Результат интеллектуальной деятельности: УПОРНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок.

Известен упорный подшипниковый узел, содержащий ротор с пятой, радиальный сегментный подшипник, корпус, многослойный вкладыш, состоящий из пористого упругого вибродемпфирующего материала и антифрикционного материала (см. RU №2301361, МПК Н02K 5/16, 20.06.2007).

Известен также упорный подшипниковый узел, включающий кольцеобразную пяту, подпятник, размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха (см. RU №110565, МПК Н02K 5/16, 20.11.2011 г.).

При использовании упорного подшипникового узла в мощных турбомашинах необходимо увеличивать диаметр пяты упорного подшипникового узла для получения необходимой несущей способности узла, что приведет к высоким окружным скоростям пяты и к значительным потерям на трение в этом узле ввиду малости осевого зазора в нем (мощность трения в упорном газостатическом подшипнике обратно пропорциональна осевому зазору между пятой и подпятником).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности упорного подшипникового узла в рабочем режиме, а также надежный запуск и останов турбомашины.

Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности упорного подшипникового узла в рабочем режиме (с уменьшением в нем потерь на трение, вплоть до вентиляционных), надежном запуске турбомашины, снижении деформации зазора в упорном подшипниковом узле от высокого давления наддува газа, в демпфировании колебаний ротора турбомашины, обусловленных осевыми газодинамическими силами турбины и компрессора.

Указанный технический результат достигается тем, что упорный подшипниковый узел, включающий кольцеобразную пяту, подпятник, размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха, отличается тем, что подпятник образован корпусом, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса, при этом на дне цилиндрической выемки размещена упругая прокладка с опертым на нее газостатическим подшипником, выполненным в форме кольца, из немагнитного материала, разделенного на секторы радиально ориентированными накладками, скрепленными с корпусом подпятника, при этом со стороны, обращенной к пяте, периметр сектора подшипника снабжен буртиком, образующим выемку, причем в выемке каждого сектора зафиксированы секторные полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью, между которыми размещены контактирующие с ними секторные постоянные магниты с тангенциальным встречным намагничиванием, при этом поперечному сечению накладок придана Т-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков секторов подшипника, кроме того, секторным постоянным магнитам придана трапециевидная форма поперечного сечения, широкое основание которых обращено к поверхности выемки сектора подшипника, кроме того, с узким основанием каждого секторного постоянного магнита контактирует клин, выполненный в виде полосы из немагнитного материала, жестко скрепленный с контактирующими с ним сторонами соседних секторных полюсов, при этом внешняя поверхность клиньев и секторных полюсов составляют одну плоскость, обращенную к пяте, выполненной из немагнитного материала, с образованием с нею рабочего зазора, кроме того, в объеме секторов подшипника выполнена система сообщающихся каналов с возможностью подачи в нее сжатого воздуха от внешнего источника, выходные отверстия которой сообщены с выполненными в секторных полюсах сквозными отверстиями, сообщающимися с рабочим зазором. Кроме того, пята выполнена полой и снабжена внутренним силовым каркасом. При этом упругая прокладка выполнена из стали в виде пластины с кольцевыми гофрами, заполненными привулканизированным с обеих сторон слоем резины или полиуретана. Кроме того, секторные постоянные магниты выполнены из сплава неодим-железо-бор, при этом секторные постоянные магниты и секторные полюса скреплены с секторами подшипника клеем. Кроме того, поверхность пяты, обращенная к подпятнику, покрыта слоем высокоэлектропроводного материала, например меди, и выполнена с высокой чистотой обработки поверхности. Кроме того, клин выполнен в виде полосы из немагнитного материала, например нержавеющей немагнитной стали.

Сопоставительный анализ существенных признаков предложенного технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий, что «подпятник образован корпусом, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса», обеспечивает фиксацию в корпусе всех элементов и работоспособность подшипника (упругой прокладки и частей газостатического и магнитного подшипника).

Признак, указывающий, что «на дне цилиндрической выемки размещена упругая прокладка», обеспечивает возможность автоматического изменения величины рабочего зазора и несущей способности газостатического и магнитного подшипников.

Признак, указывающий, что «газостатический подшипник оперт на упругую прокладку», обеспечивает возможность упругого автоматического регулирования рабочего зазора газостатического и магнитного подшипников.

Признаки, указывающие, что газостатический подшипник выполнен «в форме кольца, из немагнитного материала, разделенного на секторы радиально ориентированными накладками, скрепленными с корпусом подпятника», обеспечивают независимость упругих перемещений каждого сектора газостатического и магнитного подшипников в зависимости от распределения нагрузки по площади подшипника, что гарантирует необходимый осевой зазор в упорном подшипниковом узле при монтаже и в рабочем состоянии. Признаки, указывающие, что «со стороны, обращенной к пяте, периметр сектора подшипника снабжен буртиком, образующим выемку», обеспечивают возможность надежной фиксации секторных полюсов и секторных постоянных магнитов в этих выемках.

Признаки, указывающие, что «в выемке каждого сектора зафиксированы секторные полюса из материала с высокой магнитной проницаемостью, между которыми размещены контактирующие с ними секторные постоянные магниты с тангенциальным встречным намагничиванием», обеспечивают возможность использования электродинамических сил для поддержания пяты, т.е. позволяют дополнительно к газостатическим силам обеспечить электродинамические силы отталкивания при вращении пяты без прилипания сегментов постоянных магнитов к пяте. Это повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла.

Признаки, указывающие, что «поперечному сечению накладок придана Т-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков секторов подшипника», обеспечивают монтажный зазор и свободное осевое перемещение секторов подшипника на упругой прокладке вдоль оси вращения в пределах деформации упругой прокладки.

Признаки, указывающие, что «секторным постоянным магнитам придана трапециевидная форма поперечного сечения, широкое основание которых обращено к поверхности выемки сектора», а «с узким основанием каждого секторного постоянного магнита контактирует клин, выполненный в виде полосы из немагнитного материала, жестко скрепленный с контактирующими с ним сторонами соседних секторных полюсов», обеспечивают направление основной части магнитного потока в зону рабочего зазора упорного подшипникового узла для получения значительных электродинамических сил.

Признаки, указывающие, что «внешняя поверхность клиньев и секторных полюсов составляют одну плоскость, обращенную к пяте, выполненной из немагнитного материала», обеспечивают формирование рабочего зазора и способствуют уменьшению деформации поверхности газостатического подшипника.

Признаки, указывающие, что в упорном подшипниковом узле «в объеме секторов подшипника выполнена система сообщающихся каналов с возможностью подачи в нее сжатого воздуха от внешнего источника, выходные отверстия которой сообщены с выполненными в секторных полюсах сквозными отверстиями, сообщающимися с рабочим зазором», позволяют организовать подачу смазывающего воздуха в рабочий зазор газостатического осевого подшипника.

Признак, указывающий, что в упорном подшипниковом узле «пята 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 «упругая прокладка выполнена из стали в виде пластины с кольцевыми гофрами, заполненными привулканизированным с обеих сторон слоем резины или полиуретана», обеспечивает необходимую жесткость и демпфирование упругой подложки узла в рабочем состоянии, а также гашение колебаний ротора, обусловленных осевыми газодинамическими силами турбины и компрессора за счет рассеивания энергии колебаний резиной или полиуретаном.

Признак, указывающий, что «секторные постоянные магниты выполнены из сплава неодим-железо-бор», обеспечивает возникновение значительных электродинамических сил, обусловленных взаимодействием вихревых токов, наведенных в пяте магнитным полем секторных постоянных магнитов, с полем этих магнитов, что повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла.

Признак, указывающий, что «секторные постоянные магниты и секторные полюса скреплены с секторами подшипника клеем», обеспечивает монолитность сегментных постоянных магнитов с секторами подшипника и тем самым обеспечивает работоспособность конструкции.

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

Признак, указывающий, что «клин выполнен в виде полосы из немагнитного материала, например, нержавеющей немагнитной стали», уточняет материал, из которого изготавливают клин и его форму.

На фиг.1 показан продольный разрез, а на фиг.2, 3, 4 - поперечные разрезы упорного подшипникового узла по секторам подшипника, секторным постоянным магнитам и по пяте, соответственно. На фиг.5 показан поперечный разрез сектора.

На чертежах показаны корпус 1, кольцевой выступ 2, упругая прокладка 3, кольцевые гофры 4, сектора 5 подшипника, немагнитные накладки 6, пята 7, буртик 8, секторные постоянные магниты 9, 10, секторные полюса 11, 12, 13, клин 14, рабочий зазор 15, внутренний силовой каркас 16, радиальные отверстия 17, тангенциальные каналы 18, штуцеры 19, уплотнительные кольца 20, 21, отверстия 22 в корпусе 1, осевые отверстия 23 в секторах 5 подшипника, осевые отверстия 24 в секторных полюсах 11, 12, 13, крышки 25, заглушки 26.

Упорный подшипниковый узел состоит из подпятника и пяты. Подпятник образован корпусом 1, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом 2 по периметру корпуса 1. На дне цилиндрической выемки закреплена упругая прокладка 3, выполненная в виде пластины, которая деформирована с образованием кольцевых гофров 4 из сплава с заданными упругими свойствами, например, 36НХТЮ8М, которые заполнены с обеих сторон пластины привулканизированным (или приклеенным) слоем эластичного материала, например, резины или полиуретана. На упругую прокладку 3 оперт газостатический подшипник, выполненный в форме кольца, из немагнитного материала. Газостатический подшипник равномерно разделен на сектора 5, радиально ориентированными металлическими немагнитными накладками 6, закрепленными на корпусе 1 подпятника. Со стороны, обращенной к пяте 7, периметр сектора 5 снабжен буртиком 8, образующим выемку. В выемке каждого сектора 5 равномерно распределены по окружности и зафиксированы (например, клеем), по меньшей мере, два секторных постоянных магнитов 9,10, выполненных, например, из сплава неодим-железо-бор, намагниченных в тангенциальном встречном направлении (вдоль окружности), и контактирующие с ними секторные полюса 11, 12, 13, выполненные из сплава с высокой магнитной проницаемостью, например 48КНФ.

Поперечному сечению металлических немагнитных накладок 6 придана Т-образная форма, причем полки накладок 6 выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков 8 секторных постоянных магнитов 9, 10.

Секторным постоянных магнитам 9, 10 придана трапециевидная форма поперечного сечения, широкое основание которых обращено к поверхности выемки сектора 5 подшипника, а с узким основанием каждого секторного постоянного магнита 9, 10 контактирует клин 14, выполненный в виде полосы из немагнитного материала, например нержавеющей немагнитной стали. Клин 14 жестко скреплен с контактирующими с ним сторонами соседних секторных полюсов. Внешняя поверхность секторных полюсов 11, 12, 13 и клиньев 14 составляют одну плоскость, обращенную к пяте 7, с образованием с нею рабочего зазора 15. Пята 7 выполнена полой из немагнитного электропроводного материала и снабжена внутренним силовым каркасом 16.

В объеме каждого сектора 5 подшипника выполнена система сообщающихся радиальных отверстий 17 и тангенциальных каналов 18 с возможностью подачи в них сжатого воздуха от внешнего источника (на чертеже не показан) через штуцеры 19 с надетыми на них уплотнительными кольцами 20, 21. Штуцеры 19 могут свободно перемещаться в отверстиях 22 корпуса 1 в пределах деформации гофры 4. В радиальных отверстиях 17 секторов 5 подшипника выполнены осевые отверстия 23, сообщающиеся с осевыми отверстиями 24 в секторных полюсах 11, 12, 13, выходящих в рабочий зазор 15 газостатического подшипника. Диаметр радиальных отверстий 17 сектора 5 должен быть минимальным, но суммарная площадь проходного сечения этих отверстий должна превышать суммарную площадь осевых отверстий 23, 24 сектора 5 в три-пять раз, а площадь проходного сечения тангенциального канала 18 сектора 5 должна быть больше или равна суммарной площади проходного сечения радиальных отверстий 17 сектора 5, что позволит уменьшить деформации осевого рабочего зазора 15 от действия высокого давления газа в этих отверстиях.

Тангенциальные каналы 18 закрыты крышками 25, радиальные отверстия 17 снабжены заглушками 26. Газостатический подшипник образован обращенными друг к другу торцевыми поверхностями секторных полюсов 11, 12, 13, немагнитных клиньев 14, секторные полюса 11, 12, 13 и пята 7 образуют магнитный подшипник.

Упорный подшипниковый узел собирают в следующем порядке. Предварительно изготавливают корпус 1 подпятника с отверстиями 22 и сектора 5 с радиальными отверстиями 17 и тангенциальными каналами 18. Тангенциальный канал 18 закрывают крышкой 25 и обваривают ее по периметру, а затем зачищают сварные швы. В корпусе 1 подпятника закрепляют (на клей) упругую прокладку 3 необходимой жесткости, которую предварительно штампуют и термообрабатывают, для образования кольцевых гофров 4, а к гофрам, в свою очередь, привулканизируют с двух сторон резину или полиуретан. Далее между секторными полюсами 11, 12, 13, предварительно расположенными по разметке, устанавливают немагнитные клинья 14, сваривают их между собой с образованием плоской поверхности, шлифуют наружную поверхность и покрывают ее антифрикционным материалом, например ВАП-2. В выемки между секторными полюсами 11, 12, 13 вклеивают секторные постоянные магниты 9,10 и затем вклеивают полученные комплекты в секторы 5 подшипника. Сверлят осевые питающие отверстия 24 в секторных полюсах 11, 12, 13 и осевые питающие отверстия 23 в секторах 5, прочищают их и устанавливают с торцов радиальных отверстий 17 заглушки 26. На прокладку 3 равномерно по окружности устанавливают (на клей) металлические немагнитные секторы 5 подшипника и между ними устанавливают радиально ориентированные металлические немагнитные накладки 6, которые фиксируют, например винтами. Собранный подпятник устанавливают в корпусе турбомашины, монтируют ротор и на него устанавливают пяту 7.

Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. Перед началом вращения пяты 7 через отверстия 22 в корпусе 1 подпятника, штуцеры 19 в секторах 5 подшипника подают под высоким давлением смазывающий (очищенный и охлажденный) газ от внешнего компрессора или из ресивера. Этот газ поступает в тангенциальные каналы 18 и затем распределяется по радиальным отверстиям 17 секторов 5, а затем через осевые питающие отверстия 23 в секторах 5 и осевые отверстия 24 в секторных полюсах 11, 12, 13 поступает в рабочий зазор 15 упорного подшипникового узла. В результате этого пята 7 всплывает на газовом смазочном слое. При вращении пяты 7 дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных в пяте 7 магнитным полем секторных постоянных магнитов 9, 10 с полем этих магнитов. Осевая составляющая электродинамических сил действует отталкивающим образом между пятой 7 и секторными полюсами 11, 12, 13. Эта сила суммируется с силами газостатического подшипника, действующими на пяту 7. В результате за счет деформации гофры 4 упругой прокладки 3 увеличивается осевой рабочий зазор 15 в упорном подшипниковом узле и при этом, ввиду увеличения осевого рабочего зазора 15, значительно снижается трение в упорном подшипниковом узле. Гофра 4 и демпфирующая упругая прокладка 3 также позволяют компенсировать температурную деформацию пяты 7. Тангенциальная составляющая электродинамической силы оказывает тормозящее воздействие, но она незначительна. С увеличением линейной скорости на поверхности пяты 7 отталкивающая составляющая электродинамической силы увеличивается, а тормозящая - уменьшается. Для увеличения вихревых токов в пяте 7 и, следовательно, электродинамической силы упорного подшипникового узла применяют омеднение поверхности пяты 7, обращенной к секторным постоянным магнитам 9, 10 и секторным полюсам 11, 12, 13, а также обработку этой поверхности с высокой чистотой.

При двусторонней симметричной конструкции упорного подшипникового узла магнитная и газостатическая составляющие силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению пяты 7 от равновесного положения и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).