CC BY
205
УДК 629.113.004.67
А.С. Денисов, А.Ф. Малаховецкий, А.Т. Кулаков,
Н.И. Светличный, Г.Г. Гаффаров, Р.Т. Тазеев
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ ТКР-7Н
Проанализированы температурные поля и деформации элементов серийных турбокомпрессоров ТНР-7Н, а также опытных турбокомпрессоров с усовершенствованным подшипниковым узлом и теплоизоляцией. Дана оценка надежности и эффективности опытных турбокомпрессоров.
A.S. Denisov, A.F. Malakhovetsky, A.T. Kulakov, N.I. Svetlichny, G.G. Gaffarov, R.T. Tazeev
THE IMPROVEMENT OF THE EXPLOITATION RELIABILITY OF THE TCR-7N TURBO-COMPRESSORS
This paper analyzes the temperature fields and the deformation of the TCR-7N turbo-compressors’ elements and the experimental turbo-compressors with the improved bearing unit and turbo-isolation as well. It evaluates the reliability and the effectiveness of the experimental turbo-compressors.
Турбонаддув является одним из эффективных путей повышения мощности и экономичности дизелей. ОАО «КамАЗ-Дизель» в настоящее время выпускает большую гамму моделей двигателей и на их базе различные модификации, устанавливаемые как на автомобили КамАЗ, так и на автобусы, различную сельскохозяйственную технику, а также используемые в стационарных установках. Основная масса их соответствует экологическим стандартам ЕЭК ООН ЕURO-1 и EURO-2. В этих двигателях используются турбокомпрессоры ТКР7-Н, ТКР7С-9 или зарубежный S2B/7624TAE/1.00D9 фирмы «Schwitzer». Турбокомпрессоры ТКН7С-9 и ТКР7Н-1 являются модификациями моделей турбокомпрессоров ТКР7С и ТКР7Н соответственно [1].
Из указанных моделей турбокомпрессоров по степени турбонаддува и возможностей ее повышения, а также по стоимости наиболее предпочтительным является ТКР7-Н. Как показал анализ надежности этих турбокомпрессоров [2], одним из частых отказов является заклинивание ротора в подшипнике из-за перегрева и недостаточного расхода масла через подшипник, а также подтекание масла из-за недостаточной герметичности сопряжения уплотнительных колец с крышкой корпуса (рис. 1).
В результате термометрирова-ния базового (серийного) турбокомпрессора получено температурное поле турбокомпрессора при различных режимах работы (табл. 1).
Из табл. 1 видно, что температурное поле в зоне посадки крышки диск корпуса подшипников (070) превышает расчетное значение 220°С, выбранное для обеспечения герметичности соединения в процессе эксплуатации. Это превышение на экстремальном режиме Тц=680°С (нештатный останов двигателя) достигает 50°С, что вызывает появление зазора, просачивание масла через этот зазор. Здесь также сказывается различный коэффициент линейного расширения корпуса и крышки.
Проведенные измерения радиального и торцового биения различных поверхностей корпуса подшипника с использованием специальных методик и приспособлений показали, что крышка перемещается снизу вверх к подводящему отверстию относительно корпуса, о чем свидетельствуют следы контакта на поверхности крышки 026 (рис. 2) от кольцедержателя ротора, расположенного снизу. Это приводит к защемлению фланца корпуса подшипника в сопряжении с корпусом турбины по 0128 (рис. 1), а следовательно, и к заклиниванию ротора турбокомпрессора.
Таблица 1
Результаты термометрирования характерных точек серийного турбокомпрессора ТКР7Н-1
Тт1, °С и t2 tз и t5 t6 t7 ^0 Ї11 ^2 ^3
0120 090 070 032 на бобышке 032 на крышке 0120 низ Т масла на входе tмасла на выходе
600 294 262 228 251 240 233 145 148 181 190 301 112 144
650 308 274 237 260 247 243 148 150 186 196 311 111 147
680 321 285 245 270 255 251 151 153 189 199 323 113 149
Примечания: ТТ1 - температура воздуха со стороны турбины, °С; и и ^1 - температуры на фланце корпуса подшипников на 0120 мм, °С; ^ - температура на фланце корпуса подшипников на 090 мм, °С; £3, ?4, к, ^ - температуры на фланце корпуса подшипников на 070 мм, °С; ^, ?8 - температуры на бобышке (держателе) подшипника корпуса подшипников на 032 мм, °С; *9, ^0 - температуры на крышке 7403.1118026 корпуса подшипников на 032 мм, °С; ^2 - температура смазочного масла на входе в подшипниковый узел турбокомпрессора, °С; и3 - температура смазочного масла на выходе из корпуса подшипников, °С.
3 4 2 18 И 12 13
Рис. 1. Турбокомпрессор ТКР 7Н:
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
0128 корпуса подшипника не смещается от от исходных баз и осей
Алюминий вокруг
крыши так же смещается в том же направлении
Крышка 7403.1118026
в исходном положении
Рис. 2. Схема ползучести материала и смещения («дрейфа») крышки 7403.1118026 по фланцу корпуса подшипников: Д - величина смещения крышки и металла (А I) вокруг крышки от центрового положения
Температура масла при прохождении через подшипник повышается на 36°С и достигает 147-149°С. Эта температура является для масла критической, при которой быстро теряется смазочная способность вследствие десорбции присадок. Это приводит к закоксовыва-нию деталей, сокращению срока службы масла и ресурса двигателя.
При подаче масла по фиксатору под давлением в пустотелую полость подшипника (рис. 1) и далее по зазорам между валом ротора и опорными поверхностями подшипника, где скорость скольжения достигает 60 м/с, часть энергии вращения ротора затрачивается на преодоление сил внутреннего трения масла, которая превращается в тепло и снижает КПД турбокомпрессора. При этом расход масла через подшипник, а, следовательно, и его охлаждение снижается, что можно видеть из рис. 3, где для сравнения приведен расход масла через турбокомпрессор «Schwitzer».
При давлении масла в системе смазки двигателя 0,5 МПа в пустотелой полости подшипника на длине 22 мм, как показали расчеты, на вал воздействует сжимающее усилие 380 Н, что является гидротормозом для ротора (паразитная нагрузка). На преодоление этой паразитной нагрузки затрачивается значительная часть энергии отработавших газов, что особенно актуально на неустановившихся режимах работы и при пуске холодного двигателя.
Указанные недостатки устранены в опытном турбокомпрессоре ТКР7Н, усовершенствованном в ОАО «КамАЗ-Дизель». Совершенствование проводили в направлении улучшения охлаждения подшипникового узла, уменьшения силы трения, снижения теплового потока на корпус подшипника. Конструкция усовершенствованного турбокомпрессора приведена на рис. 4.
Улучшенная теплозащита корпуса подшипника без изменений подшипникового узла существенного снижения температуры корпуса подшипника не дает, о чем можно судить по данным табл. 2.
п, мин-1
Рис. 3. Зависимость расхода масла через турбокомпрессоры: 1 - серийный ТКР 7Н-1; 2 - «Schwitzer»; 3 - опытный ТКР 7Н-1
Рис. 4. Установка усовершенствованного подшипникового узла в составе турбокомпрессора ТКР7Н: 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
Таблица 2
Результаты термометрирования характерных точек турбокомпрессора, укомплектованного теплоизолирующим экраном из материала Меканит ГОСТ 6121-75 между торцом фланца корпуса подшипников и экраном 7403.1118176-20
Тл, °С *1 *2 *3 *4 *5 *6 *7 *8 *9 *10 *11 *12 *13
0120 090 070 032 на бобышке 032 на крышке 0120 низ Т масла на входе * масла на выходе
600 196 184 169 181 179 174 133 135 178 185 207 110 136
650 205 192 176 189 187 182 136 138 185 192 216 111 141
680 210 197 180 194 191 186 137 139 188 194 222 110 141
Как видно из сравнения табл. 1 и 2, несмотря на бесспорную эффективность теплоизолирующего экрана (температура фланца корпуса подшипника по 0120 мм снизилась с 294 до 196°С), температура масла на выходе из подшипникового узла турбокомпрессора снизилась незначительно (с 144 до 136°С). Поэтому целесообразно совершенствовать подшипниковый узел.
Усовершенствованный подшипниковый узел [3] (рис. 4) содержит подшипниковую втулку 5 с опорными поясками и радиальным отверстием 6, в котором помещен фиксатор 7, связанный с общей масляной магистралью двигателя, а также через канал 8 с кольцевыми канавками 9, выполненными на наружном диаметре подшипниковой втулки 5. Кольцевые канавки 9 оборудованы отверстиями 10 для подачи масла на опорные пояски подшипниковой втулки 5, углублениями 11 (кармашки-грязесборники) для сбора загрязнений. Между опорными поясками выполнены отверстие 12, связанное с маслоканалом 8 и смещенное от оси в сторону вращения ротора, и отверстие 13 для стекания масла. На фланцах посадочных поверхностей между корпусом турбины 14 и статором 1 установлено в канавку кондуктив-ное термосопротивление (кольцо из материала с меньшей теплопроводностью, чем теплопроводность материала статора 1). Между торцевой поверхностью статора 1 и элементами 16 корпуса турбины 14 установлен теплоотражающий экран 17.
При работе турбокомпрессора масло из смазочной системы двигателя через фиксатор 7 и канал 8 подается в кольцевые канавки 9 и далее по отверстиям 10 на опорные пояски для их охлаждения и смазки. Оказавшиеся в масле твердые частицы (продукты окисления масла) собираются в углублениях 11 кольцевых канавок 9. Через отверстие 12 масло подается со смещением от оси в сторону вращения ротора 2. При этом вектор скорости сравнивается с вектором линейной скорости на поверхности ротора, что улучшает теплоотдачу к ротору и снижает гидравлическое сопротивление.
Существенное снижение температуры корпуса подшипника дает увеличение гарантированного зазора в сопряжении «корпус подшипника-корпус турбины» по 0128 мм на 0,2 мм. Это снижает вероятность таких отказов, как заклинивание ротора и течь масла через турбинную и компрессорную ступени турбокомпрессора.
Использование всех указанных мероприятий позволило существенно снизить температурное поле турбокомпрессора, что можно видеть из табл. 3.
Из сравнения табл. 3 и табл. 1 видим, что температура на фланце корпуса подшипника на 0120 мм снизилась на 80°С, на крышке - на 27°С, температура масла на входе из корпуса подшипника - на 18°С. Эти изменения сказались и на других параметрах работы турбокомпрессоров. На первом этапе проведены измерения на испытательном стенде приемосдаточных испытаний ПК «Турбодизель» (табл. 4).
Таблица 3
Результаты термометрирования характерных точек турбокомпрессора ТКР7Н-1, укомплектованного предлагаемым подшипником, теплоизолирующим экраном из окантованного асбостального листа и с тепловым зазором в сопряжении «корпус подшипников - корпус турбины» по 0128 мм
£ о 1~~ о и *2 *3 *4 *5 *6 *7 *8 *9 *10 *11 *12 *13
0120 090 070 032 на бобышке 032 на крышке 0120 низ Т масла на входе * масла на выходе
600 214,6 193,1 170,6 177,3 170,6 177,6 126,9 126,9 163,5 163,1 205,0 108,2 126,4
650 227,7 204,4 180,6 187,6 180,7 188,2 131,0 131,5 173,0 174,5 217,0 109,4 131,8
680 237,3 212,6 187,3 194,5 187,8 194,7 133,2 133,8 179,7 179,2 226,7 110,8 133,2
Таблица 4
Результаты испытаний турбокомпрессоров ТКР7Н
Модель турбокомпрессора Рмк Р Р топ *м А Ш *Т1 *Т2 Рт1 Рк2 *к2 пткр
Серийный 130 0,05 70 6 560 480 0,065 0,07 75 84100
Опытный 130 0,034 71 3 460 420 0,065 0,07 74 84000
Опытный 180 0,05 71 6 530 450 0,085 0,09 95 96800
Примечания: Рмк - перепад давления (разрежения) воздуха на мерном коллекторе входа в компрессорную ступень, мм вод.ст.; Ртоп - давление топлива перед рабочей форсункой камеры сгорания, МПа; *м - температура масла перед подшипниковым узлом, °С; А'Е(д) - суммарное виброускорение корпуса компрессора, м/с2; *Т1 - температура газов перед турбиной, °С; *Т2 - температура газов за турбиной, °С; РТ1 - статическое давление газов перед турбиной, МПа; Рк2 - статическое давление газов за турбиной, МПа; *к2 - температура воздуха за компрессором, °С; пткр - частота вращения ротора, мин-1.
Как следует из табл. 4, на совершение той же работы для опытного турбокомпрессора давление Ртоп требуется в 1,475 раза меньше, а температура рабочих газов перед турбинным колесом всего 460°С. При расходе опытным турбокомпрессором того же количества топлива, как и на серийном (Ртоп=0,5), перепад давления (разрежения) воздуха на мерном коллекторе входа компрессорной ступени испытательного стенда достигает 180 вместо 130 мм. вод.ст., избыточное статическое давление наддувочного воздуха за компрессорным колесом -
0,09 МПа вместо 0,07 МПа (Пк=1,9), частота вращения ротора турбокомпрессора 96800 мин-1 вместо 84100 мин-1. При этом температура газов как перед, так и за турбинным колесом остается ниже, чем у серийного турбокомпрессора, на 30°С.
Следующим этапом были сравнительные моторные испытания двигателя КамАЗ-740.11-240 в вариантах, укомплектованных серийными и опытными турбокомпрессорами на режимах внешней скоростной характеристики (табл. 5).
Таблица 5
Параметры работы двигателя КамАЗ-740.11-240
п, мин-1 Ые., л.с М, Нм вг, кг/час 9т г/л.с.час *Т2л, °С *Т2Ш, °С Рн, МПа
с о с о с о с о с о с о с о
1000 112 113 801 809 18,7 19,1 167 169 510 510 510 520 0,016 0,018
1200 140 142 837 849 22,8 23,1 163 162 530 500 530 510 0,024 0,026
1400 166 169 848 866 27,1 26,9 163 159 540 500 540 510 0,032 0,034
1600 187 193 837 861 30,6 30,8 164 160 540 510 540 520 0,042 0,046
1800 209 213 831 840 34,4 34,4 165 161 530 510 530 520 0,052 0,065
2000 233 238 834 852 38,4 38,7 165 163 520 500 520 510 0,062 0,070
2200 237 240 772 779 40,3 40,2 170 168 510 500 510 500 0,068 0,082
Примечания: п - частота вращения коленчатого вала; Ы - мощность; М- крутящий момент;
вт - часовой расход топлива; дт- удельный эффективный расход топлива;
*72п - температура газов за турбиной левого турбокомпрессора; ?72п - то же правого; Рн - давление наддува; с - серийный; о - опытный.
Как видно из табл. 5, двигатель, укомплектованный турбокомпрессором с усовершенствованными подшипниковыми узлами, имеет улучшенные усовершенствованные характеристики. На номинальном режиме: мощность выше на 3 л.с. (1,25%), чем с серийным турбокомпрессором; давление наддува выше на 0,014 МПа (20,6%). Эффективный минимальный расход топлива снизился на 4 г/л.с. ч (2,5%); максимальный крутящий момент возрос на 18 Нм (2,12%).
Это свидетельствует о том, что на двигателях КамАЗ-740.11-240, укомплектованных опытными турбокомпрессорами, имеет место более полное сгорание топлива в цилиндрах вследствие более высоких значений степени наддува цилиндров. Измерение расхода масла на выходе из подшипникового узла опытного турбокомпрессора показало, что он значительно выше, чем у серийных (рис. 3) - в 2,57 раза - и практически сравнялся с расходом по турбокомпрессору «Schwitzer».
У совершенствование турбокомпрессора позволило существенно повысить и его надежность, а также надежность всего двигателя. Так, по подконтрольной партии автомобилей КамАЗ в 2003 году доля отказов турбокомпрессора снизи-
лась по сравнению с 2002 годом более чем в восемь раз и составила 2,2% отказов всего силового агрегата.
Об этом же свидетельствуют данные рекламационной службы ОАО «КамАЗ-
Дизель» (рис. 5). Кроме то-
кв. кв. кв. кв. кв. кв. кв. кв. кв. кв.
2001 2002 2003
Рис. 5. Уровень рекламаций по дефектам ТКР
го, улучшение параметров турбокомпрессора позволяет увеличить диаметр турбины и компрессорного колеса с 70 до 76 мм (ТКР 7,6/7,6 «КамАЗ-Дизель»). Это позволяет поднять производительность турбокомпрессора и мощностные показатели дизеля.
Таким образом, улучшение охлаждения подшипникового узла, снижение силы трения, уменьшение теплового потока на корпус подшипника позволяет существенно повысить показатели эффективности турбокомпрессора и двигателя в целом, а также показатели надежности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Руководства по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. Двигатели КамАЗ: 740.11-240, 740.13-260, 740.14-300, 740.30.260, 740.500-360. 740.51-320, 740.50-3901001КД. Набережные Челны: ОАО «КамАЗ», 2002. 247 с.
2. Денисов А.С., Кулаков А.Т., Малоховецкий А.Ф. Анализ надежности турбокомпрессоров ТКР7Н1 двигателей КамАЗ-740.11 // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: Материалы межгосудар. науч.-техн. семинара. Вып.15. Саратов: Сарат. гос. агр. ун-т, 2003. С.142-245.
3. Патент № 2216647 РФ. Турбокомпрессор / Р.Т. Тазеев, А.Ф. Малаховецкий, Н.А. Фархутдинов и др. Бюл. изобр. 2003. № 12.
Денисов Александр Сергеевич -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство»
Саратовского государственного технического университета
Малаховецкий Андрей Федорович -
начальник представительства заказчика ОАО «КамАЗ-Дизель»
Кулаков Александр Тихонович -
кандидат технических наук,
заместитель генерального директора по развитию ОАО «КамАЗ-Дизель»
Светличный Николай Иванович -
кандидат технических наук, главный инженер ОАО «КамАЗ-Дизель»
Г аффаров Г аптелхак Г абдрахманович -
начальник лаборатории надежности двигателей ОАО «КамАЗ-Дизель»
Тазеев Рафаэль Тазеевич -
инженер лаборатории надежности двигателей ОАО «КамАЗ-Дизель»
