми моментами в работе подшипников связанное с большими гидродинамическими потерями при слишком большом количестве смазки и при этом о необходимости охлаждения подшипников этим же маслом, поскольку оба имеют большое значение (рис. 2).

Рис. 2. Фрикционные потери подшипников качения ТКР

при различных условиях смазки [10]

Разработанная конструкции ТКР 80 с прецизионным шарикоподшипниковым узлом подтверждает свою перспективность благодаря проведенным аналитическим и патентным исследованиям.

Исследования потерь на трение в агрегатах наддува. Исследованиям турбоагрегатов с подшипниками качения посвящено множество работ, в которых были определены их преимущества, так же сформулирована концепция развития таких агрегатов наддува.

Как Schmitt [4], так и Vanhaelst [7] в своих работах показывают результаты исследований подшипников качения в различных конструкциях турбоагрегатов на специально разработанных исследовательских стендах для изучения фрикционных потерь.

На рис. 3 представлена зависимость потерь на трение от частоты вращения ротора ТКР для подшипников скольжения и качения.

Рис. 3. Сравнение потерь на трение в подшипниках скольжения

и качения (в турбокомпрессорах) [4]

Влияние на работу двигателя (моделирование и эксперимент). Многие авторы изучают влияния турбокомпрессора с подшипником качения на параметры двигателя в системах имитационного моделирования. Steidten представил в своей работе [5] теоретическое исследование по улучшению динамики турбокомпрессора с подшипником качения. Расчетом показал уменьшение момента инерции ротора и увеличение КПД турбины. Уменьшение трения в подшипниках качения позволяет несколько увеличить максимальное давление наддува, расчеты он проводил для трех двигателей с рабочими объемами 1,6, 2,2 и 3 л.

Выводы. Турбокомпрессоры используются как один из способов повышения мощности двигателей различного назначения. Подшипники турбокомпрессоров должны обладать хорошей реакцией на ускорение, так же должны иметь низкую вибрацию, низкое изменение температуры при высоких частотах вращения ротора и т.д.

Альтернативной для классического подшипника скольжения турбонагнетателей является использование шариковых или роликовых подшипников. В отличии от подшипника скольжения с тонкой пленки масла, механизм трения шарикового подшипника состоит в трении качения вращающихся элементов (шариков). Это приводит к уменьшению мощности трения и обеспечивает лучшее динамическое поведение, а также более высокую эффективность турбокомпрессора.

Проведенные исследований показали, что подшипник качения ускоряется намного быстрее и достигает более высокой максимальной частоты вращения. Применение гибридных керамических подшипников в агрегатах наддува ДВС позволит существенно улучшить параметры двигателя, при этом не требует жесткого эксплуатационного контроля (неприхотлив в эксплуатации).

По результатам проведенных исследований спроектирован турбокомпрессор ТКР 80 с прецизионным шарикоподшипниковым узлом. При его разработке были учтены результаты многих зарубежных исследований в области создания шарикоподшипников для агрегатов наддува.

Материалы по теме:

Каминский, В.Н. Каминский Р.В., Терегулов Т.И., Сибиряков С.В., Костюков Е.А., Филиппов А.С. Разработка системы наддува с подшипниками качения // Наукоград Наука Производство Общество. 2018. №2 (16). С. 30-34

#Турботехника #подшипники #наддув

Просмотров: 0

РЕЖИМ РАБОТЫ

ПН – ПТ    08:00 – 17:00

ОБЕД        12:00 - 13:00

Материалы сайта защищены авторским правом. Копирование только с разрешения администрации сайта. За нарушение авторских и смежных прав наступает гражданская, уголовная и административная ответственность в соответствии с законодательством РФ

© 2020 АО "ТУРБОКОМПЛЕКТ"    |   WWW.KAMTURBO.RU