Результат интеллектуальной деятельности: РАДИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок, работающих как по замкнутому, так и по открытому циклам, при высоких давлениях наддува в подшипниках и градиентах температур.

Известен радиальный подшипниковый узел, содержащий корпус, самоустанавливающиеся сегментные вкладыши, установленные с радиальным зазором относительно вала (SU 1493811 A1, опубл. 15.07.1989, F16C 39/06, 27/02).

В данном подшипнике сегментные вкладыши связаны с корпусом с помощью сферических шарниров, выполненных в виде двух сопряженных звеньев, одно из которых выполнено из магнитотвердого материала, другое - из ферромагнитного электропроводного материала. Демпфирование угловых колебаний сегментных вкладышей в данном подшипнике происходит за счет трения в шарнире, а радиальных высокочастотных колебаний - за счет перемагничивания звена из ферромагнитного материала магнитным полем звена из магнитотвердого сплава, а также за счет вихревых токов, наводимых в ферромагнитном электропроводном материале.

Недостатком данного технического решения является уменьшение надежности и ресурса работы подшипника за счет наличия трения в сферических шарнирах. При длительной эксплуатации такого подшипника за счет коррозии и засорения продуктами износа происходит «залипание» сферических шарниров, что приводит к поломке подшипника. Другим недостатком является усложнение конструкции подшипника из-за наличия в нем дополнительных деталей, образующих сферические шарниры.

Известен также радиальный подшипниковый узел, включающий полый корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу, размещенную с возможностью вращения в полости втулки, при этом корпус снабжен патрубками для ввода сжатого воздуха с возможностью его подвода в рабочий зазор между поверхностью полости втулки и поверхностью цапфы (см. RU №2330197, МПК F16C 17/04, 2008 г.).

При использовании подшипникового узла в мощных турбомашинах необходимо увеличивать диаметр цапф радиального подшипникового узла для получения необходимой несущей способности, что приводит к высоким окружным скоростям цапф, что в свою очередь приводит к значительным потерям на трение в нем ввиду малости радиального зазора в газостатическом подшипниковом узле (мощность трения в подшипниковом узле пропорциональна третьей степени радиуса цапфы и обратно пропорциональна радиальному зазору).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение высокой несущей способности радиального подшипникового узла в рабочем режиме при уменьшении в нем потерь на трение.

Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального подшипникового узла в рабочем режиме при уменьшении в нем потерь на трение, надежном запуске турбомашины, а также повышении устойчивости ротора к «полускоростному вихрю» и снижении деформации зазора в газостатическом подшипнике при высоких давлениях наддува.

Поставленная задача решается тем, что радиальный подшипниковый узел, включающий полый корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу, размещенную с возможностью вращения в полости втулки, при этом корпус снабжен патрубками для ввода сжатого воздуха с возможностью его подвода в рабочий зазор между поверхностью полости втулки и поверхностью цапфы, отличается тем, что использован внешний источник сжатого воздуха, при этом сегменты втулки выполнены из немагнитного материала в виде желобообразных удлиненных элементов одинаковой угловой длины и отделены друг от друга клиньями, выполненными в виде Т-образных планок с возможностью скрепления с корпусом, при этом контактирующие боковые кромки клиньев и сегментов втулки выполнены с возможностью зацепления последних первыми, кроме того, на поверхности желоба каждого сегмента втулки, обращенной к цапфе, выполненной из немагнитного материала, зафиксированы полюса, выполненные в виде планок из материала с высокой магнитной проницаемостью, между которыми размещены магнитные планки, контактирующие с полюсами, выполненные из постоянных магнитов с тангенциальным намагничиванием, при этом магнитным планкам придана трапециевидная форма поперечного сечения, широкое основание которых обращено к поверхности желоба сегмента, кроме того, с узким основанием каждой магнитной планки контактирует немагнитный клин, выполненный в виде полосы из немагнитного материала, жестко скрепленный с контактирующими с ним сторонами полюсов, при этом внешняя поверхность, образованная клиньями и полюсами, обращенная к цапфе, выполнена цилиндрической с образованием рабочего зазора с поверхностью цапфы, кроме того, на поверхности полости корпуса размещена упругая прокладка, кроме того, в объеме сегментов втулки выполнена система сообщающихся каналов, сообщенная с патрубками для ввода сжатого воздуха, выполненными с возможностью подачи сжатого воздуха от внешнего источника, при этом выходные отверстия системы сообщающихся каналов сообщены с рабочим зазором через радиальные питающие отверстия, проходящие через сегменты втулки и полюса. При этом упругая прокладка выполнена в виде сегментов цилиндрической втулки, содержащей пластину с продольными гофрами, заполненными привулканизированным слоем резины или полиуретана. Кроме того, магнитные планки выполнены из сплава неодим-железо-бор. При этом магнитные планки и полюса скреплены клеем с сегментами втулки. Кроме того, цапфа выполнена полой и снабжена внутренним силовым каркасом. Кроме того, поверхность цапфы, обращенная к цилиндрической поверхности втулки, покрыта слоем высокоэлектропроводного материала, например меди, и выполнена с высокой чистотой поверхности.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий, что в радиальном подшипниковом узле «использован внешний источник сжатого воздуха», позволяет организовать газостатический подшипник и обеспечить надежный запуск турбомашины.

Признак, указывающий, что «сегменты втулки выполнены из немагнитного материала в виде желобообразных удлиненных элементов одинаковой угловой длины и отделены друг от друга клиньями», обеспечивает независимость упругих перемещений каждого сектора газостатического и магнитного подшипников в зависимости от распределения нагрузки по поверхности подшипника, что гарантирует необходимый радиальный зазор в радиальном подшипниковом узле при монтаже и в рабочем состоянии.

Признаки, указывающие, что клинья выполнены «в виде Т-образных планок с возможностью скрепления с корпусом, при этом контактирующие боковые кромки клиньев и сегментов втулки выполнены с возможностью зацепления последних первыми», обеспечивают монтажный радиальный зазор и удержание сегментов подшипника от тангенциального перемещения.

Признаки, указывающие, что «на поверхности желоба каждого сегмента втулки, обращенной к цапфе, выполненной из немагнитного материала, зафиксированы полюса, выполненные в виде планок из материала с высокой магнитной проницаемостью, между которыми размещены магнитные планки, контактирующие с полюсами, выполненные из постоянных магнитов с тангенциальным намагничиванием», обеспечивают возможность использования электродинамической силы для поддержания цапфы, т.е. позволяют дополнительно к газостатическим силам обеспечить электродинамические силы отталкивания при вращении цапфы без прилипания сегментов постоянных магнитов к цапфе. Это повышает несущую способность и жесткость радиального подшипникового узла.

Признаки, указывающие, что «магнитным планкам придана трапециевидная форма поперечного сечения, широкое основание которых обращено к поверхности желоба сегмента», обеспечивают направление основной части магнитного потока в зону рабочего зазора радиального подшипникового узла для получения значительных электродинамических сил.

Признаки, указывающие, что «с узким основанием каждой магнитной планки контактирует немагнитный клин, выполненный в виде полосы из немагнитного материала, жестко скрепленный с контактирующими с ним сторонами полюсов, при этом внешняя поверхность, образованная клиньями и полюсами, обращенная к цапфе, выполнена цилиндрической», обеспечивают формирование рабочего зазора с поверхностью цапфы, а также обеспечивают гладкую цилиндрическую поверхность газового подшипника.

Признак, указывающий, что «на поверхности полости корпуса размещена упругая прокладка», обеспечивает необходимую жесткость упругой подложки узла в рабочем состоянии и, соответственно, возможность упругого автоматического регулирования рабочего зазора газостатического подшипника, тем самым предотвращает заклинивание цапфы в подшипнике.

Признак, указывающий, что «в объеме сегментов втулки выполнена система сообщающихся каналов, сообщенная с патрубками для ввода сжатого воздуха, выполненными с возможностью подачи сжатого воздуха от внешнего источника, при этом выходные отверстия системы сообщающихся каналов через радиальные питающие отверстия, проходящие через сегменты втулки и сегменты постоянных магнитов сообщены с рабочим зазором», позволяет организовать подачу газа в смазочный зазор газостатического подшипника и минимальную деформацию зазора в нем при высоких давлениях наддува.

Признак, указывающий, что «упругая прокладка выполнена в виде сегментов цилиндрической втулки, содержащей пластину с продольными гофрами, заполненными привулканизированным слоем резины или полиуретана», обеспечивает повышение устойчивости роторов на таких узлах к «полускоростному вихрю» за счет демпфирования слоем резины или полиуретана.

Признак, указывающий, что «магнитные планки выполнены из сплава неодим-железо-бор», обеспечивает возникновение значительных электродинамических сил, обусловленных взаимодействием вихревых токов, наведенных в цапфе магнитным полем магнитных планок с полем этих планок, что повышает несущую способность и жесткость радиального подшипникового узла.

Признак, указывающий, что в радиальном подшипниковом узле «магнитные планки и полюса скреплены клеем с сегментами втулки», обеспечивает их монолитность с сегментами втулки и тем самым обеспечивает работоспособность конструкции.

Признак, указывающий, что «цапфа выполнена полой и снабжена внутренним силовым каркасом», способствует снижению массы и массовых моментов инерции ротора турбомашины, что ведет к уменьшению динамических нагрузок от гироскопического момента при вибрации корпуса турбомашины, а также улучшает динамические характеристики ротора при пуске и остановке турбомашины.

Признак, указывающий, что «поверхность цапфы, обращенная к цилиндрической поверхности втулки, покрыта слоем высокоэлектропроводного материала, например меди, и выполнена с высокой чистотой поверхности», обеспечивает увеличение вихревых токов и тем самым электродинамических сил.

На фиг.1 показан продольный разрез радиального подшипникового узла, а на фиг.2, фиг.3 - поперечные разрезы по его средней плоскости и по радиальным питающим отверстиям соответственно.

На чертежах показаны корпус 1, втулка 2, цапфа 3, клинья 4, полюса 5, магнитные планки 6, немагнитные клинья 7, рабочий зазор 8, упругая прокладка 9, продольные гофры 10, осевые 11 и тангенциальные 12 каналы, патрубки 13, радиальные отверстия 14, заглушка 15, крышка 16, штуцеры 17 и уплотнительные кольца 18, 19.

Радиальный подшипниковый узел включает полый корпус 1, в полости которого размещена втулка 2, выполненная из сегментов, и цапфу 3, размещенную с возможностью вращения в полости втулки 2. Сегменты втулки 2 выполнены из немагнитного материала, например нержавеющей немагнитной стали или титана, в виде желобообразных удлиненных элементов одинаковой угловой длины и отделены друг от друга клиньями 4, выполненными в виде Т-образных планок, скрепленных с корпусом 1. Контактирующие боковые кромки клиньев 4 и сегментов втулки 2 выполнены с возможностью зацепления последних первыми. На поверхности каждого сегмента втулки 2, обращенной к цапфе 3, выполненной из немагнитного материала, равномерно по окружности расположены полюса 5, выполненные в виде планок из материала с высокой магнитной проницаемостью (например, из сплава 48 КНФ), между которыми размещены магнитные планки 6, контактирующие с полюсами 5. Магнитные планки 6 выполнены, например, из материала неодим-железо-бор и по всей осевой длине намагничены в тангенциальном направлении (вдоль окружности). Магнитные планки 6 имеют трапециевидную форму поперечного сечения, их широкое основание обращено к поверхности желоба сегмента втулки 2, а с узким основанием каждой магнитной планки 6 контактирует немагнитный клин 7, выполненный в виде полосы из немагнитного материала, жестко и заподлицо скрепленный с двумя соседними полюсами 5. При этом поверхность, образованная немагнитными клиньями 7 и полюсами 5, обращенная к цапфе 3, выполнена цилиндрической с образованием рабочего зазора 8 с поверхностью цапфы 3.

На поверхности полости корпуса 1 размещена упругая прокладка, выполненная в виде сегментов цилиндрической втулки 2, содержащих упругую прокладку 9 с продольными гофрами 10, заполненными привулканизированным слоем резины или полиуретана.

В объеме сегментов втулки 2 выполнена система сообщающихся осевых 11 и тангенциальных 12 каналов, сообщенная с патрубками 13 для подвода сжатого воздуха, выполненными с возможностью подачи сжатого воздуха от внешнего источника (на чертеже не показан). Выходные отверстия системы сообщающихся каналов 11 и 12 сообщены с рабочим зазором 8 через радиальные питающие отверстия 14, проходящие через сегменты втулки 2 и полюса 5. Осевые каналы 11 снабжены заглушкой 15, а тангенциальные каналы 12 - крышкой 16. В патрубке 13 установлен штуцер 17 с уплотнительными кольцами 18, 19.

Наружную поверхность цапфы 3 покрывают слоем меди и обрабатывают с высокой чистотой.

Изготавливают и собирают радиальный подшипниковый узел следующим образом. В сегментах втулки 2 сверлят глухие осевые отверстия 11 и закрывают их заглушками 15 со стороны сверления. Фрезеруют тангенциальные каналы 12, сообщающиеся с осевыми каналами 11, и закрывают их крышками 16, скрепленными сваркой с сегментами втулки 2.

Диаметр осевых отверстий 11 сегмента втулки 2 должен быть минимальным, но суммарная площадь проходного сечения этих отверстий должна превышать суммарную площадь радиальных отверстий 14, проходящих через сегменты втулки 2 и полюса 5, в три-пять раз, а площадь проходного сечения тангенциального канала 12 сегмента втулки 2 должна быть больше или равна суммарной площади проходного сечения осевых отверстий 11 сегмента втулки 2, что позволит уменьшить деформации осевого рабочего зазора 8 от действия высокого давления газа в этих отверстиях и тангенциальных каналах 16.

На внутренней поверхности сегментов втулки 2 располагают по разметке равномерно по окружности полюса 5, имитаторы магнитных планок, устанавливают на соседние полюса 5 немагнитные клинья 7, приваривают их к полюсам и зачищают швы. Далее вместо имитаторов устанавливают на клей магнитные планки 6. Полученные комплекты полюсов 5, магнитных планок 6 и немагнитных клиньев 7 в сборе устанавливают на клей на внутренней поверхности сегментов втулки 2. Далее в полюсах 5 и в сегментах втулки 2 сверлят радиальные отверстия 14 до выхода в осевые каналы 11.

К корпусу 1 приклеивают пластины 9 упругих прокладок, которые деформируют с образованием кольцевых гофров 10, а на них приклеивают сегменты втулок 2, с торца вставляют клинья 4 между сегментами втулки 2 и фиксируют клинья 4, например, винтами. В каждый сегмент втулки 2 вкручивают штуцеры 17, имеющие канавки для установки уплотнительных колец 18, 19. Сегменты втулок 2 фиксируют технологическими клиньями и притиром притирают внутреннюю поверхность сегментов 2 до получения необходимого монтажного радиального зазора в подшипнике. Демонтируют технологические клинья, покрывают притертую поверхность антифрикционным покрытием, например, ВАП-2. Цапфу 3 покрывают слоем меди и обрабатывают с высокой степенью чистоты.

Радиальный подшипниковый узел работает следующим образом. Перед началом вращения цапфы 3 через отверстия патрубков 13 и штуцеры 17 в сегменты втулки 2 подают под высоким давлением смазывающий газ от внешнего компрессора. Этот газ поступает в тангенциальный канал 12 и затем распределяется по осевым каналам 11 сегментов втулки 2 и далее через радиальные питающие отверстия 14 в сегментах втулки 2 и полюсах 5 поступает в рабочий зазор 8. В результате этого цапфа 3 всплывает на газовом смазочном слое. При вращении цапфы 3 дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных магнитным полем магнитных планок 6 в цапфе 3, с этим полем. Радиальные составляющие электродинамических сил действуют отталкивающим образом между цапфой 3 и полюсами 5. Эти силы суммируются с силами газостатического подшипника, действующими на цапфу 3. В результате увеличивается радиальный рабочий зазор 8 в подшипниковом узле за счет деформации гофры 10 и пластины 9 упругой прокладки. При этом снижается трение в радиальном подшипниковом узле ввиду увеличения радиального зазора. Пластина 9 упругой прокладки и гофр 10 позволяют компенсировать как температурную деформацию цапфы 3, так и ее радиальную деформацию от действия центробежных сил при вращении. Тангенциальная составляющая электродинамической силы оказывает тормозящее воздействие, но она незначительна. С увеличением линейной скорости на поверхности цапфы 3 отталкивающая составляющая электродинамической силы увеличивается, а тормозящая - уменьшается.

Магнитная и газостатическая части предлагаемого радиального подшипникового узла автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению цапфы 3 от соосного положения относительно точки подвижного равновесия цапфы 3 в радиальном подшипниковом узле и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).