Радиальный подшипник скольжения с управляемыми вкладышами на гидростатическом подвесе

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к радиальным сегментным подшипникам скольжения и может быть использована в конструкциях газовых и паровых турбин, компрессоров, насосов и других роторных машин.
Известен опорный подшипниковый узел, содержащий корпус с каналами подвода смазки и сливными полостями, а также вал, охваченный самоустанавливающимися сегментами, отделенными от внутренней поверхности корпуса опорного узла самогенерирующимся гидростатическим слоем смазки [U.S. Patent 4059318, МПК F16C 17/06, 1977]. Для маслоснабжения гидродинамического слоя на рабочих поверхностях сегментов возле входной и выходной кромок каждого вкладыша выполнены распределительные канавки, соединенные через сквозные каналы в сегменте и кольцевой коллектор в корпусе подшипника с системой смазки опорного узла. В центральной части рабочей поверхности каждого сегмента выполнены сквозные отверстия для отбора небольшой части расхода гидродинамического слоя с целью создания гидростатического давления в смазочном кармане, выполненном на внешней стороне каждого вкладыша. Свободный слив смазочного материала из гидродинамического и гидростатического слоев подшипника осуществляется через торцы вкладышей. Под действием гидростатического давления на его внешней поверхности каждый вкладыш поднимается и самоустанавливается в поперечном направлении до тех пор, пока для заданного режима работы не наступит равновесие сил и моментов между гидростатическим и гидродинамическим слоями смазки. Гидростатические карманы на внешней стороне вкладышей выполнены так, чтобы образующие их внутренних полостей находились в диапазоне углов наклона(ϕ=0…12°) от нормали к осевой линии питающих отверстий со смещением по направлению вращения вала. Неравномерность распределения гидростатических давлений на наружной поверхности способствует повороту сегментов относительно центра их симметрии и самоустановку в положении, обеспечивающем формирование гидродинамического слоя в клиновидном зазоре на рабочей поверхности вкладышей, характеризующегося повышенной несущей способностью и жесткостью смазочных пленок. Кроме создания положительных давлений в гидродинамической пленке на поверхности всех вкладышей, необходимых для обеспечения виброустойчивости подшипника, такое нагружение ограничивает интенсивность качательных движений самих вкладышей и предотвращает разрыв сплошности масляной пленки, ведущий к кавитационному повреждению рабочих поверхностей.
Недостатками такой конструкции системы предварительного нагружения гидродинамического слоя являются ограничения по отбору незначительной части расхода (порядка 10%) гидродинамической смазки для питания гидростатического слоя и высокая инерционность течения смазочного материала вследствие повышенных гидравлических сопротивлений щелевых каналов на наружной поверхности вкладышей. Как следствие, при уменьшении толщины масляной пленки на контурах гидростатических карманов до величины менее 15 мкм утрачивается способность вкладышей свободно самоустанавливаться в окружном направлении на каждом цикле динамического нагружения подшипника, что ограничивает применение такой конструкции для тяжелонагруженных опорных узлов турбомашин.
Задачей изобретения является повышение несущей способности и виброустойчивости тяжелонагруженных опорных узлов роторных машин и пропульсивных турбин путем регулирования положения подвижных вкладышей на гидростатическом подвесе в зазоре радиальногосегментного подшипника пьезоэлектрической управляющей системой.
В качестве прототипа данного технического решения выбрана конструкция пьезоактуаторов, управляющих жесткостью упругодемпфирующего элемента "лепесток-гофра" лепесткового газодинамического подшипника [Патент РФ 2568005 С1, МПК F16C 17/12, 2014].
Управление положением подвижных вкладышей радиального сегментного подшипника, содержащего корпус с маслоподводящими каналами и сливными полостями, вал, охваченный самоустанавливающимися сегментами, отделенными от внутренней поверхности корпуса самогенерирующимся гидростатическим слоем смазки, формируемым за счет отбора части расхода гидродинамического слоя через радиальное отверстие, выполненное в центральной части рабочей поверхности каждой из колодок, осуществляется посредством пьезоактуаторов, установленных на упорах выходных кромок сегментов и позволяющих изменять угол поворота каждого сегмента в поперечном направлении. Повышение несущей способности и виброустойчивости подшипника достигается за счет снижения торцевого расхода смазки и увеличения жесткости гидродинамического слоя регулируемой клиновидности при одновременном улучшении демпфирующих свойств гидростатического слоя вследствие повышения расхода смазочного материала через торцевые участки на контурах гидростатических карманов на внешней стороне вкладышей.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен радиальный сегментный подшипник, поперечный и продольный разрез (ω - угловая скорость; ϕ - угол наклона осевой линии питающих отверстий гидростатических карманов вкладышей к нормали);
На фиг. 2 - сегмент в разрезе. Радиальный сегментный подшипник содержит корпус 1 с каналами 2 подвода смазки и сливной полостью 3, вал 4, охваченный сегментами 5 (фиг.1). Корпус 1 подшипника выполнен с горизонтальным разъемом. Разъемные части корпуса оборудованы центрирующими накладками и скреплены шпильками.
Каждый сегмент 5 имеет радиальное отверстие 7, выполненное в центральной части ее рабочей поверхности, и распределительную канавку 6 на входной кромке. Опорный подшипниковый узел оснащен фиксирующими винтами 9 [см. патент Республики Беларусь 3489, МПК F16C 32/00, 2007]и упорами 10 с пьезоактуаторами, конструкция которых обеспечивает всплытие сегментов на гидростатическом слое.
Подшипник функционирует следующим образом. При вращении вала 4 смазочный материал из системы маслоснабжения подшипникового узла по каналам 2 подвода смазки поступает к рабочим поверхностям самоустанавливающихся вкладышей 5 через распределительную канавку 6 во входной кромке (фиг. 2). Подача смазки из распределительной канавки 6 по углублению против направления вращения вала 4 позволяет увеличить зону, охватываемую холодной смазкой, и способствует вытеснению нагретого масла, переносимого вращающимся валом.
При работе опорного подшипникового узла каждый сегмент 5 опирается на самогенерирующуюся гидростатическую пленку смазки. Эта пленка создается в результате отбора части расхода гидродинамического слоя на рабочей поверхности самоустанавливающегося вкладыша 5 с целью создания гидростатического давления в кармане 8. Широкие торцевые участки на контурах гидростатических карманов стимулируют увеличение грузоподъемности подпитываемого через дроссель 7 гидростатического слоя вследствие инерционности течения вязкого смазочного материала в щелевом зазоре под нагруженными вкладышами. Каждый сегмент поднимается и самоустанавливается в поперечном и продольном направлениях до тех пор, пока для заданного режима работы не наступит равновесие сил и моментов между гидростатическим и гидродинамическим слоями смазки.
Вкладыши в подшипниках с гидростатическим подвесом сегментов тоньше, чем у традиционных радиальных подшипников с самоустанавливающимися сегментами и механическими опорами. Получаемое в результате уменьшение инерции вкладыша сводит к минимуму его вибрацию, а изолирующее и демпфирующее влияние гидростатической пленки способствует процессу затухания вибраций и звуковых колебаний.
Для оптимизации теплового режима работы подшипника в каждом из сегментов выполнены каналы 11, подающие смазочный материал из системы маслоснабжения к выходным кромкам вкладышей и обеспечивающие эффективный теплоотвод от их внутренних и внешних рабочих поверхностей.
В упоры 10, закрепленные резьбовым соединением в корпусе подшипника, вкручены пьезоактуаторы (фиг. 1, I), состоящие из гайки 16 с отверстиями для проводов, в которую вставлены пьезоэлементы 15 и штифты 14. Во вкладышах выполнены поперечные пазы 12, в которые вставлены подвижные элементы 13 пьезоактуаторов.
Пьезоэлектрическая управляющая система работает следующим образом. При наличии электрического напряжения на проводах пьезоктуаторов - пьезоэлементы 15 увеличиваются в размерах, подвижные элементы 13 воздействуют на опорную поверхность пазов 12, обеспечивая поворот сегмента в поперечном направлении и устанавливая требуемую клиновидность гидродинамического зазора над каждым вкладышем.
При отсутствии тока в цепи пьезоэлементы имеют минимальные размеры и не участвуют в работе подшипника, который функционирует как радиальный сегментный подшипник с самоустанавливающимися вкладышами на жидкостных опорах, а сам узел 10 выполняет только функции упора сегмента.
Предусматривается работа пьезоэлектрической управляющей системы в импульсном режиме, при котором для восстановления способности сегментов свободно самоустанавливаться в окружном направлении на каждом цикле динамического нагружения подшипника, утрачиваемой в результате уменьшения толщины смазочного слоя на контурах гидростатических карманов на внешней стороне вкладышей до критической величины (порядка 12…15 мкм), производится однократная импульсная подача напряжения на пьезоактуаторы. Требуемые грузоподъемность и демпфирующие свойства подшипникового узла после снятия электропитания с пьезоактуаторов обеспечиваются за счет интенсификации маслоснабжения гидростатического слоя вследствие повышения давления в предварительно нагруженном гидродинамическом слое и снижения гидравлических сопротивлений щелевых каналов предустановленной клиновидности на внешней стороне вкладышей.