ЛИСТОВАЯ ПРУЖИНА
BOW SPRING

Область техники
Изобретение относится к машиностроению, в частности к упругим элементам лепестковых (ленточных) газодинамических подшипников, применяющихся в малогабаритных высокоскоростных турбомашинах.
Уровень техники
В лепестковых (ленточных) подшипниках между прилегающей к валу поверхностью тонкой ленты, называемой часто лепестком или верхней лентой, и поверхностью вала помимо зон контакта образуется один или несколько зазоров конфузорной формы. В этих зазорах при вращении вала возникает избыточное давление воздуха. При малой частоте вращения вала, во время разгона и остановки, когда избыточное давление воздуха мало, между поверхностью верхней ленты и валом в зонах контакта происходит сухое трение и износ поверхности верхней ленты и вала. При повышении частоты вращения вала давление в воздушном слое увеличивается, на месте контактных зон образуется тонкий слой воздуха и наступает газодинамический режим трения.
Радиальная жесткость опорной поверхности лепесткового подшипника, образованной обращенной к валу поверхностью верхней ленты, определяется устройством расположенных между корпусом подшипника и верхней лентой упругих элементов. Обычно в качестве таких упругих элементов используется специальная пружинная лента или группа таких лент, являющихся по сути листовыми пружинами и имеющих различную конструкцию.
Существенная особенность радиальных лепестковых подшипников, как подшипников с упругими опорными поверхностями, заключается в следующем. При малой частоте вращения со стороны ротора на подшипники действует в основном только нагрузка от веса ротора. Во время пуска и остановки ротора, при сухом трении между поверхностями цапфы вала и опорной поверхностью лепестковых газодинамических подшипников, снижение износа этих поверхностей может быть обеспечено увеличением площади контакта между поверхностями трения при достаточно равномерном контактном давлении, поскольку это снижает контактное давление, а износ, как известно, уменьшается при снижении контактного давления поверхностей трения. Большая площадь контакта с достаточно равномерным контактным давлением может быть обеспечена за счет малой и достаточно равномерно распределенной жесткости опорной поверхности подшипника. Жесткость опорной поверхности подшипника должна быть близкой к постоянной вдоль оси подшипника. При большой радиальной нагрузке на подшипник, которая может возникать при большой частоте вращения, малая радиальная жесткость опорной поверхности подшипника приводит к слишком большому смещению ротора в радиальном направлении, что заставляет увеличивать зазоры в проточных частях и уплотнениях турбомашины и приводит к снижению ее эффективности. Для обеспечения малого радиального смещения при большой нагрузке ротора необходимо, чтобы уже при нагрузке, незначительно превышающей нагрузку от веса ротора, жесткость опорной поверхности подшипника быстро возросла в несколько раз. При этом для обеспечения высокой предельной несущей способности подшипника также должна обеспечиваться достаточная равномерность жесткости опорной поверхности подшипника.
Известна листовая пружина, используемая в радиальном лепестковом подшипнике (патент США №5427455, кл. 384/106, 1995). Эта листовая пружина состоит из множества расположенных в одном ряду пластин - элементарных пружин, соединенных между собой по боковым сторонам перемычками, имеющих одинаковую длину между опорными краями. Множество таких листовых пружин расположены между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса подшипника и верхней лентой в окружном направлении. Ряд элементарных пружин каждой листовой пружины расположен вдоль оси вала от одного до другого края корпуса подшипника. Листовые пружины объединены в один пружинный блок - пружинную ленту. Эти листовые пружины обеспечивают достаточно равномерную жесткость опорной поверхности подшипника. При этом жесткость опорной поверхности близка к постоянной вдоль оси подшипника.
Недостатком указанной листовой пружины при использовании в лепестковом подшипнике является то, что она имеет практически постоянную зависимость жесткости от действующей со стороны верхней ленты нагрузки в очень большом диапазоне нагрузки. Жесткость пружины начинает постепенно возрастать только после прогиба пружины на величину, составляющую более половины от максимального прогиба, то есть от прогиба, когда пружина полностью прижата к корпусу подшипника. Нагрузка на подшипник, при которой начинается увеличение жесткости пружины, намного превышает нагрузку от веса ротора и близка или превосходит предельную несущую способность подшипника при большой частоте вращения. Таким образом, в большей части или во всем рабочем диапазоне нагрузок жесткость пружины и жесткость подшипника близки к постоянной величине. Соблюдение требований по малым величинам зазоров в проточных частях и уплотнениях турбомашины приводит к большой жесткости опорной поверхности подшипника при малой нагрузке, во время пуска и остановки ротора и повышенному износу поверхностей трения.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание листовой пружины, использование которой в лепестковом газодинамическом подшипнике обеспечивает технические результаты в виде снижения износа поверхностей трения вала и подшипника при пуске и остановке ротора, а при большой частоте вращения ротора обеспечивает малое радиальное смещение ротора в подшипнике под действием большой нагрузки и высокую предельную несущую способность подшипника.
Решение поставленной задачи достигается тем, что листовая пружина состоит из множества элементарных пружин, соединенных между собой перемычками по боковым сторонам, множество элементарных пружин состоит из нескольких частей, каждая из этих частей включает только элементарные пружины одинаковой длины, пружины из различных частей указанного множества имеют различные длины, при этом во множестве элементарных пружин чередование элементарных пружин таково, что они образуют две или более групп, состоящих из элементарных пружин различной длины.
Дополнительными техническими результатами использования указанной листовой пружины в лепестковых газодинамических подшипниках являются возможность задания различной величины максимального прогиба элементарных пружин и обеспечение удобства изготовления.
Достижение этих технических результатов обеспечивается тем, что элементарные пружины могут иметь дугообразную форму, в частности, элементарные пружины могут иметь цилиндрические поверхности с общей образующей и общей направляющей.
Другим техническим результатом использования указанной листовой пружины в лепестковых газодинамических подшипниках является повышение предельной несущей способности подшипников в случае воздействия на ротор в рабочих условиях больших консольных нагрузок.
Это повышение достигается за счет того, что элементарные пружины различной длины могут иметь различную ширину или элементарные пружины одинаковой длины могут иметь одинаковую ширину или элементарные пружины одинаковой длины могут иметь различную ширину. В частности, элементарные пружины одинаковой длины из одной части указанного множества могут иметь одинаковую ширину, а элементарные пружины одинаковой длины из другой части указанного множества могут иметь различную ширину.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена листовая пружина.
На фиг.2 представлен вид на листовую пружину в плане.
На фиг.3 представлена листовая пружина с элементарными пружинами, имеющими три различные длины.
На фиг.4 представлен блок листовых пружин.
На фиг.5 показано расположение блока листовых пружин в радиальном лепестковом подшипнике.
На фиг.6 и фиг.7 представлены разрезы подшипника, выполненные по плоскостям, проходящим перпендикулярно оси подшипника.
На фиг.8 представлен разрез подшипника, выполненный по плоскости, проходящей перпендикулярно оси подшипника, при действии на подшипник со стороны ротора значительной радиальной нагрузки.
На фиг.9 представлено распределение контактного давления вала на опорной поверхности подшипников в окружном направлении.
На фиг.10 представлено распределение контактного давления вала на опорной поверхности подшипников в осевом направлении.
На фиг.11, 12 представлены зависимости радиального смещения цапфы вала от нагрузки.
Варианты осуществления изобретения
На фиг.1 представлена предлагаемая листовая пружина.
Пружина, вырезанная из одной пластины, содержит множество элементарных дугообразных пружин 2 и 3. Элементарные пружины расположены в одном ряду так, что соседние элементарные пружины обращены друг к другу боковыми сторонами. Для удобства сборки подшипника и взаимного позиционирования элементарные пружины 2 и 3 соединены между собой по боковым сторонам перемычками 8.
Для задания различной величины максимального прогиба элементарных пружин и удобства изготовления поверхности 10 и 11 элементарных пружин 2 и 3 могут принадлежать общей цилиндрической поверхности пружины с образующей 15 и направляющей 16, имеющей дугообразную форму.
1
2
На фиг.2 показан вид на пружину сверху. Множество всех элементарных пружин состоит из двух частей. Одна часть этого множества содержит короткие элементарные пружины 2. Длина каждой пружины 2 между опорными краями равна L. Другая часть содержит длинные элементарные пружины 3. Длина каждой пружины 3 равна L. Элементарные пружины чередуются так, что образуют группы, состоящие из двух пружин различной длины. Каждая группа состоит из пружин 2 и 3.
3
4
5
На фиг.3 показан другой вариант листовой пружины. Множество всех элементарных пружин состоит из элементарных дугообразных пружин 21, 22 и 23. Длина всех пружин 21 составляет L. Все пружины 22 имеют длину L. Длина всех пружин 23 составляет L. Элементарные пружины чередуются так, что образуют группы, состоящие из трех пружин. Каждая группа состоит из пружин 21, 22 и 23. Элементарные пружины соединены между собой перемычками 28.
Так же как цилиндрические поверхности 10 и 11 элементарных пружин 2 и 3 (фиг.2), цилиндрические поверхности 31, 32 и 33 элементарных пружин 21, 22 и 23 (фиг.3) могут принадлежать общей цилиндрической поверхности листовой пружины.
При применении листовых пружин в лепестковых подшипниках для удобства сборки используются пружинные блоки, включающие несколько таких пружин и часто называемые пружинной лентой.
На фиг.4 показан вариант такого пружинного блока. Блок 36 выполнен из единой ленты. Он включает в себя несколько листовых пружин, отдельно показанных на фиг.1 и фиг.2. Листовые пружины соединяются между собой через расположенные по бокам блока перемычки 40.
На фиг.5 показано расположение пружинного блока 36 в радиальном лепестковом подшипнике. Пружинный блок располагается на внутренней поверхности 51 корпуса подшипника 50. Пружинный блок крепится к корпусу 50 при помощи сварки или любым другим возможным способом. На внутренней поверхности 51 корпуса подшипника в окружном направлении может быть установлено несколько таких пружинных блоков. Находящаяся внутри подшипника цапфа вала и верхняя лента (лепесток), располагающаяся между пружинным боком 36 и цапфой вала, не показаны.
На фиг.6 и фиг.7 представлены разрезы подшипника, выполненные по плоскостям, проходящим перпендикулярно оси подшипника через элементарную пружину 2 и элементарную пружину 3. Показана цапфа вала 53 и верхняя лента (лепесток) 55, расположенная между цапфой 53 и пружинным блоком 36. Элементы подшипника показаны при достаточно большой частоте вращения ротора, в режиме газодинамического трения, когда везде между верхней лентой 55 и цапфой имеется слой воздуха. При этом со стороны ротора на подшипники действует небольшая нагрузка, близкая к весовой нагрузке от ротора.
Лепестковый подшипник работает следующим образом. При вращении вала поверхность цапфы увлекает окружающий воздух из зоны 57 (фиг.6) с большой толщиной воздушного слоя между цапфой и упругим лепестком в зону 59 с малой толщиной воздушного слоя. При этом за счет действующих в воздухе сил вязкого трения по мере уменьшения толщины воздушного слоя в нем создается избыточное давление. При достижении некоторой частоты вращения величина этого давления становится достаточной для отрыва цапфы 53 от поверхности упругого лепестка 55 и возникает режим газодинамического трения.
Действующее в воздушном зазоре давление передает нагрузку со стороны цапфы вала на верхнюю ленту 55. Часть этой нагрузки передается от верхней ленты на одну из листовых пружин пружинного блока, показанную на фиг.6 и 7. Поскольку нагрузка со стороны цапфы вала небольшая, передача нагрузки от листовой пружины на корпус подшипника 50 происходит только через края 6 длинных элементарных пружин 2. Пружины 3 не касаются корпуса подшипника. Жесткость листовой пружины, равная сумме жесткостей длинных элементарных пружин 2, при этих условиях небольшая, т. к. ширина этих пружин невелика. Также небольшой является и жесткость обращенной к цапфе поверхности верхней ленты 55, являющейся опорной поверхностью подшипника, и жесткость всего подшипника.
Вращение вала с малой частотой при пуске и остановке, когда со стороны ротора на подшипники действует в основном только нагрузка от веса ротора, происходит при сухом трении между частью поверхности цапфы 53 и частью поверхности верхней ленты 55.
За счет малой жесткости опорной поверхности подшипника нагрузку со стороны вала будут воспринимать большее количество листовых пружин, чем при большой жесткости. Это увеличивает площадь поверхности трения, снижает контактное давление трущихся поверхностей и снижает их износ при пусках - остановах ротора, повышая ресурс подшипников. Распределение контактного давления вала на опорной поверхности в окружном направлении при сухом трении для подшипников с малой (кривая 60) и большой (кривая 61) жесткостью опорной поверхности при одинаковой нагрузке на подшипник представлено на фиг.9. Для малой жесткости опорной поверхности максимальное контактное давление меньше, поэтому меньше будет и скорость износа поверхностей трения, которая приблизительно пропорциональна величине контактного давления.
Поскольку малая нагрузка воспринимается только имеющими малую жесткость длинными элементарными пружинами 2, нагрузка от верхней ленты к листовой пружине 2 будет передаваться через небольшие зоны контактов между элементарными пружинами 2 и верхней лентой. Верхняя лента имеет в направлении вдоль оси подшипника определенную, хотя и не очень большую, изгибную жесткость, поэтому неравномерность распределения контактного давления вала на опорную поверхность сглаживается по сравнению с контактным давлением между листовой пружиной и верхней лентой. На фиг.10 представлено распределение контактного давления вала на опорную поверхность в осевом направлении при сухом трении для листовых пружин с малым (кривая 70) и большим (кривая 71) количеством длинных элементарных пружин 2 в листовой пружине при одинаковой нагрузке на подшипник. Видно, что максимальное контактное давление, а следовательно, и большая скорость износа будет в подшипнике с малым количеством длинных элементарных пружин. С увеличением количества элементарных пружин в листовой пружине равномерность контактного давления в осевом направлении повышается, а максимальное контактное давление снижается. Обычно относительная изгибная жесткость верхней ленты увеличивается с уменьшением размеров подшипника. Поэтому для подшипника малого размера достаточно равномерное контактное давление в осевом направлении обеспечивается при меньшем количестве элементарных пружин в листовой пружине. Минимальная ширина элементарных пружин может ограничиваться технологией изготовления, как правило, она не меньше толщины ленты, из которой изготавливается листовая пружина.
При большой радиальной нагрузке на подшипник, которая может возникать при большой частоте вращения, малая радиальная жесткость опорной поверхности подшипника приводит к слишком большому смещению ротора в радиальном направлении. Для предотвращения этого параметры длинных и коротких элементарных пружин листовой пружины рассчитываются таким образом, что после незначительного превышения нагрузки от веса ротора на подшипник прогиб листовой пружины достигает такой величины, что края 7 коротких элементарных пружин 3 упираются во внутреннюю поверхность 51 корпуса подшипника, как показано на фиг.8, где представлен разрез подшипника по плоскости, проходящей перпендикулярно оси подшипника через элементарную пружину 3. В этом случае жесткость листовой пружины будет равна сумме жесткостей длинных и коротких элементарных пружин 2 и 3. Поскольку длина короткой пружины меньше, а ширина существенно больше, чем ширина длинной пружины 2, жесткость короткой пружины значительно больше, чем жесткость длинной пружины. Поэтому жесткость подшипника, складывающаяся из жесткостей отдельных листовых пружин, значительно возрастает после достижения контакта краев 7 коротких пружин 3 с поверхностью корпуса подшипника. Высокая предельная несущая способность подшипника, т. е. максимальная несущая способность, при которой поддерживается режим газодинамического трения, обеспечивается при большой нагрузке за счет достаточной равномерности давления в воздушном слое в направлении оси подшипника. Эта равномерность достигается за счет достаточного количества коротких пружин в листовых пружинах. Влияние на неравномерность давления в воздушном слое количества коротких элементарных пружин аналогично влиянию на неравномерность контактного давления опорной поверхности количества длинных элементарных пружин, показанному на фиг.10.
max
max
На фиг.11 показаны зависимости смещение - нагрузка для подшипника с листовыми пружинами, имеющими элементарные пружины постоянной длины и для подшипника с листовыми пружинами, имеющими длинные и короткие элементарные пружины. Для обоих подшипников выполнено условие равенства радиального смещения вала в подшипнике е под действием максимальной нагрузки Р для обеспечения требуемых радиальных зазоров в проточных частях и уплотнениях турбомашины.
0
Как видно из графика, зависимость нагрузки от смещения для подшипника с элементарными пружинами одинаковой длины в листовой пружине близка к линейной вплоть до максимальной нагрузки, а жесткость подшипника К близка к постоянной. Такая зависимость следует из постоянства жесткости элементарной пружины при прогибе пружины вплоть до момента, когда радиус кривизны пружины в ее средней части станет равным радиусу вала. Из теоретических зависимостей для одномерного изгиба длинной пластины следует, что для прямоугольной элементарной пружины, длина которой мала по сравнению с радиусом вала, жесткость пружины начинает постепенно возрастать только после прогиба пружины на величину, составляющую 65% от максимального прогиба, то есть от прогиба, когда пружина полностью прижата к корпусу подшипника.
1
rot
2
max
max
Показанная на фиг.11 зависимость нагрузки от смещения для подшипника с длинными и короткими элементарными пружинами имеет два близких к линейным участка. На участке с малой жесткостью K жесткость опорной поверхности мала, что снижает износ при сухом трении во время пуска и остановки ротора. За счет заданной разности длины коротких и длинных элементарных пружин максимальная нагрузка на этом участке выбирается несколько большей, чем нагрузка P от веса ротора. Жесткость К второго участка подбирается за счет ширины коротких пружин таким образом, чтобы обеспечить заданное радиальное смещение вала в подшипнике е под действием нагрузки Р.
1
2
3
При очень больших нагрузках со стороны вала на лепестковый подшипник может возникать необходимость дополнительного увеличения жесткости. Для выполнения этой цели возможно использование листовой пружины, показанной на фиг.3. По мере возрастания нагрузки на подшипник со стороны вала с поверхностью корпуса подшипника сначала контактируют только длинные элементарные пружины 21 и жесткость подшипника минимальна. Затем, после достижения контакта элементарных пружин 22 с корпусом подшипника, жесткость подшипника увеличивается. Наконец, после достижения контакта корпуса подшипника с наиболее жесткими элементарными пружинами 23 жесткость подшипника еще более возрастает и достигает максимального значения. Характер зависимости радиального смещения цапфы вала от нагрузки для подшипника с такими листовыми пружинами показан на фиг.12. С ростом смещения жесткость подшипника возрастает, принимая последовательно значения K, К и К.
В случае значительных консольных радиальных сил, действующих на ротор турбо-машины в рабочем режиме, предельная несущая способность подшипника может быть повышена за счет неравномерного распределения жесткости листовых пружин вдоль оси подшипника. В этом случае элементарные пружины 2 имеют постоянную ширину, что позволяет воспринимать весовую нагрузку ротора равномерно и обеспечивать минимальный износ лепестков при пусках и остановах, когда консольные радиальные нагрузки отсутствуют. Элементарные пружины 3 имеют уменьшающуюся ширину и, следовательно, жесткость, к консольной части подшипника. При значительной консольной нагрузке на рабочем режиме радиальное перемещение ротора и деформация пружин 3 возрастают с удалением от центра. Уменьшение жесткости пружин 3 к консольной части подшипника приводит к более равномерному распределению нагрузки на подшипник вдоль его оси и повышению предельной несущей способности при консольной нагрузке.
Помимо описанного применения листовой пружины в радиальных лепестковых подшипниках, эта пружина может также применяться в качестве пружинных элементов, воспринимающих нагрузку со стороны ротора в осевых лепестковых газодинамических подшипниках.