ПОДШИПНИК (ВАРИАНТЫ), ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ ВКЛАДЫША И СПОСОБ УДЕРЖАНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО ВКЛАДЫША

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты выполнения раскрытого здесь изобретения в целом касаются способов и систем, а более конкретно приспособлений и способов для удержания вкладышей внутри подшипника.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область турбостроения быстро развивается, при этом последняя технология в этой области использует высокоскоростные подшипники. Во многих областях конструкций подшипника конструкция системы подшипника ротора непосредственно влияет на рабочие характеристики механизма. Традиционные конструкции использовали подшипники с роликами, то есть вкладыши или колодки, которые могут поворачиваться вокруг удерживающей головки во время поддержки ротора. Однако при высоких скоростях и/или при высоком давлении грузоподъемность и предельная величина жесткости роликов превышаются и, таким образом, рабочие характеристики и прогнозируемый срок службы механизма уменьшаются. Например, на окружных скоростях выше обычной скорости для традиционных турбин шарикоподшипники, помещенные на концы вращающегося вала, чтобы приспособиться к ограничению скорости подшипника, могут привести к сверхкритической работе (то есть работе выше критической скорости). В свою очередь, конструкция сверхкритического ротора может привести к неустойчивой работе ротора, подверженного разрушительным и непредотвратимым субсинхронным оборотам и большим радиальным отклонениям.

Тогда как при традиционном применении турбин используют традиционную окружную скорость, выясняется, что механизм, который может работать на более высоких скоростях, улучшает, среди других преимуществ, энергопотребление и теплораспределение во вкладышах. Однако эти более высокие, чем оптимальные, скорости могут приводить к другим проблемам, которые обсуждены далее.

Чтобы уменьшить трение между ротором и подшипником, может быть введено масло, чтобы разделить два элемента механизма. В технике эта система известна как опорный подшипник скольжения. Вал и подшипник в целом представляют собой простые полированные цилиндры со смазкой, заполняющей зазор между концом вала и колодками подшипника. Кроме выполнения смазкой функции только "снижения трения" между поверхностями вала и колодками, обеспечивая более легкое скольжение одного по другому, смазка является достаточно толстой, так что, придя во вращение, поверхности вообще не приходят в соприкосновение. Если используется масло, то оно обычно подается в отверстие в подшипнике под давлением, как сделано для нагруженных подшипников.

Такой пример показан на Фиг.1, который является иллюстрацией Фиг.1 патента США №6361215, все содержание которого включено в этот документ посредством ссылки. Фиг.1 показывает опорный подшипник 10 скольжения, вмещающий вал 12, который вращается в направлении, как показано стрелкой 14. Опорный подшипник 10 скольжения содержит пять вкладышей 16, которые удерживаются на месте посредством кольца 18. Каждый вкладыш 16 содержит опору 20, вставленную в выемку 22 во вкладыше 16. Опора 20 вкладыша соединена со вставкой 24, которая прикреплена к кольцу 18. У каждой опоры 20 вкладыша и выемки 22 имеются взаимодействующие сферические поверхности, обеспечивающие вкладышу 16 возможность свободно поворачиваться в любом направлении, чтобы соответствовать поверхности вала 12, когда тот вращается. Кроме того, опорный подшипник 10 скольжения имеет устройства 26 подачи масла, равномерно установленные в кольце 18 с обеспечением подачи масла между вкладышами 16 и валом 12.

Однако когда вал 12 вращается относительно вкладышей 16 со скоростью 80 м/с, одной из проблем, существующих в традиционных турбинах, является масляное голодание. Эта проблема усиливается с увеличением окружной скорости вала. Масляное голодание представляет собой нехватку достаточного количества масла для вращающегося вала и/или вкладышей, так что масляная пленка между валом и вкладышами прерывается, что может привести к высокому трению между валом и вкладышами, приводя к высокой температуре и последующему повреждению.

Другой проблемой, которая может появиться в традиционной турбине, является кавитация. Кавитация представляет собой формирование пузырей пара протекающей жидкости (например, масла) в области, в которой давление жидкости падает ниже давления ее пара. Поскольку ротор вращается с высокой скоростью, давление масла может упасть ниже давления его пара, приводя к кавитации и формированию ударных волн. Поскольку ударные волны, образованные кавитацией, достаточно сильны, чтобы значительно повредить движущиеся детали, кавитация обычно является нежелательным явлением.

Поскольку окружная скорость вала в новых применениях требует скоростей сверх 170 м/с, вышеупомянутые вкратце изложенные проблемы должны быть рассмотрены и решены для этих применений, чтобы механизм мог функционировать надлежащим образом. Хотя вышеупомянутые проблемы были обсуждены в контексте опорных подшипников скольжения, эти проблемы имеются и в других подшипниках, в которых вал вращается относительно вкладышей с высокой скоростью.

Соответственно, было бы желательно обеспечить устройства, системы и способы, которые свободны от описанных выше проблем и недостатков, а также и других проблем и недостатков, которые станут понятны специалистам после рассмотрения раскрытого ниже предмета изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения предложен подшипник, который содержит кольцо, имеющее по меньшей мере удерживающую головку, по меньшей мере один вкладыш, расположенный в кольце, имеющий нижнюю выемку, выполненную с возможностью помещения указанной по меньшей мере одной удерживающей головки, и выполненный с возможностью поворота на указанной по меньшей мере одной удерживающей головке, и приспособление для удержания, выполненное с возможностью удержания указанного по меньшей мере одного вкладыша в заданном объеме в кольце.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения предложено приспособление для удержания, предназначенное для удержания по меньшей мере одного вкладыша в заданном объеме внутри подшипника. Приспособление для удержания выполнено с возможностью нахождения в контакте с указанным по меньшей мере одним вкладышем и подшипником и приложения удерживающей силы к указанному по меньшей мере одному вкладышу, в дополнение к силе между указанным по меньшей мере одним вкладышем и удерживающей головкой, удерживающей указанный по меньшей мере один вкладыш в кольце подшипника. Удерживающая сила действует по существу вдоль радиального направления кольца подшипника от центра кольца.

В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложен способ удержания по меньшей мере одного вкладыша внутри заданного объема в кольце подшипника. Способ включает этап расположения указанного по меньшей мере одного вкладыша на удерживающей головке кольца, таким образом, что нижняя выемка указанного по меньшей мере одного вкладыша выполнена с возможностью помещения удерживающей головки, при этом указанный по меньшей мере один вкладыш выполнен с возможностью поворота на удерживающей головке; этап удержания указанного по меньшей мере одного вкладыша приспособлением для удержания, которое выполнено с возможностью удержания указанного по меньшей мере одного вкладыша внутри заданного объема в кольце, и этап формирования приспособления для удержания с обеспечением приложения удерживающей силы к указанному по меньшей мере одному вкладышу при использовании подшипника, в дополнение к силе между удерживающей головкой и указанным по меньшей мере одним вкладышем, причем удерживающая сила действует по существу вдоль радиального направления кольца от центра кольца.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сопровождающие чертежи, которые включены в это описание и составляют его часть, иллюстрируют один или большее количество вариантов выполнения и, вместе с описанием, объясняют эти варианты выполнения. На чертежах:

Фиг.1 схематически изображает обычный опорный подшипник скольжения;

Фиг.2 схематически изображает опорный подшипник скольжения в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг.3 изображает вид спереди опорного подшипника скольжения, изображенного на Фиг.2, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг.4 изображает разрез вкладыша опорного подшипника скольжения в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг.5 изображает вид в аксонометрии вкладыша, изображенного на Фиг.4, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг.6 схематически изображает ротор, который поддерживается опорным подшипником скольжения в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг.7 изображает вид в аксонометрии вкладыша и пружины в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг.8 и 9 схематически изображают пружины в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

Фиг.10 и 11 изображают другие типы манжеты, прикрепленные ко вкладышу, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения:

Фиг.12 и 13 изображают другие виды приспособлений для удержания вкладыша в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения; и

Фиг.14 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ удержания вкладыша в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Следующее описание иллюстративных вариантов выполнения выполнено со ссылкой на сопровождающие чертежи. На различных чертежах одни и те же номера позиций обозначают те же самые или подобные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется приложенной формулой изобретения. Следующие далее варианты выполнения обсуждаются, для простоты, в отношении терминологии и конструкции опорных подшипников скольжения. Однако обсуждаемые далее варианты выполнения не ограничены этими конструкциями и системами, а могут быть применены к другим подшипникам и системам, которые содержат вал или ротор, который вращается и поддерживается вкладышами.

Ссылка повсюду в этом описании на "один вариант выполнения" или "вариант выполнения" означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, включена по меньшей мере в один вариант выполнения раскрытого предмета изобретения. Таким образом, появление фраз "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения" в различных местах этого описания не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.

В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, изображенным на Фиг.2, опорный подшипник 30 скольжения содержит кольцо 32, которое выполнено с возможностью удержания нескольких вкладышей 34, каждый из которых имеет рабочую поверхность 34а. Вкладыши 34 удерживаются блокировочной пластиной 36, чтобы препятствовать их скольжению в направлении А вращения, когда вал (не показан) вращается на высоких скоростях (например, между 100 и 170 м/с) в направлении А. Соответствующие удерживающие пластины 38 удерживают вкладыши 34 вблизи кольца 32 для предотвращения осевого перемещения. Удерживающие пластины 38 изображены на Фиг.2 прикрепленными к кольцу 32 винтами 40. В других применениях удерживающие пластины 38 могут быть прикреплены к кольцу 32 другими способами, как это должно быть понятно специалистами. Кольцо 32, блокировочная пластина 36 и удерживающие пластины 38 ограничивают заданный объем, в котором вкладыш 34 может поворачиваться вокруг удерживающей головки.

Фиг.3 и 4 показывают, что у каждого вкладыша 34 имеется выемка 42, в которую помещена удерживающая головка 44. Удерживающая головка 44 прикреплена к кольцу 32 винтом 46. Выемка 42 выполнена таким образом, что вкладыш 34 имеет возможность поворачиваться относительно головки 44. Эти элементы также показаны на Фиг.4, которая является разрезом вдоль линии А-А, изображенной на Фиг.3. Вкладыш 34 изображен на Фиг.4 расположенным на поддерживающем элементе 48. Головка 44 либо прикреплена к поддерживающему элементу 48 (как показано на Фиг.3), или выполнена как часть поддерживающего элемента 48 (как показано на Фиг.4). Выемка 42 вкладыша 34 выполнена с возможностью помещения головки 44. Две удерживающие пластины 38 прикреплены винтами 40 к поддерживающему элементу 48. Поддерживающий элемент 48 может быть частью кольца 32 или быть прикрепленным к кольцу 32. На Фиг.4 также показано два углубления 50, выполненные на боковых сторонах вкладыша 34. Углубления 50 выполнены с обеспечением помещения выступов 52 удерживающих пластин 38.

На Фиг.5 более подробно показано соединение, выполненное между вкладышем 34 и удерживающей пластиной 38. Углубление 50 выполнено с шириной "w", большей чем высота "h" областей 52 выступа. В одном применении ширина "w" по меньшей мере на 10% больше высоты "h". Таким образом, вкладыш 34 имеет возможность поворачиваться вокруг головки 44, тогда как области 52 выступа взаимодействуют с углублениями 50.

Как было обсуждено в разделе "Предпосылки Изобретения", масляное голодание и нестабильность подшипника представляют собой известные проблемы, которые влияют на традиционные подшипники. Одной из причин масляного голодания в традиционных подшипниках и нестабильности подшипника на высоких частотах вращения ротора является величина силы смещения, действующей на вкладыш 34. Эта сила описана далее со ссылкой на Фиг.6. На Фиг.6 изображен ротор 60, вращающийся с определенной скоростью n (оборотов в секунду) в направлении А. Ротор 60 поддерживается вкладышем 34. Когда ротор 60 вращается на высоких скоростях, имеются по меньшей мере две силы, первая сила - сила трения, вызванная трением между вкладышем 34 и маслом (которое приведено в движение посредством вращающегося вала), и вторая сила - сила давления, вызванная боковым давлением, создаваемым маслом вокруг вкладыша, когда вал вращается. Суммарная этих двух сил показана на Фиг.6 как сила 66. Сила 66 может быть разложена на первый компонент 62 силы, тангенциальный головке 44, и второй компонент 64 силы, который перпендикулярен шаровому шарниру 44. Этот второй компонент 64 силы представляет собой силу смещения, которая действует, чтобы удалить вкладыш 34 с головки 44.

В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на Фиг.7, по меньшей мере на одной из областей 52 выступа удерживающих пластин 38 может быть предусмотрена пружина 70. В одном применении пружина 70 может быть прикреплена к вкладышу 34. Однако в другом применении пружина 70 может быть прикреплена к пластине 38. Пружина 70 может быть выполнена с возможностью уравновешивания силы 64 смещения, то есть сила, оказываемая пружиной 70 на вкладыш 34, от ротора 60 к кольцу 32, может по существу иметь одинаковую величину и противоположное направление по отношению к силе 64. В одном иллюстративном варианте выполнения сила, оказываемая пружиной 70, может быть больше, чем сила 64, например между 100% и 200% от силы 64.

В каждом углублении 50 могут находиться пружины 70, расположенные на каждой области 52 выступа удерживающих пластин 38. Пружины 70 могут иметь форму, показанную на Фиг.8. Пружины 70 могут содержать основную часть 72, форма которой подобна дуге, и две концевые области 74, которые помогают прикреплять/устанавливать пружину 70 к соответствующей удерживающей пластине 38. Пружины 70 также обеспечивают возможность наклона вкладыша 34 вокруг головки 44. В одном применении пружина 70 может иметь ось X, пересекающую середину пружины, как показано на Фиг.8, и ось Y, пересекающую ось X, а также переходную область между основной частью 72 и концевыми областями 74. В иллюстративном варианте выполнения длина хорды основной части 72 находится в диапазоне между 30 и 45 градусами. Фиг.9 показывает вид сверху пружины 70. В одном применении пружина выполнена из материала, который проявляет гибкость и действует как пружина, имея, таким образом, коэффициент k жесткости. Для примера, пружина 70 может быть изготовлена из C7D или из другого сплава стали для пружин, т.е. SiNiCr₅, и может иметь твердость от 40 до 50 по шкале С Роквелла (тест по шкале С Роквелла определяет твердость путем измерения глубины проникновения индентера под большой нагрузкой по сравнению с проникновением, сделанным предварительной нагрузкой).

В иллюстративном варианте выполнения концевые области 74 (см. Фиг.8) пружины 70 прикреплены к областям 52 выступа удерживающих пластин 38, как показано на Фиг.7. Однако центральная часть основной части 72 пружины 70 выполнена с возможностью касания вкладыша 34, но не областей 52 выступа, как показано на Фиг.7.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения, проиллюстрированным на Фиг.10, к вкладышу 34 вокруг утончения 82 головки 44 может быть присоединен фланец 80 для обеспечения удерживающей силы 84, которая уравновешивает силу 64 смещения, когда ротор 60 вращается на высокой скорости. Следует отметить, что в соответствии с этим вариантом выполнения, радиус утончения 82 меньше радиуса самой головки 86 головки 44, предотвращая, таким образом, снятия фланца 80 с головки 44. Фланец 80 может быть первоначально установлен вокруг утончения 82 различными способами, например, нагревая фланец 80 для помещения его на головку 86 или выполняя фланец 80 из двух половин, которые затем соединяют (приваривают) после размещения их вокруг утончения 82. На Фиг.11 показан вид сверху фланца 80. Фланец 80 может быть выполнен из стали или из другого прочного материала. Фланец 80 может быть привинчен к вкладышу 34, приварен к вкладышу 34 или прикреплен другими способами, которые известны специалистам в этой области техники.

В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения, проиллюстрированным на Фиг.12, вкладыш 34 может удерживаться в заданном объеме в кольце 32 посредством крепежного элемента 90, который вставлен через отверстие 92, выполненное в головке 44, и через отверстие 94, выполненное в центральной области вкладыша 34. Крепежный элемент 90 может быть традиционным винтом, болтом, элементом с резьбой и т.д., как должно быть понятно специалистам. У отверстия 94 имеется резьба 96, по меньшей мере в концевой части отверстия 94, для взаимодействия с соответствующей резьбой крепежного элемента 90. Чтобы обеспечить возможность наклона вкладыша 34 относительно головки 44, отверстие 92 в головке 44 выполнено большего размера, то есть радиус отверстия 92 больше, чем радиус крепежного элемента 90. На Фиг.13 показан вид (вдоль линии В-В, показанной на Фиг.12) крепежного элемента 90, когда он вставлен в отверстие 92. Таким образом, сила 64 смещения, создаваемая вращением ротора 60, уравновешивается удерживающей силой 84, которая имеется между вкладышем 34 и крепежным элементом 90.

Следует отметить, что любая комбинация признаков иллюстративных вариантов выполнения, показанных на Фиг.7, 11 и 13, может использоваться в одной и той же системе подшипника.

В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, проиллюстрированным на Фиг.14, предусмотрен способ удержания по меньшей мере одного вкладыша внутри заданного объема в кольце подшипника. Способ включает: этап 1400 расположения указанного по меньшей мере одного вкладыша на удерживающей головке кольца таким образом, что нижняя выемка указанного по меньшей мере одного вкладыша выполнена с возможностью помещения удерживающей головки; причем указанный по меньшей мере один вкладыш выполнен с возможностью поворота на удерживающей головке; этап 1402 удержания указанного по меньшей мере одного вкладыша с помощью приспособления для удержания, которое выполнено с возможностью удержания указанного по меньшей мере одного вкладыша внутри заданного объема в кольце, и этап 1404 формирования приспособления для удержания с обеспечением приложения удерживающей силы к указанному по меньшей мере одному вкладышу при использовании подшипника, в дополнение к силе между удерживающей головкой и указанным по меньшей мере одним вкладышем, причем удерживающая сила действует по существу в радиальном направлении кольца от центра кольца.

Раскрытые иллюстративные варианты выполнения обеспечивают подшипник, приспособление для удержания и способ удержания по меньшей мере одного вкладыша внутри заданного объема в кольце подшипника. Нужно понимать, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, иллюстративные варианты выполнения распространяются на альтернативы, модификации и эквиваленты, которые включены в сущность и объем изобретения, как определено в приложенной формуле изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения многочисленные конкретные детали сформулированы, чтобы обеспечить всестороннее понимание заявленного изобретения. Однако специалисты должны понимать, что различные варианты выполнения могут быть осуществлены без таких конкретных деталей.

Хотя признаки и элементы настоящих иллюстративных вариантов выполнения описаны в вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент могут использоваться каждый сам по себе, без других признаков и элементов вариантов выполнения, или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, раскрытыми в этот документе, или без них.

Представленное здесь описание для раскрытия изобретения использует примеры, включая лучший режим, и также обеспечивает возможность любому специалисту осуществлять изобретение на практике, включая создание и использование любых устройств или систем и осуществления любых объединенных способов. Заявляемый объем изобретения определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут прийти в голову специалистам. Такой другой пример также попадает под объем формулы изобретения, если у него есть конструктивные элементы, которые не отличаются от буквальной формулировки пунктов формулы изобретения, или если они включают эквивалентные конструктивные элементы внутри, попадающие под буквальную формулировку пунктов формулы изобретения.