РАДИАЛЬНЫЙ ЛЕПЕСТКОВЫЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК

Полезная модель относится к радиальным лепестковым газодинамическим подшипникам роторов высокоскоростных турбомашин с горячей турбиной, в частности, газотурбинных двигателей (ГТД).
Известен лепестковый газодинамический подшипник (патент US №7112036, F01D 3/04, F01D 15/10, опубл. 26.09.2006), который содержит корпус, цапфу, выполненную в форме втулки и расположенную в отверстии корпуса, податливые лепестки из металлической ленты, расположенные в кольцевом зазоре, выполненном между цапфой и корпусом. Для охлаждения подшипника используется воздух, поступающий из компрессора через подшипник на лопатки турбины. Часть охлаждающего воздуха проходит в кольцевом зазоре между корпусом подшипника и цапфой. Другая часть проходит для дополнительного охлаждения цапфы в кольцевом канале между цапфой и стяжным болтом ротора, расположенным в отверстии цапфы. Охлаждающий воздух проходит от более холодного торца подшипника к более горячему торцу, расположенному ближе к турбине, и нагревается в процессе движения.
Недостатком известного технического решения является то, что более холодный охлаждающий воздух сначала охлаждает расположенную дальше от турбины и более холодную часть подшипника. Подобное охлаждение приводит к большому температурному градиенту вдоль оси подшипника и вследствие тепловых деформаций может вызывать различное изменение в осевом направлении радиального зазора между цапфой и корпусом подшипника. Такое изменение радиального зазора в подшипнике снижает его несущую способность и надежность.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение несущей способности и надежности лепесткового газодинамического подшипника.
Указанный технический результат достигается тем, что в лепестковом газодинамическом подшипнике, содержащем корпус, цапфу, выполненную в форме втулки и расположенную в отверстии корпуса, податливые лепестки из металлической ленты, расположенные в кольцевом зазоре, выполненном между цапфой и корпусом, цапфа концентрично установлена на консольную часть диска турбины, упираясь своим «горячим» торцом в диск турбины, при этом между цапфой и консольной частью диска турбины выполнен кольцевой канал, сообщающийся с отверстием, расположенным в диске турбины у «горячего» торца цапфы, через расположенные в консольной части диска турбины радиальное отверстие и полость, и с кольцевым зазором через полость, расположенную у противоположного «холодного» торца цапфы, причем кольцевой канал выполнен с возможностью прохождения охлаждающего воздуха в осевом направлении от «горячего» торца к «холодному» торцу цапфы, а кольцевой зазор выполнен с возможностью прохождения охлаждающего воздуха в обратном направлении от «холодного» торца к «горячему» торцу цапфы.
Заявленная конструкция лепесткового газодинамического подшипника обеспечивает прохождение охлаждающего воздуха между цапфой и консольной частью диска турбины (валом) сначала в направлении от «горячего» торца подшипника к «холодному», а затем, между цапфой и корпусом, в направлении от «холодного» торца подшипника к «горячему», обеспечивает снижение разности радиального зазора по торцам лепесткового подшипника, возникающей в результате тепловых деформаций подшипника, что повышает несущую способность и надежность лепесткового газодинамического подшипника.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез лепесткового газодинамического подшипника.
Подшипник содержит цапфу 1, имеющую форму втулки и расположенную в отверстии корпуса 2 подшипника. По своей внутренней поверхности цапфа 1 установлена на консольной части 3 диска 4 турбины. В кольцевом зазоре между цапфой 1 и корпусом 2 в окружном направлении расположено несколько податливых лепестков 5, изготовленных из металлической ленты толщиной 0,1-0,2 мм. Лепестки 5 имеют в свободном состоянии цилиндрическую форму. Лепестки 5 закреплены в корпусе 2 одной стороной, расположенной в осевом направлении.
Один из торцов цапфы 1 («горячий» торец цапфы 1), прилегает к диску 4, а другой торец цапфы 1 («холодный» торец цапфы 1), расположен с ее противоположной стороны.
При невращающемся роторе лепестки 5 прижаты к цапфе 1. При вращающемся роторе в зазоре между лепестками 5 и цапфой 1 возникает избыточное давление, которое смещает лепестки 5 от цапфы 1 к корпусу 2 и контакт между цапфой 1 и лепестками 5 исчезает.
Между цапфой 1 и консольной частью 3 диска 4 турбины имеется кольцевой канал 6, соединяющий отверстие 7 в диске 4 и полость 8. Канал 6 сообщается с отверстием 7 через выполненные в консольной части 3 радиальное отверстие 9 и полость 10, расположенные у «горячего» торца цапфы 1. Также канал 6 сообщается через полость 8 с кольцевым зазором 11, выполненным между цапфой 1 и корпусом 2. Полость 8 расположена у «холодного» торца цапфы 1. Полость 8 отделена в осевом направлении от полости 10 заглушкой 12, закрепленной на торце консольной части 3. Между диском 4 и корпусом 2 расположена полость 13.
Кольцевой канал 6 выполнен с возможностью прохождения охлаждающего воздуха в осевом направлении от «горячего» торца цапфы 1 к «холодному» торцу цапфы 1, а кольцевой зазор 11 выполнен с возможностью прохождения охлаждающего воздуха в обратном направлении от «холодного» торца цапфы 1 к «горячему» торцу цапфы 1.
В штатном режиме работы турбины диск 4 нагревается до высокой температуры. От диска 4 нагревается цапфа 1 и корпус 2. При этом «горячий» торец цапфы 1 нагревается сильнее, поскольку расположен ближе к диску 4. Для снижения температуры подшипника используется охлаждающий воздух, отбираемый после одной из ступеней компрессора ГТД и поступающий через отверстие 7. Охлаждающий воздух проходит далее через полость 10, радиальное отверстие 9, кольцевой канал 6, полость 8, кольцевой зазор 11 между цапфой 1 и корпусом 2 и попадает в полость 13 между диском 4 и корпусом 2.
При движении по кольцевому каналу 6 от «горячего» торца цапфы 1 к «холодному» торцу цапфы 1 воздух постепенно нагревается. В зоне у «горячего» торца цапфы 1 более холодный воздух охлаждает более горячую часть цапфы 1, при этом повышенная разница температур воздуха и цапфы 1 приводит к ее более интенсивному охлаждению. В зоне у «холодного» торца цапфы 1 охлаждающий воздух охлаждает более холодную часть цапфы 1, при этом разница температур воздуха и цапфы 1 у ее «холодного» торца меньше, чем у «горячего» торца и цапфа 1 охлаждается менее интенсивно. Такой характер теплообмена приводит к более интенсивному охлаждению цапфы 1 у ее «горячего» торца и обеспечивает снижение разности температур «горячего» и «холодного» торцов цапфы 1. При дальнейшем движении охлаждающий воздух проходит через кольцевой зазор 6 между цапфой 1 и корпусом 2 от «холодного» к «горячему» торцу цапфы 1, обеспечивая снижение разности температур корпуса 2 подшипника у «горячего» и «холодного» торцов цапфы 1.
В целом по сравнению с обычным движением охлаждающего воздуха от «холодного» к «горячему» торцу цапфы 1 движение охлаждающего воздуха сначала от «горячего» к «холодному» торцу цапфы 1, затем в противоположном направлении приводит к снижению разности радиального зазора по торцам лепесткового подшипника, возникающей в результате тепловых деформаций подшипника и повышению несущей способности и надежности лепесткового газодинамического подшипника.