Комбинированный радиальный подшипник с широким диапазоном рабочих скоростей и нагрузок (варианты)
COMBINED RADIAL BEARING WITH WIDE RANGE OF WORKING SPEEDS AND LOADS (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к комбинированным опорам, состоящим из подшипника качения и подшипника скольжения с газовой смазкой, используемым для радиальной подвески валов низко- и высокоскоростных радиально нагруженных валов различного назначения - турбохолодильников, турбодетандеров, электрогенераторов, турбин летательных аппаратов, наземных, надводных и подводных транспортных объектов и т.д.
Из научно-технической литературы и стандартов подшипников ГОСТ 520 2002, ГОСТ 831 75, ГОСТ Р 52859 2007 известны открытые и закрытые шарикоподшипники качения, в которых часть подшипника, являющаяся опорой, фиксирует положение оси вала в пространстве и обеспечивает вращение. Закрытый подшипник качения дополнен одним или двумя уплотнениями, одной или двумя защитными шайбами или их комбинациями.
Общим недостатком шариковых подшипников качения является их ограниченная нагрузочная способность в радиальном направлении и высокая чувствительность к осевым нагрузкам. Высокая скорость вращения вала ведет к выходу подшипников качения из строя из-за динамических нагрузок и усталостных напряжений.
Из уровня техники известен роликовый подшипник качения (патент RU 2522783 С2, приоритет от 21.09.2012 г.), который содержит наружное и внутреннее кольца с цилиндрическими дорожками качения, имеющими буртики, тела качения в виде роликов, сепаратор для разделения роликов. Концы роликов имеют сферическую форму с радиусом сферы, равным радиусу ролика. Буртики, выполненные по одному на каждой из противоположных сторон дорожек качения относительно вертикальной оси подшипника, исполнены таким образом, что профиль дорожек качения является сопрягаемым с профилем роликов. Каждая дорожка качения дополнительно снабжена выступом, выполненным на противоположной от буртика стороне и также сопрягаемым с профилем роликов. Высота выступа выбрана исходя из возможности сборки подшипника, в частности, за счет нагрева наружного кольца. Преимущества - снижение момента трения, возникающего при работе подшипника, а также повышенная по сравнению с шарикоподшипниками нагрузочная способность подшипника как в радиальном, так и в осевом направлении. Недостатки - сравнительно низкая скорость вращения подшипника, обусловленная его перегревом при высоких скоростях.
В области современных микротурбинных технологий также известны лепестковые газодинамические подшипники, относящиеся к подшипникам скольжения с газовой смазкой, например, патент RU 2350794 С1, приоритет от 13.08.2007 г. Подшипник содержит корпус с втулкой и верхний лепесток, расположенный в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью втулки и цапфой, представляющий собой податливую упругую ленту, простирающуюся в окружном направлении вокруг цапфы и обращенной своей внутренней поверхностью к цапфе. В кольцевом пространстве между внутренней поверхностью втулки и цапфой, имеются расположенные в окружном направлении две или более упругодемпферные секции, состоящие из упругих пружинных элементов. Эти элементы прилегают наружными сторонами к поверхности втулки подшипника, а внутренними сторонами - к упруго податливым лепесткам, расположенным в кольцевом пространстве между наружной поверхностью верхнего лепестка и внутренними поверхностями пружинных элементов. При этом каждая секция содержит два или более лепестка. В рассмотренной конструкции достигается повышение амортизационной способности лепесткового газодинамического подшипника. Недостатком указанного подшипника является ограниченное количество циклов пуск (разгон) - останов (торможение) для радиально нагруженных валов турбомашин, поскольку в процессе разгона и торможения происходят перегрев, износ и разрушение покрытия упругой рабочей поверхности лепестков.
Из уровня техники известен лепестковый подшипник, применяемый в микротурбинных разработках Capstone (патент US 5915841, МПК F16C 17/12, F16C 17/03, F16C 27/02, опубл. 1999), который поддерживает вал ротора генератора на слое воздуха. В микротурбинных установках Capstone воздушный подшипник состоит из двух компонентов: внешняя часть выполнена из особого высокотемпературного сплава, имеет цилиндрическую форму, а внутренняя часть представляет собой тонкую волнообразную цилиндрическую оболочку (гофрированный упругий элемент, выполняющий роль пружины), над которой расположена лента. Пружины обеспечивают необходимую жесткость и податливость опоры. Благодаря формируемой при движении вала форме поверхности ленты, обращенной к валу, при скорости вращения свыше 2000 об/мин образуется воздушная пленка, которая отделяет вал от ленты подшипника и защищает его от износа, одновременно обеспечивая необходимую несущую способность газодинамической опоры. Такая конструкция подшипника обеспечивает длительный срок эксплуатации - до 60000 часов до капитального ремонта.
Недостатком такого подшипника является ограниченное количество циклов пуск (разгон) - останов (торможение) микротурбинной установки из-за износа и повреждения рабочей поверхности ленты и невозможность работы машины на низких оборотах.
Известна комбинированная опора (прототип), патент РФ №2525497, приоритет от 10.01.2013 г., МПК F16C 21/00. Указанное техническое решение основано на комбинации подшипников скольжения и качения. В корпусе комбинированной опоры установлены подшипники качения. На внутренней поверхности корпуса выполнены пазы, в которых установлены колодки и упругие элементы, служащие элементами установки и крепления вала на наружном кольце подшипника качения в моменты пусков и остановов. На наружное кольцо подшипника качения надето кольцо из антифрикционного материала. Также в корпусе установлен круговой гофрированный элемент и упругий лепесток, образующий с антифрикционной втулкой, расположенной на наружной поверхности вала, радиальный лепестковый газодинамический подшипник скольжения, являющийся опорой при работе агрегата на основном режиме.
Недостатками указанного решения-прототипа являются:
1. Применение данного вида опор возможно только на торцевых (глухих) сторонах короткого вала турбомашин, так как внутреннее кольцо подшипника закреплено в опоре неподвижного корпуса агрегата.
2. При радиальной нагрузке, вследствие упругой деформации тарельчатой пружины, наружная поверхность вала при пуске всегда будет контактировать с упругим лепестком в нижней плоскости касания, что неизбежно будет приводить к износу покрытий лепестка и втулки, пусть даже в облегченном режиме. Следует также отметить, что при трогании вала с места и его разгоне, из-за кругового смещения подвижных колодок с антифрикционным напылением, по замыслу имеющих форму концентрических сегментов, наружная (внешняя) поверхность колодок будет скользить и истирать тарельчатые пружины, а возникающие ударные биения и вибрация из-за быстро изменяющихся и противоположно направленных сил в тарельчатой пружине вверху и гофрированного элемента и лепестка внизу будут ускорять износ упругих трущихся пружинных элементов, что сведет на нет замыслы заявителей. В то же время увеличение радиальных нагрузок роторных машин с протяженными валами ставит под сомнение использование такого вида конструкций подшипниковых опор, т.к. протяженные валы турбомашин, нагруженные функциональными агрегатами (компрессор, турбина, генератор и т.д.), требуют установки нескольких опор по длине ротора.
3. Обеспечение предустановленного зазора между упругими лепестками и антифрикционной втулкой вала в статике ухудшит работу подшипника скольжения в газодинамическом режиме, поскольку максимальная несущая способность подшипника достигается при минимальной толщине воздушной пленки, не превышающей долей и единиц микрометров.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение нагрузочной способности подшипников при малых и высоких скоростях вращения ротора при сохранении высокой амортизирующей способности, надежности и долговечности при многократности циклов пусков-остановов роторных машин.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в комбинированном радиальном подшипнике, содержащем разъемный корпус с концентрично размещенными в нем закрытым подшипником качения и газодинамическим подшипником скольжения, согласно изобретению наружная поверхность внутреннего кольца закрытого подшипника качения выполнена с антифрикционным покрытием, наружное кольцо закрытого подшипника качения зафиксировано неподвижно в гнезде разъемного корпуса, корпус-втулка газодинамического подшипника скольжения неподвижно установлена на валу, а на ее внешней стороне выполнены секционные пазы с установленными в них пружинными элементами или без них, упругими лепестками с антифрикционным покрытием, обращенными к внутреннему кольцу закрытого подшипника качения, при этом устройство дополнительно содержит защитные шайбы, неподвижно установленные на одном из колец закрытого подшипника качения, а на поверхности вращения внутреннего и наружного колец подшипника качения посередине с обеих сторон выполнены кольцевые проточки, сообщающиеся через радиальные отверстия в разъемном корпусе закрытого подшипника качения с магистралью сжатого воздуха (газа).
Также указанный технический результат может быть достигнут за счет того, что в комбинированном радиальном подшипнике, содержащем разъемный корпус с концентрично размещенными в нем подшипником качения и газодинамическим подшипником скольжения, согласно изобретению во внутреннем кольце подшипника качения посередине его поверхности вращения с обеих сторон выполнены кольцевые проточки, соединяемые между собой радиальными отверстиями, наружная поверхность внутреннего кольца подшипника качения выполнена с антифрикционным покрытием, при этом наружное кольцо подшипника качения зафиксировано неподвижно в гнезде разъемного корпуса, корпус-втулка газодинамического подшипника скольжения неподвижно установлена на валу, а на ее внешней стороне выполнены секционные пазы с установленными в них пружинными элементами или без них, упругими лепестками с антифрикционным покрытием, обращенными к внутреннему кольцу подшипника качения, при этом устройство дополнительно содержит воздухозаборные шайбы, неподвижно установленные на торцевой поверхности внутреннего кольца подшипника качения.
Также секционные пазы корпус-втулки могут дополнительно иметь кольцевые проточки и радиальные отверстия, соединяемые через радиальные отверстия и осевое отверстие в валу с вакуумной магистралью.
Газодинамический подшипник скольжения сконструирован по обращенной схеме, его корпус выполнен в виде втулки, установленной тугой посадкой на вал.
При работе в газодинамическом режиме воздушный слой образуется между лепестками и наружной поверхностью внутреннего кольца подшипника качения. Лепестковый подшипник скольжения может иметь и иные аналогичные или близкие к ним комбинации упругих элементов, описанные в известных источниках информации. Радиальный роликовый подшипник качения (см. аналог патент РФ 2522783 С2, приоритет от 21.09.2012 г.) имеет закрытое исполнение, на внутреннем кольце подшипника закреплены защитные шайбы, обеспечивающие ему герметичность.
Воздухозаборные шайбы устанавливаются неподвижно на торцевой поверхности внутреннего кольца подшипника качения, например методом контактной сварки.
Предлагаемая новая конструкция комбинированного подшипника представляет собой интеграцию газо-статодинамического (газодинамического, дополненного внешним нагнетанием газа в зазор) подшипника скольжения и подшипника качения. Роль цапфы выполняет лепестковый подшипник, установленный по обращенной схеме на вал турбомашины, совместно с наружной антифрикционной поверхностью внутреннего кольца подшипника качения, обеспечивающий достаточно большую скорость вращения при создании воздушного слоя. В то же время подшипник качения, наружное кольцо которого жестко закреплено в корпусе турбомашины, обеспечивает режим пуска, режим работы при низких скоростях вращения вала, старт газового подшипника, а также режим торможения и останова вала ротора.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на чертеже представлен поперечный разрез предлагаемой конструкции комбинированного подшипника.
Комбинированный радиальный подшипник (см. чертеж) содержит подшипник качения 1 (например, роликовый, специальной формы, как в аналоге, для обеспечения больших осевых и радиальных нагрузок), устанавливающийся наружным кольцом неподвижно в гнездо разъемного корпуса 2. На валу 3 прессовой посадкой установлена корпус-втулка 4 газодинамического подшипника скольжения, в которой изготовлены секционные пазы 5 с установленными в них пружинными элементами 6, зафиксированными упругими лепестками 7 с антифрикционным покрытием. Также устройство содержит защитные шайбы 8, установленные на одном из колец закрытого подшипника качения 1, вместе с которым образует закрытую герметичную конструкцию. Во внутреннем и внешнем кольце подшипника качения 1 и разъемном корпусе 2 выполнены радиальные отверстия 9, 10 и 16, а также кольцевые проточки 11, 14 и 15, сообщающиеся через штуцер 12 с каналом подачи сжатого воздуха или инертного газа через клапан (не показано).
Согласно второму варианту, комбинированный радиальный подшипник содержит подшипник качения 1 (например, роликовый), устанавливающийся наружным кольцом неподвижно в гнездо разъемного корпуса 2. На валу 3 прессовой посадкой установлена корпус-втулка 4 газодинамического подшипника, в которой изготовлены секционные пазы 5 с установленными в них пружинными элементами 6, зафиксированными упругими лепестками 7 с антифрикционным покрытием. Также устройство содержит воздухозаборные шайбы 13, установленные на торцевой поверхности внутреннего кольца подшипника качения 1. Кроме того, внутреннее кольцо подшипника качения 1 имеет на внутренней и наружной поверхностях кольцевые проточки 14 и 15, соединяемые радиальными отверстиями 16.
Также, по первому и второму вариантам, вал 3 может иметь осевое отверстие 17, сообщающееся с радиальными отверстиями 18 и 19 в корпус-втулке 4, имеющей кольцевую проточку 20, для соединения через клапан с вакуумной системой (не показано).
Перед началом работы комбинированного роликового подшипника на вал 3 в сборе с корпус-втулкой 4, пружинными элементами 6 и упругими лепестками 7 устанавливается подшипник качения 1 таким образом, чтобы внутреннее кольцо подшипника качения 1 вошло в цилиндрическую часть корпуса-втулки 4 газодинамического подшипника скольжения, не нарушая положения пружинных элементов 6 и упругих лепестков 7. Для точной и жесткой фиксации взаимного положения подшипника качения 1 и корпуса-втулки 4 газодинамического подшипника скольжения могут использоваться стопорные кольца, устанавливаемые на валу 3 турбомашины, и регулировочные кольца в разъемном корпусе 2 подшипника качения 1 (не показаны). После сборки на валу 3 узлов ротора (генератора, компрессорного и турбинного колеса и комбинированных подшипников) и его балансировки агрегат устанавливается в гнездо разъемного корпуса 2 подшипника качения 1 и далее в корпус турбомашины.
Комбинированный радиальный подшипник работает следующим образом.
При трогании с места вала 3 вместе с ним начинает синхронно вращаться обжатый упругими лепестками 7 газодинамического подшипника скольжения подшипник качения 1. При этом внешнее кольцо подшипника качения 1, установленное в гнезде разъемного корпуса 2, остается неподвижным.
При разгоне вала 3, а с ним и подшипника качения 1, устройство стабильно работает в режиме низких оборотов, при этом колебания от корпуса машины и вала 3 ротора будут демпфироваться пружинными элементами 6 и упругими лепестками 7, что обеспечит стабильную и надежную работу агрегата.
По первому варианту, с увеличением скорости вращения подшипника качения 1 до 2000 об/мин, включается газовый клапан и начинает поступать сжатый воздух, например, из компрессорной камеры турбины, или инертный газ через редуктор от баллона высокого давления на штуцер 12, установленный в гнезде разъемного корпуса 2 подшипника качения 1. Через радиальные отверстия 9, 10 и кольцевые проточки 11, а также кольцевые проточки 14, 15 и радиальное отверстие 16 сжатый воздух (инертный газ) создает усилие на упругие лепестки 7 в зоне контакта с наружной поверхностью внутреннего кольца подшипника качения 1, отгибая их от первоначального положения до образования окружной щели, заполненной воздухом, тем самым создавая газостатический подвес вала 3. Скорость вращения вала 3 резко возрастет вследствие разницы коэффициента трения качения и трения скольжения воздушного слоя и будет определяться параметрами привода, поскольку коэффициент трения скольжения на воздухе менее 0,00001 (для сравнения: коэффициент трения для подшипников качения составляет порядка 0,001). Создание клиновидного слоя между внутренним кольцом подшипника качения 1 и упругими лепестками 7 с отключением сжатого воздуха обеспечит переход в газодинамический режим с резким повышением скорости вращения вала 3 турбомашины - турбина переходит в рабочий режим высоких оборотов.
По второму варианту, с увеличением скорости вращения вала 3 ротора турбины, а с ним и подшипника качения 1, возрастает давление воздуха внутри подшипника качения 1 за счет воздухозаборных шайб 13, установленных с обеих сторон на внутреннем кольце подшипника качения 1. В качестве рабочей среды может быть использован очищенный и охлажденный воздух с компрессора турбомашины или инертный газ. При дальнейшем увеличении числа оборотов и повышении давления воздуха через кольцевые проточки 14, 15 и радиальное отверстие 16 во внутреннем кольце подшипника качения 1 создается усилие на упругие лепестки 7 вдоль всей внешней поверхности внутреннего кольца подшипника качения 1, отгибающее их от первоначального положения. В определенный момент усилие станет достаточным для образования окружной щели, по которой потечет воздух, тем самым создается газостатический подвес вала 3. Скорость вращения вала 3 резко возрастет за счет разницы коэффициентов трения качения и скольжения и будет определяться параметрами привода, поскольку коэффициент трения скольжения по воздуху будет менее 0,00001 (для сравнения коэффициент трения для подшипников качения составляет порядка 0,001). В то же время внутреннее кольцо подшипника качения 1 будет продолжать вращаться еще некоторое время за счет вращающегося воздушного потока в зазоре, созданном сжатым воздухом. Резкое возрастание скорости вращения вала 3 переводит работу подшипника качения 1 в газодинамический режим, в котором в дальнейшем вал 3 будет поддерживаться во «всплытом» состоянии. При этом скорость вращения кольца подшипника качения 1 начнет убывать и в дальнейшем кольцо будет вращаться в произвольном режиме низких оборотов за счет сопротивления воздухозаборной шайбы 13 набегающему воздуху. На работу газодинамического подшипника скольжения это явление существенно не повлияет, поскольку уже образовался воздушный клин и скорость вала достаточно велика. Можно отметить, что образованию определенной гладкой формы воздушного зазора будут способствовать центробежные силы инерции, приближающие пружинные элементы 6 и упругие лепестки 7 к наружной поверхности внутреннего кольца подшипника качения 1, которые будут увеличиваться с ростом скорости вращения вала 3 турбомашины. В то же время усилие, создаваемое центробежными силами, будет оставаться на несколько порядков ниже усилия, создаваемого в клиновидном слое, и поэтому не повлияет на минимальную толщину газовой пленки.
Поддерживающим эффектом для создания воздушного слоя и «всплытия» вала при высоком усилии обжатия пружинными элементами 6 и упругими лепестками 7 внутреннего кольца подшипника качения 1 в случае значительных радиальных нагрузок является создание кратковременного разрежения в секционных пазах 5 корпус-втулки 4 газодинамического подшипника скольжения, передаваемого по осевому отверстию 17, радиальным отверстиям 18 и 19 и кольцевой проточке 20 с вакуумной магистралью. При этом пружинные элементы 6, охваченные упругими лепестками 7 с антифрикционным покрытием, будут отжиматься в радиальном и осевом направлении, тем самым, создавая зазор для образования воздушного слоя.
При торможении наблюдаются следующие процессы. По первому варианту, с исчезновением крутящего момента на валу 3 обороты ротора начнут снижаться. Когда скорость вращения вала 3 будет превышать скорость вращения подшипника качения 1 менее чем на 1500-2000 об/мин, исчезнет газодинамический клин, прекратится газодинамический режим работы опорного узла. Касание упругих лепестков 7 газодинамической опоры внутреннего кольца подшипника качения 1 вызовет кратковременный набор оборотов последним. Комбинированный подшипник плавно перейдет в кратковременный переходный режим проскальзывания до выравнивания окружных скоростей поверхностей упругих лепестков 7 газодинамического подшипника скольжения и внутреннего кольца подшипника качения 1 (до момента обжатия упругими лепестками 7 внутреннего кольца подшипника качения 1).
По второму варианту, исчезновение воздушного клина, вызванное снижением оборотов вала 3, обеспечит касание сопрягаемых рабочих поверхностей упругих лепестков 7 газодинамического подшипника скольжения и внутреннего кольца подшипника качения 1, произойдет набор оборотов подшипника качения 1 с возможным возникновением кратковременного газостатического режима из-за вновь образовавшегося воздушного слоя, создаваемого воздухозаборной шайбой 13 подшипника качения 1. При дальнейшем снижении оборотов вала 3 и выравнивании окружных скоростей подшипника качения 1 и газодинамического подшипника скольжения произойдет касание антифрикционных покрытий поверхностей, обжатие упругими лепестками 7 наружной поверхности внутреннего кольца подшипника качения 1, после чего синхронное вращение вала 3 будет продолжаться за счет вращения подшипника качения 1 вплоть до его останова.
На наружную поверхность внутреннего кольца подшипника качения 1 и на упругие лепестки 7 нанесено антифрикционное покрытие, например, из дисульфида молибдена, защищающее рабочие поверхности газодинамической опоры комбинированного подшипника в переходных режимах.
Таким образом, радиально нагруженный комбинированный подшипник, обеспечивающий работу роторного узла в широком диапазоне скоростей от старта (пуска) до номинальной скорости, представляющий собой интеграцию газодинамического подшипника скольжения и подшипника качения, позволяет значительно повысить число циклов пусков-остановов, обеспечить скоростной диапазон работы машины и нагрузочную способность опорного узла, обеспечить долговечность и надежность при сохранении стабильных параметров работы оборудования за счет перекрываемого дублирования работы подшипника качения и подшипника скольжения.
Предлагаемый комбинированный подшипник также обеспечит высокую ремонтную доступность роторных машин, т.к. вал ротора всегда остается защищенным от «задиров», а возможный ремонт сводится к замене подшипников качения и лепестков газодинамического подшипника. Описанные варианты подразумевают работу комбинированного подшипника в нескольких режимах: качения, газостатическом, смешанном (гибридном) и в газодинамическом.