ПОДШИПНИК ГАЗОСТАТИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к деталям машин, а именно к конструкциям управляемых газостатических подшипников, работающих в комплекте с быстровращающимися валами, подвергающимися в процессе работы изгибным деформациям из-за относительно невысокой изгибной жесткости вследствие большого удлинения и ограничений по массе, и может быть использована в турбомашинах авиационного, энергетического и аэрокосмического машиностроения.
Известен газостатический подшипник со струйным регулятором положения вала, содержащий корпус, охватывающий вал с образованием циркуляционного зазора. Циркуляционный зазор за счет проточек, выполненных в корпусе, разделен на несколько зон, каждая из которых подключена к выполненному в корпусе каналу подвода рабочей среды - воздуха и имеет автономный для каждой зоны пневматический датчик положения вала и автономный струйный регулятор, который устанавливается на корпусе в непосредственной близости от соответствующей зоны. Датчик положения вала содержит сопло и заслонку, функцию которой выполняет вал. Датчик положения вала контролирует зазор между соплом и валом. Через зазор сопло соединяется с окружающей средой. Струйный регулятор содержит струйный блок и мембранный клапан. Канал питания струйного блока подключен к источнику питания сжатым воздухом, два его канала управления, подключенные через дроссели настройки к источнику питания, соединены с каналами управления струйного регулятора. Канал управления струйного регулятора подключен к датчику положения вала. Струйный блок имеет также вентиляционные и выходные каналы. Мембранный клапан содержит мембрану, с одной стороны которой имеется глухая камера, соединенная с выходным каналом струйного блока, а с другой стороны мембраны - камера с соплом, выходной канал которого подключен к выходу струйного регулятора. Выход подсоединен к каналу подвода воздуха в соответствующую зону циркуляционного зазора. Другой канал управления струйного регулятора подключен к задающему устройству, содержащему сопло и заслонку, между которыми имеется зазор, через который сопло соединяется с окружающей средой. Выходной канал и вентиляционные каналы струйного блока каналом соединены с выходным каналом сопла мембранного клапана. Камера мембранного клапана подключена к источнику питания сжатым воздухом. В мембранном клапане мембрана имеет заделку, позволяющую вмонтировать мембрану в корпус мембранного клапана, и заслонку, жестко прикрепленную к центру мембраны, благодаря чему заслонка получает возможность самоустанавливаться относительно сопла для герметичного его закрытия, компенсируя, таким образом, погрешности изготовления.
(см. патент РФ №2453741, кл. F16C 32/06, 2012 г.).
Особенностью известного газостатического подшипника является то, что при его работе отсутствует возможность саморегулирования циркуляционного зазора между корпусом подшипника и валом, так как каждая, из пяти условных опорных зон, имеет фиксированное положение относительно корпуса устройства, что существенно усложняет управление циркуляционным зазором, особенно при изгибных деформациях вала, что приводит к необходимости конструктивно усложнять струйные блоки, а это приводит к снижению качества регулирования зазора и снижению надежности работы подшипника.
Известен газостатический подшипник с регулятором положения вала, содержащий корпус с размещенным в нем валом, диаметрально противолежащими парными индикаторными соплами и соответствующими им диаметрально противолежащими парными опорными дросселями. Первая пара индикаторных сопел, разделенных валом, расположена по одной оси диаметрально противоположно перпендикулярно поверхности вала. Вторая пара индикаторных сопел также диаметрально противоположна, расположена по оси, перпендикулярной оси первой пары и также перпендикулярной поверхности вала подшипника. Опорные дроссели располагаются парно, по меньшей мере, в количестве двух пар, в соответствии с каждой парой индикаторных сопел, то есть, оси каждой пары опорных дросселей направлены параллельно осям соответствующей пары индикаторных сопел. Оси опорных дросселей также перпендикулярны окружной поверхности вала подшипника и пересекают горизонтальную ось вала в центре ее окружности.
Система регулирования положением вала в опорах подшипника включает в себя два струйных блока управления с каналами управления первичных струйных элементов. Каждый выход каждого струйного блока управления снабжен соответственно мембранным узлом, каждый из которых имеет глухую мембранную камеру соответственно, подсоединенную к соответствующему выходу соответствующего струйного блока управления, причем с другой стороны мембраны каждый мембранный узел имеет камеру, сообщенную с атмосферой, и имеющую сопло, связанное с соответствующим трубопроводом, подающим воздух к соответствующим опорным дросселям. Каждое сопло камер, связанных с атмосферой, нормально закрыто. Один вход канала управления первого струйного блока управления сообщен соответственно с первым индикаторным соплом пары индикаторных сопел. Второй вход канала управления первого струйного блока управления сообщен соответственно со вторым индикаторным соплом пары индикаторных сопел.
Соответствующий входу выход первого струйного блока управления связан с глухой камерой мембранно-тарельчатого узла. Второй выход первого струйного блока управления, соответствующий входу канала управления, связан с глухой камерой мембранно-тарельчатого узла. При этом, если сила давления воздуха в выходных каналах блоков управления больше силы давления от опорных дросселей, соответственно мембраны перекрывают сопла, не допуская утечки воздуха и снижения давления в циркуляционном зазоре подшипника.
(см. патент РФ №2347961. кл. F16C 32/06, 2009 г.).
В результате анализа известной конструкции подшипника необходимо отметить, что она не обеспечивает парирования изгибных деформаций валов, возникающих вследствие различных нагрузок в процессе эксплуатации из-за дисбаланса вращающихся масс, неравномерности нагрева вала, эксплуатационных перегрузок, гироскопического момента. В результате изгибных деформаций вала его шейка может принимать несоосное положение относительно опорной поверхности газостатического подшипника. В этом случае поверхность вала в зоне газостатической опоры совершает прецессионное движение, сопровождающееся циклическим изменением зазора в опоре со скоростью вращения вала. Чем больше несоосность, тем больше возможная величина диапазона изменения зазора в течение одного оборота вала. Попытка регулятора положения вала компенсировать значительное циклическое изменение зазора может привести к возникновению автоколебаний вала и потере устойчивости вращения вала с возникновением его контакта с опорами.
Известен подшипник, содержащий корпус, в котором размещены самоустанавливающиеся сегментные вкладыши - колодки, охватывающие вал и установленные с радиальным зазором относительно него для образования циркуляционного зазора, причем вкладыши установлены на упругих элементах, соединенных с корпусом, а упругие элементы выполнены из высокодемпфирующей стали.
В процессе работы подшипника при вращении вала, сегментный вкладыш под действием переменных нагрузок имеет возможность перемещения, а упругий элемент обеспечивает самоустановку вкладыша относительно вала. Выполнение упругих элементов из высокодемпфирующей стали исключает трение в подшипнике и обеспечивает рассеивание энергии колебаний сегментных вкладышей.
(см. патент РФ на полезную модель №61820, кл. F16C 17/03, 2007 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известного подшипника необходимо отметить, что он не позволяет обеспечить постоянный гарантированный зазор между валом и вкладышем в процессе вращения вала, так как самоустанавливающиеся вкладыши имеют весьма узкий диапазон регулирования, а система управления подачей рабочей среды в зазор в конструкции подшипника не предусмотрена.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении качества работы подшипника за счет гарантированного обеспечения соосности вала и образующей опорной поверхности колодок подшипника, и создания оптимальных условий для работы струйной системы управления положением вала относительно образующей опорной поверхности колодок подшипника.
Указанный технический результат достигается тем, что в подшипнике газостатическом, содержащем установленные на корпусе колодки, охватывающие вал и образующие с его поверхностью циркуляционный зазор, новым является то, что в каждой колодке выполнены питающие каналы для поступления рабочей среды в циркуляционный зазор, каждая колодка установлена в корпусе с возможностью поворота относительно оси, параллельной оси вала и оснащена струйным блоком управления, питающий канал которого соединен с питающими каналами колодки посредством гибких полых элементов.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 - схема подшипника газостатического;
- на фиг.2 - схема струйного блока управления.
Подшипник газостатический (фиг.1) содержит охватывающие вал 1 колодки 2 (например, три колодки). Каждая колодка установлена посредством оси 3 в корпусе 4 с возможностью поворота относительно оси, которая параллельна оси вала 1. Опорные поверхности колодок и наружная поверхность вала образуют циркуляционный зазор. В колодках выполнены питающие каналы 6 и 7 для подвода в циркуляционный зазор рабочей среды. Каждый из каналов 6 и 7 соединен с соответствующим каналом струйного блока управления (СБУ) 5 (на фиг.1 СБУ 1, СБУ 2, СБУ 3), которым оснащена каждая колодка. Соединение каналов 6 и 7 с каналами СБУ осуществляется посредством гибких полых элементов (шлангов, сильфонов и пр.) 8. Использование гибких полых элементов вместо жесткого соединения колодок с СБУ обеспечивает возможность поворота колодок относительно осей 3 при самоустановке колодки относительно вала. Каждый СБУ подачей рабочей среды (фиг.2) выполнен двухступенчатым. Первая ступень 9 представляет собой элемент типа «сопло-заслонка». Исполнительным органом элемента «сопло-заслонка» является металлическая мембрана 10, установленная у сопла 11. Вторая ступень 12 содержит логический пневмоструйный элемент 13, который каналами соединен с контуром обратной связи 14, с питающим контуром 15, сливным контуром 16, с управляющим соплом 17 и мембранным каналом 18. При контакте мембраны 10 с соплом 11 перекрывается подача рабочей среды в питающий канал 19 и, соответственно, каналы 6 и 7 колодок. Естественно, что представленным выше описанием струйного блока не ограничивается его конкретное конструктивное выполнение. Струйный блок может быть выполнен и иным известным для специалистов образом.
Подшипник газостатический работает следующим образом.
Для работы подшипника при вращающемся вале 1 в питающий контур СБУ 5 (фиг.2) подается (например, от газораспределительной станции - не показана) рабочая среда - сжатый воздух. По питающему контуру 15 воздух подводится к соплу 11 под мембрану, создавая давление с нижней стороны мембраны 10, и к логическому пневмоструйному элементу 13, который управляет давлением с верхней стороны мембраны. На номинальном режиме работы газостатического подшипника давление с обеих сторон мембраны 10 одинаково и величина зазора между соплом 11 и мембраной 10 имеет определенную и заранее заданную величину, которая обеспечивает заданный и постоянный расход рабочей среды (воздуха) через сопло 11 и, соответственно, через канал 19. Пройдя через сопло 11 воздух поступает в питающий канал 19 и через гибкие элементы 8 - в каналы колодки 6 и 7, а через них - в циркуляционный зазор. Логический пневмоструйный элемент 13 использует в качестве обратной связи давление в канале подачи 19. Давление в питающем контуре 15 постоянно в любой момент работы СБУ. В результате того, что каждая колодка имеет возможность поворота относительно оси 3, она разворачивается вокруг оси и рабочая поверхность колодки располагается под углом атаки к набегающему потоку рабочей среды. Это создает аэродинамическую силу, которая тем больше, чем выше скорость вращения вала 1. При перемещениях вала происходит изменение нагрузки на колодки 2, в результате чего они поворачиваются на некоторый угол, что, в свою очередь, приводит к изменению давления в соответствующих областях циркуляционного зазора. Таким образом, в предложенной конструкции газостатического подшипника с самоустанавливающимися вкладышами имеется определенный диапазон саморегулирования, что снижает требования к системе управления и позволяет обеспечить надежную работу в случае изгибных деформаций вала под действием переменных несимметричных эксплуатационных нагрузок различного характера.
При увеличении циркуляционного зазора между валом 1 и опорной поверхностью колодки 2 происходит поворот колодки 2 вокруг шарнира 3 и давление в зазоре и, как следствие, в канале подачи 19 уменьшается. Так как контур обратной связи 14 связан с каналом подачи 19, то давление в нем так же уменьшается. В связи с этим, основной поток, протекающий в логическом пневмоструйном элементе 13, в меньшей степени отклоняется в сторону сливного контура 16 за счет того, что управляющий поток, протекающий через управляющее сопло 17, передает меньший импульс основному потоку в направлении сливного контура 16. Из-за меньшего отклонения основного потока расход через канал 18 увеличивается, что приводит к увеличению давления сверху мембраны 10 и смещению ее в сторону сопла 11, тем самым уменьшается зазор между соплом 11 и мембраной 10 и, как следствие, уменьшается расход воздуха в каналы 6 и 7 колодки, что приводит к восстановлению заданного значения циркуляционного зазора.
При уменьшении циркуляционного зазора между валом 1 и опорной поверхностью колодки 2 происходит поворот колодки 2 вокруг шарнира 3 и давление в зазоре и, как следствие, в канале подачи 19 растет. Так как контур обратной связи 14 связан с каналом подачи 19, то давление в нем так же возрастает. В связи с этим, поток, протекающий в логическом пневмоструйном элементе 13, в большей степени отклоняется в сторону сливного контура 16 за счет того, что управляющий поток, протекающий через управляющее сопло 17, передает больший импульс основному потоку в направлении сливного контура 16. Из-за большего отклонения основного потока расход через канал 18 уменьшается, что приводит к уменьшению давления сверху мембраны 10 и смещению ее в направлении от сопла 11, тем самым увеличивается зазор между соплом 11 и мембраной 10 и, как следствие, увеличивается расход воздуха в каналы 6 и 7 колодки, что приводит к восстановлению заданного значения циркуляционного зазора.
Предложенная конструкция подшипника обеспечивает качественную его работу во всем диапазоне режимов и нагрузок за счет автоматического обеспечения соосности вала и опорных поверхностей колодок подшипника или эффективного ее (соосности) регулирования, используя струйные блоки управления.