Study of load level of bearing-outlet units of turbocharger with impellers from composite materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The procedure for the calculation of loading reduction of the bearing assembly of the automotive diesel engines turbocharger forced aspiration by using composite materials for the rotor impellers is decribed. The most significant parameters for such an assessment are the reaction force in the bearing oil layer, the frictional moment in the oil layer, and the relative internal and external clearances in the bearings. The software Flexible Rotor was used as the main computational tool of this study. This software is registered in the register of applied programs for computers No. 2006611094. The study considered the following design options for rotors with a combination of wheels made of different materials: 1) impellers made of traditional metal materials – compressor wheel made of aluminum alloy, turbine wheel made of heat-resistant nickel alloy (basic version); 2) сompressor wheel made of composite, turbine wheel made of heat-resistant nickel alloy; 3) aluminum alloy compressor wheel and composite turbine wheel; 4) a compressor wheel and a turbine wheel made of composites. According to the evaluation studies, the most rational options for variable wheel combinations in the rotor design are proposed. In general, the results of the calculations showed that a decrease in the mass-inertial characteristics of the rotor due to the use of composite materials with a low density leads to a decrease in bearing loads and a reduction in friction losses by up to 3 times. The established reduction of the friction torques reduces the intensity of the dissipation of mechanical energy in the bearings. This has a positive effect on the energy efficiency of the turbocharger and reduces the temperature of oil heating from friction.

About the authors

V. M. Fomin

Moscow Polytechnic University

Email: mixalichDM@mail.ru

DSc in Engineering

Russian Federation, Moscow

V. N. Kaminsky

Moscow Polytechnic University

Email: kamr@mail.ru

DSc in Engineering

Russian Federation, Moscow

R. V. Kaminsky

JSC Turbokomplekt

Email: kamr1@mail.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Protvino

A. N. Netrusov

Moscow Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: a.netrusov@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Malakhovetskiy A.F. Povysheniye nadezhnosti turbokompressorov avtotraktornykh dvigateley putem snizhe-niya ikh teplonapryazhеnnosti: dis. kand. tekhn. nauk [Improving the reliability of turbocompressors of automotive engines by reducing their thermal stress: Dissertation for Degree of PhD in Engineering]. Saratov, 2005. 141 p.
  2. Shcherbitskaya T.V. Povysheniye parametricheskoy nadezhnosti raboty turbokompressorov teplovoznykh dizeley v ekspluatatsii: dis. … kand. tekhn. nauk [Improving the parametric reliability of the turbochargers of diesel locomotives in operation: Dissertation for Degree of PhD in Engineering]. Samara, 2002. 148 p.
  3. Netrusov A.N., Fomin V.M. Comparative analysis of the characteristics of a turbocharger rotor made of composite and traditional materials. Naukograd. 2017. No 2 (12), pp. 66−73 (in Russ.).
  4. Fomin V.M., Netrusov A.N. Composite materials for impellers of turbochargers of automotive engines. Traktory i sel’khozmashiny, 2017. No 8, pp. 28−36 (in Russ.).
  5. Fomin V.M., Netrusov A.N. Optimization of the reinforcing layer of a compressor wheel made of a composite material of a diesel turbocharger. Traktory i sel’khozmashiny, 2018. No 2, pp. 47−53 (in Russ.).
  6. Fomin V.M., Apelinskiy D.V. and Netrusov A.N. Study of the optimal reinforcing structure of the compressor wheel from composition material of the transport turbocharged engine // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 534. Number 1. 012031. doi: 10.1088/1757-899X/534/1/012031
  7. Genka D. Dynamically loaded radial plain bearings. Finite element analysis. Tr. amerik. obshchestva inzhenerov mekhanikov. Problemy treniya i smazki. 1984. No 4, pp. 10–21 (in Russ.).
  8. Genka D. Analytical approximations of the parameters for solving the problem of a dynamically loaded radial plain bearing. Tr. amerik. obshchestva inzhenerov mekhanikov. Problemy treniya i smazki. 1984. No 4, pp. 1–9 (in Russ.).
  9. Kaminskiy V.N. Zhizn’ s turbonadduvom. Tridtsat’ let Turbotekhnike [Turbocharged life. Thirty years of turbotechnics]. Moscow: Izdatel’skiy dom “Nauchnaya biblioteka” Publ., 2019. 336 p.
  10. Taranenko P.A. Dinamika rotora turbokompressora na podshipnikakh skol’zheniya s plavayushchimi vtulkami: diss. ... kand. tekhn. nauk [Dynamics of a turbocharger rotor on plain bearings with floating bushings: Dissertation for Degree of PhD in Engineering]. Chelyabinsk, 2011. 172 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Rotor of a turbocharger of TKR-130 type

Download (120KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Calculation diagram of the discrete model of the TK rotor of the TKR-130 type: x, y, z – base coordinate system; wheel numbers j: j →1 – compressor wheel number, j →2 – turbine wheel number; xj, yj, θyj, θxj – displacements and angles of rotation of wheels in the base coordinate system; ω – rotational rate of rotor; xЦj, yЦj – displacement of the trunnions in the base coordinate system; xВТj, yВТj – displacement of bearing bushings in the basic coordinate system; ϕВТj – angular coordinate of bushings; С1 and С2 – internal radial bearing clearance (between sleeve and shaft) and outer radial clearance between sleeve and housing

Download (96KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The reaction force in the bearings as a function of the rotational speed for the investigated four variants of the rotor design. The solid lines show the characteristics of the turbine bearing, and the dashed lines show the characteristics of the compressor (1, 2, 3, 4 – rotor design options)

Download (119KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Frictional moment in the bearing depending on the rotational speed for the investigated four variants of the rotor design. The solid lines show the characteristics of the turbine bearing, and the dashed lines of the compressor

Download (109KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Relative internal clearance in bearings (μm) as a function of rotational speed for the four variants of the rotor design. The solid lines show the characteristics of the turbine bearing, and the dashed lines of the compressor

Download (116KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Relative external clearance in the bearing (μm) depending on the rotational speed for the investigated four variants of the rotor design. The solid lines show the characteristics of the turbine bearing, and the dashed lines of the compressor

Download (109KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2021 Fomin V.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».