ОСЕВОЙ ГАЗОСТАТИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК
AXIAL GAS STATIC BEARING

Изобретение относится к общему машиностроению и может оыть использовано при конструировании упорных подшипников турбомашин и корпусов сжатия.
Известно, что одним из перспективных направлений в создании подшипников для турбомашин являются устройства с применением газовой смазки, см., например, книгу В.А.Максимов. Газовая смазка: перспективы применения в турбомашиностроении. Казань: ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа», г.Казань, 2002 г. УДК62-135/-136-233.2-72. В книге достаточно широко освещены вопросы использования газовой смазки в различных областях машиностроения на работающих машинах, приведены сведения по основным типам и конструкциям газовых опор, приведены результаты экспериментальных исследований газовых подшипников применительно к центробежным компрессорам.
Есть достаточно подробные указания для конструирования подшипников, в частности указывается о необходимости наличия питательных отверстий, через которые сжатый рабочий газ поступает в зазор между ротором и опорой. Раскрыт механизм работы газовых опор и приведены конструктивные схемы газостатических опор, показаны основные конструкции осевых газостатических подшипников.
Наиболее близким аналогом является осевой газостатический подшипник, содержащий корпус в виде обоймы, соединенный и уплотненный с упорным кольцом, сопрягающимся с опорной поверхностью упорного гребня ротора, в средней части обоймы со стороны стыка с упорным кольцом выполнена кольцевая камера, сообщающаяся с отверстием в обойме для подачи рабочего газа. Рабочий газ через питательные каналы, выполненные в упорном кольце, подается в зазор между упорным гребнем и упорным кольцом (см. вышеупомянутую книгу В.А.Максимов «газовая смазка: перспективы применения в турбомашиностроении», рис.3.7 «ж» на стр.91).
В упомянутой книге указано также, что все типы опор могут иметь на рабочих поверхностях различные дополнительные геометрические элементы, способствующие улучшению их характеристик (несущей способности, устойчивости), например расточки, канавки, карманы, фигурные пазы и камеры, однако конкретных указаний их расположения и конструкции не приводится. Газостатические подшипники работают по принципу принудительного поступления газа в зазор между двумя поверхностями - опорой и вращающимся ротором, при этом поверхности оказываются разделенными упругим газовым слоем, внутри которого образуется избыточное давление, при этом возникает подъемная сила, удерживающая ротор в осевом направлении и исключается контакт с упорным гребнем.
Чтобы обеспечить газовую смазку, необходимо подавать рабочий газ в зазор между движущимися поверхностями путем дросселирования через отверстия или щели. В известном устройстве подача газа осуществляется посредством питательных каналов, где происходит частичное преобразование его энергии из потенциальной в кинетическую. Рабочий газ на выходе из канала встречает препятствие в виде поверхности упорного гребня и резко меняет направление своего движения на 90°, отдавая при этом ему часть своей энергии в виде импульса давления упорному гребню, создавая осевую силу.
Недостатком данного устройства является: отсутствие возможности самоустановки подшипника при перекосах упорного гребня; достаточно быстрое засорение питательных каналов из-за сравнительно малой ее ширины; наличие сравнительно узкой зоны повышенного давления на выходе из питательных каналов, что вызывает необходимость предусматривать большое количество щелей для обеспечения требуемой подъемной силы, способной удерживать вал ротора в подвешенном состоянии.
Техническим результатом изобретения является устранение перечисленных недостатков и, как следствие, увеличение срока службы подшипника.
Технический результат достигается благодаря тому, что осевой газостатический подшипник содержит корпус в виде кольцевой обоймы, соединенный и уплотненный с упорным кольцом, сопрягающимся с опорной поверхностью упорного гребня ротора, в средней части обоймы со стороны стыка с упорным кольцом выполнена кольцевая камера, сообщающаяся с отверстием в обойме для подачи рабочего газа, а на опорной поверхности упорного кольца со стороны упорного гребня выполнены канавки, соединенные с кольцевой камерой питательными каналами, при этом канавки на опорной поверхности упорного кольца пересекаются друг с другом с образованием сетки, каждая из канавок наклонена под острым углом относительно радиального направления, причем все канавки соединены со сбеговыми кольцевыми канавками, выполненными соответственно вдоль наружного и внутреннего краев его опорной поверхности.
Кроме того, питательные каналы, подводящие рабочий газ к канавкам, могут быть расположены в средней части опоры.
Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 показан предлагаемый газостатический подшипник, продольный разрез;
На фиг.2 - то же, разрез А-А на фиг.1;
На фиг.3 показан участок опорной поверхности упорного кольца с пересекающимися канавками, вынос Б на фиг.2.
Осевой газостатический подшипник содержит корпус 1 в виде кольцевой обоймы, соединенный и уплотненный с упорным кольцом 2, сопрягающимся с опорной поверхностью упорного гребня ротора 3. В средней части корпуса 1 со стороны стыка с упорным кольцом 2 выполнена кольцевая камера 4, сообщающаяся с отверстием 5, выполненном в корпусе 1, служащем для подачи рабочего газа (фиг.1).
На опорной поверхности упорного кольца 2 со стороны упорного гребня ротора 3 выполнены канавки 6 и 7, соединенные с кольцевой камерой 4 посредством питательных каналов 8. Канавки 6 и 7 на опорной поверхности упорного кольца 2 пересекаются между собой с образованием сетки (фиг.3). Каждая канавка 6 и 7 наклонена под острым углом α относительно радиального направления, при этом все канавки соединены со сбеговыми кольцевыми канавками 9 и 10, выполненными соответственно вдоль наружного и внутреннего краев опорной поверхности упорного кольца 2. Питательные каналы 8, подводящие рабочий газ к канавкам 6 и 7, расположены в средней части упорного кольца 2.
Осевой газостатический подшипник работает следующим образом.
Перед пуском компрессора рабочий газ через отверстия 5 в корпусе 1 подают в кольцевую камеру 4, откуда он через питательные каналы 8 поступает в канавки 6 и 7, устремляясь к периферии упорного кольца 2, при этом газ проходит извилистый зигзагообразный путь (фиг.3), меняя направление движения при каждом пересечении соответствующей канавки 6 или 7. Далее газ, теряя при пересечении канавок 6 и 7 свою кинетическую энергию, попадает в замкнутые канавки 9 и 10.
В предлагаемом устройстве рабочий газ дросселируется в системе пересекающихся канавок 6 и 7, образующих густую сетку, т.е. лабиринт для поступающего в него газа. Это позволяет выполнить питательные каналы 8 более широкими и располагать их между собой значительно реже, что позволяет исключить их засорение механическими частицами при работе. Рабочий газ, проходя через густую сетку канавок 6 и 7 к периферии опоры, теряет свою кинетическую энергию, преобразующуюся в энергию давления, равномерно распределенную по всей поверхности кольцевой втулки, что, несомненно, улучшает условия для образования упругой газовой прослойки между упорным гребнем и опорной поверхностью упорного кольца 2 и повышает ее осевую силу. Наличие сбеговых кольцевых канавок 9 и 10 позволяет отсечь утечку рабочего газа за пределы опорной поверхности упорного кольца 2, уменьшая его потери.