РАДИАЛЬНО-ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ, ТУРБОМАШИНА И СПОСОБ СБОРКИ УПОМЯНУТОГО РАДИАЛЬНО-ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА
RADIAL-BEARING ASSEMBLY, TURBOMACHINE AND METHOD SAID RADIAL-BEARING ASSEMBLY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Область изобретения относится в целом к подшипниковым узлам и, более конкретно, к радиально-подшипниковым узлам, содержащим упруго установленные газодиффузионные вкладыши подшипников.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] По меньшей мере некоторые известные турбомашины содержат роторные узлы, содержащие валы, рабочие колеса компрессоров, турбины, муфты, изолирующие уплотнения и другие элементы для оптимальной работы при заданных рабочих условиях. Эти роторные узлы имеют массу, создающую постоянное статическое усилие, обусловленную действием силы тяжести, а также создают динамическое усилие, обусловленное дисбалансами в роторном узле во время работы. В турбомашинах, снабженных редукторами, могут возникать другие статические усилия. Такие турбомашины содержат подшипники для восприятия и выдерживания этих усилий с одновременным обеспечением возможности вращения роторного узла.
[0003] По меньшей мере в некоторых известных турбомашинах для поддержания роторного узла с одновременным обеспечением возможности его вращения используются подшипники с масляной смазкой. Такие подшипники используются, в частности, в высокоэффективных турбомашинах, т.е. в турбомашинах, которые способны вырабатывать энергию, превышающую 500 кВт, и в которых масса роторного узла и нагрузка от дисбаланса требуют значительного гашения вибраций в дополнение к высокой способности подшипника выдерживать статическую нагрузку.
[0004] Однако в определенных областях применения турбомашин желательно использовать подшипники с немасляной смазкой, например в подводных компрессионных системах, в условиях с высококоррозионной рабочей текучей средой, в условиях криогенных температур и в областях применения с высокими температурами. В таких областях применения поменьшей мере в некоторых известных турбомашинах вместо подшипника с масляной смазкой используются магнитные подшипниковые системы. Однако такие системы являются относительно дорогостоящими, требуют наличия дополнительных электронных систем для работы и весьма сложны для эксплуатации и наладки.
[0005] В результате по меньшей мере в некоторых известных ротационных машинах, когда желательно использование подшипника с немасляной смазкой, вместо магнитных подшипников используются газовые подшипники. Однако размер таких ротационных машин ограничен способностью газовых подшипников поддерживать вес роторных узлов в таких машинах и способностью выдерживать динамическую нагрузку ротационных машин. Наиболее известными коммерчески доступными ротационными машинами, работающими на газовых подшипниках, являются микротурбинные генераторы с допустимой мощностью 200 кВт. Такие микротурбинные генераторы содержат ленточные подшипники, которые создают тонкую газовую пленку между подшипником и валом роторного узла в результате вращения роторного узла. Однако применение таких ленточных подшипников ограничено малоразмерными ротационными машинами, так как гидродинамические эффекты от использования тонкой газовой пленки, как правило, не создают достаточных давлений для выдерживания более высоких нагрузок. Кроме того, такие ленточные подшипники не обладают достаточной демпфирующей способностью для размещения роторных узлов с большими массами, используемых в машинах с более высокой выходной мощностью.
[0006] Кроме того, газовые подшипники не являются легко приспосабливаемыми для использования в полноразмерных безмасляных турбомашинах вследствие демпфирующей способности, необходимой для выдерживания динамической нагрузки, испытываемой во время работы таких полноразмерных турбомашин. Предпочтительнее, для удовлетворения требований по динамической нагрузке полноразмерной турбомашины по меньшей мере некоторые известные ротационные машины содержат демпферы на основе сжатой пленки. По меньшей мере некоторые известные демпферы на основе сжатой пленки содержат неподвижную цапфу и цилиндрический корпус, разделенные небольшим зазором со смазкой (как правило, маслом), которая создает динамические давления и межфазные силы в ответ на вибрацию ротора. Такие демпферы на основе сжатой пленки, как правило, требуют наличия смазочного контура, имеющего впускной канал и выпускное пространство, или, в некоторых случаях, уплотнительных узлов, препятствующих протечке смазки из подшипникового узла. Однако такие демпферы подвержены протечке, несмотря на использование смазочных контуров и уплотнительных узлов. Кроме того, такие смазочные контуры, как правило, требуют сложной системы смазки подшипников для регулирования подачи и удаления смазки. В результате демпферы на основе сжатой пленки, содержащие незамкнутый смазочный контур, практически не могут быть объединены с подшипниковыми системами с газовой смазкой или использоваться в комбинации с ними.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В одном аспекте предложен радиально-подшипниковый узел. Указанный узел содержит кожух подшипника, вкладыши подшипника и опорные узлы для вкладышей подшипника. Кожух подшипника имеет радиальную наружную стенку. Вкладыши подшипника установлены внутри кожуха и содержат газопроницаемый пористый материал и/или массив газоснабжающих отверстий. Опорные узлы для вкладышей расположены в радиальном направлении между вкладышами подшипника и радиальной наружной стенкой. Каждый опорный узел содержит пружинный узел и демпферный узел.
[0008] В другом аспекте предложена турбомашина. Турбомашина содержит корпус, роторный узел и радиально-подшипниковый узел. Корпус ограничивает технологическую камеру. Роторный узел содержит поворотный вал, расположенный внутри указанной камеры. Радиально-подшипниковый узел поддерживает вал и содержит кожух подшипника, вкладыши подшипника, установленные внутри кожуха подшипника, и опорные узлы для вкладышей подшипника, расположенные в радиальном направлении между вкладышами и кожухом. Вкладыши подшипника содержат газопроницаемый пористый материал и/или массив газоснабжающих отверстий. По меньшей мере один опорный узел содержит герметически уплотненный демпферный узел, заполненный текучей средой. Подшипниковый узел выполнен с возможностью приема технологического газа из технологической камеры и передачи технологического газа к вкладышам подшипника для обеспечения смазки между валом и вкладышами подшипника.
[0009] В еще одном аспекте предложен способ сборки радиально-подшипникового узла. Способ включает обеспечение кожуха подшипника, имеющего радиальную внутреннюю стенку и радиальную наружную стенку, обеспечение вкладышей подшипника, содержащих газопроницаемый пористый материал и/или массив газоснабжающих отверстий, присоединение вкладышей подшипника вдоль радиальной внутренней стенки кожуха подшипника, обеспечение опорных узлов для вкладышей подшипника, каждый из которых содержит пружинный узел и демпферный узел, и присоединение демпферных узлов внутри кожуха подшипника.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны при прочтении нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых
[0011] фиг. 1 изображает схематический вид ротационной машины,
[0012] фиг. 2 изображает частичный покомпонентный вид иллюстративного радиально-подшипникового узла турбомашины, показанной на фиг. 1,
[0013] фиг. 3 изображает вид в аксонометрии иллюстративного кожуха подшипника радиально-подшипникового узла, показанного на фиг. 2,
[0014] фиг. 4 изображает осевой вид кожуха подшипника, показанного на фиг. 3,
[0015] фиг. 5 изображает частичный разрез кожуха подшипника, показанного на фиг. 3, по линии «5-5», показанной на фиг. 4,
[0016] фиг. 6 изображает вид в аксонометрии иллюстративного узла вкладыша подшипникового узла, показанного на фиг. 2,
[0017] фиг. 7 изображает вид в аксонометрии другого узла вкладыша подшипника, подходящего для использования с подшипниковым узлом, показанным на фиг. 2,
[0018] фиг. 8 изображает осевой вид подшипникового узла, показанного на фиг. 2, в собранном состоянии,
[0019] фиг. 9 изображает схематический вид подшипникового узла, показанного на фиг. 8,
[0020] фиг. 10 изображает разрез подшипникового узла, показанного на фиг. 8, на котором демпферные узлы удалены для ясности,
[0021] фиг. 11 изображает покомпонентный вид иллюстративного демпферного узла подшипникового узла, показанного на фиг. 2 и 8,
[0022] фиг. 12 изображает разрез демпферного узла, показанного на фиг. 11, в собранном состоянии,
[0023] фиг. 13 изображает разрез демпферного узла, показанного на фиг. 12, по линии «13-13», показанной на фиг. 12,
[0024] фиг. 14 изображает вид в аксонометрии другого демпферного узла,
[0025] фиг. 15 изображает разрез демпферного узла, показанного на фиг. 14,
[0026] фиг. 16 изображает блок-схему иллюстративного способа сборки подшипникового узла,
[0027] фиг. 17 является продолжением фиг. 16,
[0028] фиг. 18 изображает блок-схему иллюстративного способа сборки герметически уплотненного демпферного узла, и
[0029] фиг. 19 является продолжением фиг. 18.
[0030] Если не указано иное, приведенные в данном документе чертежи служат для иллюстрации особенностей вариантов выполнения изобретения. Предполагается, что эти особенности применимы к широкому ряду систем, содержащих один или более вариантов выполнения изобретения. По существу, предполагается, что чертежи не охватывают все обычные свойства, известные специалистам в данной области техники и необходимые для реализации вариантов выполнения, рассмотренных в данном документе, на практике.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0031] В нижеследующем описании и формуле изобретения используется ряд терминов, которые имеют следующие значения.
[0032] Формы единственного числа охватывают также формы множественного числа, если из контекста с очевидностью не следует иное.
[0033] Приблизительные обозначения, используемые в данном документе на протяжении всего описания и формулы изобретения, могут применяться для варьирования любого количественного представления, которое может допустимо изменяться без изменения основной функции, к которой оно относится. Соответственно, численное значение, определяемое таким термином или терминами, как «приблизительно» и «по существу», не ограничено точно указанной величиной. По меньшей мере в некоторых случаях приблизительные обозначения могут соответствовать точности инструмента для измерения данной величины. Здесь и далее на протяжении всего описания и формулы изобретения пределы диапазонов могут быть объединены и/или взаимно заменены, при этом такие диапазоны определяются всеми входящими в них поддиапазонами, если контекст или терминология не подразумевают иное.
[0034] Кроме того, ссылки на один «вариант реализации» или «вариант выполнения» объекта изобретения, описанного в данном документе, не должны толковаться как исключающие существование дополнительных вариантов реализации, которые также обладают перечисленными особенностями.
[0035] Системы и способы, описанные в данном документе, обеспечивают радиально-подшипниковые узлы, подходящие для использования в полноразмерных турбомашинах с немасляной смазкой. Варианты выполнения, описанные в данном документе, способствуют уменьшению сопротивления вращению радиально-подшипниковых узлов, используемых для поддержания роторных узлов в турбомашинах с немасляной смазкой, повышению износоустойчивости таких узлов, повышению их демпфирующей способности и способности выдерживать статическую нагрузку. Более конкретно, в системах и способах, описанных в данном документе, используются пористые вкладыши подшипников и вкладыши подшипников, в которых выполнен массив газоснабжающих отверстий, в комбинации с демпферными узлами и пружинными узлами, совмещенными в осевом направлении. Следовательно, в радиально-подшипниковых узлах, описанных в данном документе, используется жесткая газовая пленка для поддержания роторного узла турбомашины и упруго установленные вкладыши подшипников для выдерживания динамической нагрузки, испытываемой подшипниковым узлом во время работы турбомашины. Кроме того, системы и способы, описанные в данном документе, обеспечивают демпферные узлы, подходящие для использования в турбомашинах и подшипниковых узлах с немасляной смазкой, а также в других безмасляных рабочих средах. Варианты выполнения, описанные в данном документе, способствуют размещению демпферных узлов на основе текучей среды в безмасляных рабочих средах и повышению демпфирующей способности таких узлов до уровней, приближающихся к демпфирующим способностям масляных демпферов на основе сжатой пленки. Более конкретно, в системах и способах, описанных в данном документе, используется герметически уплотненный кожух демпфера, заполненный текучей средой и имеющий замкнутый циркуляционный контур, в комбинации с пружинами, выполненными за одно целое. Таким образом, демпферные узлы, описанные в данном документе, имеют демпфирующие способности, подходящие для использования в полноразмерных турбомашинах, но при этом не требуют сложных циркуляционных контуров или уплотнительных узлов.
[0036] На фиг. 1 изображен схематический вид ротационной машины, т.е. турбомашины 100, более конкретно, турбинного двигателя с немасляной смазкой. В иллюстративном варианте выполнения турбинный двигатель представляет собой газотурбинный двигатель. Как вариант, турбомашина 100 представляет собой любой другой турбинный двигатель и/или турбомашину, в том числе, но без ограничения этим, паротурбинный двигатель, центробежный компрессор и турбокомпрессор. В иллюстративном варианте выполнения турбомашина 100 содержит воздухозаборную секцию 102 и компрессорную секцию 104, присоединенную ниже по потоку от секции 102 и проточно сообщающуюся с ней. Компрессорная секция 104 расположена внутри компрессорного корпуса 106, ограничивающего компрессорную камеру 108. Ниже по потоку от секции 104 в проточном сообщении с ней расположена топочная секция 110, ниже по потоку от которой в проточном сообщении с ней присоединена турбинная секция 112. Турбинная секция 112 расположена внутри турбинного корпуса 114, ограничивающего турбинную камеру 116. Ниже по потоку от секции 112 расположена выхлопная секция 118. Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения турбинная секция 112 присоединена к компрессорной секции 104 с помощью роторного узла 120, содержащего приводной вал 122. Вал 122 с возможностью вращения поддерживается радиально-подшипниковыми узлами 200, расположенными внутри корпуса 106 и корпуса 114.
[0037] В иллюстративном варианте выполнения топочная секция 110 сдержит топочные узлы, т.е. топки 124, каждая из которых соединена с компрессорной секцией 104 в проточном сообщении с ней. Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения турбинная секция 112 и компрессорная секция 104 с возможностью вращения присоединены к нагрузке 126 при помощи приводного вала 122. Например, нагрузка 126 может содержать, без ограничения этим, электрический генератор и/или устройство с механическим приводом, например насос. Как вариант, турбомашина 100 может представлять собой авиационный двигатель.
[0038] Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения компрессорная секция 104 содержит по меньшей мере один узел 128 рабочих лопаток компрессора и по меньшей мере один смежный узел 130 неподвижных лопаток. Каждая комбинация узла 128 и смежного узла 130 определяет ступень 132 компрессора. Также, каждый узел 128 содержит рабочие лопатки компрессора (не показаны на фиг. 1), а каждый узел 130 содержит неподвижные лопатки компрессора (не показаны на фиг. 1). Кроме того, каждый узел 128 присоединен с возможностью отсоединения к валу 122, а каждый узел 130 присоединен с возможностью отсоединения к корпусу 106 и поддерживается им.
[0039] Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения турбинная секция 112 содержит по меньшей мере один узел 134 рабочих лопаток турбины и по меньшей мере один смежный узел 136 неподвижных сопловых лопаток. Каждая комбинация узла 134 и смежного узла 136 определяет ступень 138 турбины. Кроме того, каждый узел 134 присоединен с возможностью отсоединения к валу 122, а каждый узел 136 присоединен с возможностью отсоединения к корпусу 114 и поддерживается им.
[0040] В процессе работы воздухозаборная секция 102 проводит воздух 150 в направлении компрессорной секции 104. Секция 104 обеспечивает сжатие поступающего воздуха 150 до более высоких давлений и температур перед выпуском сжатого воздуха 152 в направлении топочной секции 110. Сжатый воздух 152 проводится к топливно-форсуночному узлу (не показан), смешивается с топливом (не показано) и сжигается внутри каждой топки 124 с получением газообразных продуктов 154 сгорания, которые проводятся вниз по потоку в направлении турбинной секции 112. Газообразные продукты 154 сгорания, полученные внутри топок 124, проводятся вниз по потоку в направлении турбинной секции 112. После взаимодействия с узлом 134 рабочих лопаток турбины тепловая энергия преобразуется в механическую вращательную энергию, которая используется для приведения во вращение роторного узла 120. Турбинная секция 112 приводит в действие компрессорную секцию 104 и/или нагрузку 126 с помощью вала 122, и отработанные газы 156 выпускаются через выхлопную секцию 118 в окружающую атмосферу. Вращению роторного узла 120 способствуют радиально-подшипниковые узлы 200, которые демпфируют колебательную энергию, сообщаемую им во время работы турбомашины 100. Несмотря на то что узлы 200 описаны и показаны как расположенные внутри компрессорного корпуса 106 и турбинного корпуса 114, они могут быть расположены в любом требуемом местоположении вдоль вала 122, в том числе, но без ограничения этим, в центральной или средней части вала 122 или в других местоположениях вдоль вала 122, в которых использование обычных подшипниковых узлов с масляной смазкой создает значительные трудности с проектной точки зрения. Кроме того, узлы 200 могут использоваться в комбинации с обычными подшипниковыми узлами с масляной смазкой. Например, в одном варианте выполнения у концов вала 122 могут быть расположены обычные подшипниковые узлы с масляной смазкой, а вдоль центральной или средней части вала 122 могут быть расположены один или более подшипниковых узлов 200.
[0041] На фиг. 2 изображен частичный покомпонентный вид иллюстративного радиально-подшипникового узла, подходящего для использования в турбомашине, показанной на фиг. 1. Радиально-подшипниковый узел 200 содержит корпус 202, узлы 204 вкладышей подшипника и опорные узлы 206 для вкладышей подшипника. Узлы 204 расположены симметрично относительно центральной линии 208 узла 200 и образуют кольцевую внутреннюю поверхность 210 подшипника, предназначенную для поддержания вращающегося вала 122 (показанного на фиг. 1). Опорные узлы 206 аналогичным образом установлены симметрично относительно центральной линии 208 и расположены в радиально наружном направлении от соответствующего узла 204. Как описано ниже, узлы 206 обеспечивают упругую установочную опору для узлов 204 вкладышей так, что подшипниковый узел 200 может выдерживать относительно большие статические нагрузки (такие как роторные узлы, используемые в полноразмерных турбомашинах) с сохранением при этом достаточной демпфирующей способности для надлежащего демпфирования колебательной энергии, создаваемой во время работы полноразмерных турбомашин. Например, узел 200 подходит для использования с роторным узлом, таким как роторный узел 120, имеющим массу по меньшей мере около 50 фунтов (227 кг), и даже по меньшей мере около 100 фунтов (454 кг). Кроме того, узел 200 является подшипниковым узлом с немасляной смазкой и, за исключением демпферных узлов 248, описанных более подробно ниже, является безмасляным подшипниковым узлом.
[0042] На фиг. 3 изображен вид в аксонометрии кожуха 202 подшипника, а на фиг. 4 изображен осевой вид кожуха 202 подшипника. В соответствии с фиг. 2-4 кожух 202 имеет по существу кольцеобразную форму и имеет радиальную внутреннюю стенку 212 и радиальную наружную стенку 214. Стенка 212 ограничивает внутреннюю полость 216, в которой расположен вал 122, когда турбомашина 100 находится в собранном состоянии. Узлы 204 вкладышей закреплены внутри кожуха 202 смежно со стенкой 212 так, что вал 122 поддерживается узлами 204, когда турбомашина 100 находится в собранном состоянии. Опорные узлы 206 расположены между стенкой 212 и стенкой 214, более конкретно, каждый узел 206 совмещен в радиальном направлении с узлом 204 вкладышей для улучшения гашения колебаний между валом 122 и подшипниковым узлом 200. Конструкция и конфигурация узлов 204 вкладышей и опорных узлов 206 (описанных более подробно ниже), обеспечивают соответствующую жесткость для выдерживания больших статических нагрузок (таких как вес валов, используемых в полноразмерных турбомашинах), соответствующее демпфирование для использования в полноразмерных турбомашинах и при этом обеспечивают немасляную смазку между узлом 200 и валом 122.
[0043] Кожух 202 выполнен с возможностью размещения в нем узлов 204 вкладышей и опорных узлов 206. Более конкретно, кожух 202 содержит направляющие 218, предназначенные для закрепления узлов 204 внутри кожуха 202, и полости 220, каждая из которых выполнена с возможностью размещения в ней по меньшей мере части опорного узла 206.
[0044] На фиг. 5 изображен частичный разрез кожуха 202 подшипника по линии «5-5», показанной на фиг. 4. Кожух 202 имеет газоснабжающие каналы 222 (в широком смысле - сквозные отверстия), проходящие от газовпускного отверстия 224, образованного в радиальной наружной стенке 214, до газовыпускного отверстия 226, образованного в радиальной внутренней стенке 212. Каналы 222 проточно сообщаются с источником сжатого газа для подачи сжатого газа 228 (показанного на фиг. 2) во внутреннюю полость 216 и, более конкретно, к узлам 204 вкладышей. В иллюстративном варианте выполнения каналы 222 проточно сообщаются с компрессорной камерой 108 и/или турбинной камерой 116 (в широком смысле - технологическими камерами) и предназначены для приема технологического газа по меньшей мере из одной из технологических камер 108 и 116 и подачи указанного газа к узлам 204 для обеспечения смазки между валом 122 и подшипниковым узлом 200. Технологический газ 228, поданный к узлам 204, может содержать, без ограничения этим, сжатый воздух 152 и газообразные продукты 154 сгорания. В других вариантах выполнения каналы 222 могут быть проточно соединены с дополнительным средством газоснабжения (не показано) для подачи к узлам 204 газа, отличного от технологического газа.
[0045] В иллюстративном варианте выполнения кожух 202 изготовлен из нержавеющей стали, однако он может быть изготовлен из любого подходящего материала, обеспечивающего возможность работы узла 200 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе, например из Inconel и сплавов на основе титана.
[0046] На фиг. 6 изображен вид в аксонометрии узла 204 вкладыша подшипника, показанного на фиг. 2. Узел 204 выполнен с возможностью приема газа 228 из газовпускного отверстия 224 и рассеивания и/или диффузии газа 228 по узлу 204 для обеспечения поля равномерно распределенного давления для поддержания и/или смазки вала 122. В иллюстративном варианте выполнения узел 204 представляет собой модульный узел, содержащий вкладыш 230 подшипника, присоединенный с возможностью отсоединения к держателю 232 вкладыша.
[0047] Вкладыш 230 имеет дугообразную форму, в целом соответствующую круговому сечению вала 122 и/или кольцеобразной форме кожуха 202 подшипника. Вкладыш 230 изготовлен из пористого материала и, таким образом, обеспечивает возможность передачи и диффузии газа 228, принятого из отверстия 224, в полость 216. К подходящим пористым материалам, из которых может быть изготовлен вкладыш 230, относятся пористые углероды, например угольный графит, спеченная пористая керамика и спеченные пористые металлы, такие как Inconel и нержавеющая сталь. Вкладыш 230 имеет достаточно высокую газопроницаемость для обеспечения возможности создания газом 228, полученным через каналы 222, достаточного давления в полости 216 для поддержания и/или смазки вала 122 во время работы турбомашины 100. Кроме того, вкладыш 230 имеет достаточно низкую пористость для предотвращения возникновения нестабильностей в тонкой газовой пленке, создаваемой между вкладышами 230 и валом 122 во время работы турбомашины 100. В иллюстративном варианте выполнения вкладыши 230 изготовлены из пористого угольного графита и, соответственно, имеют превосходную износоустойчивость и смазочные характеристики по сравнению с другими известными материалами, из которых могут быть изготовлены вкладыши 230.
[0048] В иллюстративном варианте выполнения вкладыш 230 также содержит массив дискретных микроразмерных газоснабжающих отверстий 234, проходящих от радиальной внутренней поверхности 236 вкладыша 230 к его радиальной наружной поверхности 238. Отверстия 234 проточно сообщаются с каналом 222 и предназначены для дополнительной диффузии и/или рассеивания газа 228 по поверхности 236 вкладыша 230 и обеспечения поля равномерного давления для поддержания и/или смазки вала 122 во время работы турбомашины 100. Отверстия 234 проходят в по существу радиальном направлении от поверхности 236 к поверхности 238, однако в других вариантах выполнения отверстия 234 могут проходить в направлении, отличном от по существу радиального направления. В иллюстративном варианте выполнения отверстия 234 имеют диаметр в диапазоне от приблизительно 2 мил (50 мкм) до приблизительно 100 мил (2540 мкм), более конкретно, от приблизительно 5 мил (127 мкм) до приблизительно 20 мил (508 мкм). Однако отверстия 234 могут иметь любой подходящий диаметр, обеспечивающий возможность работы подшипникового узла 200 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе. Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения отверстия 234 расположены в квадратном массиве, однако они могут быть расположены в любом подходящем массиве, схеме или конфигурации, которые обеспечивают возможность работы узла 200 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе.
[0049] Держатель 232 имеет полость 240 для размещения и закрепления, с возможностью отсоединения, вкладыша 230 внутри узла 204 и газоснабжающий канал (не показан), проходящий от полости 240 к радиальной наружной стенке 242 держателя 232. Газоснабжающий канал в держателе 232 совмещен с соответствующим газоснабжающим каналом 222 с обеспечением проточного прохождения газа 228 от радиальной наружной стенки 214 кожуха 202 к вкладышу 230. Кроме того, газоснабжающий канал в держателе 232 может иметь приблизительно такой же размер, что и полость 240 в держателе 232 или быть меньше нее. Держатель 232 также имеет выступы 244, предназначенные для размещения с возможностью скольжения в направляющих 218 (показанных на фиг. 2-4) и закрепления, таким образом, узла 204 вкладыша внутри подшипникового узла 200. Держатель 232 обеспечивает возможность замены вкладыша 230 другими подшипниковыми вкладышами, так что исходя из конкретных рабочих условий и/или конкретных турбомашин могут быть выбраны вкладыши с различными свойствами (например, но без ограничения этим, с различной газопроницаемостью и пористостью).
[0050] На фиг. 7 изображен вид в аксонометрии другого узла 700 вкладыша подшипника, подходящего для использования с подшипниковым узлом 200 (показанным на фиг. 2). Узел 700 содержит вкладыш 702, выполненный с возможностью размещения непосредственно в направляющих 218. Более конкретно, вкладыш 702 имеет выступы 704, предназначенные для размещения с возможностью скольжения в направляющих 218. По существу, держатель 232 (показанный на фиг. 6) изъят из узла 700. В иллюстративном варианте выполнения вкладыш 702 изготовлен из пористого материала и не имеет отверстий 234 (показанных на фиг. 6). В других вариантах выполнения вкладыши 230 и 702 подшипника могут иметь отверстия 234 и могут быть изготовлены из непористого материала, так что отверстия 234 являются по существу единственным средством передачи и диффузии газа 228 через вкладыши 230 и 702 во внутреннюю полость 216.
[0051] Вкладыши 230 и 702 могут быть изготовлены любым подходящим способом, обеспечивающим возможность работы подшипникового узла 200 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе. В одном конкретном варианте выполнения вкладыши 230 и 702 изготовлены с использованием аддитивного производственного процесса (также известного как быстрое макетирование, быстрое изготовление и 3D печать), такого как селективное лазерное спекание (SLS), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), электронно-лучевое плавление (ЕВМ) или селективное тепловое спекание (SHS). Изготовление вкладышей 230 и 702 с использованием аддитивного производственного процесса обеспечивает возможность точного контроля пористости и газопроницаемости вкладышей 230 и 702 и размера отверстий 234.
[0052] Кроме того, в других вариантах выполнения вкладыши 230 и 702 могут быть выполнены за одно целое внутри кожуха 202 с использованием, например, аддитивного производственного процесса или способа электроимпульсной обработки (EDM).
[0053] В соответствии с фиг. 2 иллюстративный вариант выполнения содержит четыре узла 204 вкладышей подшипника, расположенных симметрично относительно центральной линии 208. Следует отметить, что другие варианты выполнения могут содержать любое подходящее число узлов 204, которые обеспечивают возможность работы подшипника в соответствии с описанием, приведенным в данном документе.
[0054] На фиг. 8 изображен осевой вид подшипникового узла 200, показанного на фиг. 2, в собранном состоянии. Иллюстративный вариант выполнения содержит четыре опорных узла 206 для вкладышей подшипника, которые соответствуют четырем узлам 204 вкладышей. Как вариант, радиально-подшипниковый узел 200 может содержать любое подходящее число опорных узлов 206, которые обеспечивают возможность работы узла 200 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе.
[0055] Каждый опорный узел 206 совмещен в радиальном направлении с узлом 204 вкладыша так, что нагрузки, сообщаемые узлам 204 со стороны вала 122, передаются к соответствующему опорному узлу 206. Каждый опорный узел 206 содержит пружинный узел 246 и демпферный узел 248, совмещенный в осевом направлении с пружинным узлом 246. Пружинные узлы 246 выполнены с обеспечением достаточной жесткости для выдерживания больших статических нагрузок (таких как вес валов, используемых в полноразмерных турбомашинах), тогда как демпферные узлы 248 выполнены с обеспечением достаточного демпфирования для демпфирования колебательных нагрузок, передаваемых валом 122 к подшипниковому узлу 200 во время работы турбомашины 100.
[0056] На фиг. 9 изображен схематический вид подшипникового узла 200, показанного на фиг. 8. На фиг. 9 показаны элемент жесткости и демпфирующий элемент, образованные соответственно пружинными узлами 246 и демпферными узлами 248.
[0057] На фиг. 10 изображен разрез подшипникового узла 200, показанного на фиг. 8, из которого для ясности изъяты демпферные узлы 248 (показанные на фиг. 2 и 8). Как показано на фиг. 10, каждый пружинный узел 246 содержит пару пружин 250 и 252, имеющих S-образное поперечное сечение, обеспечивающее линейную упругую реакцию на нагрузки, передаваемые валом 122 к подшипниковому узлу 200. Таким образом, пружины 250 и 252 образуют элемент жесткости для опорных узлов 206. В иллюстративном варианте выполнения пружины 250 и 252 выполнены за одно целое внутри кожуха 202 с использованием способа электроимпульсной обработки (EDM), однако пружины 250 и 252 могут быть выполнены с использованием любого подходящего способа, который обеспечивает возможность работы подшипникового узла 200 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе.
[0058] Пружины 250 и 252 проходят между радиальной наружной стенкой 214 и радиальной внутренней стенкой 212 и присоединены непосредственно или опосредованно к стенке 212 так, что нагрузки, сообщаемые узлам 204 вкладышей, передаются к пружинам 250 и 252. Пружины 250 и 252 присоединены друг к другу перемычкой 254, проходящей в окружном направлении вокруг стенки 212 между пружинами 250 и 252. Перемычки 254 предназначены для распределения нагрузок, сообщаемых валом 122 к узлам 204, между пружинами 250 и 252.
[0059] В иллюстративном варианте выполнения каждый узел 246 содержит две пружины 250 и 252, однако узлы 246 могут содержать любое подходящее число пружин, обеспечивающих возможность работы пружинных узлов 246 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе. Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения узлы 246 выполнены за одно целое внутри кожуха 202, однако они могут быть изготовлены отдельно от кожуха 202 и выполнены с возможностью размещения внутри него.
[0060] В соответствии с фиг. 8 каждый опорный узел 206 содержит два демпферных узла 248, совмещенных в осевом направлении с противоположных сторон соответствующего пружинного узла 246. На фиг. 8 виден только один из двух демпферных узлов, совмещенных в осевом направлении. Каждый демпферный узел 248 имеет в целом дугообразную форму и выполнен с возможностью его размещения внутри полости 220 (показанной на фиг. 2-4). Узлы 248 расположены в радиальном направлении между радиальной внутренней стенкой 212 и радиальной наружной стенкой 214 и присоединены к стенке 212 так, что нагрузки, сообщаемые узлам 204 вкладышей, передаются к соответствующему демпферному узлу 248.
[0061] На фиг. 11 изображен покомпонентный вид демпферного узла 248, подходящего для использования с подшипниковым узлом 200, показанным на фиг. 2 и 8. В иллюстративном варианте выполнения узлы 248 представляют собой герметически уплотненные демпферы, заполненные текучей средой. Более конкретно, каждый узел 248 содержит уплотненный кожух 256, в котором находится несжимаемая вязкая текучая среда 258, поршень 260 и стержень 262 (в широком смысле - элемент, передающий нагрузку), выполненный с возможностью передачи нагрузок, сообщаемых узлу 204 вкладыша, к демпферному узлу 248 и, более конкретно, к поршню 260.
[0062] Кожух 256 содержит корпус 264 с полостью 266, в которой по меньшей мере частично выполнен ограничивающий проточный тракт 268 (лучше всего виден на фиг. 12 и 13), и уплотнительные стенки 270 и 272, выполненные с возможностью прикрепления к противоположным торцевым стенкам 274 и 276 корпуса 264 с образованием герметического уплотнения с корпусом 264. Поршень 260 расположен внутри полости 266 и разделяет ее на первый регулируемый объем 278 и второй регулируемый объем 280 (лучше всего видны на фиг. 12 и 13), между которыми перемещается текучая среда 258 при приложении нагрузки к поршню 260 и ее снятии. В иллюстративном варианте выполнения поршень 260 выполнен за одно целое внутри корпуса 264. Поршень 260 присоединен к первому концу 282 стержня 262, который выступает в наружном направлении от кожуха 256 демпфера и в радиально внутреннем направлении к соответствующему узлу 204 вкладыша. Незанятый объем полости 266 и тракт 268 по существу заполнены текучей средой 258 так, что при приложении нагрузки к поршню 260 и ее снятии среда 258 проводится через тракт 268, в результате чего колебательная энергия, сообщаемая демпферному узлу 248, преобразуется в тепло, которое затем рассеивается вследствие проводимости и/или конвекции.
[0063] На фиг. 12 изображен разрез демпферного узла 248, показанного на фиг. 11, в собранном состоянии. Поршень 260 присоединен к кожуху 256 двумя пружинами 284 и 286 (в широком смысле - элементами, обеспечивающими восстанавливающее усилие), которые выполнены за одно целое и каждая из которых имеет S-образное поперечное сечение. Пружины 284 и 286 выполнены так, что они имеют относительно малую жесткость в первом, или радиальном направлении, обозначенном стрелкой 288, и относительно большую жесткость во втором, или осевом направлении, обозначенном стрелкой 290 (показанной на фиг. 11), перпендикулярном радиальному направлению 288. Таким образом, пружины 284 и 286 обеспечивают возможность перемещения поршня 260 в радиальном направлении 288, но при этом ограничивают его перемещение в осевом направлении 290.
[0064] На фиг. 13 изображен разрез демпферного узла 248 по линии «13-13», показанной на фиг. 12. Тракт 268 частично ограничен между уплотнительными стенками 270 и 272 и поршнем 260. Таким образом, тракт 268 образует непрерывный замкнутый контур вокруг поршня 260. Пружины 284 и 286 способствуют поддержанию выравнивания поршня 260 внутри полости 266 и, более конкретно, поддержанию расстояния между стенками 270 и 272 и поршнем 260. В результате тракт 268 может иметь относительно малое проходное сечение между поршнем 260 и стенками 270 и 272 с увеличением, таким образом, демпфирующей эффективности узла 248. Кроме того, пружины 284 и 286 препятствуют блокированию поршня 260 на месте благодаря сообщению ему восстанавливающего усилия при приложении нагрузки к поршню и ее снятии. Более того, поскольку пружины 284 и 286 выполнены за одно целое с кожухом 256, они по меньшей мере частично ограничивают тракт 268, что способствует получению компактной конструкции демпферного узла 248.
[0065] Корпус 264 имеет первую, или радиальную наружную стенку 292 и вторую, или радиальную внутреннюю стенку 294, противоположную первой стенке 292. Поршень 260 имеет первую, или радиальную наружную поверхность 296, по существу параллельную первой стенке 292, и вторую, или радиальную внутреннюю поверхность 298, по существу параллельную второй стенке 294. Первый регулируемый объем 278 имеет эффективную высоту 300, измеряемую как боковое расстояние между первой стенкой 292 и первой поверхностью 296. Аналогичным образом, второй регулируемый объем 280 имеет эффективную высоту 302, измеряемую как боковое расстояние между второй стенкой 294 и второй поверхностью 298. В иллюстративном варианте выполнения величины эффективных высот 300 и 302 первого и второго объемов 278 и 280 таковы, что приложение нагрузки к поршню 260 и ее снятие создает эффект сжатой пленки между текучей средой 258, первой стенкой 292, первой поверхностью 296, второй стенкой 294 и второй поверхностью 298 с увеличением тем самым демпфирующей эффективности узла 248. Более конкретно, в иллюстративном варианте выполнения каждый объем 278 и 280 имеет эффективную высоту в диапазоне от приблизительно 2 мил (0,002 дюйма или приблизительно 50 мкм) до приблизительно 150 мил (0,150 дюйма или приблизительно 3810 мкм), более конкретно, от приблизительно 15 мил (0,015 дюйма или приблизительно 381 мкм) до приблизительно 30 мил (0,030 дюйма или приблизительно 762 мкм).
[0066] В иллюстративном варианте выполнения текучая среда 258 представляет собой текучую среду на основе масла. Однако в качестве среды 258 может использоваться любая подходящая несжимаемая текучая среда в зависимости от области применения и условий эксплуатации, в которых используются подшипниковый узел 200 и/или демпферный узел 248. Например, в областях применения с высокими температурами среда 258 может представлять собой жидкий металл (в широком смысле - металлическую текучую среду), например галлий, индий или сплав на основе галлия и/или индия.
[0067] В иллюстративном варианте выполнения уплотнительные стенки 270 и 272 представляют собой пластины, прикрепленные к корпусу 264 с помощью крепежных средств (не показаны). Как вариант, стенки 270 и 272 имеют любую подходящую конфигурацию, обеспечивающую возможность работы демпферного узла 248 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе. Например, стенки 270 и 272 могут быть выполнены за одно целое с корпусом 264, или стенки 270 и 272 могут быть приварены к корпусу 264 с использованием любого подходящего способа сварки для образования герметического уплотнения между стенками 270 и 272 и корпусом 264.
[0068] В соответствии с фиг. 12 стрежень 262 предназначен для передачи нагрузок, сообщаемых узлу 204, к поршню 260. Более конкретно, второй конец 304 стержня 262, противоположный первому концу 282, присоединен к стойке 306 демпфера. Когда подшипниковый узел 200 находится в собранном состоянии (показанном на фиг. 3), стойка 306 расположена между демпферным узлом 248 и узлом 204 вкладыша так, что нагрузки, сообщаемые узлу 204, передаются к стойке 306, которая в свою очередь передает нагрузку к поршню 260 через стержень 262. Стойка 306 имеет форму, комплементарную форме узлов 204 и, соответственно, выполнена дугообразной. Стойка 306 выполнена с возможностью установки скольжением внутри направляющих 308 (показанных на фиг. 2 и 4), проходящих в радиально наружном направлении от стенки 212 кожуха 202.
[0069] Демпферный узел 248 также содержит кольцевую диафрагму 310, окружающую стержень 262 и образующую гибкое уплотнение на кожухе 256. Диафрагма 310 выполнена с обеспечением возможности перемещения стержня 262 в радиальном направлении 288 с одновременным поддержанием герметичного уплотнения кожуха 256. Диафрагма 310 прикреплена к корпусу 264 с помощью кольцевого фланца 312. В иллюстративном варианте диафрагма 310 выполнена за одно целое на стержне 262 и изготовлена из титана. В других вариантах выполнения диафрагма может быть изготовлена из любого подходящего материала, обеспечивающего возможность работы демпферного узла 248 в соответствии с описанием, приведенным в данном документе. В еще одном варианте выполнения диафрагма 310 изготовлена из резины и присоединена к стержню 262 путем вулканизации.
[0070] Несмотря на то что демпферные узлы согласно данному изобретению описаны в отношении подшипникового узла, используемого в турбомашине, они подходят для использования в различных устройствах, отличных от подшипниковых узлов и турбомашин. Соответственно, демпферные узлы согласно данному изобретению могут иметь любой подходящий размер, форму и конфигурацию, которые обеспечивают возможность их работы в соответствии с описанием, приведенным в данном документе.
[0071] Например, на фиг. 14 изображен вид в аксонометрии альтернативного демпферного узла 1400, а на фиг. 15 изображен разрез узла 1400, показанного на фиг. 14, на котором часть 1402 вырезана для пояснения. Узел 1400 аналогичен узлу 248 за исключением того, что узел 1400 имеет в целом прямоугольную форму и конфигурация пружин 1404 и 1406 узла 248 отличается от конфигурации пружин 284 и 286 узла 248.
[0072] На фиг. 16 изображена блок-схема иллюстративного способа 1600 сборки подшипникового узла, такого как подшипниковый узел 200 (показанный на фиг. 2). Фиг. 17 является продолжением фиг. 16.
[0073] В иллюстративном способе обеспечивают 1602 кожух 202 подшипника (показанный на фиг. 2), имеющий радиальную внутреннюю стенку и радиальную наружную стенку. Обеспечивают 1604 вкладыши 230 и/или 702 подшипника (показанные на фиг. 6 и 7), содержащие газопроницаемый пористый материал и/или массив газоснабжающих отверстий. В некоторых вариантах выполнения в качестве одного из вкладышей 230 и/или 702 может быть обеспечен 1606 вкладыш подшипника, изготовленный из угольного графита. Вкладыши 230 и/или 702 присоединяют 1608 вдоль радиальной внутренней стенки кожуха 202 подшипника. В некоторых вариантах выполнения вкладыши 230 и/или 702 могут быть проточно соединены 1610 с источником сжатого газа. Обеспечивают 1612 опорные узлы 206 для вкладышей подшипника (показанные на фиг. 2). Каждый опорный узел 206 содержит пружинный узел 246 и демпферный узел 248 (показанные на фиг. 8). В некоторых вариантах выполнения могут быть выполнены 1614 две пружины 250 и 252 (показанные на фиг. 10), выполненные за одно целое с кожухом 202 подшипника и образующие часть пружинного узла 246. Пружины 250 и 252 могут иметь S-образное поперечное сечение. Демпферные узлы 248 присоединяют 1616 внутри кожуха 202. В некоторых вариантах выполнения в качестве части опорного узла 206 может быть выполнен 1618 герметически уплотненный демпфер 248, заполненный текучей средой. Демпфер 248 может быть присоединен 1620 к вкладышу 230 и/или 702 подшипника так, что механические нагрузки, сообщаемые вкладышу 230 и/или 702, передаются к демпферу 248.
[0074] На фиг. 18 изображена блок-схема иллюстративного способа 1800 сборки герметически уплотненного демпферного узла, такого как демпферный узел 248 (показанный на фиг. 11-12). Фиг. 19 является продолжением фиг. 18.
[0075] В указанном иллюстративном способе обеспечивают 1802 кожух 256 демпфера (показанный на фиг. 11), содержащий корпус 264 с полостью 266, в которой выполняют ограничивающий проточный тракт 268 (показанные на фиг. 13). Корпус 264 содержит пружины 284 и 286 (показанные на фиг. 12), выполненное в нем за одно целое. Внутри полости 266 обеспечивают 1804 поршень 260 (показанный на фиг. 11), разделяющий полость 266 на первый регулируемый объем 278 и второй регулируемый объем 280 (показанные на фиг. 13), при этом тракт 268 обеспечивает проточное сообщение между первым объемом 278 и вторым объемом 280. Поршень 260 присоединяют к пружинам 284 и 286 так, что они обеспечивают приложение восстанавливающего усилия к поршню 260. В некоторых вариантах выполнения при обеспечении поршня 260 внутри полости 266 выполняют 1806 поршень 260 за одно целое внутри корпуса 264 кожуха 256. Полость 266 и тракт 266 заполняют 1808 вязкой текучей средой 258. В некоторых вариантах выполнения заполнение полости 266 и тракта 268 средой 258 может включать заполнение 1810 полости 266 и тракта 268 металлической текучей средой и/или текучей средой на основе масла. К поршню 260 присоединяют 1812 элемент 262, передающий нагрузку (показанный на фиг. 11), с обеспечением возможности передачи механических нагрузок элементом 262 к поршню 260. Способ 1800 может также включать герметическое уплотнение 1814 кожуха 256. В некоторых вариантах выполнения герметическое уплотнение 1814 кожуха 256 может включать присоединение 1816 торцевой стенки 270 (показанной ни фиг. 11) к корпусу кожуха 256 так, что тракт 268 по меньшей мере частично ограничен между поршнем 260 и стенкой 270.
[0076] Системы и способы, описанные выше, обеспечивают радиально-подшипниковые узлы, подходящие для использования в полноразмерных турбомашинах с немасляной смазкой. Варианты выполнения, описанные в данном документе, способствуют уменьшению сопротивления вращению радиально-подшипниковых узлов, используемых для поддержания роторных узлов в турбомашинах с немасляной смазкой, повышению износоустойчивости таких узлов, повышению их демпфирующей способности и способности выдерживать статические нагрузки. Более конкретно, в системах и способах, описанных в данном документе, используются пористые вкладыши подшипников и вкладыши подшипников, в которых выполнен массив газоснабжающих отверстий, в комбинации с демпферными узлами и пружинными узлами, совмещенными в осевом направлении. Следовательно, в радиально-подшипниковых узлах, описанных в данном документе, используется жесткая газовая пленка для поддержания роторного узла турбомашины и упруго установленные вкладыши подшипников для выдерживания динамической нагрузки, испытываемой подшипниковым узлом во время работы турбомашины. Кроме того, системы и способы, описанные в данном документе, обеспечивают демпферные узлы, подходящие для использования в турбомашинах и подшипниковых узлах с немасляной смазкой, а также в других безмасляных рабочих средах. Варианты выполнения, описанные в данном документе, способствуют размещению демпферных узлов на основе текучей среды в безмасляных рабочих средах и повышению демпфирующей способности таких узлов до уровней, приближающихся к демпфирующим способностям масляных демпферов на основе сжатой пленки. Более конкретно, в системах и способах, описанных в данном документе, используется герметически уплотненный кожух демпфера, заполненный текучей средой и имеющий замкнутый циркуляционный контур, в комбинации с пружинами, выполненными за одно целое. Таким образом, демпферные узлы, описанные в данном документе, имеют демпфирующие способности, подходящие для использования в полноразмерных турбомашинах, но при этом не требуют сложных циркуляционных контуров или уплотнительных узлов.
[0077] Иллюстративный технический эффект систем и способов, описанных в данном документе, заключается по меньшей мере в одном из следующего: (а) уменьшении сопротивления вращению радиально-подшипниковых узлов, используемых для поддержания роторных узлов в турбомашинах с немасляной смазкой, (b) повышению износоустойчивости таких узлов, (с) повышению их демпфирующей способности, (d) повышению их способности выдерживать статическую нагрузку и (е) повышении демпфирующей способности демпферных узлов, подходящих для использования в безмасляных рабочих средах.
[0078] Несмотря на то что конкретные элементы различных вариантов выполнения изобретения могут быть показаны на некоторых чертежах и не показаны на других чертежах, это сделано исключительно для удобства. В соответствии с принципами изобретения любой элемент чертежа может быть рассмотрен и/или заявлен в комбинации с другим элементом любого другого чертежа.
[0079] В приведенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или эквивалентные конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.