РАЗЪЕМНЫЙ ВКЛАДЫШ ОПОРНОГО ПОДШИПНИКА

Заявляемая полезная модель относится к машиностроению, и может быть использована в опорных подшипниках скольжения роторов паровых турбин.
Производство паровых турбин является одной из ведущих подотраслей энергетического машиностроения. Паровые турбины устанавливаются на ТЭЦ, ГРЭС, АЭС, на судах различных типов, в том числе и на атомных ледоколах. Ресурс и надежность паровых турбин во многом определяется конструкцией подшипников скольжения, прежде всего опорных подшипников, и материалами, из которых они изготовлены.
К опорным подшипникам скольжения паровых турбин предъявляются повышенные требования по надежности при их эксплуатации. Подшипники нагружены весом роторов валопровода, который может достигать нескольких сотен тонн при частоте вращения 3000 об/мин (50-70 м/с). Зазоры в проточной части между ротором и статором измеряются десятыми долями миллиметра. Выход из строя одного подшипника влечет за собой перегрузку и выход из строя соседних подшипников и т.д. Итогом становится аварийная ситуация с необратимыми последствиями.
В современных турбоагрегатах большой мощности удельное давление на подшипник может достигать 2,5-3,5 МПа. В связи с этим возникает задача создание материала, выдерживающего контактное давление выше 2,5 МПа, и лучше выше 3,0 МПа. При этом температура эксплуатации должна быть не ниже 115°С.
Во всем мире в опорных подшипниках скольжения паровых турбин в качестве антифрикционного слоя вкладыша применяются металлические сплавы - баббиты, обычно оловянные, стабильно работающие с масляной смазкой (горячее низковязкое турбинное масло).
Известен радиальный вкладыш подшипника скольжения, включающий верхний и нижний полувкладыши с опорными сферическими поверхностями. Вкладыш содержит баббитовый слой, внедренный своим основанием в канавки в теле вкладыша, имеющие в сечении форму ласточкиного хвоста [RU №2126914, МПК F16С 33/04, 27.02.1999]. Одна из канавок проходит по винтовой линии, а другая является кольцевой. В месте пересечения этих канавок образуется клиновой затвор, надежно предотвращающий клиновой баббитовый слой от отслоения.
Недостатком данной конструкции является сложность изготовления такого вида канавок, а также неравномерное распределение смазки по длине вкладыша: в зависимости от глубины и угла поворота канавки, вид смазки изменяется от жидкостной до граничной, при этом коэффициент трения варьируется в широком диапазоне, что приводит к неравномерному износу подшипника по длине.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является разъемный вкладыш опорного подшипника паровой турбины, выполненный в виде металлического основания с закрепленной на нем антифрикционной вставкой из баббита, имеющей на рабочей поверхности маслораздаточные кольцевые охлаждающие канавки [RU №2422689, МПК F16С 33/04, 27.06.2011]. Кольцевые охлаждающие канавки выполнены трапецеидальными; они чередуются с выступами также трапецеидальной формы. Указанные канавки обеспечивают равномерное распределения смазки по всей поверхности вкладыша и создают накопительные масляные резервуары в трапецеидальных канавках, обеспечивающие подшипник смазкой в периоды недостаточной его подачи.
Однако канавки такой формы сложны в изготовлении. Кроме того, общим недостатком подшипников с антифрикционными вставками из баббита является низкая температура эксплуатации - она не превышает 95°С, поскольку при температуре 115°С баббит выплавляется из вкладыша; низкая механическая прочность баббита не позволяет эксплуатировать подшипники при контактных давлениях выше 2,5 МПа.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в упрощении конструкции вкладыша, в повышении допустимой температуры эксплуатации подшипников паровой турбины до 125-200°С, а также в повышении допустимого контактного давления в подшипниках до 3,5-4 МПа.
3
Указанный технический результат достигается тем, что разъемный вкладыш опорного подшипника паровой турбины включает металлическое основание и закрепленную на его поверхности антифрикционную вставку. Антифрикционная вставка выполнена в виде полукольца из антифрикционного углепластика, состоящего из полимерного связующего и углеродной ткани с объемом сорбционного пространства 0,1-0,3 см/г, с волокном со средним размером кристаллитов по базисной плоскости 3,0-6,0 нм и толщиной пакета базисных плоскостей 1,0-4,0 нм, и закреплена на металлическом основании прижимными планками, установленными на уровне горизонтального разъема вкладыша.
В качестве полимерного связующего антифрикционный углепластик может содержать полифениленсульфид или фенолформальдегидную смолу. В последнем случае углепластик может содержать (4,5-5,5) масс% порошка баббита с размером частиц 40-100 мкм.
3
Относительно высокий сорбционный объем угольной ткани углепластика (0,1-0,3 см/г) позволяет задерживать в поверхностном слое вкладыша достаточное количество масляной смазки, что обеспечивает работоспособность подшипника при аварийных режимах и низкий коэффициент трения страгивания.
В том случае, когда в качестве полимерного связующего антифрикционный углепластик содержит полифениленсульфид, подшипник может работать при температуре до 200°С. Если он содержит в качестве связующего фенолформальдегидную смолу, возможно с добавлением (4,5-5,5)% от массы углепластика порошка баббита, подшипник может работать при температуре масла 125°С.
3
3
Углеродная ткань с указанными выше характеристиками выпускается промышленностью под маркой Урал Т-15 по ГОСТ 28005-88. В качестве полимерного связующего антифрикционная композиция может содержать, например, полифениленсульфид марки 0320 В0 фирмы Ticona (Германия) с плотностью 1,35 г/см или фенолформальдегидную смолу марки ЛБС-1 по ГОСТ 901-78 с плотностью 1,19 г/см. В последнем случае антифрикционная композиция может включать 4,5-5,5 масс % баббита в форме порошка с дисперсностью 40-100 мкм по ГОСТ 1320-74.
Полезная модель представлена на фиг.1-3.
На фиг.1 представлена половина разъемного вкладыша, вид сбоку.
На фиг.2 представлен вид сверху на разъем половины вкладыша.
На фиг.3 показана форма крепления вкладыша на металлическом основании.
Вкладыш подшипника включает (фиг.1) металлическое основание 1 и антифрикционную вставку 2 из углепластика. Вставка из углепластика 2 закреплена на металлическом основании 1 прижимными планками 3, количество которых зависит от габаритов вставки и достаточно для надежного крепления. Прижимные планки 3 размещены в пазах, фрезерованных на разъеме так, как это показано на фиг.3, то есть паз захватывает и основание 1, и вставку 2. Глубина паза выбирается такой, чтобы обеспечить после установки прижимной планки зазор между нею и уровнем горизонтального разъема 1,0-2,0 мм. Прижимные планки выполнены из стали Ст.3 и крепятся винтами 4, каждый винт фиксируется от проворота путем накернивания в трех местах по головке. Прижимные планки устанавливаются на уровне горизонтального разъема. Верхняя половина вкладыша подшипника имеет аналогичную конструкцию.
Использование в конструкции прижимных планок позволяет надежно фиксировать слой антифрикционного углепластика на поверхности металлического основания и не допускает взаимного перемещения частей вкладыша друг относительно друга во время работы опорного подшипника.
Разъемный вкладыш устанавливается в опорный подшипник паровой турбины (количество подшипников одной конденсационной турбины может достигать 14-ти). Ротор паровой турбины вращается, опираясь на подшипники скольжения, разъемный вкладыш которых состоит из антифрикционной вставки 2, выполненной из углепластика и закрепленной на металлическом основании 1 прижимными планками 3 с помощью винтов 4. Антифрикционная вставка 2 в процессе работы способна выдерживать повышение температуры эксплуатации подшипников паровой турбины до 125-200°С, повышение контактного давления в подшипниках до 3,5-4 МПа, а также может работать в условиях недостаточного количества смазки в отличие от баббита, что повышает надежность работы паровой турбины.
Вставка из углепластика изготовлена следующим образом. Углеродная ткань пропитывается расплавом полимерного связующего в специальной машине. Полученный препрег укладывается в прессформу и прессуется в гидравлическом прессе при высокой температуре с последующим охлаждением.
Для антифрикционных материалов, используемых при изготовлении вкладыша, проведены физико-механические и триботехнические испытания, результаты которых представлены в таблице 1.
Стендовые испытания выполнены в ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И.Ползунова» на стенде, имитирующем работу опорного подшипника паровой турбины диаметром 300 мм. Экспериментальный стенд представляет собой ротор на неподвижных опорах качения, охваченный подвижной (плавающей) втулкой, представляющей собой подшипник скольжения со вставками из испытуемых материалов. Испытания проводились при следующих условиях и режимах:
- при подаче масла температурой 35-45°С под давлением 0,06-0,095 МПа на входе в подшипник, расходе масла 180 л/мин, при удельных нагрузках 2, 2,5, 3, 4 МПа, на частотах вращения 2000, 2500, 3000 об/мин и линейных скоростях скольжения 30, 40 и 50 м/с соответственно;
- при недостаточном количестве смазки - аварийный режим (расход масла 60 л/мин);
Также был определен коэффициент трения страгивания без смазки. Результаты стендовых испытаний приведены в таблице. Испытания показали:
- заявляемые вкладыши успешно работают по стали марки 20X13;
- величина разрушающего напряжения углепластика на основе полифенилен-сульфида (ПФС) в 2,3 раза, а углепластика на основе фенолформальдегидной смолы в 1,3 раза превышает значение разрушающего напряжения по сравнению с баббитом;
- диапазон рабочих температур углепластиков значительно шире, чем у баббита. Вкладыш с углепластиком на основе полифениленсульфида работоспособен вплоть до температуры 200°С, а с углепластиком на основе фенолформальдегидной смолы работоспособен до температуры 125°С, в то время как вкладыш с баббитом работоспособен при температурах не выше 90°С;
- коэффициент трения страгивания углепластиков в 2 раза ниже, чем у баббита при давлениях до 0,79 МПа. При давлениях 1,59 МПа и выше баббит неработоспособен;
- минимальный расход масла для углепластиковых подшипников в 2 раза ниже, чем для баббитовых;
- допустимое удельное давление углепластиковых подшипников значительно выше, чем у баббитовых.
Использование антифрикционной поверхности вкладыша из углепластика позволяет значительно упростить конструкцию вкладыша.
Результаты испытаний позволяют рекомендовать заявляемые вкладыши для опорных подшипников скольжения паровых турбин.
Таблица
Физико-механические и триботехнические характеристики вкладышей опорных подшипников
Наименование параметра
Значения показателей для баббита Б83
Значения показателей для антифрикционных углепластиков на основе
Поли-
Фенолфор-
Фенолфор-
фенилен-
мальдегидной
мальдегид-
ной смолы с
сульфида
смолы
использованием
баббита
Плотность, кг/м<sup>3</sup>, при 20°С
7350
1350±50
1400±80
1400±80
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа, при 20°С
120
281
161
161
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа, при 125°С
60
135
120
121
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа, при 200°С
неработоспособен
93
неработоспособен
неработоспособен
Диапазон рабочих температур, °С
-60
-80
-60
-60
+90
+200
+125
+125
Коэффициент трения страгивания по стали 20X13 в турбинном масле при контактном давлении:
0,48 МПа
0,256
0,128
0,150
0,135
0,79МПа
0,267
0,130
0,160
0,140
1,59 МПа
неработоспособен
0,136
0,175
0,148
Минимальный расход масла для обеспечения стабильной работы подшипника, Q, л/мин
150
менее 60
95
80
Допустимое контактное давление в подшипнике, МПа
2,5
4,0
3,0
3,5