РАДИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ

Полезная модель относится к области турбостроения и может быть использована 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, на поверхности полости которого размещена упругая прокладка, а в полости которого размещена втулка, выполненная в виде сегментов из немагнитного материала, размещенная с возможностью вращения в ее полости и цапфа, выполненная из немагнитного материала, при этом корпус снабжен патрубками для ввода сжатого воздуха от его внешнего источника с возможностью его подвода в рабочий зазор между поверхностью полости втулки и поверхностью цапфы, при этом сегменты втулки выполнены 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 (см. RU №131 828, МПК F16C 17/03, опубл. 27.08.2013 Бюл. №24).
При использовании подшипникового узла такой конструкции в мощных турбомашинах необходимо увеличивать окружную скорость цапфы для получения необходимых электродинамических сил отталкивания подшипника, 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 за счет использования магнитных сегментов прямоугольного поперечного сечения, которые обеспечивают концентрацию магнитного потока, и направление основной его части в зону рабочего зазора радиального подшипникового узла для получения значительных электродинамических сил, и обеспечивают возможность более эффективного использования электродинамической силы для поддержания цапфы, т.е. позволяют дополнительно к газостатическим силам обеспечить высокие значения электродинамических сил отталкивания при вращении цапфы без прилипания сегментов постоянных магнитов к цапфе, при уменьшении в них потерь на трение.
Поставленная задача решается тем, что радиальный подшипниковый узел, включающий полый корпус, на поверхности полости которого размещена упругая прокладка, а в полости, которого размещена втулка, выполненная в виде сегментов из немагнитного материала, размещенная с возможностью вращения в ее полости и цапфа, выполненная из немагнитного материала, при этом корпус снабжен патрубками для ввода сжатого воздуха от его внешнего источника с возможностью его подвода в рабочий зазор между поверхностью полости втулки и поверхностью цапфы, при этом сегменты втулки выполнены 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, отличается тем, что на поверхности желоба каждого сегмента втулки, обращенной к цапфе, зафиксированы вплотную друг за другом магнитные сегменты прямоугольного поперечного сечения, намагниченные с возможностью образования схемы Хальбаха, при этом внешняя поверхность, названных магнитов, обращенная к цапфе, выполнена цилиндрической с образованием рабочего зазора с нею, кроме того, в объеме сегментов втулки выполнена система сообщающихся каналов, сообщенная с патрубками для ввода сжатого воздуха, при этом выходные отверстия системы сообщающихся каналов сообщены с рабочим зазором через радиальные питающие отверстия, проходящие через сегменты втулки и магнитные сегменты.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом совокупность существенных признаков отличительной части формулы полезной модели позволяет дополнительно к газостатическим силам обеспечить значительные электродинамические силы отталкивания при вращении цапфы без прилипания сегментов постоянных магнитов к цапфе за счет использования магнитных сегментов прямоугольного поперечного сечения, которые обеспечивают концентрацию магнитного потока, и направление основной его части в зону рабочего зазора радиального подшипникового узла для получения значительных электродинамических сил, и обеспечивают, тем самым, возможность использования электродинамической силы для поддержания цапфы, т.е. позволяют обеспечить высокую несущую способность радиального подшипникового узла в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение.
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, магнитные сегменты 5, 6, 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 длине подшипника расположены, по крайней мере, два магнитных сегмента 6, 7, прямоугольного поперечного сечения, выполненные из постоянных магнитов, между которыми размещен магнитный сегмент 5 прямоугольного поперечного сечения, контактирующий с магнитными сегментами 6, 7. Магнитный сегмент 5 выполнен, например, из материала неодим-желез-бор и по всей осевой длине намагничен в радиальном направлении. Магнитные сегменты 6, 7 выполнены из того же материала и по всей осевой длине намагничены в осевом встречном направлении (вдоль оси подшипника) и в совокупности магнитные сегменты 5, 6, 7 образуют схему Хальбаха. Схема Хальбаха обеспечивает концентрацию магнитного потока, и направление основной его части в зону рабочего зазора радиального подшипникового узла, в результате чего появляются значительные электродинамические силы отталкивания, что способствует увеличению радиального зазора и, в свою очередь, уменьшению потерь на трение в подшипнике. При этом поверхность, образованная магнитными сегментами 5, 6, 7, обращенная к цапфе 3, выполнена цилиндрической с образованием рабочего зазора 8 с поверхностью цапфы 3.
На поверхности полости корпуса 1 размещена цилиндрическая втулка 2, выполненная в виде сегментов, 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 магнитные сегменты 5, 6, 7 прямоугольного поперечного сечения. 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 каналы 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 каналов 11 сегмента втулки 2 должен быть минимальным, но суммарная площадь проходного сечения этих каналов должна превышать суммарную площадь радиальных отверстий 14, проходящих через сегменты втулки 2 и магнитные сегменты 5, 6, 7 прямоугольного поперечного сечения, в три - пять раз, а площадь проходного сечения тангенциального канала 12 сегмента втулки 2 должна быть больше или равна суммарной площади проходного сечения осевых каналов 11 сегмента втулки 2, что позволит уменьшить деформации осевого рабочего зазора 8 от действия высокого давления газа в этих каналах 11 и тангенциальных каналах 12.
На внутренней поверхности сегментов втулки 2 устанавливают на клей равномерно по длине предварительно намагниченные магнитные сегменты 5, 6, 7 прямоугольного поперечного сечения. Далее в магнитных сегментах 5, 6, 7 прямоугольного поперечного сечения 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 хонингуют внутреннюю поверхность магнитных сегментов до получения необходимого монтажного радиального зазора в подшипнике. 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 магнитных сегментах 5, 6, 7 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 сегментов 5, 6, 7 в цапфе 3, с этим полем. Радиальные составляющие электродинамических сил действует отталкивающим образом между цапфой 3 и магнитными сегментами 5, 6, 7. 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).