Радиально-упорный подшипниковый узел
ANGULAR CONTACT BEARING ASSEMBLY

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок, работающих как по замкнутому, так и по открытому циклам, при высоких давлениях наддува в подшипниках и высоких градиентах температур, а также генераторов.
Известна конструкция гидростатического радиально-упорного подшипникового узла, содержащая корпус, в полости которого с возможностью вращения установлен вал, снабженный уплотнительным кольцом и жестко закрепленный на опорной пяте, причем корпус снабжен радиальными и торцовыми карманами, сообщенными с внешним источником (см. а.с. СССР № 233364, МПК F16C 32/06, 1968 г.).
Недостатком известного решения является низкая несущая способность гидростатического радиально-упорного подшипникового узла.
В качестве ближайшего аналога принят радиально-упорный подшипниковый узел, содержащий вал, жестко соединенный с опорной пятой, полый корпус, в полости которого установлена втулка с питающими отверстиями для подачи сжатого газа в рабочие зазоры подшипника, и дополнительный подшипник, причем вал с возможностью вращения размещен в полости втулки (см. а.с. СССР № 614259, МПК F16C 32/06, F16C 29/02, 1978 г.).
Недостатком ближайшего аналога является невозможность использования подшипникового узла при высоких частотах вращения из-за больших габаритов, а также невозможность восприятия радиальных нагрузок.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение высокой несущей способности радиального-упорного подшипникового узла в рабочем режиме при уменьшении в нем потерь на трение и восприятие осевых нагрузок.
Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности радиально-упорного подшипникового узла в рабочем режиме при уменьшении в нем потерь на трение и небольших массогабаритных характеристиках, надежном запуске турбомашины, а также повышении устойчивости ротора к «полускоростному вихрю» путем дополнительного демпфирования автоколебаний за счет установки уплотнительных колец.
Поставленная задача решается тем, что радиально-упорный подшипниковый узел, содержащий вал, жестко соединенный с опорной пятой, полый корпус, в полости которого установлена втулка с питающими отверстиями для подачи сжатого газа в рабочие зазоры подшипника, и дополнительный подшипник, причем вал с возможностью вращения размещен в полости втулки, отличается тем, что продольная ось вала ориентирована горизонтально, на опорной пяте жестко зафиксирована цапфа, которая с возможностью вращения размещена в полости втулки, причем торцы втулки снабжены уплотнительными кольцами, кроме того, корпус выполнен с двойными коаксиальными стенками, в зазоре между которыми размещены втулка и цапфа, разделенные вкладышем из антифрикционного материала, а в зазоре между внутренней стенкой корпуса и валом установлен дополнительный радиально-упорный подшипник, кроме того, в нижней части корпуса, на поверхности его внутренней стенки, обращенной к цапфе, с образованием рабочего зазора зафиксированы планки, выполненные из постоянных магнитов с чередующимися радиальными противоположно направленными направлениями намагниченности, причем внутренняя стенка корпуса и цапфа выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью.
Кроме того, планки, выполненные из постоянных магнитов, имеют одинаковую угловую длину.
Кроме того, планки, выполненные из постоянных магнитов, размещены симметрично относительно центральной продольной оси вала.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «продольная ось вала ориентирована горизонтально» обеспечивает восприятие радиальным газостатическим подшипником радиальных нагрузок от веса ротора.
Признаки «на опорной пяте жестко зафиксирована цапфа, которая с возможностью вращения размещена в полости втулки» обеспечивают формирование цапфы радиального газостатического подшипника.
Признак «торцы втулки снабжены уплотнительными кольцами» исключает утечки газа из камеры высокого давления радиального газостатического подшипника и повышает устойчивость ротора за счет внешнего демпфирования автоколебаний.
Признаки «корпус выполнен с двойными коаксиальными стенками, в зазоре между которыми размещены втулка и цапфа, разделенные вкладышем из антифрикционного материала» формируют радиальный газостатический подшипник для восприятия радиальных нагрузок от веса ротора.
Признаки «в зазоре между внутренней стенкой корпуса и валом установлен дополнительный радиально-упорный подшипник» формируют радиально-упорный страховочный подшипник, обеспечивающий выбег ротора при аварийных режимах работы подшипникового узла.
Признаки «в нижней части корпуса, на поверхности его внутренней стенки, обращенной к цапфе, с образованием рабочего зазора зафиксированы планки, выполненные из постоянных магнитов с чередующимися радиальными противоположно направленными направлениями намагниченности» формируют магнитную систему пассивного магнитного подшипника.
Признаки «внутренняя стенка корпуса и цапфа выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью» позволяют замкнуть магнитный поток между внутренней стенкой корпуса и цапфой и направить его в зону рабочего зазора, тем самым обеспечивая высокую несущую способность пассивного магнитного подшипника.
Признаки первого зависимого пункта формулы обеспечивают наиболее полное использование энергии постоянных магнитов пассивного магнитного подшипника.
Признак второго зависимого пункта формулы обеспечивает направление основной части магнитного потока в зону рабочего зазора и создает суммарную составляющую горизонтальных сил притяжения пассивного магнитного подшипника равной нулю, а суммарную составляющую вертикальных сил равной статической нагрузке, приходящейся на пассивный магнитный подшипник.
На фиг.1 и 2 показаны соответственно продольный и поперечный разрезы радиально-упорного подшипникового узла.
На чертежах показаны вал 1, опорная пята 2, корпус 3 и его внутренняя стенка 4, втулка 5 с питающими отверстиями 6, дополнительный радиально-упорный подшипник 7, цапфа 8, уплотнительные кольца 9 втулки 2, вкладыш 10 из антифрикционного материала, рабочий зазор 11 между планками 12 из постоянных магнитов и цапфой 8, подпятник 13 упорного газостатического подшипника, стопорная гайка 14 радиального газостатического подшипника, стопорное кольцо 15 дополнительного радиально-упорного подшипника 7, осевое отверстие 16 подачи газа в радиальный и упорный газостатические подшипники, радиальное отверстие 17 подачи газа в камеру высокого давления 18 радиального газостатического подшипника, питающие отверстия 19 упорного газостатического подшипника, смазочный зазор 20 радиального газостатического подшипника.
Радиально-упорный подшипниковый узел содержит полый корпус 3 с двойными коаксиальными стенками, в зазоре между которыми размещены втулка 5 и цапфа 8, разделенные вкладышем 10 из антифрикционного материала, например, углеситалла.
Также в корпусе 3 выполнено осевое отверстие 16, которое сообщается с камерой высокого давления 18 через радиальное отверстие 17.
При этом цапфа 8 из материала с высокой магнитной проницаемостью (например, из сплава 48 КНФ) жестко зафиксирована на опорной пяте 2 и размещена с возможностью вращения в полости втулки 5, снабженной питающими отверстиями 6, расположенными радиально, и торцы которой снабжены уплотнительными кольцами 9.
Вал 1, продольная ось которого ориентирована горизонтально, жестко зафиксирован на опорной пяте 2 и размещен с возможностью вращения в полости, ограниченной внутренней стенкой 4 корпуса 3, выполненной из материала с высокой магнитной проницаемостью (например, из сплава 48 КНФ).
Причем в зазоре между внутренней стенкой 4 корпуса 3 и валом 1 установлен дополнительный радиально-упорный подшипник 7, а в нижней части корпуса 3, на поверхности его внутренней стенки 4, обращенной к цапфе 8, с образованием рабочего зазора 11 зафиксированы планки 12 из постоянных магнитов, намагниченные в радиальном направлении.
Планки 12 из постоянных магнитов могут быть ориентированы вдоль продольной оси корпуса 3 (и иметь трапециевидную форму поперечного сечения) или перпендикулярно ей (и иметь прямоугольную форму поперечного сечения), при этом ориентация планок 12 существенно не влияет на несущую способность радиально-упорного подшипникового узла.
Изготавливают и собирают радиально-упорный подшипниковый узел следующим образом.
В корпусе 3 сверлят осевое 16 и радиальное 17 отверстия подачи газа.
Во втулку 5 вклеивают вкладыш 10 из антифрикционного материала и радиально сверлят в ней питающие отверстия 6. На втулку 5 устанавливают уплотнительные кольца 9, вставляют собранный узел в корпус 3 и фиксируют стопорной гайкой 14.
Устанавливают в корпус 3 дополнительный радиально-упорный подшипник 7 и фиксируют его стопорным кольцом 15. Вклеивают в корпус 3 подпятник 13 упорного газостатического подшипника. Изготавливают опорную пяту 2 с цапфой 8 и валом 1. Устанавливают опорную пяту 2 в корпус 3.
Радиально-упорный подшипниковый узел работает следующим образом.
Планки 12 из постоянных магнитов рассчитываются и устанавливаются с таким расчетом, чтобы их сила притяжения, направленная по вертикальной оси вверх, была приблизительно равна силе тяжести ротора, приходящийся на один пассивный магнитный подшипник, а горизонтальная составляющая этой силы в сумме была бы равна нулю.
Перед началом вращения цапфы 8 через осевое отверстие 16, радиальное отверстие 17 газ поступает в камеру высокого давления 18 радиального газостатического подшипника и через питающие отверстия 6 втулки 5 поступает в смазочный зазор 20 радиального газостатического подшипника.
Цапфа 8 всплывает под воздействием силы притяжения пассивного магнитного подшипника и давления газового смазочного слоя радиального газостатического подшипника.
Газ через систему питающих отверстий 16 и 19 подается в зазор упорного газостатического подшипника между корпусом 3 и опорной пятой 2.
Дополнительный радиально-упорный подшипник 7 включается в работу только при значительных перегрузках, так как установлен с образованием зазора между указанным подшипником и валом 1.
Предложенный радиально-упорный подшипниковый узел обладает низкими потерями на трение, так как пассивный магнитный подшипник имеет большой радиальный зазор, а радиальный газостатический подшипник имеет малый диаметр, а газ имеет малую вязкость, кроме того, радиальный газостатический подшипник может работать в газодинамическом режиме, так основную статическую нагрузку воспринимает пассивный магнитный подшипник.
Статическая нагрузка от действия силы тяжести ротора уравновешивается силой притяжения от постоянных магнитов в вертикальной плоскости, а горизонтальная сила притяжения пассивного магнитного подшипника в сумме равна нулю, а динамические нагрузки на ротор воспринимаются газовым смазочным слоем. Тепловые расширения цапфы минимальны, так как потери на трение в радиально-упорном подшипниковом узле незначительны.
Магнитная часть предлагаемого радиально-упорного подшипникового узла воспринимает статическую нагрузку, приходящуюся на пассивный магнитный подшипник, а газостатическая ее часть автоматически реализует отрицательную обратную связь по отклонению цапфы от соосного положения относительно точки подвижного равновесия цапфы в радиальном газостатическом подшипнике и не требует установки дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).