Турбокомпрессоры для наддува серийных автомобильных и тракторных двигателей на территории СНГ впервые стал выпускать ЯМЗ (Ярославский моторный завод, Россия) в 60-х годах прошлого столетия. Далее на базе выпускавшихся образцов были проведены специальные исследования, завершившиеся улучшением параметров турбокомпрессоров, связанным, в основном, с переходом на уменьшенные диаметры колёс турбин и компрессоров. Впоследствии на этой основе в 70- годы был создан типоразмерный ряд турбокомпрессоров с диаметром колес 45...110 мм, покрывавший потребности выпускавшегося в СНГ мощностного ряда автомобильных и тракторных двигателей.
Соответственно для наддува автомобильных бензиновых двигателей и дизелей рекомендовалось использовать турбокомпрессоры следующих типоразмеров:
ТКР 4,5 - для бензиновых двигателей легковых автомобилей мощностью 30...60 кВт (МеМЗ, ВАЗ);
ТКР 5.5 - для двигателей мощностью 45... 100 кВт (ВАЗ. АЗЛК, УМЗ, ЗМЗ);
ТКР 6,5 и ТКР 7,5 - для дизелей грузовых автомобилей мощностью 100...300 кВт (КамАЗ, КАЗ, ЗИЛ, ГАЗ и др.);
ТКР 9 - для дизелей ЯМЗ мощностью 160...550 кВт, устанавливаемых на грузовые автомобили МАЗ, БелАЗ, КрАЗ, тракторы "Кировец".
Диапазон мощностей приведен при установке одного или двух турбокомпрессоров на двигатель. ТКР каждого типоразмера должен иметь несколько модификаций проточных частей турбины и компрессора для оптимизации взаимного согласования характеристик ТКР с характеристикой двигателя.
Конструкция выпускаемых турбокомпрессоров способна удовлетворить большую часть предъявляемых к ней противоречивых требований. В их число входят: высокая надежность при резких изменениях температуры газа перед турбиной и частых пусках и остановах двигателя, аэродинамическое совершенство и удовлетворительный механический КПД подшипников, хорошие массогабаритные показатели, сравнительно малая инерционность ротора, технологичность, низкая себестоимость и малые затраты при эксплуатации. Для двигателей мощностью до 660 кВт этим требованиям наиболее хорошо удовлетворяет схема турбокомпрессора с центробежным компрессором и радиально-осевой турбиной, колёса которых консольно расположены по обе стороны от узла подшипников.
На автомобильных двигателях мощностью свыше 660 кВт, как правило, применяют турбокомпрессоры типа ТК с осевой турбиной.
Конструкция турбокомпрессора типоразмера ТКР 9 показана на рис.19. Она имеет много общих черт с конструкцией турбокомпрессоров меньших типоразмеров. Проточная часть турбины 3 образована одноканальным безлопаточным входным аппаратом, изготовленным из специального чугуна, и радиально-осевым колесом с укороченным диском. Колеса отливаются в вакууме по выплавляемым моделям из жаропрочного сплава на никелевой основе типа АНВ-300. Соединение колеса турбины с валом осуществляется путем сварки трением. Между колесом турбины и корпусом подшипников расположен тонкостенный теплоизолирующий экран из чугуна.
Проточная часть компрессора 2 образована колесом с радиальными или загнутыми назад лопатками, изготовленным из сплава АЛ-4, безлопаточным диффузором достаточной протяженности (D 3= 1,7 D 2), с уменьшенным поперечным сечением непосредственно за колесом и улиткой и с боковым расположением спиральной улитки. Колесо компрессора имеет лопатки, вырезанные через одну на длине вращающегося направляющего аппарата. Оно устанавливается на валу по посадке скольжения и фиксируется прецизионной гайкой с левой резьбой. Крепление корпусов компрессора и турбины к корпусу подшипника выполнено с помощью болтов и пластинчатых шайб. Корпус подшипников изготовлен из серого чугуна. Узел подшипников содержит неподвижную плавающую втулку, изготовленную из сплава В-195. закрепленную в корпусе с помощью полого фиксатора, через который подводится смазочный материал в зазоры между шейками ротора и втулкой.
Уплотнение масляной полости обеспечивается упругими разрезными кольцами, установленными в канавке по два со стороны компрессора и турбины. Кроме того, со стороны компрессора перед маслоотражателем дополнительно для повышения эффективности уплотнения установлен тонкостенный штампованный экран. Уплотнительные кольца изготовляют из чугуна или стали с xpoмированными торцами по специальной технологии.
Необходимо отметить, что для обеспечения высоких надежности и ресурса, равного ресурсу двигателя, требуется большая точность изготовления таких деталей, как вал ротора, втулка подшипника, уплотнительные кольца, гайка крепления колеса. Так, допуски на нецилиндричность вала составляют 8 мкм, отклонение шеек вала от заданного размера не должно превышать ± (3...4) мкм.
Общее количество наименований основных деталей современного турбокомпрессора не превышает 15.
Основные параметры турбокомпрессоров приведены в табл. 1. Одним из направлений развития автомобильных турбокомпрессоров в последние годы является создание конструкций микротурбокомпрессоров с диаметром колес менее 60мм, предназначенных для наддува двигателей легковых автомобилей.
На рис.20 показана конструкция турбокомпрессора типоразмера ТКР 5.5. Узел подшипников и внутренние присоединительные размеры корпусов турбины и компрессора унифицированы с турбокомпрессором меньшего типоразмера ТКР 4,5.
Турбокомпрессор типоразмера ТКР 5.5 во многом конструктивно подобен турбокомпрессору типоразмера ТКР 9. Отличительной особенностью его конструкции является наличие встроенного регулирующего клапана 3 для перепуска части газа мимо турбины. Осевые усилия воспринимаются торцами плавающей втулки подшипника 2.
Рис. 19. Турбокомпрессор типоразмера ТКР 9:
1, 2, 3 — корпуса подшипников, компрессора, турбины
Таблица 1.Основные параметры турбокомпрессоров для наддува автомобильных
двигателей и их тракторных модификаций
| Параметр | Типоразмер турбокомпрессора | ||||||
| ТКР 4.5 | ТКР 5.5 | ТКР 6.5 | ТКР 7.5 | ТКР 9 | ТКР 11 | ||
| Диаметр колёс, мм | 45….50 | 55....60 | 70…80 | 90...95 | |||
| Дизели, N e, кВт | 30...70 | 45...100 | 65...150 | 90…220 | 200...350 | 320...550 | |
| Бензиновые, N e, кВт | 45...90 | 60...135 | – | – | – | – | |
| Степень повышения давления, П к | 2.2 | 2.2 | 2.5 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | |
| Подача компрессора при П к =2,0, кг/с | 0.12 | 0.18 | 0.25 | 0.35 | 0.51 | 0.75 | |
| Максимальная T газа перед турбиной дизеля, К | |||||||
| Бензинового двигателя, К | – | – | – | – | |||
| Масса ТКР, кг. | 4.5 | 5.5 | 6.5 | 8,5 | |||
| длина | |||||||
| ширима | |||||||
| высота |
Регулирующий клапан пневматического типа (на рис. 21 показан его усовершенствованный вариант), сравнительно простой конструкции, имеет чугунный корпус 1, закрепленный на корпусе турбины, в котором перемешается стальной плунжер 2 с антикоррозионным покрытием. Полость под плунжером соединена с выходным патрубком компрессора. Плунжер соединен с клапаном 5 тарельчатого типа, изготовленным из жаропрочной стали. Под действием пружины 3 клапан перемешается в крайнее положение и прижимается к седлу в корпусе турбины.
Для обеспечения надлежащей теплоизоляции пружины 3 от потока теплоты со стороны турбины имеется экран 6 с асбестовой набивкой между корпусом клапана и полостью, в которую, перепускается газ из турбины. Установлена также асбестовая прокладка 4 между плунжером и пружиной, а корпус клапана выполнен оребрённым для лучшего отвода тепла в окружающее пространство.
На рис. 22 приведена характеристика компрессора ТКР 5,5
Рис.20. Турбокомпрессор типоразмера ТКР 5,5: 1 – узел подшипников; 2 – втулка подшипников; 3 – регулирующий клапан
Рис.21. Регулирующий перепускной клапан:
1 – корпус; 2 – плунжер; 3 – пружина;
4 – экран; 5 – тарелка клапана
Дальнейшие работы по совершенствованию конструкции рассматриваемых турбокомпрессоров должны быть направлены:
– на повышение эффективности уплотнений,
– на отработку узла подшипников при высоких окружных скоростях (u 2 = 450...500 м/с),
– на повышение КПД турбокомпрессора,
– на применение современных керамических материалов для изготовления колес турбины, деталей подшипника и уплотнений,
– на применение полимерных материалов для изготовления деталей компрессора,
– на разработку турбин с эффективным регулированием их пропускной способности.
