CC BY
80
УДК 629.113.004.67
Гаффаров А.Г., Кулаков А.Т., Денисов А.С., Макушин А.А.
Камская государственная инженерно-экономическая академия, г. Набережные Челны
E-mail: [email protected]
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА ТУРБОКОМПРЕССОРА АВТОТРАКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Приводятся результаты аналитических и экспериментальных исследований теплонапряженного состояния деталей турбокомпрессора дизельного двигателя. Приведена конструкция усовершенствованного подшипникового узла и теплоизоляции элементов турбокомпрессора. Рассматриваются возможные решения тепловых проблем деталей турбокомпрессора при данном уровне наддува.
Ключевые слова: дизельный двигатель, турбокомпрессор, температура масла, расход масла, подшипник.
Устанавливаемый на двигателях КамАЗ-740 11-240 турбокомпрессор ТКР-7Н (рисунок
1) имеет подшипниковый узел с рядом недостатков, которые существенно снижают его эксплуатационную надежность.
В серийной конструкции подшипникового узла масло из системы смазки двигателя через переходник 13 и трубчатый фиксатор 12 попадает в полость втулки подшипника 1. По боковым отверстиям фиксатора масло подается в зазор между корпусом 11 и подшипником 1. По торцовым канавкам на подшипнике масло подается в зазор между валом ротора и подшипником, затем через торцовый зазор между подшипником 1 и маслоотражателем 7 масло попадает в полость корпуса подшипника 11 и через сливной патрубок попадает в картер двигателя.
В корпусе подшипника 11 установлены стальные крышки 10 и маслосбрасывающий экран 9, который вместе с упругими разрезными кольцами 5, 18 предотвращает течь масла из полости корпуса подшипника.
Недостатком такой конструкции является то, что подача масла для смазывания подшипника и охлаждения ТКР осуществляется через полость, образованную между опорными поясками, где ротор вращается с частотой 90000 мин-1. При непосредственной подаче масла по фиксатору в пустотелую полость подшипника происходит трение между валом и маслом с выделением большого количества тепла. При этом значительная часть энергии вращения ротора затрачивается на преодоление сил внутреннего трения масла, которая превращается в тепло и в результате чего снижается КПД турбокомпрессора.
Произведем расчет этих сил трения и роста температуры масла, с допущением, что мо-
новтулка является единым подшипником, полость включена в длину подшипника I = 42мм.
Исходя из предельных нагрузок подшипников скольжения [1] для d=11мм и скорости вращения п = ю/2р = 1500 с-1 (90000 мин-1) принимаем нагрузку в подшипнике Ж = 200 Н. Масло в подшипнике турбокомпрессора М10ДМ (рабочая расчетная температура масла на входе 100 °С, температура вспышки 220 °С.). Динамическая вязкость масла ц = 0,02 Н-с/м2 = (Па-с) (при 50 °С) [1]. Учитывая рост температуры в подшипнике для расчетов принимаем ц = 0,006 Н-с/м2, при 140 °С [1]. Остальные исходные данные, расчетные формулы и результаты расчетов приведены в таблице 1.
Максимальная температура масла на выходе из подшипника ТКР при температуре мас-
1 - подшипник; 2 - экран; 3 - корпус компрессора; 4 - диффузор; 5, 18 - уплотнительные кольца; 6 - гайка; 7 - маслоотражатель; 8 - колесо компрессора; 9 - маслосбрасывающий экран; 10 - крышка; 11 - корпус подшипника; 12 - фиксатор; 13 - переходник; 14 - прокладка; 15 - экран турбины; 16 - колесо турбины; 17 - корпус турбины
Рисунок 1. Турбокомпрессор ТКР 7Н
ла в системе ґвх = 100 °С и расходе (9 = 1 л/мин составляет ґ =100+41= 141°С, что согласуется
тах 1 ^
с экспериментальными данными [2].
Схема потоков масла приведена на рисунке 2. В отличие от серийной схемы, в опытной исключена замкнутая масляная полость, и подшипник работает двумя поясками. Исходные данные для расчетов и результаты расчета также приведены в таблице 1.
Параметры усовершенствованного подшипника для обеспечения увеличения расхода масла в четыре раза до 4 л/мин и снижения температуры масла показаны на рисунке 3, а конструкция узла приведена на рисунке 4.
Особенности конструкции опытного подшипника и размеры показаны на рисунке 3, суть которых в аннулировании замкнутой
а) б)
Рисунок 2. Модель подшипника с гидротормозом (а) и с разгруженной полостью (б)
Таблица 1. Исходные данные и результаты расчетов параметров подшипника турбокомпрессора
Параметры Расчетная формула Т урбокомпрессор
серийный опытный
Диаметр вала й, мм 11,018 11,018
Диаметр отверстия й0, мм 10,957 10,957
Диаметральный зазор мм 0,06 0,06
Относительный зазор у у = 5/й 0,005 0,005
Длина подшипника /, мм 42 22
Отношение //й 3,8 2
Частота вращения п, мин-1 90000 90000
Угловая скорость ю, с-1 п• п/30 9420 9420
Окружная скорость V, м/с V = ю- й / 2 51,8 51,8
Кинематическая вязкость П , м2/с П = 1^ / р
Плотность масла р , кг/м3 830 830
Теплоемкость масла с, Дж/(кг°С) 1800 1800
Давление масла на входе, Рв, МПа 0,4 0,4
Удельная нагрузка Рт, МПа р^л-а 0,43 0,82
Нагрузка на подшипник W, Н 200 200
Характеристика режима работы X х = цю /рт 0,13-10-3 0,07-10-3
Минимальная толщина масляного слоя ^іп, мм hmш=S(1-x)
Относительный эксцентриситет X X =1"Ьтт^
Коэффициент нагруженности подшипника Фг 0,19 0,36
Коэффициент трения f 0,1 0,0513
Мощность трения Игр, кВт 1,04 0,53
Момент трения Мтр, Н-м Мтр=Итр/ ю 0,11 0,056
Коэффициент сопротивления вращению 3,83 3,7
Приращение температуры в смазочном слое М , оС 41,4 5,3
Расход масла через подшипник Q, л/мин Q=0,5 ую ld2q 1 4
Коэффициент расхода q * = 6 2 0,5• у -ю- 1-ё 0,14 1,06
Расчетный прирост температуры масла при расходе масла 1 л/мин, оС . 5,7-0,12 10-3 М = — - б 41 5,3
масляной полости между подшипником и валом и изменении каналов подвода смазки к трущимся поверхностям. Общий вид конструкции усовершенствованного конструкции подшипникового узла показан на рисунке 4. На основании расчетно-аналитических и экспериментальных исследований ожидается снижение потерь на трение и температуры масла на выходе из подшипника при повышении расхода масла (рисунок 5).
Максимальная температура масла на выходе из подшипника после модернизации ТКР при температуре масла в системе Ь = 100 °С составила Ь =100+5,3=105,3 °С.
тах 7 7
Проведенный расчет указывает на эффективность предложенного изменения конструкции для снижения температуры масла до нормы. Кроме того, высвобождается часть мощности, ранее затрачиваемой на трение в масле в замкнутой полости, которая превращается в полезную и увеличивает адиабатную мощность в колесе компрессора, то есть давления наддува и расхода воздуха. Улучшение этих параметров и эффективность модернизации подтверждены на двигателе при работе в условиях испытаний.
Большую значимость представляет разработка практических рекомендаций по модерни-
зации турбокомпрессора в реальной эксплуатации в виде технологии ремонта путем замены ремонтного комплекта подшипника.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.
1) Расчетом установлено и подтверждено экспериментально, что при существующем конструктивном исполнении подшипника турбокомпрессора ТКР-7Н в эксплуатации возможен значительный рост на 36-38 оС температуры прокачиваемого через него масла, а максимальная температура может достигать 141 оС, не допустимо ввиду потерь маслом своих свойств и ускоренного старения.
2) Для безопасного прироста температуры масла на 8 - 10 оС необходимо разомкнуть замкнутую полость и превратить один подшипник
1 - корпус подшипников 7403.1118024-10 с ввертышами и шпильками; 2 -ротор с колесом компрессора; 3 -кольцо уплотнительное; 4 - подшипник 7403.1118030-20; 5 - переходник; 6 - прокладка; 7 - фиксатор 7403.1118044-20; 8 - кольцо уплотнительное; 9 -экран; 10-прокладка; 11 - гайка М8 табл. ВАЗ10112; 12 - шайба пружинная с 8 табл. ВАЗ10118
Рисунок 4. Усовершенствованный подшипниковый узел
о,
л/мин
5
3
2
<ґ~ґ .А
» 1
•г-'
Рисунок 3. Конструкция опытного подшипника
1 - серийный; 2 - опытный; 3 - «Швитцер»
Рисунок 5. Зависимость расхода масла от давления в системе смазки [2] различный турбокомпрессоров
3) Возможно регулирование характеристик турбокомпрессора (частоты вращения компрессорного колеса, давления наддува и расхода воздуха) за счет использования замкнутой масляной полости в качестве тормоза и изменяя давление масла.
07.11.2011
Список литературы:
1. Воскресенский, В.А. Расчет и проектирование опор скольжения. Справочник / В.А. Воскресенский, В.И. Дьяков. - М.: Машиностроение, 1980. - 224 с.
2. Денисов, А.С. Анализ надежности турбокомпрессоров ТКР7Н-1 двигателей КамАЗ-740.11-240 / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, А.Ф. Малаховецкий // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Матер. межгосуд. научн.-техн. семинара. Вып. 15. Саратов, Сарат. гос. агр. ун-та. им. Н.И. Вавилова 2003.-с.67-74.
Сведения об авторах:
Кулаков Александр Тихонович, заведующий кафедрой эксплуатации автомобильного транспорта Камской государственной инженерно-экономической академии, доктор технических наук, профессор,
е-mail: [email protected] Денисов Александр Сергеевич, профессор кафедры сервис транспортных систем Камской государственной инженерно-экономической академии, доктор технических наук,
е-mail: [email protected] Макушин Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации автомобильного транспорта Камской государственной инженерно-экономической академии,
е-mail: [email protected] Гаффаров Айрат Гаптельхакович, аспирант кафедры сервис транспортных систем Камской государственной инженерно-экономической академии, е-mail: [email protected] 423810, г. Набережные Челны, проспект Мира, 68/19
UDC 629.113.004.67
Gaffarov A.G., Kulakov A.T., Denisov А^., Makushin A.A
Kama state academy of engineering and economics, е-mail: [email protected]
THE AUTOTRACTOR ENGINE TURBOCHARGER BEARING MOUNT ASSEMBLY PERFECTION
Results of analytical and of the experimental study of termal stress conditions are given for turbocomressor parts of the diesel engine. The design of an advanced bearing mount assembly and thermal protection of elements turbo-supercharger is resulted. Possible solutions of thermal turbocomressor problems are considered at the given level of charging.
Keywords: diesel engine, turbocharger, oil temperature, oil flow, bearing.
с опорной длиной 42 мм в два подшипника с опорными длинами по 22 мм, что приведет к увеличению расхода масла через подшипник до 4 -5 л/мин., снижению значений коэффициентов нагруженности подшипника, трения и сопротивления вращению.
