Результат интеллектуальной деятельности: УЗЕЛ СЕГМЕНТНОГО ПОДШИПНИКА

Данное изобретение относится к подшипникам, таким как для опоры ротора внутри газовой турбины. В частности, оно относится к механическим средствам для удерживания самоустанавливающихся сегментов внутри сегментного подшипника.

Узлы подшипника вала ротора газотурбинного двигателя могут быть выполнены в виде подшипников скольжения, которые могут быть сегментированными (радиально самоустанавливающимися), удерживаемыми в наружном несущем корпусе, смазываемые маслом под давлением и известными как сегментированные подшипники. На указанные подшипники воздействуют высокая скорость и нагрузка, когда двигатель работает, и очень небольшой превышающий предельное значение износ может иметь пагубные последствия для двигателя. Это может вызвать выключение двигателя, что для этого типа двигателя является обычно очень дорогостоящим делом. Поэтому для приемлемого срока службы двигателя является жизненно важным, чтобы подшипники работали надежно.

В таких системах сегментных подшипников скольжения обычно окружное перемещение каждого сегмента ограничивается посредством использования удерживающих штифтов, которые закреплены в наружном несущем корпусе узла подшипника и упираются в сегменты либо на торцевых концевых поверхностях сегментов, либо в боковые поверхности внутреннего отверстия или канала в корпусе сегмента. Штифт может быть параллельным круглым штифтом по всей своей длине, однако известным вариантом выполнения является штифт со сфероидной вершиной на круглом стержне штифта, при этом диаметр сферы больше диаметра круглого стержня штифта.

Было установлено, что на контактных поверхностях между сегментами подшипника и наружным несущим корпусом подшипника может возникать фреттинговый износ, который позволяет сегментам перемещаться за пределы конструкции, а это может вызывать проблемы в двигателе, связанные с подшипниками. Считается, что фреттинг вызывается небольшой величиной окружного действия скольжения под давлением между сегментом и несущим корпусом, и что действие становится возможным при конструкциях штифтов, согласно уровню техники.

Целью изобретения является уменьшение действия скольжения, а также уменьшение фреттингового износа.

На фиг.1 показан известный узел 10 сегментного радиального подшипника, такого как подшипник серии TJ, изготавливаемый фирмой Waukesha Bearings of Wisconsin, США. Узел сегментного подшипника, обозначенный позицией 10, показан в полностью собранном состоянии на правой стороне чертежа и в виде частично разобранного узла 10' на левой стороне чертежа. Каждый узел подшипника содержит наружный несущий корпус 12, содержащий несколько самоустанавливающихся сегментов 14. Как можно видеть более отчетливо на изображении отдельного сегмента в правой нижней части чертежа, каждый сегмент 14 имеет форму части полого цилиндра. Внешний радиус R сегментов несколько меньше внутреннего радиуса R' несущего корпуса 12. Это позволяет сегменту качаться внутри несущего корпуса 12, сохраняя контакт с несущим корпусом лишь вдоль единственной линейной контактной зоны, параллельной оси А, А' сегмента и несущего корпуса. Как можно видеть в частично разобранном узле 10', несущий корпус 12 может включать выступ 16 для удерживания сегментов в одном осевом направлении. Удерживающие пластины 18 могут быть закреплены на другом осевом окончании узла для удерживания сегментов в другом осевом направлении. Предусмотрены удерживающие штифты 20 для удерживания сегментов в заданном окружном положении. Направления А, А' показывают соответствующие осевые направления сегмента 14 и подшипника 10'.

На фиг.2 показана деталь системы, согласно фиг.1, в процессе работы. Ротор газотурбинного двигателя (не изображен), опирающийся на радиальный сегментный подшипник, вращается против часовой стрелки, как показано стрелкой 22. Действие трения между ротором и сегментом 14 вызывает прижимание сегмента к удерживающему штифту 20. Сегмент 14 имеет тенденцию наклоняться во время работы в зависимости от таких факторов, как скорость вращения ротора и неуравновешенные усилия. Сегмент может отклоняться от положения, показанного сплошной линией, в направлении положения, показанного штриховой линией. Передняя кромка 24 сдерживается удерживающим штифтом 20 и тем самым не может занять положение 24', а должна занимать эквивалентное положение 24'', смещенное в радиальном направлении наружу от первоначального положения 24, однако смещенное по окружности несущего корпуса 12 относительно положения 24' в направлении, противоположном направлению 22 вращения ротора. Во время смещения сегмента 14 в положение, которое бы привело переднюю кромку в положение 24', движение могло бы быть простым качательным движением, не вызывающим движения трения между сегментом 14 и несущим корпусом 12, однако наличие удерживающего штифта 20, приводящего к принудительному занятию сегментом 14 положения, в котором передняя кромка занимает положение 24'', вызывает фрикционное относительное перемещение сегмента 14 по окружности несущего корпуса 12 на расстояние, обозначенное позицией Df.

Затем, во время работы ротора, сегмент 14 может отклоняться обратно в положение 24. Несбалансированный ротор может вызывать одно качание сегмента назад и вперед при каждом обороте, что может составлять для газовой турбины порядка 17000 циклов в минуту. Это в свою очередь вызывает фрикционное смещение на расстояние Df на несущем корпусе 12, но в противоположном направлении. Обычно расстояние Df является небольшим и в одном примере было вычислено равным 8,7 мкм. Однако износ, вызываемый движением трения, может становиться значительным с учетом частоты повторения фрикционного смещения и высокой механической нагрузки, обычно действующей между сегментом 14 и несущим корпусом 12. Удерживающий штифт 20 может быть цилиндрическим штифтом, аналогичным штифту, показанному на фиг.1, но может быть выполнен также удлиненньм в осевом направлении А'.

На фиг.4 показана деталь другого известного типа узла радиального сегментного подшипника, который отличается от показанного на фиг.1 узла тем, что самоустанавливающиеся сегменты 14 удерживаются от перемещения по окружности посредством удерживающего штифта 30, расположенного в полости 28, образованной в наружной поверхности самоустанавливающегося сегмента 14. В этом примере на удерживающем штифте предусмотрена увеличенная головка. Головка может быть сферической или сфероидной над цилиндрическим штифтом. В качестве альтернативного решения головка может быть цилиндрической над удлиненным в осевом направлении штифтом 30.

При использовании ротор газотурбинного двигателя (не изображен), опирающийся на узел радиального сегментного подшипника, вращается в направлении 22 против часовой стрелки. Трение, действующее между ротором и самоустанавливающимся сегментом 14, вызывает прижимание внутренней поверхности, полости 28 к удерживающему штифту 30 в контактной точке 34. Самоустанавливающийся сегмент имеет тенденцию наклоняться во время работы в зависимости от таких факторов, как скорость вращения ротора и несбалансированные усилия. Сегмент может отклоняться от положения, показанного сплошной линий, в направлении положения, показанного штриховой линией. Задняя кромка 38 полости 28 сегмента сдерживается удерживающим штифтом 30 и тем самым не может занять положение 34', а должна занимать эквивалентное положение 34'', смещенное по окружности несущего корпуса 12 в направлении, противоположном направлению 22 вращения ротора. В то время как перемещение сегмента 14 в положение, которое бы приводило заднюю кромку в положение 34', было бы простым качательным движением, не вызывающим движения трения между сегментом 14 и несущим корпусом 12, наличие удерживания сегмента штифтом 30 и вынужденное занятие сегментом 14 положения, в котором задняя кромка занимает положение 34'', вызывает фрикционное относительное смещение сегмента 14 по окружности несущего корпуса 12 на расстояние, обозначенное как D'f.

Затем, во время работы ротора, возможно отклонение сегмента 14 обратно в положение 34. Это в свою очередь вызывает фрикционное смещение на расстояние D'f на несущем корпусе 12, но в противоположном направлении. Обычно расстояние D'f является небольшим и в одном примере было вычислено равным 3,6 мкм. Однако износ, вызываемый движением трения, может становиться значительным с учетом частоты повторения фрикционного смещения и высокой механической нагрузки, обычно действующей между сегментом 14 и несущим корпусом 12.

Степень износа, возникающего на сегментах 14 и несущем корпусе 12, изменяется в зависимости от многих факторов, которые, как считается в настоящее время, включают количество часов работы и количество запусков, выполняемых с сегментами, двигателем, подшипником, и от типа и конструкции сегмента, твердости несущего корпуса, чистовой обработки поверхностей подшипников и степени дисбаланса и вибраций всей системы во время использования.

Последствия износа сегмента и/или несущего корпуса включают увеличение люфта подшипника, приводящего к уменьшенной жесткости и демпфированию подшипника, уменьшенной стойкости к дисбалансу и другим усилиям возбуждения. Увеличенный зазор подшипника может приводить к увеличению вибрации вала. Износ сегментов и/или несущего корпуса может приводить также к увеличению стоимости технического обслуживания и к увеличению времени простоя.

Единственным наиболее сильно влияющим на фреттинг фактором считается амплитуда фрикционного смещения Df, D'f («поверхностное скольжение»). Другие факторы включают твердость материала, чистовую обработку поверхностей, контактное давление и применяемую смазку. На фиг.3А и 3В показан переход от машинно обработанной поверхности, показанной на правой стороне фиг.3А, к поверхности, подвергшейся фреттингу, как показано для сравнения на фиг.3В. Фиг.3А и 3В выполнены в разных масштабах.

Целью данного изобретения является исключение появления фреттингового износа в радиальных сегментных подшипниках и, следовательно, создание узла радиального сегментного подшипника, содержащего наружный несущий корпус; несколько самоустанавливающихся сегментов, удерживаемых внутри наружного несущего корпуса, и соответствующее количество удерживающих штифтов для удерживания самоустанавливающихся сегментов в заданных окружных положениях, при этом каждый штифт установлен в наружном несущем корпусе узла подшипника для упора в боковую сторону полости в соответствующем самоустанавливающемся сегменте. По меньшей мере, один удерживающий штифт и соответствующая полость имеют такую форму, что во время использования зазор в плоскости, поперечной оси узла подшипника, между удерживающим штифтом и боковой стороной полости меньше в первом местоположении, которое лежит по существу на внутренней поверхности несущего корпуса, чем во всех соответствующих местоположениях на радиально внутренних частях боковой поверхности относительно первого местоположения. Точка контакта между удерживающим штифтом и сегментом лежит при использовании по существу на внутренней поверхности наружного несущего корпуса. В соответствии с этим самоустанавливающийся сегмент способен наклоняться по существу без перемещения по окружности несущего корпуса.

Удерживающий штифт может иметь конусное поперечное сечение в плоскости, поперечной оси узла подшипника и самоустанавливающегося сегмента. Углы а конусности на обеих сторонах поперечного сечения удерживающего штифта могут быть равными.

Полость может иметь меньший размер в плоскости, поперечной оси узла подшипника и самоустанавливающегося сегмента в первом местоположении, чем во всех соответствующих местоположениях у радиально внутренних частей боковой поверхности относительно первого местоположения.

Полость может иметь конусное поперечное сечение в плоскости, поперечной оси узла подшипника и самоустанавливающегося сегмента. Углы конусности на обеих сторонах поперечного сечения полости могут быть равными.

Удерживающий штифт и полость могут быть удлиненными в осевом направлении самоустанавливающегося сегмента и узла подшипника.

Полость может занимать лишь часть осевой длины самоустанавливающегося сегмента, при этом удерживающий штифт имеет совместимый осевой размер.

Удерживающий штифт может иметь форму пирамиды. Такая пирамида может иметь квадратное или прямоугольное основание. Такая пирамида может быть усеченной.

Удерживающий штифт может иметь форму конуса или усеченного конуса.

На каждом самоустанавливающемся сегменте может быть предусмотрена более чем одна комбинация полости и штифта, выровненных в осевом направлении сегмента и узла подшипника.

Указанные выше и другие цели, преимущества и характеристики данного изобретения следуют более четко из приведенного ниже описания некоторых вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - известный узел сегментного подшипника;

фиг.2 - пример выполнения части узла сегментного подшипника согласно уровню техники;

фиг.3А и 3В - примеры износа самоустанавливающихся сегментов;

фиг.4 - пример выполнения части узла сегментного подшипника согласно уровню техники;

фиг.5-8 - примеры выполнения соответствующих частей узла сегментного подшипника согласно данному изобретению.

Согласно данному изобретению на фиг.5 представлен улучшенный узел радиального сегментного подшипника, в котором предусмотрены улучшенный удерживающий самоустанавливающийся сегмент штифта 50 и полость 28.

При использовании ротор газотурбинного двигателя (не изображен), опирающийся на узел радиального сегментного подшипника, вращается в направлении 22 против часовой стрелки. Трение, действующее между ротором и самоустанавливающимся сегментом 14, вызывает прижатие внутренней поверхности полости 28 к удерживающему штифту 50 в контактной точке 54. Удерживающий штифт 50 имеет такую форму, что контактная точка 54 лежит по существу на поверхности несущего корпуса 12. Как показано на фиг.5, удерживающий штифт 50 имеет конусное поперечное сечение в плоскости, поперечной оси А, А' подшипника 12 и сегмента 14. Зазор с между удерживающим штифтом 50 и задней кромкой 38 полости больше во всех местоположениях радиально внутрь от контактной точки 54.

При работе самоустанавливающийся сегмент имеет тенденцию наклоняться в зависимости от таких факторов, как скорость вращения ротора и несбалансированные усилия. Самоустанавливающийся сегмент 14 может наклоняться из положения, показанного сплошной линией, в направлении положения, показанного штриховой линией. За счет соответствующего изобретению профиля удерживающего штифта 50 контактная точка стремится переместиться в новое местоположение 54' при наклоне сегмента 14. В противоположность системам, согласно уровню техники, показанным на фиг.2 и 4, и за счет профиля удерживающего штифта 50, согласно изобретению, точка контакта может по существу занимать желаемое положение 54'. Сегмент способен, соответственно, наклоняться по существу без перемещения по окружности в несущем корпусе 12. В соответствии с этим смещение самоустанавливающегося сегмента 14 в положение, где контактная точка находится в положении 54', является простым качательным движением, не вызывающим по существу фрикционного перемещения между сегментом 14 и несущим корпусом 12.

Затем во время работы ротора может вызываться обратное отклонение сегмента 14 в положение 54. Это снова возможно за счет профиля, согласно изобретению, удерживающего штифта 50 по существу без перемещения сегмента по окружности несущего корпуса 12, а также без фрикционного смещения сегмента 14 на несущем корпусе 12.

В одном варианте выполнения изобретения удерживающий штифт 50 и полость 28 выполнены удлиненными в осевом направлении системы подшипника. Полость 28 может занимать лишь часть осевой длины самоустанавливающегося сегмента 14, при этом удерживающий штифт 50 имеет сопоставимый осевой размер. Штифт может быть выполнен в форме пирамиды. Такая пирамида может иметь квадратное или прямоугольное основание. Пирамида может быть выполнена усеченной. Штифт может иметь форму конуса или усеченного конуса.

На каждом самоустанавливающемся сегменте может быть предусмотрено более одной такой комбинации полостей и штифтов. Такие несколько комбинаций полостей и штифтов предпочтительно расположены на одной линии в осевом направлении сегмента 14 и подшипника 10.

Угол конусности α профиля удерживающего штифта 50, измеренный относительно нормали N к несущему корпусу 12, является важным. Если угол конусности α слишком близко приближается к нормали N к несущему корпусу 12, то самоустанавливающийся сегмент может быть неспособен наклоняться без значительного фрикционного смещения, что ставит под угрозу достижение целей изобретения. Если угол конусности α становится слишком малым, то задняя кромка 38 полости 28 может контактировать со штифтом 50 в радиально более внутренней точке, чем точки 54, 54', показанные на фиг.5. Таким образом, нижний предел для угла конусности α задается требованием, что задняя кромка 38 полости 28 должна контактировать со штифтом 50 лишь по существу на наружной окружности самоустанавливающегося сегмента 14. Если задняя кромка 38 контактирует со штифтом 50 в любой внутренней точке штифта 50, то есть глубже внутри полости 28, то имеется опасность появления снова недопустимой величины фрикционного окружного перемещения, так что по существу не исключается проблема фреттингового износа и не обеспечивается достижение целей данного изобретения.

И наоборот, если угол конусности α намного увеличен относительно нормали N к несущему корпусу, то при отклонении самоустанавливающийся сегмент может проходить расстояние трения в направлении 22 вращения ротора, как показано на фиг.5. Это может снова вызывать значительное фрикционное перемещение, затрудняя достижение целей изобретения.

Пределы полезного диапазона угла конусности для профиля удерживающего штифта 50 можно вывести с помощью простого эксперимента или с помощью вычисления.

Углы конусности α на обеих сторонах профиля удерживающего штифта 50 предпочтительно равны, в частности, в применениях, где направление 22 вращения ротора может изменяться. В применениях, где ротор способен вращаться лишь в единственном неизменном направлении 22, профиль стороны 56 удерживающего штифта, которая не приходит в соприкосновение с самоустанавливающимся сегментом 14, имеет небольшое значение.

На фиг.6 показан предпочтительный вариант выполнения данного изобретения, аналогичный детали, показанной на фиг.5. Первое положение самоустанавливающегося сегмента 14 показано сплошными линиями, в то время как второе положение самоустанавливающегося сегмента показано штриховыми линиями. Удерживающий штифт 60, который может иметь параллельные стороны или же быть конусным в любом направлении, расположен в полости 62, имеющей расходящиеся боковые стенки 68, 69, которые обеспечивают зазор с у вершины штифта при сохранении точки 64 контакта между удерживающим штифтом 60 и самоустанавливающимся сегментом 14 по существу у основания удерживающего штифта 60 на внутренней поверхности несущего корпуса 12, при этом обеспечивается достижение цели данного изобретения.

Во время работы самоустанавливающийся сегмент имеет тенденцию наклоняться в зависимости от таких факторов, как скорость вращения ротора и несбалансированные усилия. Самоустанавливающийся сегмент может наклоняться от положения, показанного сплошной линией, в направлении положения, показанного штриховой линией. За счет профиля, согласно изобретению, полости 62, точка 64 контакта стремится переместиться в новое местоположение 64' при наклоне сегмента 14. В противоположность системам согласно уровню техники, показанным на фиг.2 и 4, и за счет профиля, согласно изобретению полости 62, точка контакта может занимать по существу желаемое положение 64'. Сегмент, соответственно, выполнен с возможностью наклона, по существу, без фрикционного смещения по окружности несущего корпуса 12. В соответствии с этим перемещение самоустанавливающегося сегмента 14 в положение, где точка контакта находится в положении 64', является простым качательным движением, по существу не вызывающим движения трения между сегментом 14 и несущим корпусом 12.

Затем во время работы ротора возможно обратное отклонение сегмента 14 в положение 64. Это снова возможно за счет профиля, согласно изобретению, полости 62 по существу без перемещения сегмента по окружности несущего корпуса 12, а также без фрикционного смещения сегмента 14 на несущем корпусе 12.

Удерживающий штифт 60 и полость 62 могут быть выполнены удлиненными в осевом направлении системы подшипника. Полость 62 может занимать лишь часть осевой длины самоустанавливающегося сегмента 14, при этом удерживающий штифт 60 имеет сопоставимый осевой размер. Штифт 60 может иметь форму пирамиды, куба или цилиндра. Такая пирамида может иметь квадратное или прямоугольное основание. Пирамида может быть выполнена усеченной. Штифт может иметь форму конуса или усеченного конуса.

На каждом самоустанавливающемся сегменте может быть предусмотрено более одной такой комбинации полости 62 и удерживающего штифта 60. Такие несколько комбинаций полостей и штифтов предпочтительно расположены на одной линии в осевом направлении сегмента 14 и подшипника 10.

Угол конусности β профиля полости 62, измеренный относительно нормали N к поверхности несущего корпуса 12, является важным. Если угол конусности β слишком близко приближается к нормали N к несущему корпусу 12, то задняя кромка 68 полости 62 может контактировать со штифтом 60 в радиально более внутренней точке, чем точки 64, 64', показанные на фиг.6. Самоустанавливающийся сегмент 14 может быть неспособен наклоняться без значительного фрикционного смещения, что ставит под угрозу достижение целей изобретения. Таким образом, нижний предел для угла конусности β задается требованием, что задняя кромка 68 полости 62 должна контактировать со штифтом 60 лишь по существу на наружной окружности самоустанавливающегося сегмента 14. Если задняя кромка 68 контактирует со штифтом 60 в любой внутренней точке штифта 60, то есть глубже внутри полости 62, то существует опасность появления снова недопустимой величины фрикционного окружного перемещения, так что по существу не исключается проблема фреттингового износа и не обеспечивается достижение целей данного изобретения.

И наоборот, если угол конусности β увеличивается намного от нормали N к несущему корпусу, то при отклонении самоустанавливающийся сегмент 14 может проходить расстояние трения в направлении вращения ротора. Это может снова вызывать значительное фрикционное перемещение, затрудняя достижение целей изобретения.

Пределы полезного диапазона угла конусности для профиля полости 62 можно вывести с помощью простого эксперимента или с помощью вычисления.

Углы конусности β на обеих сторонах профиля полости 62 предпочтительно равны, в частности, в применениях, где направление 22 вращения ротора может изменяться. В применениях, где ротор способен вращаться лишь в единственном неизменном направлении 22, профиль стороны 66 удерживающего штифта, которая не приходит в соприкосновение с самоустанавливающимся сегментом 14, имеет небольшое значение.

На фиг.7 показан другой вариант выполнения данного изобретения. Аналогично варианту выполнения, показанному на фиг.6, отверстие в полость 72 имеет меньшую ширину d, чем остальная полость. Однако в варианте выполнения, согласно фиг.7, не требуются сужения стенок полости 72. Вместо этого полость выполнена с меньшим размером d в плоскости, поперечной оси узла подшипника и самоустанавливающегося сегмента в первом местоположении 74, чем во всех соответствующих местоположениях на радиально более внутренних частях боковой поверхности 78 относительно первого местоположения 74. В этом варианте выполнения также обеспечивается зазор с у вершины удерживающего штифта при сохранении положения 74 контакта между удерживающим штифтом и самоустанавливающимся сегментом по существу на внутренней поверхности несущего корпуса 12, что обеспечивает достижение цели данного изобретения.

Для удлиненной полости меньший размер d может быть обеспечен посредством машинной обработки профиля с направленной внутрь ступенькой 77 из сплошного материала, например, с помощью фасонного фрезерования. В частности, для неудлиненной полости меньший размер d может быть обеспечен посредством машинной обработки профиля с внутренней ступенькой 77 из сплошного материала или посредством рассверливания и запрессовки кольца.

На фиг.8 показан более подробно вариант выполнения, в котором использовано рассверливание 82 и установлено кольцо 84 с меньшим внутренним диаметром d с помощью прессовой посадки, сварки, пайки твердым припоем или другим способом в увеличенную рассверливанием зону для обеспечения меньшего размера d.

Полученная структура работает идентично структуре, показанной на фиг.7, и используются соответствующие позиции для обозначения соответствующих признаков.

В вариантах выполнения, согласно фиг.7 и 8, как удерживающий штифт 70, так и стенки 78, 79 полости, по отдельности или совместно, могут сужаться или приближаться к нормали N к внутренней поверхности несущего корпуса 12. Меньший размер d может быть обеспечен посредством показанного сужения или посредством прямоугольного профиля. В любом случае точка 74, 74' контакта должна удерживаться по существу на внутренней поверхности несущего корпуса 12.

В соответствии с этим изобретение обеспечивает систему радиального сегментного подшипника, которая существенно облегчает проблему фреттингового износа сегментных подшипников, встречающуюся в известных системах радиального сегментного подшипника. Это преимущество достигается согласно изобретению посредством определенного профиля удерживающего штифта и/или полости, как задано в прилагаемой формуле изобретения.