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 А1, 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, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов и цапфу, размещенную с возможностью вращения в полости втулки, при этом корпус снабжен патрубками для ввода сжатого воздуха с возможностью его подвода в рабочий зазор между поверхностью полости втулки и поверхностью цапфы (см. RU №2330197, МПК F16C 17/04, 2008 г.).
Использование подшипникового узла в мощных турбомашинах требует увеличения диаметра цапф радиального подшипникового узла для получения необходимой несущей способности, это приводит к деформациям цапф при ее нагревании и вытягиванию ее под действием центробежных сил, что в свою очередь, может привести к ее заклиниванию ввиду малости радиального зазора в газостатическом подшипниковом узле.
Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение высокой несущей способности радиального подшипникового узла в рабочем режиме при автоматическом регулировании радиального зазора.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального подшипникового узла в рабочем режиме, в автоматическом регулировании зазора в нем, в надежном запуске турбомашины, а также в повышении устойчивости ротора к «полускоростному вихрю» и в снижении деформации зазора в газостатическом подшипнике при высоких давлениях наддува.
Поставленная задача решается тем, что радиальный подшипниковый узел, включающий полый корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу, размещенную с возможностью вращения в полости втулки, при этом корпус снабжен патрубками для ввода сжатого воздуха с возможностью его подвода в рабочий зазор между поверхностью полости втулки и поверхностью цапфы, отличается тем, что использован внешний источник сжатого воздуха, 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, кроме того, на поверхности желоба каждого сегмента втулки, обращенной к цапфе, зафиксированы вкладыши газостатического подшипника, выполненные в виде сегментов втулок из антифрикционного материала, при этом внешняя поверхность вкладышей, обращенная к цапфе, выполнена цилиндрической с образованием рабочего зазора с поверхностью цапфы, кроме того, на поверхности полости корпуса размещена упругая прокладка, кроме того, в объеме сегментов втулки выполнена система сообщающихся каналов, сообщенная с патрубками для ввода сжатого воздуха, выполненными с возможностью подачи сжатого воздуха от внешнего источника, при этом выходные отверстия системы сообщающихся каналов сообщены с рабочим зазором через радиальные питающие отверстия, проходящие через сегменты втулки и вкладыши газостатического подшипника. При этом упругая прокладка выполнена в виде сегментов цилиндрической втулки содержащей пластину с продольными гофрами, заполненными привулканизированным слоем резины или полиуретана. Кроме того вкладыши скреплены клеем с сегментами втулки.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом совокупность существенных признаков отличительной части формулы полезной модели позволяет обеспечить высокую несущую способность радиального подшипникового узла в рабочем режиме, автоматическое регулирование зазора в нем, надежный запуск турбомашины, а также повышение устойчивости ротора к «полускоростному вихрю» и снижение деформации зазора в газостатическом подшипнике при высоких давлениях наддува.
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, вкладыши 5, рабочий зазор 6, пластина 7, продольные гофры 8, осевые 9 и тангенциальные 10 каналы, патрубки 11, радиальные отверстия 12, заглушка 13, крышка 14, штуцеры 15 и уплотнительные кольца 16, 17.
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 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 желоба каждого сегмента втулки 2, обращенной к цапфе 3, равномерно по окружности расположены вкладыши 5 газостатического подшипника, выполненные в виде втулок из антифрикционного материала (например, из улеситала), при этом поверхность, образованная вкладышами 5, обращенная к цапфе 3, выполнена цилиндрической с образованием рабочего зазора 6 с поверхностью цапфы 3. На поверхности полости корпуса 1 размещена упругая прокладка, выполненная в виде сегментов цилиндрической втулки 2, содержащих пластину 7 с продольными гофрами 8, выполненными из стали с заданными упругими свойствами, например, сплава 36НХТЮ8М, заполненными привулканизированным слоем резины или полиуретана.
В объеме сегментов втулки 2 выполнена система сообщающихся осевых 9 и тангенциальных 10 каналов, сообщенная с патрубками 11 для подвода сжатого воздуха, выполненными с возможностью подачи сжатого воздуха от внешнего источника (на чертеже не показан). Выходные отверстия системы сообщающихся каналов 9 и 10 сообщены с рабочим зазором 6 через радиальные питающие отверстия 12, проходящие через сегменты втулки 2 и вкладыши 5. Осевые каналы 9 снабжены заглушкой 13, а тангенциальные каналы 10 - крышкой 14. В патрубке 11 установлен штуцер 15 с уплотнительными кольцами 16, 17.
Диаметр осевых отверстий 9 сегмента втулки 2 должен быть как можно меньше, но суммарная площадь их проходного сечения должна превышать суммарную площадь радиальных отверстий 12, проходящих через сегменты втулки 2 и вкладыши 5, в три - пять раз, а площадь проходного сечения тангенциального канала 10 сегмента втулки 2 должна быть больше или равна суммарной площади проходного сечения осевых отверстий 9 сегмента втулки 2. Это позволит уменьшить деформации радиального рабочего зазора 12 от действия высокого давления газа в отверстиях 9 и тангенциальных каналах 10.
Изготавливают и собирают радиальный подшипниковый узел следующим образом. В сегментах втулки 2 сверлят глухие осевые каналы 9 и закрывают их заглушками 13 со стороны сверления. Фрезеруют тангенциальные каналы 10, сообщающиеся с осевыми каналами 9, и закрывают их крышками 14, скрепленными сваркой с сегментами втулки 2.
На внутренней поверхности сегментов втулки 2 устанавливают вкладыши 5 на клей. Далее во вкладышах 5 и в сегментах втулки 2 сверлят радиальные отверстия 12 до выхода в осевые каналы 9.
К корпусу 1 приклеивают пластину 7 упругих прокладок, необходимой жесткости, которую предварительно штампуют для образования продольных гофров 8 и затем термически обрабатывают, а к гофрам 8, в свою очередь, привулканизируют с двух сторон резину или полиуретан. На упругие прокладки 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 15, имеющие канавки для установки уплотнительных колец 16, 17. Сегменты втулок 2 фиксируют технологическими клиньями и притиром притирают внутреннюю поверхность сегментов 2 до получения необходимого монтажного радиального зазора в подшипнике. Демонтируют технологические клинья.
Радиальный подшипниковый узел работает следующим образом. Перед началом вращения цапфы 3 через отверстия патрубков 11 и штуцеры 15 в сегменты втулки 2 подают под высоким давлением смазывающий газ от внешнего компрессора. Этот газ поступает в тангенциальный канал 10 и затем распределяется по осевым каналам 9 сегментов втулки 2 и далее через радиальные питающие отверстия 12 в сегментах втулки 2 и вкладышах 5 поступает в рабочий зазор 6. В результате этого цапфа 3 всплывает на газовом смазочном слое. При нагреве цапфы 3, радиальный рабочий зазор 6 уменьшается, что приводит к увеличению давления в смазочном слое. Повышенное давление приводит к деформации упругой прокладки до достижения баланса сил между силой упругости газового слоя и силой упругости подложки. Пластина 7 упругой прокладки и гофры 8 позволяют компенсировать как температурную деформацию цапфы 3, так и ее вытягивание от действия центробежных сил при вращении. Газостатическая часть предлагаемого радиального подшипникового узла автоматически реализует отрицательную обратную связь по отклонению цапфы 3 относительно точки подвижного равновесия цапфы в подшипниковом узле.