Надежность ТКР в первую очередь определяется надежностью работы узла подшипников. К узлу подшипников предъявляются очень жесткие требования: 

сохранять устойчивость вращения ротора в широком диапазоне изменения вязкости масла /изменение температуры и давления масла/;

сохранять устойчивость вращения при увеличении зазоров вал-подшипник-корпус вследствие их износа;

не иметь резонансных зон работы. Резонанс возникает от действия центробежных сил из-за дисбаланса ротора, приводящих к изгибу вала, и собственных частот колебаний вала;

обладать хорошими демпфирующими свойствами.

Частота вращения ротора ТКР достигает 70—100 тыс.мин.¹. Нагрузка на радиальные подшипники определяется центробежными силами неуравновешенных масс колес компрессора и турбины, консольно расположенных относительно подшипников. Эти неуравновешенные массы вращаются с угловой скоростью вала и одновременно совершают прецессионное движение относительно геометрической оси опор подшипников. Прецессионное движение можно представить как движение обкатывания вращающегося ротора относительно поверхности опор подшипников. При прецессии ротора возникает дополнительная внешняя нагрузка на подшипники, обусловленная смещением физической оси вращающейся массы на величину радиуса прецессии. Частота прецессионного вращения ротора изменяется в широком диапазоне от 0 до 100% от оборотной частоты, т.е. частоты вращения ротора. Такое сложное нагружение через реакцию опорных поверхностей подшипников воздействует на масляные слои в подшипнике. Поэтому процессы в масляных слоях подшипников определяются воздействием возмущений с различными частотами одновременно: с частотой вращения и прецессионной частотой.

При высоких частотах вращения подшипники качения работают ненадежно. Поэтому в настоящее время для турбокомпрессоров применяют подшипники скольжения разных типов /рис. 3.2/: с плавающими вращающимися втулками /ВВ/ и с плавающей невращающейся моновтулкой /НМ/.

Одновременное существование двух типов узлов подшипников объясняется отсутствием достаточно полных и обоснованных данных о сравнительных преимуществах и недостатках указанных подшипников с учетом условий работы ТКР на различных режимах работы двигателя.

Рис. 3.1 Турбокомпрессор ТКР И ЯМЗ в разрезе

Рис. 3.2 Конструкции узлов подшипников ТКР:

а/ с плавающими вращающимися втулками /ВВ/; б/ с плавающей невращающейся моновтулкой /НМ/; 1—уплотнительные кольца; 2 — упорный подшипник; 3—корпус; 4 — плавающие втулки; 5 — подвод масла; 6 — вал ротора; 7 — стопорная втулка; 8 плавающая моновтулка.

Узел подшипников турбокомпрессора ЯМЗ ТКР 11 имеет плавающие вращающиеся втулки. Во всех известных конструкциях дизелей с наддувом смазка узла подшипников ТКР осуществляется от системы смазки дизеля. Не является исключением и рассматриваемый дизель ЯМЗ-238ПМ. Из главного масляного канала через фильтр турбокомпрессора масло подается в масляную полость 5 корпуса подшипников 3, расположенную между подшипниками, и далее, к торцам подшипников /рис.3.2.а/. Затем масло проходит по зазорам вдоль подшипников и смазывает с одной стороны упорный подшипник, а с другой сливается. Из сливной полости корпуса подшипников масло через канал в кронштейне сливается в поддон дизеля. Это, так называемый, торцовый подвод масла.

В турбокомпрессоре К 36, который устанавливается на дизели ЯМЗ, масло поступает по сверлениям в корпусе подшипников к середине опорной поверхности каждой втулки и сливается по обе стороны от подшипника. На рис. 3.2.а это показано пунктирной линией. К упорному подшипнику, ограничивающему осевое перемещение ротора, масло также поступает по специальному каналу.

С точки зрения обеспечения устойчивого вращения ротора эти схемы, как показали опыты, проведенные на ЯМЗ, равноценны, так как обеспечивают одинаковую эпюру давления несущего масляного слоя. Преимущество второго способа заключается в том, что количество масла, сливаемого из подшипников перед уплотнениями, уменьшается практически вдвое, тем самым уменьшается возможность утечки масла через уплотнения в проточную часть компрессора.

Упорный подшипник, а также и подшипниковые втулки изготавливаются из свинцово-оловянистой бронзы БрОС-10-10, содержащей до 10% олова. Применение бронзы с содержанием олова 5% не обеспечивает работоспособности подшипников. В некоторых конструкциях для изготовления подшипников используют алюминиевый подшипниковый сплав. Для обеспечения устойчивости вращения вала в подшипниках ТКР требуется высокая чистота поверхностей, и высокая точность обработки вала и подшипниковых втулок. Зазор вал — втулка у ТКР 11 находится в диапазоне 0,05—0,069, а зазор втулка — корпус 0,093—0,13 мм. Близки к этим значениям зазоры и в других турбокомпрессорах. Для обеспечения высокой чистоты опорных поверхностей вала под втулки, не хуже Ра 0,125 мкм, после закалки ТВЧ НРС 57-64 и шлифовки производится алмазное выглаживание вала /обработка пластическим деформированием без снятия металла/. Производится алмазная расточка и подшипниковых втулок. Отклонение от цилиндричности опорных шеек вала допускается не более 2 мкм.

Подшипниковый узел ТКР должен обладать повышенной износостойкостью, так как устойчивость вращения ротора сохраняется в относительно небольшом диапазоне увеличения зазоров. Это требует повышенного внимания в эксплуатации к качеству очистки масла, соблюдению требований ТО по системе смазки дизеля.

В таблице 3.2. приведены нормальные и предельные зазоры в узле подшипников ТКР 11.

Таблица 3.2.

Масло после упорного подшипника сливается в специальную полость корпуса подшипника и, далее в поддон дизеля. Для предотвращения поступления масла в проточную часть компресссора в специальную втулку /маслоотражатель/, плотно одевающуюся на вал, устанавливаются два чугунных уплотнительных кольца поршневого типа. Такое уплотнение получило название контактного в отличие от ранее применявшегося лабиринтного.

Герметичность компрессорного уплотнения ТКР определяется не только его конструкцией, но и условиями его работы: разрежением перед уплотнением, количеством масла перед уплотнением, его вязкостью, поперечными колебаниями вала, соотношением величины осевого перемещения вала и торцевого зазора уплотнительное кольцо-канавка и др.

Масло, просочившееся через компрессорное уплотнение, частично попадает по зазору между внешним обводом колеса и корпусом на вход в колесо. Большая часть масла по диффузору и улиточной части корпуса попадает во впускной канал дизеля и способствует закоксовке впускного клапана. Протечка масла через компрессорное уплотнение при эксплуатации двигателя может достигать 1% от расхода масла через турбокомпрессор, а суммарный расход газов через уплотнения ТКР 25—30% от расхода картерных газов дизеля.

Увеличение вязкости масла уменьшает протечки масла через уплотнение. Так, для ТКР 11 увеличение вязкости масла с 8 до 10 сст приводит к уменьшению протечки масла на 45—50 %. При дальнейшем увеличении вязкости масла с 10 до 12 сст протечка масла через уплотнение уменьшается уже на 35—40 % и имеет тенденцию к стабилизации.

При отбалансированном роторе зависимость протечки масла через компрессорное уплотнение от давления масла в узле подшипников имеет линейный характер. Чем больше давление масла, тем больше протечка масла.

Наиболее сильно на эффективность компрессорного уплотнения влияют геометрия канавки под уплотнительное кольцо, зазор в соединении кольцо-канавка и упругость уплотнительного кольца. Увеличение торцового зазора кольцо-канавка приводит к повышению протечки масла через уплотнение как за счет износа кольца, так и за счет износа канавки. Причем, при торцевом износе уплотнительных колец на 0,03—0,045 мм и установке их в новый маслоотражатель не было отмечено повышения протечки масла. Повышение же износа колец до 0,07—0,08 мм привело к увеличению протечки масла в 4-5 раз. Установка колец с износом 0,2—0,22 мм не позволяет эксплуатировать турбокомпрессор из-за недопустимо большой течи масла через компрессорное уплотнение. Аналогичные результаты получены и при установке новых уплотнительных колец в изношенные канавки маслоотражателя.

Предельные значения износов колец и канавок приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3.

В эксплуатации встречаются различные виды износа поверхности кольца и канавки: конус, двойной конус, впадина, уступ. Износ уступом встречается чаще. Такой износ характерен для 55% колец и 45% канавок. Износ конусом имеют 30% и 38% канавок.

Износ впадиной встречается редко и характерен для 5% колец и канавок. Если в эксплуатации возникает необходимость замены уплотнительного кольца или маслоотражателя по какой-либо причине, то для обеспечения герметичности компрессорного уплотнения необходимо заменить одновременно две детали: и кольцо, и маслоотражатель.

Положение замка уплотнительного кольца окружности, а также изменение ширины замка в диапазоне 0,1—0,2 мм не оказывает существенного влияния на протечку масла через уплотнение.

Таблица 3.4.

Здесь S — разрежение; nx-x— частота вращения коленчатого вала без нагрузки /холостые обороты/.

В табл. 3.4. приведены значения максимального разрежения воздуха за колесом компрессора перед уплотнительными кольцами S_yn для различной степени запыленности воздушного фильтра, характеризуемой разрежением непосредственно в патрубке за фильтром S_НОМ при номинальном режиме работы дизеля ЯМЗ-238ФМ. Максимальное разрежение за колесом компрессора S_yn перед уплотнительными кольцами достигается при работе дизеля по режиму холостого хода. Указанная в табл. 3.4. частота вращения холостого хода, n_x-x соответствует максимальному разрежению за колесом компрессора S_yn. Здесь же приведены значения разрежения за фильтром S_Ф и в патрубке перед колесом компрессора S_П для этого же режима работы. Согласно инструкции по эксплуатации дизеля замена фильтрующего элемента воздушного фильтра или его мойка производится по достижению разрежения во впускном трубопроводе или непосредственно после фильтра 5 кПа /500 мм вод.ст./. В зависимости от места установки индикатора запыленности фильтра, срабатывающего при достижении разрежения в месте его установки 5кПа, разрежение перед уплотнением ТКР. как следует из табл. 3.4, будет достигать 1,5—2 кПа. Конструкция уплотнения обеспечивает герметичность и протечка масла при этом отсутствует. Если же в результате абразивного износа уплотнительных колец и канавок торцовый зазор кольцо-канавка достигнет предельного значения 0,28 мм, то при работе по режиму холостого хода, даже при частично запыленном воздушном фильтре / (S_фном>2 кПа) /, возможна протечка масла в количестве 20—30 грамм в час.

Рис. 3.3 Конструкция компрессорного уплотнения а/ ТКР 11 ЯМЗ, опытный; в/ ТКР К 36.

На рис. 3.3 показана конструкция компрессорного уплотнения турбокомпрессора К 36 и опытного ЯМЗ ТКР 11. В состав уплотнения входит тонкостенный штампованный экран. Назначение экрана — разделить полость между уплотнительными кольцами и сливом масла после упорного подшипника таким образом, чтобы максимальное количество масла после упорного подшипника попало в сливную полость корпуса подшипников. Этой же цели служит и перепускное отверстие или паз, ограничивающий количество масла, подводимого к упорному подшипнику в серийном ТКР 11.

При правильно подобранных сечениях перепуска масла, хорошо организованном сливе масла роль экрана уменьшается. В результате доводочных работ было обеспечено отсутствие протечки масла через уплотнительные кольца при разрежении перед ними до 12 кПа /1200 мм вод.ст./. Исключение экрана из конструкции не привело к течи масла. Но установка экрана дополнительно повышает герметичность уплотнения.

Компромиссное решение между количеством перепускаемого масла и подводимого масла к упорному подшипнику может быть принято по температуре упорного подшипника, определяющей надежность его работы. Для турбокомпрессора ТКР 11 это значение температуры упорного подшипника не превышает 130°С при частоте вращения ротора 70000 мин^-1, давлении масла в корпусе подшипников 0,3 МПа и температуре масла 90°С.

Со стороны турбины уплотнительные кольца при всех режимах работы дизеля работают с противодавлением газа, что снижает возможность протечки масла. Наличие противодавления газа, в свою очередь, может привести к повышению расхода газа через уплотнительные кольца, особенно при чрезмерном увеличении торцевого зазора кольцо-канавка в результате абразивного износа. Экспериментально установлено, что при зазоре кольцо-канавка ~0,2 мм и осевом люфте ротора ~0,18 мм, что соответствует верхнему пределу их нормальных значений /табл. 3.2, 3.3/, расход газа через уплотнительные кольца в картер дизеля составляет ~20 л/мин. Это не превышает 10% от расхода картерных газов дизеля ЯМЗ-238ПМ. Таким образом, при выполнении требований заводской инструкции по техническому обслуживанию системы смазки и системы фильтрации воздуха турбокомпрессор не может быть причиной повышения расхода картерных газов дизеля /сапунения дизеля/.

Уплотнительные кольца со стороны турбины работают в условиях более высоких температур. Максимальное значение температуры стенки корпуса подшипников в зоне уплотнительных колец не превышает 130°С. При повышении температуры стенки до 170— 180°С возникает опасность закоксовки канавки и потери подвижности уплотнительных колец. Это возможно при резком останове дизеля, работавшего под нагрузкой. Если же перед остановом дизель проработает 3—5 минут на холостых оборотах, то повышения температуры в зоне уплотнительных колец не наблюдается, а значит и не происходит коксования масла в канавке ротора.

Г. М. Савельев, Б. Ф. Лямцев, Е. П. Слабов
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ЯМЗ С НАДДУВОМ
1988