УПОРНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ
THRUST BEARING ASSEMBLY

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок.
Известен упорный подшипниковый узел, содержащий ротор с пятой, радиальный сегментный подшипник, корпус, многослойный вкладыш, состоящий из пористого упругого вибродемпфирующего материала и антифрикционного материала (см. RU №2301361, МПК H02K 5/16, 20.06.2007).
Известен также упорный подшипниковый узел, включающий кольцеобразную пяту, подпятник, размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха (см. RU №110565, МПК H02K 5/16, 20.11.2011 г.).
При использовании упорного подшипникового узла в мощных турбомашинах необходимо увеличивать диаметр пяты упорного подшипникового узла для получения необходимой несущей способности узла, что приведет к высоким окружным скоростям пяты и к значительным потерям на трение в этом узле ввиду малости осевого зазора в нем (мощность трения в упорном газостатическом подшипнике обратно пропорциональна осевому зазору между пятой и подпятником).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности упорного подшипникового узла в рабочем режиме, а также надежный запуск и останов турбомашины.
Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности упорного подшипникового узла в рабочем режиме (с уменьшением в нем потерь на трение, вплоть до вентиляционных), надежном запуске, турбомашины, снижении деформации зазора в упорном подшипниковом узле от высокого давления наддува газа, в демпфировании колебаний ротора турбомашины, обусловленных осевыми газодинамическими силами турбины и компрессора.
Указанный технический результат достигается тем, что упорный подшипниковый узел, включающий кольцеобразную пяту, подпятник, размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха, отличающийся тем, что подпятник образован корпусом подпятника, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса, при этом на дне цилиндрической выемки размещены сектора упругой прокладки с опертыми на них секторами газостатических подшипников, образующих, соответственно, кольцо упругой прокладки и кольцо из немагнитного материала, при этом сторона секторов газостатических подшипников, обращенная к пяте, снабжена выемкой с плоским дном, образованной буртиками по периметру сектора газостатического подшипника, причем в выемке каждого сектора зафиксированы секторные постоянные магниты с формированием схемы Хальбаха, для чего использованы магниты, намагниченные в осевом и тангенциальном направлениях, при этом магниты, намагниченные в осевом направлении, размещены между контактирующими с ними боковыми стенками постоянными магнитами, намагниченными в тангенциальном направлении, при этом поперечному сечению накладок придана T-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков секторов газостатических подшипников, при этом внешняя поверхность секторных постоянных магнитов составляет одну плоскость, обращенную к пяте, выполненной из немагнитного материала, с образованием с нею рабочего зазора газостатического подшипника, кроме того, в объеме секторов подшипника выполнена система сообщающихся каналов малого диаметра с возможностью подачи в нее сжатого воздуха от внешнего источника, выходные отверстия которой сообщены со сквозными отверстиями, выполненными в секторных постоянных магнитах, сообщающимися с рабочим зазором газостатического подшипника. Кроме того пята выполнена полой и снабжена внутренним силовым каркасом. При этом упругая прокладка выполнена из стали с кольцевыми гофрами, заполненными привулканизированным с обеих сторон слоем резины или полиуретана. Кроме того постоянные магниты выполнены из сплава неодим-железо-бор. При этом секторные постоянные магниты скреплены с секторами подшипника клеем. Кроме того поверхность пяты, обращенная к подпятнику, покрыта слоем высокоэлектропроводного материала, например меди, и выполнена с высокой чистотой обработки поверхности.
Сопоставительный анализ предложенного технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие, что «подпятник образован корпусом подпятника, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса», обеспечивают фиксацию в корпусе всех элементов, работоспособность подшипника (упругой прокладки и частей газостатического подшипника).
Признаки, указывающие, что «на дне цилиндрической выемки размещены сектора упругой прокладки с опертыми на них секторами газостатических подшипников» и образуют «соответственно, кольцо упругой прокладки и кольцо из немагнитного материала», обеспечивают независимость перемещений каждого сектора газостатического подшипника, что гарантирует необходимый осевой зазор в упорном подшипниковом узле при монтаже и в рабочем состоянии и облегчает монтаж секторных постоянных магнитов в секторах газостатического подшипника.
Признаки, указывающие, что «сторона секторов газостатических подшипников, обращенная к пяте, снабжена выемкой с плоским дном, образованной буртиками по периметру сектора газостатического подшипника», обеспечивают возможность надежной фиксации вкладышей газостатического подшипника, в этих выемках.
Признаки, указывающие, что «в выемке каждого сектора зафиксированы секторные постоянные магниты с формированием схемы Хальбаха, для чего использованы магниты, намагниченные в осевом и тангенциальном направлениях, при этом магниты, намагниченные в осевом направлении, размещены между контактирующими с ними боковыми стенками постоянными магнитами, намагниченными в тангенциальном направлении», позволяют дополнительно к газостатическим силам обеспечить значительные электродинамические силы отталкивания при вращении пяты без прилипания секторных постоянных магнитов к пяте. Это повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла. При этом схема намагничивания (схема Хальбаха) секторных постоянных магнитов обеспечивает увеличение магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора упорного подшипникового узла для получения значительных электродинамических сил.
Признаки, указывающие, что «поперечному сечению накладок придана T-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков секторов газостатических подшипников, при этом внешняя поверхность секторных постоянных магнитов составляет одну плоскость, обращенную к пяте, выполненной из немагнитного материала, с образованием с нею рабочего зазора газостатического подшипника», формируют монтажный зазор в газостатическом подшипнике, препятствуют перемещению секторов газостатических подшипников в осевом направлении, а жесткое скрепление секторных постоянных магнитов и секторов подшипника, способствует уменьшению деформации поверхности газостатического подшипника и восприятию им высоких нагрузок.
Признаки, указывающие, что в упорном подшипниковом узле «в объеме секторов подшипника выполнена система сообщающихся каналов малого диаметра с возможностью подачи в нее сжатого воздуха от внешнего источника, выходные отверстия которой сообщены со сквозными отверстиями, выполненными в секторных постоянных магнитах, сообщающимися с рабочим зазором газостатического подшипника», позволяют организовать подачу сжатого воздуха в рабочий зазор газостатического упорного подшипника и уменьшить деформации осевого зазора от действия высокого давления газа в этих каналах.
Признак, указывающий, что в упорном подшипниковом узле «пята выполнена полой и снабжена внутренним силовым каркасом», способствует снижению массы и массовых моментов инерции ротора турбомашины, что ведет к уменьшению динамических нагрузок от гироскопического момента при вибрации корпуса турбомашины, а также улучшает динамические характеристики ротора при пуске и остановке турбомашины.
Признак, указывающий, что «упругая прокладка выполнена из стали с кольцевыми гофрами, заполненными привулканизированным с обеих сторон слоем резины или полиуретана», обеспечивает необходимую жесткость и демпфирование упругой подложки узла в рабочем состоянии, а также гашение колебаний ротора, обусловленных осевыми газодинамическими силами турбины и компрессора за счет рассеивания энергии колебаний резиной или полиуретаном.
Признак, указывающий, что «постоянные магниты выполнены из сплава неодим-железо-бор», обеспечивает возникновение значительных электродинамических сил, обусловленных взаимодействием вихревых токов, наведенных в пяте магнитным полем секторных постоянных магнитов, с полем этих магнитов, что повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла.
Признак, указывающий, что «секторные постоянные магниты и сектора подшипника скреплены клеем», обеспечивает монолитность секторных постоянных магнитов с секторами подшипника и, тем самым, обеспечивают работоспособность конструкции.
Признак, указывающий, что «поверхность пяты, обращенная к подпятнику, покрыта слоем высокоэлектропроводного материала, например меди, и выполнена с высокой чистотой обработки поверхности», обеспечивает увеличение вихревых токов и, тем самым, электродинамических сил.
На фиг.1 показан продольный разрез, а на фиг.2, 3, 4 - поперечные разрезы упорного подшипникового узла по секторам подшипника, постоянным магнитам и по пяте, соответственно. На фиг.5 показан поперечный разрез сектора подшипника.
На чертежах показаны корпус 1, кольцевой выступ 2, упругая прокладка 3, кольцевые гофры 4, секторы 5 подшипника, металлические немагнитные накладки 6, пята 7, буртик 8, постоянные магниты 9, 10, 11, рабочий зазор 12, внутренний силовой каркас 13, радиальные отверстия 14, тангенциальные каналы 15, штуцеры 16, уплотнительные кольца 17, 18, осевые отверстия 19 в корпусе 1, осевые отверстия 20 в секторах 5 подшипника, осевые отверстия 21 в секторных постоянных магнитах 9, 10, 11, крышки 22, заглушки 23.
Упорный подшипниковый узел состоит из подпятника и пяты. Подпятник образован корпусом 1, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом 2 по периметру корпуса 1. На дне цилиндрической выемки закреплена упругая прокладка 3 в виде пластины, которая деформирована с образованием кольцевых гофров 4 из стали с заданными упругими свойствами, например, 36НХТЮ8М, заполненными привулканизированным слоем резины или полиуретана. На упругую прокладку 3 оперты сектора газостатического подшипника, образующие, соответственно, кольцо упругой прокладки 3 и кольцо из немагнитного материала, состоящие из металлических немагнитных секторов 5, расположенных равномерно по окружности между радиально ориентированными металлическими немагнитными накладками 6, закрепленными на корпусе 1 подпятника. При этом сторона секторов 5 газостатических подшипников, обращенная к пяте 7, снабжена выемкой с плоским дном, образованной буртиками 8 по периметру сектора газостатического подшипника. В выемке каждого сектора 5 подшипника равномерно распределены по окружности и зафиксированы (например, клеем) несколько секторных постоянных магнитов 9, выполненных, например, из сплава неодим-железо-бор, намагниченных в осевом направлении, и контактирующие с ними секторные постоянные магниты 10, 11, намагниченные в тангенциальном направлении (вдоль окружности). Внешняя поверхность секторных постоянных магнитов 9, 10, 11 составляют одну плоскость, обращенную к пяте 7, с образованием с нею рабочего зазора 12. Пята 7 выполнена полой из немагнитного электропроводного материала и снабжена внутренним силовым каркасом 13.
В объеме каждого сектора 5 подшипника выполнена система сообщающихся радиальных отверстий 14 и тангенциальных 15 каналов с возможностью подачи в них сжатого воздуха от внешнего источника (на чертеже не показан) через штуцеры 16 с надетыми на них уплотнительными кольцами 17, 18. Штуцеры 16 могут свободно перемещаться в осевых отверстиях 19 корпуса 1 в пределах деформации гофры 4. Диаметр радиальных отверстий 14 сектора 5 должен быть как можно меньше, но площадь их проходного сечения должна превышать суммарную площадь отверстий 20 сектора 5 и отверстий 21 в три-пять раз, а площадь проходного сечения тангенциального канала 15 сектора 5 должна быть больше или равна суммарной площади проходного сечения радиальных отверстий 14 сектора 5, что позволит уменьшить деформации осевого рабочего зазора 12 от действия высокого давления газа в этих отверстиях.
В радиальных отверстиях 14 секторов 5 подшипника выполнены осевые отверстия 20, сообщающиеся с осевыми отверстиями 21, в секторных постоянных магнитах 9, 10, 11, выходящих в рабочий зазор 12 газостатического подшипника. Тангенциальные каналы 15 закрыты крышками 22, радиальные отверстия 14 снабжены заглушками 23. Газостатический подшипник образован обращенными друг к другу торцевыми поверхностями секторных постоянных магнитов 9, 10, 11 и пяты 7 и зазором 12 между ними. Секторные постоянные магниты 9, 10, 11 и пята 7 образуют упорный магнитный подшипник.
Упорный подшипниковый узел собирают в следующем порядке. Предварительно изготавливают корпус 1 подпятника с отверстиями 19 и сектора 5 подшипника с радиальными отверстиями 14 и тангенциальными каналами 15. Тангенциальный канал 15 закрывают крышкой 22 и обваривают ее по периметру, а затем зачищают сварные швы. В корпусе 1 подпятника закрепляют (на клей) упругую прокладку 3 необходимой жесткости, которую предварительно штампуют для образования кольцевых гофров 4 и термически обрабатывают, а к гофрам 4, в свою очередь, привулканизируют с двух сторон резину или полиуретан. В сектора 5 подшипника вклеивают секторные постоянные магниты 9, 10, 11. Далее шлифуют наружную поверхность секторных постоянных магнитов 9, 10, 11 и покрывают ее немагнитным антифрикционным материалом, например, ВАП-2. Сверлят осевые питающие отверстия 21 в секторных постоянных магнитах 9, 10, 11 и осевые отверстия 20 в секторах 5 подшипника, прочищают их и устанавливают с торцов радиальных отверстий 14 заглушки 23. На упругую прокладку 3 равномерно по окружности устанавливают (на клей) металлические немагнитные сектора 5 подшипника и между ними устанавливают радиально ориентированные металлические немагнитные накладки 6, которые фиксируют, например, винтами. Собранный подпятник устанавливают в корпусе турбомашины, монтируют ротор и на него устанавливают пяту 7.
Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. Перед началом вращения пяты 7 через отверстия 19 в корпусе 1, штуцеры 16, в секторах 5 подшипника подают под высоким давлением смазывающий (очищенный и охлажденный) газ от внешнего компрессора или из ресивера. Этот газ поступает в тангенциальные каналы 15, распределяется по радиальным отверстиям 14 секторов 5 подшипника, а затем через осевые питающие отверстия 20 в секторах 5 подшипника и осевые отверстия 21 в секторных постоянных магнитах 9, 10, 11 поступает в рабочий зазор 12 подшипникового узла. В результате этого пята 7 всплывает на газовом смазочном слое. При вращении пяты 7 дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных в пяте 7 магнитным полем секторных постоянных магнитов 9, 10, 11 с полем этих магнитов. Осевая составляющая электродинамических сил действует отталкивающим образом между пятой 7 и секторными постоянными магнитами 9, 10, 11. Эта сила суммируется с силами газостатического подшипника, действующими на пяту 7. В результате увеличивается осевой рабочий зазор 12 в подшипнике за счет деформации гофры 4, упругой прокладки 3 и при этом значительно снижается трение в подшипнике ввиду увеличения осевого зазора в подшипнике. Гофра 4 и демпфирующая подложка 3 также позволяют компенсировать температурную деформацию пяты 7. Тангенциальная составляющая электродинамической силы оказывает тормозящее воздействие, но она незначительна. С увеличением линейной скорости на поверхности пяты отталкивающая составляющая электродинамической силы увеличивается, а тормозящая - уменьшается. Для увеличения вихревых токов в пяте 7 и, следовательно, электродинамической силы упорного подшипникового узла применяется омеднение поверхности пяты, обращенной к секторным постоянным магнитам 9, 10, 11, а также обработка этой поверхности с высокой чистотой.
При двусторонней симметричной конструкции упорного подшипникового узла электродинамическая и газостатическая составляющие силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению пяты от равновесного положения и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).