ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ
BEARING ASSEMBLY

Изобретение относится к энергетическим машинам, выполненным в несмазываемом исполнении, содержащим полости низкого и высокого давления (компрессорные машины, авиационные двигатели, насосы и т.п.).
Известен магнитный подвес ротора устройства, содержащий размещенные в цилиндрическом корпусе радиальную и аксиальную электромагнитные опоры, блоки аксиальных и радиальных датчиков положения ротора, закрепленный на корпусе съемный фланец для фиксации осевого положения страховочного подшипника, смонтированного внутри фланца (патент РФ, 2037685, кл. F16С 32/04, 1995).
Недостатками данного изобретения являются энергозависимость, сложность конструкции подшипника и системы управления электромагнитных сил, наличие дублирующих немагнитных подшипников, что в целом снижает надежность машины, резко увеличивает массогабаритные характеристики машины и обслуживающих ее систем.
Также известен шпиндельный узел, который содержит корпус, выполненный в виде трубы с торцевыми стенками, одна из которых, крышка, располагается в непосредственной близости к режущему инструменту, а вторая, фланец, располагается в непосредственной близости у турбинного колеса привода. Шпиндель установлен с возможностью вращения в подшипниках, радиальных и упорных, расположенных на противоположных концах шпинделя. В радиальном газостатическом подшипнике, который расположен со стороны инструмента, установлен магнитопровод, который совместно с подшипником образует газомагнитный подшипник (патент РФ, 2449185, кл. F16С 32/04, 2012).
Недостатком данного изобретения является невозможность компенсации сил со стороны ротора при изменении их направления воздействия на подшипник, что снижает ресурс данного узла и надежность энергетической машины. Также к недостаткам можно отнести сложность конструкции подшипника, в связи с наличием газовой смазки подшипника.
Известно также устройство разгрузки опор вращающегося вала, содержащее опоры вращения, предназначенные для установки в них вала, средство контроля положения вала, выполненное, по крайней мере, в виде трех равномерно расположенных по окружности датчиков, средство перемещения, включающее по крайней мере, три равномерно расположенные по окружности механизма нагружения, причем датчики и механизмы нагружения установлены со смещением от опоры вдоль ее оси, а исполнительные звенья механизмов нагружения размещены в плоскости, перпендикулярной оси опор (авторское свидетельство СССР, 1650972, кл. F16С 39/06, 1963).
Недостатком данного изобретения является механический контакт элементов устройства разгрузки с ротором, что увеличивает потери мощности на механическое трение в энергетической машине, а также увеличивает изнашивание средства компенсации сил со стороны ротора, что снижает долговечность данного устройства и энергетической машины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является подшипниковый узел (патент РФ, 2347960, кл. F16С 32/04, 2009), содержащий вал, установленный в газостатическом подшипнике, камеру, находящуюся в корпусе подшипника, отверстия, выполненные во вкладышах подшипника. Узел также дополнительно содержит соленоид, установленный на валу, и магнит, по крайней мере более одного, установленный между отверстиями вкладыша подшипника.
Указанное устройство позволяет обеспечить меньшее изменение толщины газового слоя. Недостатками прототипа являются: необходимость наличия системы газовой смазки подшипника; отсутствие компенсации нагрузок со стороны роторов, которые изменяют свое значение и направление при различной ориентации машины в пространстве, в том числе переменной во времени. Таким образом, указанные факторы приводят к усложнению конструкции узла, снижению его ресурса, и, как следствие, надежности энергетической машины.
Техническим результатом данного изобретения является увеличение надежности и ресурса энергетической машины путем разгрузки радиальных подшипников при переменных во времени нагружающих усилиях, как по модулю, так и по направлению в случае изменения режима работы энергетической машины или ее ориентации в пространстве.
Указанный технический результат достигается тем, что подшипниковый узел дополнительно содержит упругий элемент, регулирующий дроссельный элемент, каналы, полости низкого и высокого давления, а подшипник выполнен несмазываемым из полимерного материала, при этом постоянный магнит расположен в камере таким образом, что делит ее на два изолированных, симметрично расположенных относительно постоянного магнита объема, один из которых с одной стороны объединен с полостью высокого давления каналом, содержащим регулирующий дроссельный элемент, а с другой стороны объединен каналом с отверстием, выполненным во вкладыше подшипника, расположенного симметрично камере относительно несущей поверхности вала и объединенного каналами с полостью низкого давления, другой изолированный объем со стороны несущей поверхности вала объединен каналами с полостью низкого давления и содержит упругий элемент, причем камера, упругий элемент, магнит, отверстие, выполненное в подшипнике, расположенном диаметрально камере, регулирующий дроссельный элемент и каналы образуют узел разгрузки, при этом количество узлов разгрузки по крайней мере более одного.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез подшипникового узла; на фиг. 2, 3 изображены схемы действия сил.
Подшипниковый узел включает в себя вал 1, установленный в подшипнике 2, камеру 3, находящуюся в корпусе подшипника, отверстия, выполненные во вкладышах подшипника 4, и магнит 5, установленный между вкладышами подшипника, упругий элемент 6, регулирующий дроссельный элемент 7, каналы 8, 9, полости низкого и высокого давления рабочего тела (газа) (на схеме показаны условно). При этом подшипник 4 выполнен несмазываемым из полимерного материала, а магнит 5 не требует внешнего источника питания. Узел разгрузки состоит из магнита 5, расположенного в камере 3 таким образом, что делит ее на два изолированных, симметрично расположенных относительно магнита объема 10 и 11, один из которых 10 с одной стороны объединен с полостью высокого давления каналом 9, содержащим регулирующий дроссельный элемент 7, который поддерживает необходимое давление в камере, а с другой стороны объединен каналом 8 с отверстием, выполненным во вкладыше подшипника 4, расположенного симметрично камере 3, относительно несущей поверхности вала и объединенного каналами 12 с полостью низкого давления, другой изолированный объем 11 со стороны несущей поверхности вала объединен каналами 13 с полостью низкого давления и содержит упругий элемент 6.
маг
напр
рез
нагр
магI
магII
магIII
магI
магII
нагр
магΣ
нагр
Подшипниковый узел в энергетической машине работает следующим образом. При работе энергетической машины радиальные подшипники воспринимают радиальные силы, обусловленные газовой силой и силой тяжести. При этом в случае изменения либо режима работы, либо пространственной ориентации машины, радиальные силы меняют свое значение как по величине, так и по направлению. Изменение величины и направления нагрузки вызовет изменение величины рабочего зазора между поверхностью ротора и поверхностью вкладыша. При перекрытии валом 1 (Фиг. 2) отверстия 14 во вкладыше 4 в камере 3, расположенной симметрично несущей поверхности вала и соединенной каналом 9 с полостью высокого давления, возрастает давление, что приводит к деформации упругого элемента 6 и уменьшению расстояния между магнитом 5 и несущей поверхностью вала 1. Это приводит к увеличению силы F, с которой магнит 5 притягивает вал 1 в направлении, противоположном действующим нагрузкам со стороны вала на вкладыш F, при этом величина результирующей силы F существенно меньше величины нагружающего усилия F. При изменении ориентации энергетической машины в пространстве суммарная нагружающая сила со стороны вала изменит свое направление. Например, вал 1 находится между двумя вкладышами 4-I и 4-II (Фиг. 3). Вал частично перекрывает отверстия 12-I и 12-II во вкладышах 4-I и 4-II, при этом отверстие 12-III полностью открыто, тогда в камерах 10-I и 10-II возрастает давление и упругие элементы 6-I и 6-II деформируются, тем самым магниты 5-I и 5-II приближаются к валу и возрастают силы F и F, а магнит 5-III находится в крайнем положении при полностью разжатом упругом элементе 6-III, в результате чего F практически не оказывает влияние на ротор 1. Результирующая от действия сил F и F направлена в противоположную сторону от нагружающего усилия F, действующего со стороны ротора на подшипник, при этом F частично либо полностью компенсирует F.
При разгрузке радиальных подшипников за счет сил, создаваемых постоянными магнитами, расположенными в подшипниковом узле, увеличиваются надежность и ресурс радиальных подшипников при переменных во времени нагружающих усилиях как по модулю, так и по направлению, в том числе при изменении режима работы энергетической машины или изменении ее ориентации в пространстве.