узел упорного подшипника лопаточной машины

Формула изобретения

Узел упорного подшипника лопаточной машины, преимущественно турбокомпрессора для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащий собственно упорный подшипник, распорную втулку и маслоотбойный щиток, отличающийся тем, что упорный подшипник, являющийся самоустанавливающимся в процессе вращения ротора машины, с одной стороны своей верхней торцовой поверхностью плотно прилегает к ее статору, а с противоположной стороны упирается на плоскую упорную площадку верхней части маслоотбойного щитка, выполненной ступенчатой формы, а сам маслоотбойный щиток, выполненный в виде тонкостенного экрана, жестко закреплен к статорным деталям машины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к узлу упорного подшипника лопаточной машины, преимущественно турбокомпрессора для наддува двигателей внутреннего сгорания (ДВС) или силовым турбинам, а также может быть использовано в других лопаточных машинах.

Известный узел подшипника турбокомпрессора для наддува ДВС [1], содержащий собственно качающийся радиально-упорный подшипник, установленный в статоре - среднем корпусе турбокомпрессора. Упорными поверхностями подшипника на роторе служат боковые поверхности втулки уплотнения турбины, выполненной заодно с валом (со стороны турбины), и маслоотражателя, посаженного на вал с зазором (со стороны компрессора). Для фиксации подшипника от вращения используется штифт, закрепленный одним концом в среднем корпусе, а другим концом вставленным с зазором в отверстие на боковой поверхности подшипника. Часто в качестве штифта используется фиксатор, служащий одновременно каналом подвода масла к подшипнику. Для уменьшения притока масла к уплотнительным кольцам между маслоотражателем и радиально-упорным подшипником установлен маслоотбойный щиток.

Общими признаками конструкции аналога и заявляемого устройства является наличие подшипника и маслоотбойного щитка.

К недостаткам известного устройства следует отнести отсутствие собственно упорного подшипника. Хотя используемый подшипник является радиально-упорным, при больших осевых силах, действующих на ротор и имеющих место, в особенности на пониженных частотах вращения коленчатого вала ДВС торцы подшипника быстро изнашиваются, что приводит к нештатной работе турбокомпрессора и выхода его из строя. По той же причине ротор имеет относительно большое осевое перемещение, что приводит к повышенному износу уплотнительных колец и, следовательно, к большому уносу масла в проточные части компрессора при эксплуатации турбокомпрессора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является известный узел упорного подшипника турбокомпрессора, описанный в [2]. Упорный подшипник жестко закреплен к статору машины (среднему корпусу турбокомпрессора) крепежом. Рабочие поверхности упорного подшипника установлены в распорной втулке, посаженной на вал с зазором. Между упорным подшипником и маслоотражателем установлен маслоотбойный щиток.

Общими признаками прототипа и заявляемого узла упорного подшипника лопаточной машины являются наличие собственно упорного подшипника, его распорной втулки и маслоотбойного щитка.

Недостатком известного устройства является жесткое крепление диска упорного подшипника к среднему корпусу турбокомпрессора, что не позволяет демпфировать продольные колебания ротора и приводит к увеличению амплитуды прецессионного движения ротора. В результате нагрузки на подшипники, в том числе и упорный увеличиваются, что даже при высокой точности изготовления деталей узла осевого подшипника приводит к контактированию поверхностей трения и как следствие появлению натиров и рисок на этих поверхностях. Вследствие этого несущая способность упорного подшипника резко снижается, турбокомпрессор теряет свою эффективность из-за увеличения механических потерь, появляется недопустимая вибрация ротора, шум и, в конечном итоге, турбокомпрессор выходит из строя. Таким образом, жесткое крепление упорного подшипника снижает долговечность, надежность и эффективность работы подшипников турбокомпрессора, что в целом снижает его эксплуатационные возможности и повышает энергозатраты.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования узла упорного подшипника лопаточной машины, преимущественно турбокомпрессора для наддува двигателя внутреннего сгорания, в котором за счет иного крепления упорного подшипника к статору (среднему корпусу и другим корпусным деталям машины), а также иной формы выполнения маслоотбойного щитка и его крепления исключается контакт рабочих поверхностей трения в узле упорного подшипника, что приводит к снижению нагрузки и уменьшению его износа. Как следствие повышается долговечность, надежность и эксплуатационные возможности работы узла упорного подшипника и лопаточной машины, а в целом именно турбокомпрессора.

Поставленная задача достигается тем, что в узле упорного подшипника лопаточной машины, преимущественно турбокомпрессора для наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащем собственно упорный подшипник, его распорную втулку и маслоотбойный щиток, согласно изобретению, упорный подшипник, являющийся самоустанавливающимся в процессе вращения ротора машины, с одной стороны своей верхней торцовой поверхностью плотно прилегает к ее статору, а с противоположной стороны упирается на плоскую упорную площадку верхней части маслоотбойного щитка, выполненной ступенчатой формы, а сам маслоотбойный щиток, выполненный в виде тонкостенного экрана, жестко закреплен к статорным деталям машины.

В результате использования заявляемого изобретения обеспечивается получение технического результата, заключающегося в исключении контакта рабочих поверхностей трения в узле упорного подшипника, что приводит к снижению нагрузки и уменьшению его износа.

Между существенными признаками заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

Предлагаемое нежесткое крепление упорного подшипника лопаточной машины, при котором он с одной стороны своей верхней торцовой поверхностью плотно прилегает к ее статору, а с противоположной стороны упирается на плоскую упорную площадку верхней части маслоотбойного щитка, выполненной ступенчатой формы, дает возможность выполнить его самоустанавливающимся в процессе вращения ротора машины, что предотвращает контакт поверхностей трения даже при незначительном нарушении конструкторских допусков на параллельность торцовых рабочих поверхностей упорного подшипника и стенок распорной втулки.

Выполнение маслоотбойного щитка в виде тонкостенного экрана, который имеет ступенчатую форму в верхней части и расположен между статорными деталями машины, и жесткое его закрепление (защемление) деталями по периферийному диаметру позволяет сделать его относительно гибким. Это приводит к тому, что в процессе работы турбокомпрессора возникающие продольные колебания его ротора передаются на относительно гибкий маслоотбойний щиток, который в данном случае является демпфером этих колебаний. Поэтому при таком креплении упорного подшипника, за счет демпфирования продольных колебаний ротора маслоотбойным щитком амплитуда прецессионного движения ротора уменьшается, снижая тем самым нагрузки на подшипники, в том числе и на упорный.

В целом отличительные признаки заявляемого узла упорного подшипника лопаточной машины являются существенными и необходимыми для достижения нового технического результата - исключение контакта рабочих поверхностей трения в узле упорного подшипника, что приводит к снижению нагрузки и уменьшению его износа.

По имеющимся у заявителя сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению заявителя, для специалиста в области конструирования лопаточных машин сущность заявляемого изобретения не следует явным образом из уровня техники, т.к. из него не выявляется совокупность существенных признаков и ее влияние на достигаемый технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию изобретательский уровень.

Заявляемый узел упорного подшипника лопаточной машины может быть реализован и многократно использован в машиностроении с получением ожидаемого технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Использование существенных отличительных признаков заявляемого узла упорного подшипника лопаточной машины в совокупности с известными позволяет значительно снизить нагрузки на подшипники, увеличив тем самым надежность и долговечность работы подшипников, повысить механический коэффициент полезного действия (КПД) лопаточной машины. В целом повышается ее надежность и эффективность.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен предлагаемый узел упорного подшипника лопаточной машины, преимущественно турбокомпрессора для наддува ДВС, где обозначено: 1 - упорный подшипник, 2 - маслоотбойный щиток, 3 - плоская площадка маслоотбойного щитка, 4 - распорная втулка упорного подшипника, 5 - средний корпус турбокомпрессора, 6 - задняя стенка диффузора, 7 - вал ротора.

Предлагаемое изобретение на примере турбокомпрессора для наддува ДВС содержит узел упорного подшипника, включающий собственно упорный подшипник 1, маслоотбойный щиток 2, выполненный в виде тонкостенного экрана. Верхняя часть маслоотбойного щитка 2 выполнена ступенчатой формы и имеет плоскую упорную площадку 3. Рабочие поверхности упорного подшипника 1 установлены в распорной втулке 4, посаженной на вал ротора 7. Маслоотбойный щиток 2 расположен между статорными деталями машины, а именно средним корпусом 5 и задней стенкой диффузора 6, и жестко защемлен ими по периферийному диаметру. Упорный подшипник 1 с одной стороны своей верхней торцовой поверхностью плотно прилегает к статору, а именно к среднему корпусу 5, а с противоположной стороны упирается на плоскую упорную площадку 3 верхней части маслоотбойного щитка 2.

Заявляемый узел упорного подшипника на примере турбокомпрессора для наддува ДВС работает следующим образом.

При работе ДВС на переходных режимах результирующая осевая сила, действующая на ротор турбокомпрессора, изменяет как свое направление, так и величину, то есть ротор претерпевает колебания в осевом направлении. Поскольку упорный подшипник 1 крепится не жестко к среднему корпусу 5, а опирается на него лишь одной стороной, а другой противоположной стороной упирается на плоскую упорную площадку 3 верхней части относительно гибкого маслоотбойного щитка 2, защемленного между задней стенкой диффузора 6 и средним корпусом 5, то осевые составляющие колебаний ротора передаются через упорный подшипник на маслоотбойный щиток, который является демпфером колебаний. В результате демпфирования колебаний маслоотбойным щитком 2 амплитуда прецессионного движения ротора уменьшается и нагрузки на подшипники, в том числе и упорный 1 уменьшаются, предотвращая контакт рабочих поверхностей трения. Кроме того, при таком креплении упорный подшипник является самоустанавливающимся, что предотвращает контакт поверхностей трения упорного подшипника 1 и стенок распорной втулки 4, посаженной на вал 7 ротора, при определенном нарушении конструкторских допусков на параллельность торцовых рабочих поверхностей упорного подшипника 1 и стенок распорной втулки 4.

Таким образом, заявленное изобретение при использовании гарантирует надежную работу узла упорного подшипника лопаточной машины в эксплуатации вследствие исключения контакта рабочих поверхностей трения в этом узле. В результате повышаются эффективность и надежность лопаточной машины в эксплуатации.

По данному изобретению изготовлен опытный образец, который прошел испытания, подтвердившие его работоспособность и получение ожидаемого технического результата и положительного эффекта.

Предложенный узел упорного подшипника лопаточной машины может найти широкое применение при конструировании любых лопаточных машин, используемых в других областях техники.

Источники информации:

1. Автомобильные двигатели с турбонаддувом Н.С.Ханин, Э.В., Аболтин, Б.Ф.Лямцев и др. - М: Машиностроение, 1991.- С.147.

2. Патент US 5207566, Exhaust gas turbocharger bearing, М.кл. F 04 B 17/00, опубл. 04.05.1993 г. (прототип).