Подшипниковый узел (варианты)
BEARING ASSEMBLY (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к машиностроению, в частности к подшипникам скольжения с газовой смазкой, используемым в опорах роторов высокоскоростных турбомашин.
Предшествующий уровень техники
Ленточные газодинамические подшипники являются подшипниками скольжения с газовой смазкой. Одна из поверхностей скольжения ленточного подшипника представляет собой одну или несколько изготовленных из металла или другого подходящего материала тонких лент, в дальнейшем верхних лент, расположенных между частью ротора и корпусом подшипника, воспринимающем нагрузку на подшипник от ротора, выполняемым обычно отдельно от корпуса турбомашины и закрепленным относительно корпуса турбомашины. Верхняя лента образует со стороны ротора поверхность скольжения, которая обычно покрывается антифрикционным покрытием для снижения износа. Другой поверхностью скольжения обычно является поверхность вращения части ротора, входящей в состав подшипника, имеющая цилиндрическую, плоскую или коническую форму. При смещении верхней ленты под действием ротора со стороны ленты возникает сила реакции подшипника, противоположная смещению ленты. Эта сила обычно может создаваться за счет деформации самой верхней ленты, или за счет упругого элемента, расположенного между верхней лентой и корпусом подшипника и передающего нагрузку со стороны верхней ленты на корпус подшипника. Упругим элементом обычно может являться часть соседней верхней ленты, специальная имеющая складки гофрированная лента, или, например, лист упругого материала, например, резины.
Вращающимся элементом для радиального подшипника является цапфа, имеющая обычно цилиндрическую поверхность скольжения. Радиальный подшипник воспринимает нагрузку, направленную в радиальном направлении, т.е. перпендикулярно оси ротора. Вращающимся элементом для осевого подшипника является упорный диск, имеющий обычно плоскую поверхность скольжения. Осевой подшипник воспринимает нагрузку, направленную в направлении оси ротора.
При невращающемся роторе между поверхностью скольжения ротора и верхней лентой имеется контакт и контактное давление. При вращении ротора между верхней лентой и ротором образуется смазочный слой с избыточным давлением и контактное давление уменьшается. После достижения некоторой скорости, называемой скоростью всплытия, избыточное давление полностью отжимает верхнюю ленту от поверхности ротора и контакт между ротором и верхней лентой исчезает.
Подшипник обладает несущей способностью, пока поверхность ротора в подшипнике полностью отделена от верхней ленты смазочным слоем и контакт между ними отсутствует. Подшипник достигает предельной несущей способности, когда дальнейшее повышение нагрузки на подшипник приводит к возникновению контакта между поверхностями скольжения в подшипнике. При превышении несущей способности подшипника возникает контакт между ротором и верхней лентой.
Для обычного подшипника с одной или несколькими гофрированными лентами существует определенная повреждающая гофрированную ленту нагрузка на подшипник, равная нагрузке на подшипник, при которой начинается пластическая деформация одной или нескольких гофрированных лент. Обычно повреждающая нагрузка значительно больше, чем несущая способность подшипника. Однако при некоторых нагрузках, например, ударных, нагрузка на подшипник может превысить повреждающую нагрузку. Если нагрузка на подшипник для вращающегося или невращающегося ротора, равная нагрузке на гофрированные ленты, превышает повреждающую нагрузку, после устранения нагрузки на подшипник гофрированная лента не принимает первоначальную форму и подшипник изменяет свои характеристики. Степень этого изменения и ухудшения характеристик подшипника зависит от степени превышения повреждающей нагрузки.
Обычно избыточное давление в смазочном слое ленточного подшипника создается за счет создания профиля смазочного слоя в форме клина, сходящегося в направлении вращения ротора.
В некоторых ленточных подшипниках избыточное давление создается за счет канавок малой глубины, порядка десятков микрометров, изготовленных на верхней ленте или возникающих на ней под действием давления смазочного слоя. Канавки расположены неперпендикулярно, или под наклоном к направлению движения поверхности части ротора, входящей в состав подшипника, подобно канавкам в подшипниках с жесткими поверхностями, чтобы генерировать избыточное давление в смазочном слое. Для повышения давления в смазочном слое при наличии канавок не требуется смазочного слоя в форме сходящегося клина.
В патенте США №4415280 для повышения демпфирования гофрированная лента скреплена одним краем в направлении вдоль гребня гофрированной ленты с верхней лентой, при этом другой конец гофрированной ленты остается свободным. В патенте США №6726365 для повышения демпфирования гофрированная лента закреплена одним краем в направлении вдоль гребня гофрированной ленты с корпусом подшипника, при этом другой конец ленты гофрированной остается свободным. В патенте США №5,902,049 для повышения демпфирования гофрированная лента закреплена одним краем в направлении вдоль гребня гофрированной ленты с опорной лентой, расположенной между гофрированной лентой и корпусом, при этом другой конец ленты гофрированной остается свободным. Эти варианты конструкций, повышают демпфирование, однако существует необходимость дальнейшего повышения демпфирования ленточных подшипников.
Для ленточных подшипников желательной является относительно небольшая жесткость при малой нагрузке на подшипник, поскольку это позволяет распределить нагрузку от цапфы на большей площади ленты и уменьшить износ. При увеличении нагрузки на подшипник жесткость должна возрастать. Под термином жесткость здесь и далее подразумевается отношение приращения нагрузки на подшипник к смещению вращающегося элемента подшипника в направлении приложения этой нагрузки.
Один из способов уменьшения жесткости подшипника при малом эксцентриситете предложен в патенте США.№5902049, где гофрированная лента имеет чередующиеся в окружном направлении складки в различной высоты, так что при малом эксцентриситете происходит деформация только волн, или складок, имеющих большую высоту и больший шаг между выступающими частями гофр. Однако увеличение шага приводит к уменьшению соотношения высоты и длины арочной части гофры, снижению пути скольжения между трущимися частями и снижению фрикционного демпфирования. Кроме того, такой способ может быть использован только для гофрированных лент специальной конструкции, имеющих плоские части и выступающие в одну сторону от плоских частей арочные части. Для обычной волнообразной ленты такой способ не подходит.
Эффект повышения давления в смазочном слое за счет канавок использован в осевом ленточном подшипнике, показанном в патенте США №4116503. Канавки выполнены травлением на верхней ленте - тонкой податливой мембране. Для повышения износостойкости подшипника при пуске и останове необходимо нанесение антифрикционного покрытия на выступающую часть поверхности подшипника с канавками. Нанесение твердого износостойкого покрытия на податливую мембрану достаточно сложно, так как возникают проблемы прочного соединения покрытия с мембраной. Твердые износостойкие антифрикционные покрытия практически не используются в обычных ленточных подшипниках. При использовании мягкого покрытия, которое обычно применяется в ленточных подшипниках, возникает проблема изготовления канавок в мягком покрытии и стабильности их формы при эксплуатации подшипника.
Эффект повышения давления в смазочном слое за счет канавок использован в ленточном радиальном подшипнике, показанном в патенте США №5902049, где канавки образуются при деформации под действием давления смазочного слоя цилиндрической поверхности верхней ленты над стыками отдельных гофрированных лент, где в месте стыков радиальная жесткость минимальна и стыки расположены в елочном порядке. Однако в таком подшипнике трудно обеспечить приближение к оптимальным параметрам подшипника с канавками, так как желательно, чтобы количество канавок было больше десяти, а это приводит к уменьшению длины гофрированных лент и снижению их демпфирования.
Использование известного варианта с канавками на поверхности ротора для ленточного подшипника с верхней лентой, имеющей мягкое антифрикционное покрытие, приведет к резкому росту износа антифрикционного покрытия при пусках, остановах и контактах при возможных кратковременных ударных и других больших случайных нагрузках, превышающих несущую способность подшипника. Причиной такого износа является деформация податливой верхней ленты подшипника во время сухого трения между этой лентой и ротором. При этом часть ленты, расположенной напротив канавки на поверхности ротора, выпучивается и попадает в пространство канавки, и уступ, образованный переходом от дна канавки к выступающей части между канавками упорного диска, интенсивно срезает мягкое антифрикционное покрытие.
Увеличение демпфирования ленточного подшипника может быть достигнуто также за счет повышения демпфирования смазочного слоя, которое происходит при уменьшении средней толщины смазочного слоя. Однако при возрастании частоты вращения цапфы в обладающем податливостью ленточном подшипнике средняя толщина смазочного слоя возрастает из-за роста давления в смазочном слое. При этом демпфирование смазочного слоя падает.
Для увеличения жесткости ленточного подшипника, увеличения его демпфирования за счет повышения фрикционного демпфирования и демпфирования смазочного слоя во многих конструкциях ленточных подшипников используется пассивный преднатяг, независящий от режима работы подшипника. Пассивный преднатяг достигается, например, за счет того, что верхние ленты подшипника без цапфы имеют такую форму, что выступают в пространство, которое занимает в собранном подшипнике цапфа, и при сборке цапфа с силой отжимает верхние ленты в радиальном направлении. Такая конструкция представлена, например, в патенте США №5427455, где верхняя лента является плоской в недеформированном состоянии. Однако пассивный преднатяг имеет ограничение, так как при увеличении преднатяга возрастает контактное давление верхних лепестков на цапфу и возрастает износ при пуске и останове ротора, когда между цапфой и верхними лепестками имеет место сухое трение.
В патенте США 4445792 используется ленточный подшипник без гофрированных лент с устройством управления преднатягом. Подшипник содержит верхние ленты, каждая из которых закреплена с одной стороны в шпонке, имеющей привод, поворачивающий синхронно все шпонки так, что верхние ленты могут поворачиваться прижиматься к цапфе и увеличивать преднатяг или поворачиваться в другом направлении и уменьшать преднатяг. При пуске и останове привод создает малый преднатяг для снижения износа, при рабочем режиме - повышенный преднатяг для увеличения жесткости подшипника. Такая конструкция имеет ограниченные возможности по увеличению преднатяга, поскольку верхние ленты имеют малую изгибную жесткость. Демпфирование смазочного слоя подшипника при увеличении преднатяга возрастает слабо, так как толщина смазочного слой между каждой верхней лентой и цапфой уменьшается в узкой зоне напротив закрепления верхней ленты в шпонку.
В патенте США 6953283 ленточный подшипник без гофрированных лент с нагрузочным устройством для управления преднатягом содержит множество верхних лент, в которые упираются со стороны корпуса подвижные стержни. При разгоне и останове ротора стержни отодвинуты от цапфы и верхние ленты прижаты к цапфе с малой силой, что уменьшает износ при пуске и останове. При большой частоте вращения стержни придвигаются к цапфе и толкают верхние ленты, увеличивая преднатяг и жесткость подшипника. Однако демпфирование смазочного слоя подшипника возрастает при этом слабо, так как толщина смазочного слоя между каждой верхней лентой и цапфой уменьшается в узкой зоне напротив контакта стержня с верхней лентой. Использование подобных толкающих стержней в подшипниках с гофрированной лентой также не приведет к росту демпфирования и ухудшит характеристики подшипника, поскольку верхняя лента в этих подшипниках имеет малую толщину и будет выпучиваться в зоне контакта с толкающими стержнями, снижая несущую способность подшипника.
В патенте США №6024491 гофрированные ленты опираются на воздушные камеры, в которые подается сжатый воздух для компенсации радиального смешения ротора. Однако достаточно большой объем воздушных камер чрезмерно снижает жесткость и демпфирование такого подшипника.
В патенте США №5911511 показан радиальный ленточный подшипник с вкладышем, содержащем самоустанавливающиеся части, упирающиеся в корпус подшипника, содержащий верхние ленты и гофрированные ленты между верхней лентой с вкладышем, позволяющий компенсировать перекос подшипника относительно цапфы. Однако конструкция такого подшипника не допускает возможности управления преднатягом во время работы и тем самым ограничивает возможности по увеличению жесткости и демпфирования подшипника.
В патенте США №7614792 показан радиальный ленточный подшипник-уплотнение с вкладышем, содержащем части, выполненные в виде отдельных друг от друга сегментов. Одной из задач этого изобретения является облегчение сборки подшипника в случаях, когда сложно установить в корпус турбомашины весть вкладыш подшипника одновременно и легче собрать его в корпусе турбомашины по частям. Однако в ленточном подшипнике с вкладышем необходимо устанавливать во вкладыш также гофрированные ленты и верхние ленты. Это обычно удобнее сделать до установки вкладыша в корпус турбомашины, после чего вкладыш вместе с собранными в него гофрированными и верхними лентами можно установить в корпус турбомашины или промеуточный корпус подшипника. Конструкции подшипников с вкладышем, показанные в патенте США №5911511 и 7614792, части которого имеют возможность относительного смещения, не допускают такой отдельной сборки.
В патентах США №7614792 и 5915841 показаны устройства для фиксации верхних лент ленточного подшипника при помощи Т-образных выступов в корпусе подшипника. Верхняя лента вставляется своим передним и задним краем в межу двумя такими Т-образными выступами. Преимущество такого способа фиксации заключается в отсутствии крепления верхней ленты при помощи сварки к корпусу подшипника или специальным деталям, которые закрепляются в корпусе подшипника, например, призматической шпонке. Недостатком такого способа фиксации является необходимость удалять переднюю и заднюю части ленты от цапфы, что уменьшает полезную длину верхней ленты, а также необходимость в сложной, в виде кулачка, форме внутренней поверхности корпуса подшипника.
Другим вариантом фиксации верхней ленты в радиальном подшипнике является установка специально спрофилированной крепежной передней или задней части верхней ленты в паз, имеющийся в корпусе подшипника. Недостатком такого способа фиксации является малая жесткость крепежной части в окружном направлении из-за достаточно большого в радиальном направлении расстояния между местом непосредственной фиксации ленты и линией действия тангенциальной силы, тянущей или толкающей ленту при пуске и торможении ротора в режиме сухого трения в подшипнике или при аварийной ситуации, когда сила тяжения может быть столь большой, что происходит деформации верхней ленты в месте крепления.
Известные подшипники с гофрированными лентами имеют следующий недостаток: при больших нагрузках на ротор турбомашины, существенно превышающих несущую способность подшипника, подшипник может повреждаться в результате пластической деформации гофрированной ленты. Такие большие нагрузки могут возникать, например, при ударных нагрузках, при помпаже в центробежном компрессоре. Такое повреждение приводит к возрастанию монтажного зазора и уменьшению жесткости и демпфирования подшипника, может вызвать колебания цапфы с большой амплитудой, задевание частей вращающегося ротора и уменьшение ресурса работы турбомашины.
В патенте США №4394091 рядом с радиальным ленточным подшипником в осевом направлении расположен шариковый подшипник качения, имеющий диаметральный зазор между внутренним кольцом и цапфой меньше, чем статический эксцентриситет ленточного подшипника. Такое ограничение эксцентриситета цапфы дает возможность снижения момента трения цапфы в ленточном подшипнике при пуске. Однако при рабочей частоте вращения внешние нагрузки на ротор, возникающие, например, при колебаниях корпуса турбомашины, могут часто приводить к эксцентриситету цапфы в ленточных подшипниках, большим, чем статический эксцентриситет, что вызывает касания вращающейся цапфы внутреннего кольца подшипника. Такие частые касания при большой окружной скорости цапфы, составляющей десятки метров в секунду, могут приводить к повреждению контактных поверхностей и снижению срока службы подшипникового узла.
В японской заявке JP 2008-232289, A между двумя радиальными ленточными подшипниками, образующими сдвоенный подшипник, расположен подшипник качения, имеющий радиальный зазор между внутренним кольцом подшипника и цапфой, меньший, чем толщина смазочного слоя в ленточном подшипнике при высокой частоте вращения ротора. Недостатком данного подшипника является то, что, с учетом податливости верхней ленты ленточного подшипника, контакт цапфы с внутренним кольцом подшипника качения и износ контактирующих поверхностей наступает при существенно меньшей нагрузке, чем несущая способность ленточного подшипника.
При вращении цапфы в ленточном подшипнике происходит выделение тепла из-за потерь на трение в смазочном слое. Это тепло поступает в верхнюю ленту, цапфу и частично выводится из смазочного слоя вместе выходящим воздухом. Мощность тепловыделения возрастает с ростом частоты вращения и нагрузки на подшипник. При большой частоте вращения и нагрузке на подшипник температура подшипника становится достаточно высокой и возникает необходимость принудительного охлаждения ленточного подшипника. Обычно для ленточного радиального подшипника создается разность давлений окружающего воздуха на торцах подшипника, и воздух движется в направлении оси подшипника по всем полостям, имеющимся между цапфой и корпусом подшипника. Однако проходная площадь пространства смазочного слоя, где выделяется тепло трения, существенно меньше, чем проходная площадь пространства между верхней лентой и корпусом подшипника, где располагается гофрированная лента. Поэтому существенная часть охлаждающего воздуха, проходящего между верхней лентой и корпусом подшипника, нагревается слабо и используется неэффективно.
В пат. США №5902049 предлагается повысить эффективность охлаждения подшипника за счет перфорированного тонкого листа, расположенного между верхней и гофрированной лентой. Однако возможности такого решения по увеличению эффективности охлаждения ограничены.
Перспективные в настоящее время для использования в высокооборотных турбомашинах ленточные и активные магнитные подшипники обладают преимуществами и недостатками, которые во многом способны компенсировать недостатки одних и использовать преимущества других подшипников при совместном использование в одном комбинированном подшипнике.
При большой длительной нагрузке, действующей со стороны проточных частей на осевой ленточный подшипник, выделяющееся в смазочном слое тепло достаточно велико и возникают проблемы охлаждения подшипника. С другой стороны, потери в осевых магнитных подшипниках значительно меньше, чем с ленточных подшипниках и проблем с перегревом не возникает.
С ростом мощности турбомашины возрастают возбуждающие силы в проточных частях турбомашин и уплотнениях, способные вызывать самовозбуждающиеся колебания ротора с ленточными подшипниками в течение всего рабочего периода. Такие колебания сопровождаются сухим трением между ленточными элементами подшипника. При росте амплитуды колебаний износ в трущихся элементах может стать значительным и сокращать срок службы турбомашины. Дополнительная установка магнитных подшипников с регулируемыми характеристиками позволяет существенно снизить амплитуду колебания ротора и повысить ресурс работы ленточных подшипников.
Совместная работа ленточных и магнитных подшипников при возникновении помпажа в турбокомпрессоре снижает нагрузки на каждый подшипник и позволяет снизить вероятность возможных повреждений в ленточном подшипнике.
Ленточные подшипники имеют малую несущую способность при небольшой скорости вращения и увеличение веса ротора приводит к существенному износу подшипников при пусках и остановах. Несущая способность магнитных подшипников не уменьшается при малой скорости вращения, что позволяет практически устранить износ в ленточном подшипнике при пуске и останове.
С другой стороны, магнитные подшипники имеют страховочные подшипники для предотвращения аварии при отключении электроэнергии или сбоя в системе управления. Страховочные подшипники имеют малый ресурс по аварийным остановкам. Совместная работа магнитных подшипников с ленточными подшипниками позволяет полностью устранить проблему страховочных подшипников, т.к. при сбое в работе магнитных подшипников происходит спокойный выбег ротора с минимальным износом ленточных подшипников.
Магнитные подшипники плохо приспособлены к ударным нагрузкам и высокочастотным колебаниям, в то время как ленточные подшипники хорошо приспособлены к таким условиям.
Несмотря на указанные выше преимущества гибридного подшипника, содержащего ленточный и магнитный подшипник, такая конструкция имеет серьезный недостаток - высокую сложность и цену. Магнитные подшипники существенно дороже ленточных подшипников из-за очень сложной системы управления и дорогих электронных компонентов. Высокая сложность и цена системы управления магнитными подшипниками связана с обеспечением высокой скорости и сложности обработки информации о положении ротора для передачи управляющего воздействия на магнитные подшипники, чтобы скомпенсировать действующие на ротор с высокой частотой силы и предотвратить возникновение неустойчивости, приводящей к колебаниям ротора в магнитном подшипнике.
В патентах США №6353273, 6770993 и 6965181 показаны варианты конструкций гибридного ленточного и магнитного подшипника и способы управления магнитным подшипником для устранения проблем управления магнитными подшипниками при совместной работе с ленточными подшипниками. Однако в этих гибридных подшипниках используется практически вся сложная структура системы управления магнитными подшипниками без учета фактора, что ленточные подшипники хорошо работают при действии сил, действующие на ротор с высокой частотой.
В патенте США 5911511 показан осевой ленточный подшипник с вкладышем, содержащем самоустанавливающиеся части, позволяющий уменьшить потерю несущей способности подшипника при его перекосе относительно упорного диска. Однако такой подшипник дает равномерное распределение нагрузки только в пределах одной самоустанавливающейся части вкладыша, поскольку нагрузка на часть вкладыша, максимально близкую к упорному диску, будет больше, чем на расположенную с противоположной стороны диска часть вкладыша, максимально удаленную от диска. Разница этих нагрузок будет пропорциональна величине перекоса. Таким образом, представленный в патенте 5911511 осевой подшипник не дает равномерного распределения нагрузки на вкладыш в окружном направлении.
Обычно гребни вершин гофрированных лент в ленточных подшипниках располагаются в направлении, поперечном скорости движения поверхности ротора. Для радиальных подшипников это направление вдоль оси подшипника, для осевых подшипников это радиальное направление. Такое расположение является более технологичным.
Расположение гребней гофрированных лент в направлении, перпендикулярном к указанному, т.е. в окружном направлении, встречается очень редко. Пример расположения гребней гофрированных лент радиальных подшипников и осевых подшипников в окружном направлении представлен в пат. США №4296976. Цель этого изобретения заключается в улучшении технологичности и качества производства ленточных подшипников. В радиальном и осевом подшипнике гофрированные ленты расположены в два слоя, которые расположены в направлении, перпендикулярном к поверхности скольжения ротора, и гребни лент в одном слое направлены в окружном направлении, а в другом слое - в поперечном направлении. В указанном патенте ничего не говорится о возможности уменьшать перетечки газа через подшипник за счет расположения гребней гофрированных лент.
В российском патенте №2449184, задачей которого является повышение надежности и увеличение несущей способности подшипника, показан осевой ленточных подшипник. Из рисунках видно, что в радиальном сечении волны гофрированной ленты расположены в радиальном направлении, однако в описании отсутствует упоминание о направлении гребней гофрированных лент, и технический результат данного изобретения не зависит от направления этих гребней. В указанном патенте ничего не говорится о возможности уменьшать перетечки газа через подшипник за счет расположения гребней гофрированных лент. Из показанного на рисунках расположения гофрированных лент следует, что расстояние между краями расположенных напротив друг друга гребней гофрированных лент составляет порядка одной трети окружной длины верхней ленты и значительно больше длины волны гофрированной ленты. Подобное взаимное расположение гофрированных лент, гребни которых расположены в окружном направлении, не обеспечивает существенного снижения перетечек газа через подшипник при использовании его в качестве уплотнения.
В патенте США №6505837 показаны ленточный радиальный и осевой подшипник - уплотнение. Подшипники содержат цапфу (упорный диск), корпус, верхнюю ленту, и гофрированную ленту, расположенную между верхней лентой и гофрированной лентой. Уплотняющей частью обоих подшипников от перетечек газа через подшипник в пространстве между верхней лентой и корпусом является фланцевая часть верхней ленты, имеющая форму плоского кольца для радиального подшипника и форму трубчатого кольца осевого для подшипника. В радиальном подшипнике - уплотнении используется только гофрированные ленты, гребни которых расположены в обычном, осевом направлении. В показанном радиальном сечении осевого подшипника - уплотнения показано, что волны гофрированной ленты расположены в радиальном направлении, однако в описании это никак не комментируется и ничего не говорится о возможности уменьшать перетечки газа через подшипник - уплотнение за счет расположения гребней гофрированных лент. Недостатком этого подшипника - уплотнения является то, что за счет наличия уплотняющей трубчатой части верхней ленты давление между верхней лентой и упругим элементом практически не изменяется в радиальном направлении и равно давлению газа возле внутреннего диаметра верхней ленты. В то же время давление смазочного слоя между верхней лентой и упорным диском изменяется в радиальном направлении постепенно. Такое распределение давлений требует увеличения изгибной жесткости верхней ленты подшипника, что существенно уменьшает преимущества, которые имеет податливая верхняя лента для достижения минимального зазора и снижения перетечек газа.
Используемые в качестве упругого элемента в ленточных подшипниках гофрированные ленты имеют для некоторых применений недостаток - чрезмерно высокую жесткость при малой длине волны гофрированной ленты. Это может проявляться, например, при малых размерах ленточного подшипника. Даже при предельно тонкой используемой гофрированной ленте толщиной около 0,07 миллиметра длина волны этой ленты при приемлемой жесткости составляет более 3 миллиметров. Для осевых ленточных подшипников, например, диаметром 20 миллиметров и меньше такая длина волны не позволяет разместить между верхней лентой и корпусом подшипника достаточное количество волн для формирования оптимального профиля смазочного слоя.
Обычно радиальные ленточные подшипники стационарных турбомашин не испытывают относительно длительных больших нагрузок в одном направлении. Кратковременные (десятые доли секунды или меньше) большие нагрузки на подшипники могут возникать, например, при помпаже или от кратковременных вибрационных или ударных нагрузок. Однако радиальные подшипники турбомашин, установленных на транспортных установках, могут испытывать большие нагрузки достаточно длительное время (порядка нескольких секунд), например, вследствие действующего на ротор гироскопического момента, возникающего при эволюциях транспортного средства в пространстве. Большие нагрузки и скорости вращения, низкий коэффициент теплопроводности и высокий коэффициент линейного расширения никелевого сплава, из которого изготавливаются верхние ленты подшипника, могут приводить, как показали проведенные исследования [1], к локальному нагреву верхней ленты подшипника, ее короблению из-за возникающих неравномерных напряжений, разрыву смазочного слоя и разрушению подшипника.
1
DellaCorte, С., and Bruckner, R.J.: ʺRemaining Technical Challenges and Future Plans for Oil-Free Turbomachinery,ʺ Proceedings of 2010 ASME-IGTI Turbo Expo, Glasgow, UK, GT2010-22086, June 2010
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является повышение демпфирования ленточного подшипника. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный газодинамический подшипник содержит корпус и цапфу, верхнюю ленту и упругодемпферный блок, обеспечивающий демпфирование, превосходящее демпфирование обычной гофрированной ленты, закрепленной по одному краю, например, на корпусе подшипника и имеющей свободный второй край. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Упругодемпферный блок расположен между верхней лентой и корпусом. Упругодемпферный блок включает гофрированную ленту, опорную ленту и промежуточную ленту. Гофрированная лента закреплена по своему первому краю вдоль гребня на опорной ленте.
При этом промежуточная лента расположена между гофрированной лентой и опорной лентой и закреплена по краю гофрированной ленты, противоположном первому краю.
Другой задачей настоящего изобретения является уменьшение износа верхней ленты радиального ленточного подшипника при пусках и остановах ротора. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус и цапфу, верхнюю ленту и гофрированные ленты. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Гофрированные ленты расположены в окружном направлении между верхней лентой и корпусом подшипника. Часть гофрированных лент имеет меньшую высоту.
При этом гофрированные ленты разной высоты чередуются в направлении оси подшипника, обеспечивая большую площадь контакта верхней ленты и цапфы при сухом трении во время разгона ротора за счет малой жесткости при весовой нагрузке.
Другой задачей настоящего изобретения является повышение несущей способности подшипника. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус и цапфу, верхнюю ленту и гофрированные ленты. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Гофрированные ленты расположены между верхней лентой и корпусом в осевом направлении.
При этом отдельная гофрированные ленты имеют чередующиеся узкие и широкие гребни, что обеспечивает переменную жесткость в окружном направлении. Гофрированные ленты расположены по отношению друг к другу таким образом, что их узкие гребни расположены под наклоном к средней линии подшипника, образуя елочную структуру. Под давлением смазочного слоя верхняя лента продавливается больше вдоль узких гребней, где жесткость гофрированных лент меньше. Это приводит к образованию канавок с елочной структурой на верхней ленте и росту несущей способности подшипника.
Такой же технический результат, повышение несущей способности подшипника, достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус и цапфу, верхнюю ленту, упругий элемент и промежуточный лист. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Упругий элемент расположен между верхней лентой и корпусом. Промежуточный лист расположен между верхней лентой и упругим элементом.
При этом промежуточный лист имеет канавки на стороне, обращенной к верхней ленте. Канавки начинаются от боковых краев промежуточного листа и направлены к средней линии подшипника, образуя елочную структуру. Под давлением смазочного слоя верхняя лента продавливается больше вдоль канавок на промежуточном листе. Это приводит к образованию канавок с елочной структурой на верхней ленте и росту несущей способности подшипника.
Другой задачей настоящего изобретения является снижение - скорости всплытия ротора в ленточном подшипнике. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус и цапфу, верхнюю ленту и упругий элемент. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Упругий элемент расположен между верхней лентой и корпусом.
На поверхности ротора напротив верхней ленты в окружном направлении выполнено множество канавок, образующих своим елочную структуру для генерации избыточного давления в смазочном слое.
При этом переход между выступающей частью и дном канавки имеет округление, минимальный радиус которого значительно превышает глубину канавки. Данное скругление предотвращает износ верхней ленты при разгоне ротора, обеспечивая при этом снижение - скорости всплытия ротора в ленточном подшипнике.
Другой задачей настоящего изобретения является управление жесткостью ленточного подшипника при вращающимся роторе. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, цапфу, верхнюю ленту, упругий элемент, вкладыш. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Вкладыш расположен между верней лентой и корпусом. Упругий элемент расположен между верхней лентой и вкладышем.
Части вкладыша имеют возможность смещаться относительно друг друга радиальном направлении. Подшипник содержит устройство управления преднатягом, установленное на корпусе.
При этом части вкладыша упираются в подвижные части устройства управления преднатягом. Эти подвижные части смещают части вкладыша в радиальном направлении во время вращения ротора, обеспечивая изменение преднатяга и изменение жесткости подшипника.
Другой задачей настоящего изобретения является упрощение процесса сборки подшипника. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, цапфу, верхнюю ленту, упругий элемент, кольцеобразный вкладыш. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Вкладыш расположен между верней лентой и корпусом. Упругий элемент расположен между верхней лентой и вкладышем.
При этом вкладыш содержит три и более частей, соединенных тонкими перемычками с возможностью изменять положение указанных частей относительно друг друга в направлении к цапфе под действием внешней силы или момента. Части вкладыша опираются на корпус с возможностью поворота указанных частей вдоль оси, параллельной оси вкладыша.
Другой задачей настоящего изобретения является повышение несущей способности ленточного радиального подшипника за счет компенсации перекосов при сохранении устойчивости к коническим колебаниям корпуса подшипника. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус подшипника, цапфу, верхнюю ленту, упругий элемент.
Корпус подшипника закреплен относительно корпуса турбомашины посредством кольца. Внутренняя часть кольца имеет малую изгибную жесткость и высокую радиальную жесткость относительно наружной части кольца. Кольцо закреплено на внешней стороне корпуса подшипника в его средней части своей внутренней частью. Кольцо закреплено своей наружной частью относительно внутренней стороны корпуса турбомашины.
При этом между внешней стороной корпуса подшипника и внутренней стороной корпуса турбомашины расположена гофрированная лента для демпфирования возможных конических колебаний корпуса подшипника.
Другой задачей настоящего изобретения является упрощение фиксации верхней ленты и повышение технологичности изготовления ленточного подшипника. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, цапфу, верхнюю ленту. Верхняя лента расположена между корпусом подшипника и цапфой. Цапфа имеет вращение от заднего края верхней ленты к переднему краю последней.
Верхняя лента зафиксирована относительно шпонки, частично выступающей из корпуса и установленной в пазу корпуса вдоль оси подшипника с возможностью свободного сдвига шпонки в радиальном направлении.
При этом в части шпонки, выступающей из корпуса, находится щель, проходящая вдоль шпонки. В этой щели находится передний край верхней ленты. Щель в шпонке расположена таким образом, что при сдвиге шпонки в направлении вращения одна из контактирующих поверхностей шпонки и верхней ленты расположена поперек направления вращения цапфы. Рядом с передним краем верхней ленты имеется часть последней, выступающая в сторону цапфы, расположенная ближе к поверхности цапфы, чем верхняя часть шпонки, при упоре переднего края верхней ленты в шпонку в направлении от цапфы.
Другой задачей настоящего изобретения является увеличение максимальной нагрузки на ленточный подшипник без повреждения гофрированных лент. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус и цапфу, верхнюю ленту и гофрированную ленту. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Гофрированная лента расположена между верхней лентой и корпусом в окружном направлении.
В корпусе концентрично его оси установлено кольцо с внутренней поверхностью, обладающей антифрикционными свойствами, расположенное рядом в осевом направлении с верхней лентой подшипника.
При этом радиальный зазор между внутренней поверхностью кольца и поверхностью ротора установлен таким, что при нагрузке на подшипник, превышающей нагрузку, повреждающую гофрированную ленту, часть нагрузки на подшипник воспринимается кольцом, в результате чего деформация гофрированной ленты получается не больше величины, приводящей к повреждению последней и не меньше величины, соответствующей предельной несущей способности подшипника.
Такой же технический результат, увеличение максимальной нагрузки на ленточный подшипник без повреждения гофрированных лент подшипника, достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус и цапфу, верхнюю ленту и гофрированную ленту. Верхняя лента расположена между корпусом и цапфой. Гофрированная лента расположена между верхней лентой и корпусом в окружном направлении.
Внутри кольцевого пространства, ограниченного вершинами, расположенными с одной и с другой стороны гофрированной ленты, находятся разгрузочные элементы - ленты, расположенные в направлении гребней гофрированной ленты.
При этом высота разгрузочных элементов такова, что при предельной нагрузке на подшипник, превышающей повреждающую гофрированную ленту нагрузку деформация гофрированной ленты не больше величины, приводящей к ее повреждению и не меньше величины, соответствующей предельной несущей способности подшипника.
Другой задачей настоящего изобретения является охлаждение цапфы ленточного подшипника. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, цапфу, верхнюю ленту и упругий элемент.
Внутри ротора, под поверхностью цапфы, расположены каналы для охлаждения цапфы, имеющие входы из окружающего пространства с одной стороны подшипника и выходы из ротора в окружающее пространство с другой стороны подшипника.
При этом на выходах каналов из ротора в окружающее пространство сформированы радиальные каналы для увеличения расхода проходящего через каналы охлаждающего газа за счет центробежного эффекта.
Другой задачей настоящего изобретения является снижения амплитуды колебаний ротора в ленточном подшипнике. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, цапфу, верхнюю ленту и упругий элемент. В состав подшипника входит также устройство электромагнитной разгрузки для снижения амплитуды колебаний ротора в ленточном подшипнике. Устройство содержит последовательно соединенные датчик нагрузки на подшипник или датчик смещения ротора, усилитель, дифференциальный регулятор, формирователь, усилитель мощности и электромагнит с возможностью притягивать ротор. Устройство может содержать вместо датчика силы или смещения датчик скорости, и в этом случае вместо дифференциального регулятора используется пропорциональный регулятор.
При этом в цепи между усилителем и дифференциальным регулятором расположен фильтр высокой частоты, удаляющий частоту, превышающую частоту, несколько большую критической частоты колебаний ротора.
Другой задачей настоящего изобретения является разгрузка ленточного подшипника от медленно изменяющихся сил. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, цапфу, верхнюю ленту и упругий элемент. В состав подшипника входит также устройство разгрузки ленточного подшипника от медленно изменяющихся сил. Устройство содержит последовательно соединенные датчик нагрузки на подшипник или датчик смещения ротора, усилитель, интегральный регулятор, формирователь, усилитель мощности и электромагнит с возможностью притягивать ротор.
При этом в цепи между усилителем и интегральным регулятором расположен фильтр средней и высокой частоты, удаляющий частоту, превышающую частоту, несколько более высокую чем частота возможных помпажных колебаний в проточной части турбомашины.
Другой задачей настоящего изобретения является уменьшение износа верхней ленты радиального ленточного подшипника при пусках и остановах тяжелого ротора.
Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, цапфу, верхнюю ленту и упругий элемент. В состав подшипника входит также устройство разгрузки ленточного подшипника от веса ротора при пуске и останове. Устройство содержит последовательно соединенные датчик частоты вращения ротора, контроллер, усилитель мощности и расположенный над ротором электромагнит с возможностью притягивать ротор в вертикальном направлении.
Другой задачей настоящего изобретения является адаптация к перекосам для повышения несущей способности осевого ленточного подшипника. Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, упорный диск, верхнюю ленту, упругий элемент. Верхняя лента расположена между упорным диском и корпусом. Упругий элемент расположен между верхней лентой и корпусом. Между упругим элементом и корпусом расположен первый вкладыш, имеющий форму диска.
При этом между первым вкладышем и корпусом расположен второй вкладыш. Первый вкладыш контактирует со вторым вкладышем через упорные элементы, расположенные между вкладышами с противоположных сторон от оси подшипника в диаметральном направлении. Второй вкладыш контактирует с корпусом через упорные элементы, расположенные между вторым вкладышем и корпусным элементом с противоположных сторон от оси подшипника в диаметральном направлении, поперечном направлению контактов между первым и вторым вкладышами.
Другой задачей настоящего изобретения является снижение перетечек газа через ленточный подшипник.
Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, упорный диск, верхнюю ленту, упругий элемент. Верхняя лента расположена между упорным диском и корпусом. Упругий элемент расположен между верхней лентой и корпусом. Упругий элемент состоит из одного или нескольких слоев гофрированных лент. В каждом слое в окружном направлении расположено несколько гофрированных лент. В каждом слое гребни гофрированных лент расположены в окружном направлении. При этом края ближайших друг к другу гребней расположенных друг напротив друга гофрированных лент находятся друг от друга на расстоянии, меньшем длины волны гофрированной ленты.
Другой задачей настоящего изобретения является снижение жесткости упругого элемента ленточного подшипника, содержащего гофрированные ленты, при достаточно малой длине волны гофрированной ленты или поддержание постоянной жесткости упругого элемента при уменьшении длины волны последней.
Данный технический результат достигается за счет того, что ленточный подшипник содержит корпус, упорный диск, верхнюю ленту, упругий элемент. Верхняя лента расположена между упорным диском и корпусом. Упругий элемент расположен между верхней лентой и корпусом и содержит пару гофрированных лент, расположенных в направлении нормали к поверхности упорного диска и имеющих гребни, расположенные в одном направлении. Гофрированные ленты этой пары зафиксированы относительно друг друга через упругие средства с возможностью создания упругой реакции при относительном смещении этих лент в направлении, поперечном к расположению их гребней, когда между лентами этой пары происходит скольжение под действием нагрузки со стороны верхней ленты.
Другой задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы ленточного подшипника при длительной большой нагрузке.
Данный технический результат достигается за счет того, что верхняя лента, расположенная между цапфой ротора и корпусом имеет задний и передний край, расположенные друг относительно друга в направлении вращения цапфы. Верхняя лента содержит две или несколько частей, обращенных друг к другу боковыми краями, имеющих задний и передний край, принадлежащих соответственно заднему и переднему краю верхней ленты и расположенные относительно друг друга поперек окружного направления. Боковые края частей верхней ленты расположены с малым зазором ил вплотную друг к другу.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан поперечный разрез радиального ленточного газодинамического подшипника.
На фиг.2 и 3 показаны увеличенные части фиг.1 с креплением ленточных элементов подшипника.
На фиг.4 показан продольный радиального и осевого ленточного газодинамического подшипника, показанного на фиг.1, нагрузочного устройства для управления преднатягом радиального ленточного подшипника, электромагниты для разгрузки радиального и осевого подшипника и ограничители радиального и осевого смещения ротора.
На фиг.5 показана повернутая часть фиг.1 с упругодемпферным блоком.
На фиг.6…12 показаны поперечные сечения различных вариантов упругодемпферного блока.
На фиг.13 показан вид в плане на развернутую опорную ленту 16, показанную на фиг.1, с закрепленными на ней гофрированными лентами.
На фиг.14 показан вид в плане на другой вариант показанных на фиг.13 гофрированных лент.
На фиг.15 показан вид в плане на другой вариант показанных на фиг.13 гофрированных лент.
На фиг.16 показан вид в плане на ленточные элементы другого варианта радиального подшипника, показанного на фиг.1.
На фиг.17 показано поперечное сечение показанного на фиг.16 вида по плоскости А-А.
На фиг.18 показан вид в плане на другой вариант промежуточного листа 385, показанного на фиг.16.
На фиг.19 показан другой вариант промежуточного листа 385, показанного на фиг.16.
На фиг.20 показано поперечное сечение канавки 402 на цапфе 2 плоскостью А-А, показанной на фиг.4, с прилегающей верхней лентой 4.
На фиг.21 показан вариант канавки, 402, показанной на фиг.20.
На фиг.22 показан другой вариант расположения канавки на цапфе ротора по сравнению с фиг.4.
На фиг.23 показан продольный разрез подшипника с другим вариантом устройства управления преднатягом.
На фиг.24…32 показаны различные варианты вкладыша подшипника и устройства управления преднатягом.
На фиг.24 показан поперечный разрез варианта ленточного подшипника, показанного на фиг.1 с другим вариантом вкладыша и ленточных элементов.
На фиг.25 показан вариант ленточного подшипника, показанного на фиг.24, с другим вариантом гофрированной ленты.
На фиг.26 показан поперечный разрез варианта ленточного подшипника, показанного на фиг.24, с другим вариантом вкладыша.
На фиг.27 показан поперечный разрез варианта ленточного подшипника, показанного на фиг.24, с другим вариантом вкладыша.
На фиг.28 показана деформация вкладыша ленточного подшипника, показанного на фиг.27.
На фиг.29 и 30 показан поперечный и продольный разрез другого варианта нагрузочного устройства ленточного подшипника, показанного на фиг.24.
На фиг.31 и 32 показан поперечный и продольный разрез другого варианта вкладыша и способа установки в корпусе ленточного подшипника, показанного на фиг.26.
На фиг.33…35 показаны варианты соединения частей вкладыша ленточного подшипника, показанного на фиг.1.
На фиг.36…39 показаны варианты фиксации верхней ленты ленточного подшипника, показанного на фиг.1.
На фиг.40 показан вид в плане на осевой ленточный подшипник с вариантом фиксации верхней ленты.
На фиг.41 показано сечение показанного на фиг.40 подшипника с плоскостью А-А.
На фиг.42 показано сечение показанного на фиг.40 подшипника с плоскостью В-В.
На фиг.43…48 показаны варианты элемента для ограничения смещения цапфы ленточного подшипника с расположением этого элемента рядом с подшипником.
На фиг.43…46 показаны продольные разрезы варианты элемента для ограничения смещения цапфы ленточного подшипника.
На фиг.44 и 48 показаны поперечные разрезы варианта элемента для ограничения смещения цапфы ленточного подшипника, показанного на фиг.46.
На фиг.52…55 показаны поперечные разрезы вариантов элемента для ограничения смещения цапфы ленточного подшипника с расположением этого элемента между верхней лентой и вкладышем.
На фиг.56 и 57 показаны продольные разрезы вариантов выходов из охлаждающих каналов в цапфе ленточного подшипника, показанного на фиг.1.
На фиг.58 показан вариант блок-схемы системы управления устройством электромагнитной разгрузки и устройством управления преднатягом радиального подшипника, показанного на фиг.1 и 4.
O
I
На фиг.59…63 показаны зависимости дифференциального коэффициента регулирования D и выходного сигнала S из D-регулятора от скорости V изменения входного сигнала для различных вариантов D-регулятора, показанного на фиг.58.
На фиг.64 показана зависимость амплитуды колебаний А неуравновешенного ротора в ленточных подшипниках от частоты вращения N при разгоне ротора и переменном преднатяге ленточного подшипника, который изменяется при помощи устройства управления преднатягом, показанном на фиг.1, 4 и 58.
На фиг.65 показан вариант системы управления, подобной системе управления, показанной на фиг.58, при использовании датчиков смещения цапфы вместо датчиков силы.
На фиг.66 показан вариант системы управления, аналогичной системе управления, показанной на фиг.58, при использовании датчиков скорости радиального смещения цапфы вместо датчиков силы.
На фиг.67 показана зависимость пропорционального коэффициента регулирования P, равного отношению сигналов на входе и выходе регулятора, от величины сигнала на выходе S, относящаяся к фиг.66.
На фиг.68…73 показан осевой подшипник, представленный также на фиг.4.
На фиг.74 и 75 показаны варианты различного расположения канавок на промежуточном листе осевого подшипника.
На фиг.76 показано сечение подшипника, показанного на фиг.73, по линии А-А.
На фиг.77 показано сечение варианта верней ленты осевого подшипника.
На фиг.78 показан вид в плане на осевой подшипник с другим вариантом верхней ленты
На фиг.79 показан вид в плане на осевой подшипник с другим вариантом гофрированных лент.
На фиг.80 показан вид в плане на осевой подшипник с другим вариантом упругого элемента.
На фиг.81 показан вид в плане на осевой подшипник с другим вариантом упругого элемента.
На фиг.82 и 83 показан вид в плане и сечение в радиальном направлении осевого подшипника с другим вариантом верхней ленты.
На фиг.84…97 показаны виды и сечения различных вариантов осевых подшипников - уплотнений.
На фиг.98…101 показаны виды и сечения варианта радиального подшипника - уплотнения.
На фиг.102 и 103 показаны радиальные сечения различных вариантов осевых подшипников - уплотнений.
На фиг.104 показан вариант блок-схемы системы управления устройством электромагнитной разгрузки и устройством управления преднатягом осевого подшипника, показанного на фиг.4, аналогичный системе управления, показанной на фиг.58.
На фиг.105 и 106 показаны соответственно вид в плане на развертку рабочей части верхней ленты и поперечный разрез варианта радиального подшипника.
На фиг.107 вид в плане на развертку рабочей части варианта верхней ленты, показанной на фиг.105.
Варианты осуществления изобретения
На фиг.1 представлен поперечный разрез ленточного газодинамического подшипника, обеспечивающего вращение ротора относительно корпуса турбомашины. На фиг.4 представлен продольный разрез этого подшипника.
Цапфа 2 является частью вала, входящего в состав ротора, и телом вращения, в частности, цилиндрической формы и имеет наружную, ил опорную поверхность 27. Цапфа 2 имеет направление вращения вдоль окружности, образованной сечением поверхности 27 цапфы плоскостью, перпендикулярной оси поверхности 27 цапфы 2, в дальнейшем оси цапфы, т.е. оси ротора. Цапфа 2 ротора расположена в отверстии вкладыша 6, имеющего форму цилиндрической втулки, т.е. в пространстве, ограниченном внутренней цилиндрической поверхностью 11 вкладыша 6, обращенной к поверхности 27 цапфы. Вкладыш 6 воспринимает передаваемую от цапфы и воспринимаемую подшипником нагрузку, т.е. подшипниковую нагрузку.
Здесь и далее под внутренней поверхностью элемента радиального подшипника понимается поверхность, обращенная к оси этого подшипника, а под внутренней поверхностью элемента осевого подшипника понимается поверхность, обращенная к расположенной напротив рабочей поверхности упорного диска. Под наружной, т.е. внешней поверхностью этого элемента понимается поверхность, расположенная с противоположной стороны этого элемента. Например, поверхность 117 является наружной поверхностью вкладыша 6.
Ось поверхности 11 вкладыша 6, в дальнейшем ось вкладыша, совпадающая с осью радиального подшипника, расположена в направлении оси цапфы. Вкладыш 6 расположен между внутренней поверхностью 23 отверстия цилиндрической опорной втулки 96, воспринимающей подшипниковую нагрузку, и поверхностью 27 цапфы 2, т.е. между корпусным элементом - опорной втулкой 96 и цапфой 2. Ось опорной втулки 96 расположена в направлении оси цапфы 2. Вкладыш 6 содержит три упруго соединенные между собой равные части 118, 120 и 122. Подшипник может иметь три или более частей вкладыша, имеющих возможность смещаться относительно друг друга как в радиальном, так и в окружном т.е. вокруг оси ротора, направлении. Количество таких частей зависит от диаметра подшипника и может достигать пяти или, например, семи или несколько больше при очень большом диаметре подшипника, например, около 0,2 метра. Толщина вкладыша в радиальном направлении побирается обычно такой, что изгибная жесткость части вкладыша больше радиальной жесткости упругого элемента подшипника. Вкладыш 6 удерживается через промежуточные средства, описанные ниже, относительно втулки 96.
Показанные на фиг.1 цапфа 2 и вкладыш 6 имеют соответственно поверхности 27 и 11 цилиндрической формы. Однако возможны цапфы и вкладыша с другой формой поверхностей, например, конической. При этом другие элементы подшипника, расположенные пространстве между поверхностью 27 цапфы 2 и внутренней поверхностью 11 вкладыша 6, т.е. между цапфой 2 и вкладышем 6, будут иметь форму, соответствующую форме цапфы и вкладыша.
Между цапфой 2 и вкладышем 6 расположены в окружном направлении относительно друг друга три одинаковые верхние ленты 4, 7 и 9 имеющие одинаковое закрепление и расположение относительно цапфы 2,. Возможен вариант с различными верхними лентами, например, имеющими различную длину в окружном направлении. Обычно поверхность верхней ленты является гладкой. В свободном состоянии верхняя лента может быть, например, плоской или иметь цилиндрическую форму.
Количество верхних лент в подшипнике может быть одна и более. Максимальное количество верхних лент не превышает количество подобных лент в обычных ленточных подшипниках, где гофрированные ленты опираются на жесткий корпус подшипника и отсутствует вкладыш. Верхние ленты и другие ленточные элементы подшипника обычно изготавливаются из металла или металлического сплава, однако могут быть выполнены из полимерных материалов, материалов с использованием углеродных волокон или других подходящих материалов.
Представленные далее варианты конструкций ленточных элементов, включающих верхнюю ленту, гофрированные ленты и опорные ленты, расположенные между поверхностью 27 цапфы 2 и внутренней поверхностью 11 вкладыша 6, могут быть использованы также в обычных ленточных подшипниках, где гофрированные ленты опираются на жесткий корпус подшипника и отсутствует вкладыш, и расположены в этом случае между цапфой и корпусом подшипника.
Верхняя лента 4 имеет цилиндрическую форму с образующей, расположенной вдоль оси подшипника. Толщина используемых в подшипнике верхних лент составляет обычно от нескольких сотых до нескольких десятых миллиметра. Развертка ленты 4 имеет прямоугольную форму в плане. Два боковых края 357 и 359 ленты 4, показанные на фиг.4, расположены в окружном направлении. Задний край 43 ленты 4, показанный на фиг.5, расположен вдоль оси вкладыша 6, т.е. поперек направления вращения цапфы 2, т.е. поперек окружного направления, навстречу направлению вращения. Передний край 38 ленты 4 расположен вдоль оси вкладыша 6 напротив заднего края 43. Внутренняя поверхность ленты 4 обращена к поверхности 27 цапфы, т.е. к цапфе 2. Наружная, то есть внешняя поверхность ленты 4 обращена к внутренней поверхности 11 вкладыша 6, то есть к вкладышу 6.
При вращении цапфы 2 со скоростью, большей некоторой величины, в направлении от заднего края 43 к переднему краю 38 верхней ленты 4, между цапфой 2 и лентой 4 возникает газовый смазочный слой в форме сходящегося клина, имеющий большую толщину во входной зоне 3 и меньшую толщину в выходной зоне 5, расположенной по отношению к зоне 3 в направлении вращения цапфы. Смазочный слой передает подшипниковую нагрузку от вращающейся цапфы 2 к верхним лентам 4, 7 и 9. Смазочный слой является средством, не имеющим невращающихся механических деталей, передающим подшипниковую нагрузку от вращающейся цапфы 2 к верхним лентам 4, 7 и 9. При невращающейся цапфе 2 лента 4 контактирует с цапфой 2 ближе к выходной зоне 5.
Между верхней лентой 4 и частью 118 вкладыша 6 расположены упругодемпферные блоки, выполняющие роль упругого элемента в подшипнике и демпфирующие смещение цапфы в радиальном направлении. Упругодемпферные блоки расположены относительно друг друга в направлении оси вкладыша 6, т.е. поперек направления вращения цапфы 2. Кроме фиг.1, эти упругодемпферные блоки показаны на фиг.2, 3. 4, 5 и 13. Увеличенные части двух их этих блоков, обозначенные на фиг.1 окружностями I и II, показаны соответственно на фиг.2 и фиг.3. На фиг.4 представлен разрез подшипника, показанного на фиг.1, продольной плоскостью, проходящей через ось вкладыша 6. Один из упругодемпферных блоков содержит гофрированную ленту 20 и два фрикционных элемента: ленту 22 и опорную ленту 16.
Под фрикционными элементами здесь и далее понимаются элементы, испытывающие фрикционное, или сухое трение между собой и другими деталями подшипника - верхней лентой, корпусом и т.д. Более подробное пояснение будет понятно из дальнейшего описания.
Используемая в подшипнике гофрированная лента может быть изготовлена при помощи штамповки, или пластической деформации как из единого фрагмента пластины или ленты, так и из нескольких отдельных фрагментов ленты, соединенных, например, при помощи сварки. Гофрированная лента: обычно получается посредством деформирования плоской ленты. Толщина гофрированной ленты составляет обычно около одной десятой миллиметра. Поверхность гофрированной ленты может быть складчатой, или волнообразной, и, как правило, цилиндрической формы. Профиль поверхности гофрированной ленты в сечении, перпендикулярном образующей цилиндрической поверхности гофрированной ленты, или перпендикулярном направлению расположения складок, т.е. перпендикулярном направлению расположения гребней гофрированной ленты, может быть различным. Например, профиль может иметь зигзагообразную, в частности, синусоидальную форму, как показано на фиг.5, или форму из дуг окружностей, или состоять из прямых участков и дуг окружностей с образованием изломов между ними, как показано на фиг.9, или иметь другую складчатую форму.
Возможен вариант использования вместо гофрированной ленты другого варианта волнообразного элемента. Используемый термин волнообразный элемент является более общим и включает в себя понятие гофрированной ленты. Кроме ленты или листа, волнообразный элемент может быть изготовлен, например, без пластической деформации, например, при помощи электроэрозионной резки проволокой из сплошной металлической заготовки. При этом профиль такого варианта волнообразного элемента может быть подобен профилю гофрированной ленты. Волнообразный элемент может быть изготовлен из металла, пластмассы или другого подходящего упругого материала.
Гофрированная лента 20 расположена между верхней лентой 4 и лентой 22 и контактирует с наружной поверхностью ленты 4. Другой упругодемпферный блок включает гофрированную ленту 40, контактирующую с лентой 4, и два фрикционных элемента: опорную ленту 16, расположенную между лентой 40 и вкладышем 6, и промежуточную ленту 42, расположенную между лентой 40 и лентой 16. Высота волн ленты 40 меньше, чем соответствующая высота а волн ленты 20, показанная на фиг.5, в направлении, нормальном к поверхности 27 цапфы 2. Как показано на фиг.2 и 3, лента 40 закреплена вдоль ее гребней с первого края 39 на ленте 16 через узкую ленту 44. Лента 42 закреплена на ленте 40 по второму краю 45, противоположному первому краю 39. Все расположенные между лентой 4 и вкладышем 6 упругодемпферные блоки имеют общий фрикционный элемент - опорную ленту 16.
Для варианта подшипника, показанного на фиг.1, число этих блоков, расположенных поперек окружного направления между верхней лентой 4 и вкладышем 6, равно девяти. Возможны варианты, где в этом направлении расположено от одного до нескольких десятков упругодемпферных блоков. В окружном направлении между верхней лентой 4 и вкладышем 6 расположен один упругодемпферный блок. Возможен вариант, где в этом направлении расположено несколько упругодемпферный блоков.
На фиг.5 показана повернутая часть подшипника, представленного на фиг.1, с упругодемпферным блоком, содержащим гофрированную ленту 20 и пару фрикционных элементов - опорную ленту 16 и промежуточную ленту 22. Лента 20 имеет семь выступающих в сторону цапфы 1 частей, в том числе вершин волн, т.е. гребней 371, 372, 273, 374, 375 и др,, контактирующих с лентой 4, Кроме округлой формы, выступающие части гофрированной ленты могут иметь,, практически плоскую часть 331, как это показано на фиг.9. Лента 20 закреплена по первому краю 19 на ленте 16 вдоль гребней ленты 20 любым возможным способом, например, точечной сваркой, через узкую ленту 18, равную по толщине ленте 22. Равенство толщины ленты 20 и ленты 18 упрощает крепление ленты 20. Лента 22 закреплена на ленте 20 по второму краю 17 ленты 20, противоположному первому краю 19 ленты 20.
Лента 20 имеет восемь выступающих в сторону вкладыша 6, ленты 22 и ленты 16 частей, контактирующих с лентой 22, включая выступающие части, расположенные у краев 17 и 19 гофрированной ленты 20, и шесть вершин волн: 367, 369 и др. Лента 22 прилегает к ленте 16. Возможен вариант, где между лентами 20 и 22, а также между лентами 22 и 16 расположены гладкие ленты, незакрепленные относительно элементов упругодемпферного блока, например, имеющие для повышения демпфирования коэффициент трения с лентами 20 и 22 больше, чем коэффициент трения непосредственно между лентами 20 и 22. В обоих вариантах ленты 22 и 16 расположены напротив выступающих в сторону этих лент частей гофрированной ленты 20, в том числе выступающей части 369, и нагрузка на подшипник, передающаяся от верхней лены 4 на вкладыш 6, передается через участки лент 22 и 16, расположенные напротив этих выступающих частей. Например, от выступающей части 369 эта нагрузка передается через участок лент 22 и 16, ограниченный в окружном направлении точками 351 и 361. Описанный здесь признак взаимного расположения выступающих частей гофрированной ленты и фрикционных элементов относится к остальным вариантам упругодемпферных блоков, представленных ниже.
Лента 16 имеет одну прилегающую к ней выступающую часть 19 ленты 20. Лента 22 и лента 16 расположены с одной стороны от гофрированной ленты 20. Расстояние между линиями крепления к ленте 20 ленты 22 и ленты 16, т.е. длина гофрированной ленты 20 между линиями крепления к ленте 20 ленты 22 и ленты 16, составляет семь волн. Имеется восемь линий прилегания между фрикционными элементами напротив выступающих частей ленты 20.
Количество волн в волнообразном элементе может быть от одной до нескольких десятков или несколько больше при очень большом диаметре подшипника, например, 0,2 метра. Количество выступающих у гофрированной ленты частей в сторону фрикционных элементов может составлять две или более.
Верхние ленты 4, 7 и 9 расположены соответственно между частями 118, 120 и 122 вкладыша 6 и цапфой 2. Части 118, 120 и 122 вкладыша 6 расположены в окружном направлении. Между лентами 7 и 9 и соответственно частями 120 и 122 вкладыша 6 расположены упругодемпферные блоки, подобные блокам, расположенным между верхней лентой 4 и частью 118 вкладыша 6.
Показанный на фиг.1 подшипник может иметь на одной части вкладыша 6 несколько упругодемпферных блоков, расположенных в окружном направлении.
Одна из волн гофрированной ленты 20, показанная на фиг.5, имеет выступающую часть, или выпуклость, с краями 369 и 367, являющимися также выступающими частями гофрированной ленты 20, обращенными к ленте 22, т.е. к вкладышу 6, и вершину 373, являющейся выступающей частью, обращенную к расположенной с другой стороны волнообразного элемента ленте 4, т.е. к цапфе 1. Выступающими частями гофрированной ленты 20, обращенными к ленте 22, являются также края 17 и 19. Выпуклость гофрированной ленты содержит две наклонные к верхней ленте 4 поверхности, соединяющие соответственно выступающие части 367 и 373, 369 и 363. Другая волна ленты 20 имеет профиль с краями 373 и 374, обращенными к ленте 4, и вершину 369, обращенную к расположенной с другой стороны ленте 22.
При действии нагрузки со стороны на цапфы на верхнюю ленту 4 эта подшипниковая нагрузка передается сначала от ленты 4 на гофрированную ленту 20 через выступающие части 371, 372 и другие, обращенные к цапфе 1. От ленты 20 эта нагрузка передается через выступающие части 17, 367, 369, 19 и другие, обращенные к вкладышу 6, на ленту 22, далее на ленту 16 и вкладыш 6. В результате деформации ленты 20 происходит скольжение ее выступающих частей 367, 369 и 19 по ленте 22, поскольку конец 17 ленты 20 закреплен на ленте 22. Работа трения между лентой 20 и лентой 22 в результате этого скольжения равна работе трения гофрированной ленты 20 по опорной ленте или корпусу подшипника в обычной конструкции закрепления гофрированной ленты, зафиксированной с одного края соответственно на опорной ленте или корпусе подшипника. В результате деформации ленты 20 происходит также скольжение ленты 22 по опорной ленте 16 за счет смещения края 17 ленты 20, закрепленного на ленте 22, относительно края 19 ленты 20, закрепленного на ленте 16, т.е. относительное смещение ленты 20 и ленты 22, а также ленты 22 и ленты 16, и совершается дополнительная работа трения. Поэтому работа трения в показанном на фиг.5 упругодемпферном блоке, и, следовательно, демпфирующая способность - больше, чем при обычной конструкции закрепления гофрированной ленты.
Фрикционными элементами упругодемпферного блока могут быть различные элементы подшипника, имеющие различное расположение по отношению к гофрированной ленте. Упругодемпферный блок может содержать два или несколько фрикционных элементов. Максимальное количество фрикционных элементов может зависеть, в частности, от числа волн в гофрированной ленте, отношения высоты и длины волн и от коэффициента трения между трущимися элементами в упругодемпферном блоке, и ограничено тем, что слишком большие силы трения могут заблокировать относительное скольжение фрикционных элементов. На фиг.6…12 показаны поперечные сечения различных вариантов упругодемпферного блока, отличающиеся от варианта, показанного на фиг.5, количеством волн в гофрированной ленте, видом фрикционных элементов, их количеством, относительным расположением и местом закрепления на гофрированной ленте. Еще один вариант упругодемпферного блока, отличающийся от варианта, показанного на фиг.5 тем, что вместо гофрированной ленты в блоке использован волнообразный элемент, полученный из толстостенного кольца электроэрозионной резкой, показан на фиг.47. Его описание приведено ниже. В вариантах, показанных фиг.5…12, нагрузка на подшипник, т.е. подшипниковая нагрузка, предается от цапфы через упругодемпферные блоки на вкладыш 6 подшипника, выполняющего при этом функцию корпуса.
Упругодемпферные блоки могут использоваться в обычном ленточном подшипнике, где гофрированные ленты опираются на жесткий корпус подшипника и отсутствует вкладыш. Максимальное количество волн в гофрированной ленте упругодемпферного блока может находиться приблизительно в таком же диапазоне, как для гофрированных лент с обычным закреплением в известных ленточных подшипниках, то есть обычно не превышает несколько десятков и зависит от диаметра подшипника.
Показанный на фиг.6 упругодемпферный блок включает гофрированную ленту 48 и два фрикционных элемента вкладыш 6 и промежуточную ленту 50, расположенную между лентой 48 и вкладышем 6. Имеется четыре линии прилегания между фрикционными элементами напротив выступающих частей 51, 53, 55 и 54 ленты 48. Лента 50 имеет четыре прилегающих к ней выступающих части гофрированной ленты 50. Вкладыш 6 имеет одну прилегающую к нему выступающую часть 51 ленты 50. Лента 48 закреплена на вкладыше 6, например, точечной сваркой, по первому краю 52 ступенчатой формы в направлении, параллельном гребням волн ленты 48. Лента 50 закреплена на ленте 48 по второму краю 54, противоположном первому краю 52. Лента 50 и вкладыш 6 расположены с одной стороны от ленты 48.
На фиг.7 показан другой вариант упругодемпферного блока. Упругодемпферный блок содержит гофрированную ленту 300 и два фрикционных элемента: верхнюю ленту 4 и промежуточную ленту 302, расположенную в радиальном направлении между лентой 4 и лентой 300. Лента 300 закреплена на верхней ленте 4 по первому краю 306 через узкую ленту 308. Лента 302 закреплена на ленте 300 по второму краю 310, противоположному первому краю 306 ленты 300. Подшипниковая нагрузка передается к вкладышу 6 через гофрированную ленту 300 и фрикционные элементы.
На фиг.8 показан другой вариант упругодемпферной блока. Блок включает гофрированную ленту 320, имеющую только одну волну, и два фрикционных элемента: опорную ленту 16 и ленту 326, расположенную между лентой 16 и лентой 320. Имеется две точки прилегания между лентой 16 и лентой 326 напротив двух выступающих частей ленты 360. Лента 320 закреплена на опорной ленте 16 по краю 322. Лента 326 закреплена на ленте 320 по второму краю, противоположному краю 322.
На фиг.9 показан другой вариант упругодемпферной блока. Блок включает гофрированную ленту 330 и два фрикционных элемента: ленту 336 вместе с опорной лентой 16, и ленту 338. Лента 336 вместе с опорной лентой 16 объединены в один фрикционный элемент, поскольку все части этого элемента не смещаются относительно друг друга в направлении, поперечном к складкам, т.е. гребням, гофрированной ленты 330, при ее деформации. Лента 330 отличается - от гофрированной ленты, показанной на фиг.4, формой волн, т.е. складок, и закреплена на опорной ленте 16 совместно с лентой 336 по первому краю 332. Лента 330 закреплена на ленте 338 по второму краю 334, противоположному первому краю 332, Ленте 338 расположена между лентами 336 и 16. Лента 330 имеет три части, выступающие в сторону ленты 16, включая части, расположенные у краев 332 и 334. Дополнительная работа трения при деформации гофрированной ленты 330 совершается за счет сдвига ленты 338 вместе с краем 334 ленты 330 вправо относительно лент 336 и 16.
На фиг.10 показан другой вариант упругодемпферного блока. Блок включает гофрированную ленту 348, имеющую одну волну и два фрикционных элемента: гладкие крайние части 344 и 346 ленты 348. Часть 344 расположена между гофрированной частью ленты 348 и вкладышем 6, а часть 346 расположена между гофрированной частью ленты 348 и частью 344. В этом варианте фрикционные элементы являются продолжением гофрированной ленты 348 и дополнительно крепить их не требуется. Количество волн в подобном блоке может быть таким же, как в обычной гофрированной ленте.
На фиг.11 показан другой вариант упругодемпферного блока. Блок включает гофрированную ленту 350 и два фрикционных элемента: ленту 356 и ленту 358, расположенных между лентой 350 и вкладышем 6. Лента 356 и лента 358 расположены каждая напротив двух выступающих частей ленты 350 и имеют по две линии прилегания к вкладышу 6 напротив этих выступающих частей соответственно. В отличие от предыдущих вариантов упругодемпферного блока, в этом варианте фрикционные элементы не перекрываются друг с другом и не имеют линий прилегания друг к другу. Лента 358 закреплена на опорной ленте 350 по первому краю 354. Лента 356 закреплена на ленте 350 по второму краю, противоположному первому краю 354. В результате деформации гофрированной ленты 350 происходит скольжение ее выступов по лентам 356 и 358. Эта работа трения меньше, чем работа трения при обычном варианте закрепления гофрированной ленты 350 и скольжении этой ленты, закрепленной на вкладыше 6 с одного края, по вкладышу 6, при условии равенства соответствующих коэффициентов трения. Дополнительная работа трения для варианта, показанного на фиг.11, совершается за счет скольжения обеих или одной из лент 356 и 358, относительно вкладыша 6. Суммарная работа трения лент 356 и 358 по ленте 350 и вкладышу 6 может быть как больше, при постоянном коэффициенте трения, так и меньше, при разных коэффициентах трения, работы трения с указанным выше обычным вариантом закрепления ленты 350, указанным выше. Это зависит также, в частности, от количества выступающих частей напротив каждого фрикционного элемента. При скольжении только одной ленты, например, ленты 358 по вкладышу 6 лента 356 и вкладыш 6 представляются одним фрикционным элементом. В этом случае рассмотренная выше суммарная работа трения совершается между элементами упругодемпферного блока. В случае скольжения обеих лент 356 и 358 по по вкладышу 6 суммарная работа совершается между элементом упругодемпферного блока и прилегающим к нему с одной стороны элементом, т.е. вкладышем 6.
На фиг.12 показан другой вариант и более сложная конструкция упругодемпферного блока. Блок включает гофрированную ленту 360, первый фрикционный элемент - ленту 362, второй фрикционный элемент - скрепленные ленты 364 и 366 и третий фрикционный элемент - опорную ленту 16. Лента 360 содержит шесть частей, выступающих в сторону фрикционных элементов. Все три фрикционных элемента расположены с одной стороны от гофрированной ленты. Ленты 364 и 366 расположены как между лентой 362 и лентой 16, так и между гофрированной лентой 350 и лентой 16. Лента 362 расположена между лентой 350 и скрепленными лентами 364 и 366.
Гофрированная лента 360 содержит три выступающих части, прилегающие к первому фрикционному элементу, две выступающих части, прилегающие ко второму фрикционному и одну выступающую часть, прилегающую к ленте 16. Первый фрикционный элемент имеет три прилегающих к нему выступающих части гофрированной ленты 360. Второй фрикционный элемент имеет две прилегающих к нему выступающих части гофрированной ленты 360. Третий фрикционный элемент имеет одну прилегающую к нему выступающую часть гофрированной ленты 360. Расстояние между линиями крепления к ленте 360 первого и второго фрикционных элементов составляет три волны. Расстояние между линиями крепления к ленте 360 первого и третьего фрикционных элементов составляет одну волну. Расстояние между линиями крепления к ленте 360 второго и третьего фрикционных элементов составляет четыре волны. Блок содержит две пары прилегающих друг к другу фрикционных элементов: первый и второй фрикционный элемент, и первый и третий фрикционный элемент. Количество линий прилегания между первым и вторым фрикционным элементом напротив выступающих частей ленты 360 составляет три. Количество линий прилегания между вторым и третьим фрикционным элементом напротив выступающих частей ленты 360 составляет пять.
Для варианта с равными или приблизительно равными коэффициентами трения во всех контактах между элементами упругодемпферного блока, где происходит скольжение при деформации этого блока, для достижения технического результата по увеличению демпфирования по сравнению с обычным вариантом, где гофрированная лента закреплена с одной стороны с корпусом подшипника или с опорной лентой, этот блок должен удовлетворять следующему неравенству:
0
1
2
i
j
j
где L - количество выступающих в сторону фрикционных элементов сторону частей гофрированной ленты, L - количество фрикционных элементов. L - количество пар контактирующих между собой фрикционных элементов, i - номер фрикционного элемента, к которому прилегает N частей гофрированной ленты, M - количество волн между местами крепления каждого из фрикционных элементов j-й пары к гофрированной ленте, K - количество линий прилегания друг к другу каждой j-й пары фрикционных элементов напротив выступающих в сторону фрикционных элементов частей гофрированной ленты.
Упругодемпферные блоки, показанные на фиг.5…12, расположены по отношению к верхней ленте 4 в радиальном направлении, т.е. в направлении, нормальном к поверхности 27 цапфы.
Упругодемпферные блоки, подобные показанным на фиг.5…12, могут быть использованы также в качестве частей упругого элемента для обычных радиальных ленточных подшипников имеющих вместо вкладыша 6 жесткий корпус, и осевых ленточных подшипников, и располагаться там в качестве упругого элемента, между верхней лентой и корпусом.
Как показано на фиг.4 и фиг.13, где представлен вид в плане на ленту 16 с расположенными на ней ленточными элементами радиального подшипника, в направлении оси подшипника, то есть в направлении расположенных на ленте 16 гребней гофрированных лент, располагается еще четыре упругодемпферных блока с гофрированными лентами 21 и 24, имеющими одинаковый с лентой 20 профиль, но более узкими, и два блока с гофрированными лентами 41, имеющими одинаковый с лентой 40 профиль, но более узкими. Поскольку профили лент 20, 21 и 24 одинаковы, волны этих лент, расположенные вдоль направления гребней, имеют равную высоту. Волны лент 40 и 41,, расположенные вдоль направления гребней, также имеют равную высоту. Имеющие большую высоту волн ленты 20, 21 и 24 чередуются с лентами 40 и 41, имеющими меньшую высоту волн, в направлении вдоль гребней этих лент. Расположенные между опорной лентой 16 и верхней лентой 4 гофрированные ленты образуют упругий элемент.
Ширина более высоких гофрированных лент 20, 21 и 24 меньше, чем ширина более низких гофрированных лент 40 и 41. Поэтому жесткость лент 20, 21 и 24 в радиальном направлении меньше, чем жесткость ленты 40 и 41. Возможен вариант, где для уменьшения жесткости гофрированных лент с большей высотой последние имеют длину волны больше, чем длина волны гофрированных лент с меньшей высотой.
При старте и останове ротора, когда скорость вращения мала, происходит сухое трение между верхней лентой 4 и цапфой 2. Вся нагрузка цапфы на верхнюю ленту 4 воспринимается только лентами 20, 21 и 24, имеющими высоту вершин больше, чем ленты 40 и 41, поэтому жесткость подшипника небольшая. Количество гофрированных лент в направлении оси подшипника определяется условием обеспечения равномерности жесткости в осевом направлении и возрастает с увеличением осевой длины подшипника, составляя от трех до порядка нескольких десятков. Это позволяет распределить нагрузку от цапфы по большей площади верхней ленты 4 и уменьшить износ при пуске и останове. Кроме того, небольшая жесткость подшипника обеспечивает невысокие первую и вторую критические частоты ротора, что улучшает его динамику. После разгона ротора при возрастании нагрузки на цапфу смещение верхней ленты 4 возрастает и она начинает контактировать с гофрированными лентами 40 и 41. При этом жесткость подшипника существенно возрастает.
Помимо использования в радиальных подшипниках, упругий элемент с чередующимися гофрированными лентами большей и меньшей высоты, подобно описанным выше, могут использоваться в осевых ленточных подшипниках, располагаясь, как в известных конструкциях, между верхней лентой и корпусом подшипника.
Гофрированные ленты 20, 21, 24, 40 и 41 имеют периодически изменяющуюся в окружном направлении ширину. Гребни 371, 373 и 375 и образующие их волны гофрированной ленты 20 более узкие в, чем чередующиеся с этими гребнями гребни 370, 372 и 374 и соответствующие волны. Поэтому жесткость волн с гребнями 371, 373 и 375 меньше, чем жесткость волн с гребнями 370, 372 и 374. Отношение ширины широких и узких гребней и соответствующих волн обычно не превышает двух. Такой же характер изменения ширины имеют ленты 21, 24, 40 и 41. Гофрированные ленты 20, 21, 24, 40 и 41 расположены относительно друг друга таким образом, что их узкие гребни расположены вдоль направлений, указанных стрелками, под наклоном, т.е. неперпендикулярно, т.е. к средней линии 368 подшипника, проходящей в окружном направлении посредине между боковыми краями 357 и 359 верхней ленты 4, показанными на фиг.4, и боковыми краями остальных верхних лент 7 и 9 подшипника, показанных на фиг.1. Подобное расположение гофрированных лент приводит к образованию зон меньшей и большей жесткости, чередующихся в окружном направлении и расположенных каждая неперпендикулярно к окружному направлению.
Показанные на фиг.13 гофрированные ленты имеют зоны с малой жесткостью, каждая из зон сформирована одной волной, более узкой, чем соседние гребни этой ленты. Сформированные таким образом чередующиеся в окружном направлении зоны с меньшей и большей жесткостью расположены от боковых краев 357 и 369 верхней ленты 4 к средней линия 368. Однако при большом количестве гребней в гофрированной ленте, например, при большом диаметре цапфы, возможен вариант, когда каждая зона с малой жесткостью в окружном направлении образована несколькими узкими волнами, а каждая зона с большой жесткостью образована несколькими широкими волнами.
Под давлением смазочного слоя верхняя лента 4 продавливается в радиальном направлении больше в зонах расположения узких гребней, вдоль направлений, показанных стрелками, где жесткость гофрированных лент меньше. Это приводит к образованию канавок на верхней ленте 4, имеющих елочную, или, другими словами, шевронную структуру и расположенных вдоль стрелок. Наличие таких канавок способствует повышению давления смазочного слоя и несущей способности подшипника.
Для создания эффекта повышения давления смазочного слоя от образовавшихся на верхней ленте канавок необходимо, чтобы эти канавки начинались от бокового края верхней ленты, т.е. соединялись с окружающим подшипник пространством. Для показанного на фиг.13 варианта это условие обеспечивается тем, что все гофрированные ленты имеют чередующуюся по величине жесткость в окружном направлении. Однако возможен вариант, где по сравнению представленным на фиг.13 вариантом вместо двух крайних гофрированных лент 24, расположенных возле боковых сторон верхней ленты 4, установлены гофрированные ленты постоянной ширины. При этом относительно набольшая ширина и, следовательно, жесткость этих гофрированных лент позволит сформироваться канавкам на верхней ленте под давлением смазочного слоя и получить эффект повышения давления за счет канавок, однако этот эффект будет меньше, чем для варианта, показанного на фиг.13. Эти рассуждения справедливы для всех представленных далее вариантов подшипников с упругим элементом, имеющем чередующуюся по величине жесткость в окружном направлении для образования канавок на верхней ленте.
Количество образующихся под давлением смазочного слоя канавок на верхних лентах подшипника, располагающихся в окружном направлении, в представленном на фиг.13 варианте и других предлагаемых вариантах подшипника с канавками, имеет порядок, близкий к количеству канавок в обычных радиальных и осевых подшипниках с канавками, имеющих жесткие поверхности скольжения. При этом изгибная жесткость верхней ленты препятствует дальнейшему увеличению количества канавок.
Образование канавок на верхней ленте будет происходить также в варианте подшипника, где высота вершин всех гофрированных лент в направлении оси подшипника постоянна, а ширина периодически изменяется в окружном направлении таким же образом, как показано на фиг.13.
Возможен вариант подшипника, где вместо одной гофрированной ленты в окружном направлении расположено более одной, несколько гофрированных лент, имеющих каждая периодически изменяющуюся ширину в кружном направлении, т.е. упругий элемент, расположенный между верхней лентой 4 и вкладышем, содержит в окружном направлении несколько упругих частей.
На фиг.14 показан вид в плане на другой вариант формы гофрированных лент по сравнению с фиг.13, где вместо находящихся посредине между торцами подшипника гофрированных лент 20 и 40 с переменной шириной установлены соответственно гофрированные ленты 381 и 380, имеющие постоянную ширину. Поэтому канавки на верхней ленте 4 формируются ближе к торцам подшипника, где расположены гофрированные ленты 21, 41 и 24 с переменной шириной.
На фиг.15 вид в плане на показан другой вариант формы гофрированных лент по сравнению с фиг.13, В отличие от гофрированных лент, показанных на фиг.14, установленные вместо лент 24, 41 и 21 с одного торца подшипника гофрированные ленты 392, 393 и 394 имеют постоянную ширину, и канавки на верхней ленте 4 формируется только у противоположного торца подшипника, где расположены гофрированные ленты 21, 41 и 24, и образуют только половину шевронной структуры. Наличие такого расположения канавок, также как канавок с шевронной структурой, способствует повышению давления смазочного слоя и несущей способности подшипника.
Возможен другой вариант упругого элемента радиального ленточного подшипника для формирования канавок на верхней ленте 4. Вместо гофрированных лент с переменной шириной между верхней лентой 4 и вкладышем 6 может быть расположен перфорированный лист из эластичного материала, например, резины. Этот лист имеет множество отверстий, расположенных с периодическим изменением в окружном направлении их диаметра или плотности расположения и формирующих чередующиеся в окружном направлении зоны меньшей и большей жесткости, расположенные, подобно жесткости упругого элемента из гофрированных лент, показанных на фиг 13 или фиг.15, вдоль направления от одного или от обоих боковых краев верхней ленты 4 к ее средней части и в окружном направлении по направлению вращения. Пример подобного перфорированного листа для осевого ленточного подшипника показан на фиг.80 и 81.
На фиг.16 показан вид в плане на ленточные элементы другого варианта радиального подшипника, отличающегося от подшипника, показанного на фиг.1 и 4, другими гофрированными лентами и наличием промежуточного элемента. В этом варианте реализован другой способ создания канавок на поверхности верхней ленты 4. Закрепленные на опорной ленте 16 гофрированные ленты 392, 393, 394 и 380 расположены симметрично относительно средней линии подшипника и имеют, как обычно используемые в ленточных подшипниках гофрированные ленты, постоянную ширину. Возможен вариант, где вместо этих нескольких гофрированных лент может быть установлена одна широкая гофрированная лента. Между показанными на фиг.16 гофрированными лентами и верхней лентой 4 расположен промежуточный элемент в виде промежуточного листа 385 с каналами, выполненными в виде расположенных на обращенной к ленте 4 поверхности канавок 376, имеющих шевронную, т.е. елочную, структуру. Канавки 376 расположены под наклоном, т.е. неперпендикулярно, к окружному направлению, т.е. к направлению движения поверхности цапфы 2, и симметрично относительно средней линии подшипника. Пары канавок, расположенные симметрично относительно средней линии подшипника, соединяются друг с другом в месте прохождения этой средней линии. Сечение верхней ленты 4 и промежуточного листа 385 плоскостью А-А показано на фиг.17. Канавка 376 на листе 385 сформирована поверхностью 387 дна и поверхностями 386 межканавочных выступов, расположенных по обе стороны от канавки. Канавка 376 может быть изготовлена, например, посредством травления материала листа или нанесением тонкого слоя металла на лист 385 гальваническим способом с последующим травлением по маске. Глубина канавки обычно составляет от нескольких до нескольких десятков микрометров. Промежуточный лист 385 может удерживаться в осевом направлении, например, при помощи соединения с верхней лентой 4 или при помощи шпонок 70 и 80.
Возможен вариант подшипника, показанного на фиг.16, с промежуточным элементом в виде промежуточного листа, имеющего каналы в виде сквозных вырезов в промежуточном листе, расположенных на промежуточном листе подобно расположению канавок 376.
Возможен вариант с подшипника с промежуточным элементом, содержащем промежуточный лист без каких-либо каналов и тонкую фольгу или пленку, расположенную между этим промежуточным листом и верхней лентой 4. Эта фольга имеет каналы, выполненные в виде сквозных вырезов в фольге и расположенные на фольге подобно расположению канавок 376 на промежуточном листе.
При использовании промежуточного листа, имеющего канавки для формирования канавок на верхней ленте, между промежуточным листом и вкладышем подшипника может быть установлен обычный упругий элемент, например, одна или несколько гофрированных лент с постоянной или монотонно изменяющейся жесткостью, обычно применяющиеся в ленточных подшипниках.
Под действием давления смазочного слоя верхняя лента 4 прогибается над канавками 376 в направлении от цапфы 1, как показано на фиг.17. После касания верней лентой 4 поверхности 387 дна канавки и дальнейшем увеличении давления слоя глубина канавки 390 на поверхности ленты 4 остается постоянной, равной глубине канавки листа 385, в отличие от варианта, показанного на фиг.1, где глубина канавки на поверхности ленты 4 постоянно возрастает при росте давления смазочного слоя. Образующиеся на верхней ленте 4 канавки, имеющие, подобно показанному на фиг.1 варианту, елочную структуру, способствуют повышению давления смазочного слоя и несущей способности подшипника.
Для создания эффекта повышения давления смазочного слоя от образовавшихся на верхней ленте канавок необходимо, чтобы эти канавки начинались от бокового края верхней ленты, т.е. соединялись с окружающим подшипник пространством. Для показанного на фиг.16 варианта подшипника это условие обеспечивается тем, что промежуточный лист 385, равный по длине в осевом направлении верхней ленте 4, имеет канавки, начинающиеся от бокового края верхней ленты 4. Однако возможен вариант, где, например, промежуточный лист с канавками имеет длину в осевом направлении больше, чем верхняя лента 4. Это увеличивает изгибную жесткость верхней ленты по боковым краям и несколько снижает эффект повышения давления в смазочном слое за счет образовывающихся на верхней ленте канавок.
Представленный на фиг.18 вид в плане на ленточные элементы другого варианта подшипника отличается от подшипника, показанного на фиг.16, промежуточным листом 398, имеющим более короткие канавки по сравнению с канавками на листе 385, не доходящие до средней линии промежуточного листа, проходящей по средней линии подшипника. Поэтому при давлении смазочного слоя канавки на верхней ленте 4 формируются ближе к торцам подшипника, где расположены канавки листа 398.
Возможен другой вариант подшипника, отличающегося от подшипника, показанного на фиг.18, расположением канавок на промежуточном листе. В этом варианте, показанном на фиг.19, канавки на промежуточном листе 396 расположены по сравнению с промежуточным листом 398, показанном на фиг.18, только с одного торца подшипника, т.е. со стороны одной боковой стороны 357 верхней ленты 4. Поэтому при давлении смазочного слоя канавки на верхней ленте 4 формируются только у одного торца подшипника, где расположены канавки.
1
2
Цапфа 2 подшипника, показанного на фиг.1 и 4, имеет на поверхности 27 микроканавки, имеющие шевронную структуру расположения. Канавки расположены под наклоном к средней линии подшипника, т.е. неперпендикулярно окружному направлению, т.е. к направлению движения поверхности вращающейся цапфы. Между рядами канавок поверхность цапфы имеет гладкую цилиндрическую форму. Ширина канавки равна расстоянию между противоположными границами канавки. Расположение канавок на цапфе является обычным для радиального подшипника с канавками с жесткой невращающейся поверхностью. Возможен другой вариант расположения канавок, когда канавки из обоих рядов попарно соединяются в средине цапфы. На фиг.20 показано поперечное сечение этой канавки плоскостью А-А, перпендикулярной оси цапфы вместе с верхним лепестком 4. Канавка имеет дно, образованное поверхностью 402. Поверхность 402 и поверхность 403 межканавочного выступа, являющаяся частью цилиндрической поверхности 27 цапфы, сопрягаются между собой переходной поверхностью, имеющей выпуклую часть с радиусом кривизны R и вогнутую часть с радиусом R. Эти радиусы могут быть переменными на протяжении переходной поверхности от поверхности 403 и поверхности 402. Глубина канавки, т.е. расстояние между межканавочным выступом и дном канавки в радиальном направлении, составляет несколько микрометров Профиль переходной поверхности по сечениям плоскостями B и C, показанными на фиг.4, имеет форму профиля по сечению А, показанную на фиг.20. Количество канавок на цапфе в окружном направлении является обычным для радиального подшипника с канавками с жесткой невращающейся поверхностью и не превосходит обычно несколько десятков, возрастая с увлечением радиуса цапфы. Дополнительным ограничением количества канавок является наличие скругленной переходной поверхности, разделяющей впадины канавок и межканавочные выступы.
При разгоне или останове ротора, когда расположенный на верхней ленты 4 с антифрикционный слоем 15 имеет сухое трение с поверхностью цапфы, под действием нагрузки со стороны цапфы 2 происходит продавливание ленты 4 между межканавочными выступами 403 внутрь канавки и контакт антифрикционного покрытия 15 с выпуклой частью переходной поверхности. Малый радиус этой поверхности приводит к росту контактных напряжений между переходной поверхностью и антифрикционным покрытием и интенсивному износу покрытия. Напротив, увеличение радиуса этой поверхности приводит к снижению контактных напряжений и уменьшению величины износа покрытия.
Наличие таких канавок способствует повышению давления в смазочном слое и несущей способности подшипника при вращении цапфы. Эффект повышения давления особенно заметен при разгоне и останове ротора, когда минимальная толщина смазочного слоя мала. Повышение несущей способности подшипника при разгоне и останове ротора приводит к снижению скорости всплытия и посадки цапфы в подшипнике.
1
1
При сухом трении верхней ленты и цапфы контактное давление для подшипников, несущих относительно тяжелый и легкий ротор, будет различным. При малом контактном давлении для обеспечения технического результата - малого износа верхней ленты при достижении эффекта повышения давления за счет канавок на цапфе, радиус R выпуклой части - переходной поверхности может быть достаточно малым, больше глубины канавки, например, в десять раз. При большом контактном давлении для обеспечения такого же технического результата радиус R может быть значительно больше.
1
1
2
1
2
1
1
1
2
На фиг.21 показано поперечное сечение другого варианта канавки на цапфе ротора, отличающегося от профиля, показанного на фиг.20, поперечным профилем канавки. Профиль канавки имеет выпуклую поверхность с радиусом кривизны R, переходящую с изломом 14, т.е. с образованием острой кромки, в поверхность 13. Высота излома 14 над дном канавки составляет h. Глубина канавки, равная расстоянию от дна до цилиндрической поверхности цапфы 27, равна величине h. Если отношение величин h и h мало и не превышает, например, одной трети, при сухом трении верхней ленты по цапфе контакт будет проходить по выпуклой поверхности, подобно тому, как это показано на фиг.21 с вариантом канавки, показанной на фиг.20, и износ антифрикционного покрытия будет мал. Изменение профиля канавки, при котором увеличивается высота h, после превышения высоты h некоторой величины приведет к тому, что контакт при сухом трении верхней ленты по цапфе будет проходить также в месте излома 14 переходной поверхности, и износ антифрикционного покрытия верхней ленты за счет этого контакта резко возрастет. Максимальное отношение величин h и h, при котором износ будет мал, уменьшается с ростом контактного давления цапфы на верхнюю ленту и зависит также от других фактором.
Другой вариант расположения канавок на цапфе ротора подшипника, показанного на фиг.4, представлен на фиг.22. Канавки, имеющие дно 402, расположены на цапфе ротора только с одного торца подшипника неперпендикулярно к окружному направлению.
Показанная на фиг.1 часть 118 вкладыша 6 имеет паз 111, в который установлен датчик силы 94. Датчик силы 94 упирается в сферическую часть наконечника 102, который опирается на толкающий болт 104, установленный на резьбе в опорной втулке 96. Подшипниковая нагрузка от части 118 вкладыша 6 передается на втулку 96 через датчик силы 94, наконечник 102 и болт 104. Наконечник 102 имеет плоские боковые грани 108 и 109, прилегающие к боковым поверхностям паза 110 в опорной втулке 96. Поэтому при вращении болта 104 наконечник 102 двигается поступательно.
Контактирующие поверхности наконечника 102 и датчика силы 94 могут иметь любую подходящую форму для окружного и осевого поворота части 118 вкладыша относительно наконечника 102. При отсутствии датчика силы соответствующую форму могут иметь контактирующие поверхности вкладыша и наконечника. Возможен вариант, когда отсутствует наконечник, и вкладыш 492 упирается непосредственно в толкающий болт 104, как показано ниже, на фиг.26.
Максимально возможный угол осевого поворота частей вкладыша может отличаться от соответствующего угла окружного поворота. Поэтому вместо сферической поверхности наконечник 102 может иметь различную кривизну контактной поверхности в осевом и окружном направлениях, например тороидальную поверхность.
На фиг.23 показан другой вариант наконечника, показанного на фиг.1, где вместо наконечника 102, воспринимающего нагрузку от части 118 вкладыша 6 через датчик силы 94 и передающего нагрузку на болт 104, используется наконечник 97 цилиндрической формы, выполненный из упругого материала, например, «металлорезины», полученная прессованием растянутой проволочной спирали. Радиальная жесткость наконечника 97 сравнима или больше жесткости гофрированных лент, расположенных между цапфой 2 и вкладышем подшипника. Податливость наконечника 97 позволяет части 118 вкладыша 6 поворачиваться в окружном и осевом направлениях и при этом обеспечивает большую площадь контактной поверхности и снижение контактных напряжений и контактного износа при передаче нагрузки от датчика силы 94 к наконечнику 97. Материал металлорезина обладает большим внутренним трением и демпфирует возможные колебания вкладыша 6 относительно втулки 96.
Как показано на фиг.4, на болт 104 навинчен и зафиксирован при помощи контргайки 107 рычаг 105. Конец рычага 105 входит в паз 106 кольца 98. Толкающий болт 104, рычаг 105 и кольцо 98 входят в состав нагрузочного устройства для управления преднатягом подшипника, в дальнейшем нагрузочного устройства, т.е. устройства управления преднатягом подшипника, которое позволяет сдвигать часть 118 вкладыша 6 в радиальном направлении, т.е. к поверхности и от поверхности цапфы 2, в процессе работы турбомашины. В состав нагрузочного устройства входят также болты и рычаги, аналогичные болту 104 и рычагу 105 и предназначенные для одновременного сдвига частей 120 и 122 вместе с частью 118 вкладыша 6 в радиальном направлении, а также привод нагрузочного устройства, осуществляющий вращение поворотного кольца 98. Этот привод может быть, например, электромагнитным или пневматическим. Одновременный сдвиг частей 118, 120 и 122 вкладыша 6 в радиальном направлении означает относительное смещение последних в этом направлении.
Вращение кольца 98 вокруг оси подшипника в одну сторону вызывает через рычаг 105 вращение болта 104 и его смещение в радиальном направлении к цапфе. Болт 104 через наконечник 102 толкает часть 118 вкладыша 6 к цапфе. При этом в радиальном направлении под действием соответствующих толкающих болтов к цапфе сдвигаются также части 120 и 122 вкладыша 6. Это приводит к увеличению преднатяга в подшипнике и при вращающемся роторе вызывает увеличение жесткости и демпфирования подшипника. Вращение кольца 98 в противоположном направлении вызывает смещение в радиальном направлении от цапфы соответствующих толкающих болтов и частей 118, 120 и 122 вкладыша 6 и уменьшение преднатяга и жесткости подшипника. Величина поворота кольца 98, определяющая величину преднатяга, определяется системой управления нагрузочным устройством с помощью датчика силы 94 и подобных датчиков, расположенных в частях 120 и 122 вкладыша 6. Система управления выдает управляющие сигналы на привод нагрузочного устройства.
Возможен вариант подшипника с упрощенным нагрузочным устройством для управления преднатягом, содержащим только один толкающий болт 104, смещающий часть 118 вкладыша 6. При этом части 120 и 122 вкладыша 6 опираются на обычные неподвижные закрепленные на втулке 96 упоры, имеющие в месте контакта с вкладышем 6, например, сферическую форму, подобно наконечнику 102. В этом случае сдвиг части 118 вкладыша 6 к центру подшипника под действием толкающего болта также будет увеличивать жесткость и демпфирование подшипника.
Возможен вариант отсутствия датчика силы. В этом случае границы смещения части 118 вкладыша 6 в радиальном направлении может задаваться, например, с помощью упоров, ограничивающих вращение и движение толкающего болта к цапфе и от цапфы.
Возможен также другой вариант подшипника с упрощенным нагрузочным устройством, где в радиальном направлении может двигаться под действием толкающего болта 104 только часть 118 вкладыша 6, а части 120 и 122 вкладыша 6 жестко закреплены относительно втулки 96. В этом случае смещение части 118 вкладыша 6 в радиальном направлении к центру подшипника относительно части 120 и 122 под действием болта 104 также будет увеличивать жесткость и демпфирование подшипника.
На фиг.23 показан другой вариант нагрузочного устройства и датчика силы для радиального подшипника, показанного на фиг.1. Вместо опорной втулки 96 используется опорная втулка 218. Наконечник 97 из «металлорезины», имеющий форму цилиндра или диска, расположенный в пазу части 118 вкладыша 6 вместо датчика силы 94, установлен в торцевой части датчика силы 213. Другим торцом датчик силы 213 упирается в пьезокерамический актюатор 216, установленный в отверстии винта 214. Винт 214 установлен в радиальном направлении на резьбе во втулке 218 и позиционируется в радиальном направлении гайкой 215. Подшипниковая нагрузка передается от части 118 вкладыша 6 на втулку 218 через наконечник 97, датчик силы 213, актюатор 216 и винт 214.
При подаче напряжения на актюатор 216 через провода 220 происходит расширение актюатора 216 пропорционально величине подаваемого напряжения. Это вызывает радиальное смещение датчика силы 213 и наконечника 97 вместе с частью 118 вкладыша 6 к цапфе 2 и увеличение преднатяга па вкладыш. При уменьшении напряжения актюатор 216 наоборот, сжимается, и часть 118 вкладыша 6 под действием нагрузки со стороны цапфы смещается вместе с наконечником 97 и датчиком силы 213 от цапфы. В результате преднатяг ленточного подшипника снижается.
Показанные на фиг.1 и фиг.23 датчики силы 94 и 213, могут быть устроены, например, с использованием тензодатчика.
Датчики силы, 94 и 213 могут быть использованы в различных целях: для определения нагрузки на часть вкладыша радиального подшипника и сравнения ее с предельно допустимой нагрузкой для текущей частоты вращения ротора; для определение результирующей нагрузки цапфы ротора на подшипник; для определение изменения преднатяга в подшипнике в результате теплового расширения цапфы и частей подшипника.
Для измерения нагрузки на часть вкладыша подшипника возможен другой вариант датчика силы. При этом на наружной цилиндрической поверхности втулки 96, показанной на фиг.1, рядом с болтом 102 в осевом направлении установлен тензодатчик. Часть втулки 96 с установленным на ней упорным болтом 104 и тензодатчиком отделена в окружном направлении от остальной втулки расположенными в осевом направлении прорезями и соединена с остальной частью втулки только возле торцов. Нагрузка со стороны части 118 вкладыша 6 на отделенную часть втулки 96 вызывает деформацию, которая регистрируется тензодатчиком. При таком варианте датчика силы датчик силы 94 не используется и нагрузка от части 118 вкладыша 6 будет восприниматься непосредственно наконечником 102.
Варианты нагрузочного устройства управления преднатягом, показанные на фиг.4, 23 и его другие варианты, представленные ниже, вместе с гофрированными лентами 92 и 93, установленными между вкладышем 6 и втулкой 96, могут быть использованы в других газодинамических подшипниках с самоустанавливающимися частями вкладыша, в которых смазочный слоя образуется между поверхностью вкладыша и цапфой. Эти варианты нагрузочного устройства и гофрированные ленты могут быть использованы также в гидродинамических подшипниках с жидкой смазкой с самоустанавливающимися частями вкладыша.
На фиг.24…32 показаны поперечные сечения различных вариантов подшипника с нагрузочным устройством, отличающихся вкладышем,, верхней лентой, гофрированной лентой и нагрузочным устройством по сравнению с подшипником, показанным на фиг.1 и 4.
На фиг.24 показан вариант подшипника, отличающийся верхней лентой, промежуточным листом, гофрированной лентой и вкладышем, где имеется только одна верхняя лента. Во втулке 96 вместо вкладыша 6 установлен вкладыш 410, выполненный в виде кольца с тремя группами прорезей 412, 413 и 414, образующих каждая зигзагообразную в поперечном сечении подшипника перемычку, вытянутую вдоль оси подшипника, обеспечивающих для частей 418, 419 и 420 вкладыша 410 возможность относительного радиального и окружного смещения. Под относительным радиальным смещением частей вкладыша понимается такое смещение, при котором части вкладыша одновременно смещаются к центру или от центра вкладыша. Верхняя лента 424 и гофрированная лента 426 закреплены на вкладыше 410 при помощи сварки в точке 429. Вершины гофрированной ленты возле края 431 верхней ленты, где начинается смазочный слой, имеют меньшую высоту по сравнению с остальными вершинами. Длина нескольких волн гофрированной ленты 426, равная расстоянию между вершинами волн в окружном направлении, например, между вершинами 433 и 434, уменьшается от края 431 ленты 424 по направлению вращения цапфы. Длина последующих волн может быть постоянна. Между верхней лентой 424 и гофрированной лентой 426 расположен промежуточный лист 428, имеющий на обращенной к цапфе стороне канавки, подобные канавкам на листе 385, показанном на фиг.16, расположенные в окружном направлении от края 427 листа до точки крепления 429 последнего и образующие елочную структуру.
Между втулкой 96 и вкладышем 410 расположены гофрированные ленты 421, 422 и 423, предназначенные для демпфирования возможных колебаний частей 418, 419 и 420 вкладыша 410.
При вращении цапфы 2 воздух увлекается в окружном направлении от входа в смазочный слой у края 431 верхнего лепестка 424 и создает избыточное давление между верхней лентой 424 и поверхностью цапфы 2. При смещении болта 104 и двух подобных ему толкающих болтов к центру подшипника части 418, 419 и 420 вкладыша 410 также смещаются к центру подшипника. За счет податливости, создаваемой перемычками между частями вкладыша, эти части приближаются друг к другу в окружном направлении, поэтому толщина смазочного слоя между поверхностью цапфы 2 и верхней лентой 424 уменьшается. Давления смазочного слоя при этом повышается, возрастает жесткость и демпфирование подшипника.
Давление смазочного слоя обеспечивает прогиб верхней лены 424 в месте расположения канавок на промежуточном листе 426 подобно прогибу верхней ленты 4, показанному на фиг.17. Наличие канавок на верхней ленте 424 вызывает всасывание окружающего воздуха в смазочный слой по торцам подшипника, повышение давления в смазочном слое, тогда как в подшипнике без канавок воздух, наоборот, выходит по торцам из смазочного слоя, что понижает давление в смазочном слое. Поэтому в подшипнике без канавок величина допустимого смещения частей 418, 419 и 420 вкладыша 410 к центру подшипника меньше, чем в подшипнике с образующимися канавками, показанном на фиг.23.
Возможен другой вариант подшипника, показанного на фиг.24, где отсутствует лист 428, образование канавок на верхней ленте 424 происходит за счет переменной и образующей подобно показанной на фиг.13 елочную структуру жесткости гофрированных лент, установленных между вкладышем 410 и верхней лентой 424 вместо гофрированной ленты 426.
Подобно упрощенному варианту для подшипника, показанного на фиг.1, с одним толкающим болтом 104, подшипник, показанный на фиг.24, может также содержать только один толкающий болт 104 и два неподвижных упора, заменяющие болты 415 и 416 с наконечниками.
Возможен другой вариант подшипника, показанного на фиг.1 и 4, где вместо вкладыша 6 установлен вкладыш, имеющий вместо соединенных между собой трех частей 118, 120 и 122 такие же, но отдельные части, не соединенные перемычкой, имеющие возможность смещаться в радиальном направлении друг относительно друга под действием трех толкающих болтов устройства управления преднатягом, включая толкающий болт 104.
На фиг.25 показан другой вариант подшипника, отличающийся от подшипника, показанного на фиг.24, распределением длины волн гофрированной ленты 438 в окружном направлении. Длина волн расположенного между болтами 415 и 416 участка гофрированной ленты 438 уменьшается от этих болтов к группе прорезей 414, расположенных в средине этого участка, то есть расстояние между вершиной 442 и 443 и между вершиной 445 и 446 больше, чем расстояние между вершиной 440 и 441. Подобным образом длина волн расположенного между болтами 415 и 104 участка ленты 438 уменьшается от этих болтов к группе прорезей 413.
При радиальном смещении вращающейся цапфы 2 в направлении болта 415 максимальное радиальное смещение цапфы, в дальнейшем также смещение цапфы, относительно части 419 вкладыша 410 имеет место напротив болта 415, где длина волн максимальна, а жесткость минимальна. По мере удаления от болта 415 в окружном направлении к краям части 419 величина радиального смещения уменьшается пропорционально косинусу углового расстояния до болта 415. Уменьшение длины волн ленты 438 от болта 415 к группе прорезей 414 и 413, т.е. к краям части 419 обеспечивает увеличение радиальной жесткости ленты 438 и постоянную нагрузку смазочного слоя на ленту 438 на участке от группы прорезей 414 до группы прорезей 413.
При смещении цапфы 2 в направлении группы прорезей 414 часть 419 вкладыша 410 поворачивается и ориентируется так, что максимальное радиальное смещение цапфы относительно части 419 вкладыша 410 имеет место также напротив болта 415. Это обеспечивает постоянную нагрузку смазочного слоя на ленту 438 для всей части 419 вкладыша 410.
На фиг.26 показан упрощенный вариант подшипника, показанного на фиг.24. Отсутствует лист 428 между лентами 424 и 426. Вместо вкладыша 410 с тремя группами прорезей, образующих перемычки между частями вкладыша, во втулке 96 установлен вкладыш 492 в виде разрезанного кольца. Вкладыш разрезан вдоль оси так, что между его частями 494 и 495 имеется расположенная в осевом направлении щель 493, позволяющая частям 494 и 495 смещаться относительно друг друга в радиальном и окружном направлениях. В наружную поверхность части 495 вкладыша 492 упирается и воспринимает подшипниковую нагрузку толкающий болт 104. Податливость части 495 вкладыша 494 в радиальном направлении достаточна, чтобы деформироваться при нагрузке со стороны болта 104.
При вращении цапфы 2 создается избыточное давление между верхней лентой 424 и поверхностью цапфы 2. При смещении болта 104 к центру подшипника часть 495 вкладыша 492 также смещается к центру подшипника под действием болта и вызывает смещение к центру цапфы частей верхней ленты 424 и гофрированной ленты 426, расположенных напротив части 495 вкладыша, и увеличение преднатяга. При этом толщина смазочного слоя между поверхностью цапфы 2 и верхней лентой 424 уменьшается, давление смазочного слоя повышается, возрастает жесткость и демпфирование подшипника.
На фиг.27 показан другой вариант вкладыша подшипника, показанного на фиг.1, отличающийся вкладышем, верхней и гофрированной лентой. Во втулке 96 вместо вкладыша 6 установлен вкладыш 450, выполненный в виде кольца без прорезей. Между вкладышем 450 и цапфой 2 расположены в окружном направлении верхние ленты 452, 453 и 454 и гофрированные ленты 458, 459 и 460, расположенные соответственно между лентами 452, 453 и 454 и вкладышем 450. Податливость вкладыша 450 в радиальном направлении достаточна, чтобы деформироваться при нагрузке со стороны болтов 104, 415 и 416. Таким образом, части вкладыша 450 имеют возможность смещаться относительно друг друга в радиальном направлении.
Смещение болтов 104, 415 и 416 к центу подшипника вызывает деформацию вкладыша 450. Вкладыш 450 с увеличенным масштабом деформация показан на фиг.28 сплошными линиями. Пунктирными линиями показан вкладыш без деформации. Как видно из фиг.28, деформация вкладыша приводит к приближению к цапфе частей вкладыша, расположенных напротив болтов 104, 415 и 416 и удалению от цапфы частей вкладыша, расположенных между болтами 104, 415 и 416. Приближение к вращающейся цапфе частей вкладыша, расположенных напротив толкающих болтов, увеличивает жесткость и демпфирование подшипника.
На фиг.29 и 30 показан поперечный и продольный разрез другого варианта нагрузочного устройства подшипника, показанного на фиг.24, отличающийся нагрузочным устройством, вкладышем и опорной втулкой. Вкладыш 460 кольцевой формы, подобно вкладышу 410 на фиг.24, имеет три группы прорезей 465, 466 и 467, обеспечивающих для частей 461, 462 и 463 вкладыша 460 возможность радиального смещения и отличается от вкладыша 410 тем, что его наружная поверхность 468 имеет коническую форму. Вкладыш 460 установлен в опорную втулку 47, с прилеганием поверхности 468 к внутренней конической поверхности втулки 470. Втулка 470 установлена в корпусе турбомашины. С обоих торцов во вкладыш 460 упираются гайки 473, установленные на резьбе во втулке 470 концентрично с вкладышем 460 с возможностью вращения чрез закрепленные на гайках рычаги 474 при помощи привода, не показанного на фиг.30. При синхронном вращении гаек 473 эти гайки сдвигаются вдоль оси втулки 470 в одном направлении. Одна из этих гаек толкает вкладыш 460 в осевом направлении. В зависимости от направления вращения гаек относительное осевое скольжение конических поверхностей вкладыша 460 и втулки 470 вызывает увеличение или уменьшение внутреннего диаметра вкладыша 460 за счет относительного радиального смещения частей 461, 462 и 463 вкладыша 460. Это смещение обеспечивается перемычками, образованными группами прорезей 465, 466 и 467.
Возможен также другой вариант смещения вкладыша 460, где каждая гайка 473 заменена одним или несколькими толкающими болтами, упирающимися в каждый торец вкладыша 460 и закрепленными относительно втулки 470, где оси этих толкающих болтов параллельны оси подшипника.
При вращающемся роторе гайки 473 синхронно поворачиваются рычагами 474 и сдвигают вкладыш 460 в осевом направлении. При этом внутренний диаметр вкладыша 460 уменьшается за счет уменьшения диаметра внутренней конической поверхности втулки 470, контактирующий с поверхностью 468 вкладыша 460, что приводит к уменьшению толщины смазочного слоя в подшипнике, увеличению преднатяга, увеличению жесткости и демпфирования подшипника. При вращении гаек 473 в противоположном направлении преднатяг подшипника уменьшается.
На фиг.31 и 32 показан поперечный и продольный разрез варианта подшипника, показанного на фиг.26, отличающегося способом установки вкладыша в корпусе. Вкладыш 480 подшипника имеет наружные конические поверхности по разрезан подобно вкладышу 492, показанному на фиг.26 и установлен в корпус подшипника - втулку 484 по двум наружным коническим поверхностям 481 и 482 для уменьшения наружного диаметра вкладыша. Втулка 484 закреплена относительно корпуса 499 турбомашины посредством кольца, т.е. кольцеобразного элемента 490, закрепленного на наружном диаметре втулки 484 в средней части последней. Кольцо 490 закреплено относительно корпуса турбомашины 499 по периферийной части 498 кольца 490 и относительно втулки 484 по внутренней части 491 кольца 490. Кольцо 490 имеет прорези 497, проходящие от наружной части 498 к внутренней части 491, предназначенные для уменьшения изгибной жесткости наружной части кольца 490 относительно его внутренней части. Прорези 497 могут располагаться в радиальном направлении или под наклоном к радиусу. Такое закрепление подшипника обеспечивает высокую радиальную жесткость вкладыша 480 и низкую жесткость поворота вкладыша относительно корпуса 499 для компенсации перекосов подшипника относительно цапфы и может быть использовано для обычных вариантов ленточных радиальных подшипников, не имеющих вкладыша. Возможен вариант кольца 490 без прорезей. Возможен также вариант, где некоторые из частей 489 кольца 490, расположенные между прорезями, удалены для снижения изгибной жесткости кольцеобразного элемента. Возможен вариант начала прорезей от внутренней части кольцеобразного элемента. Возможен вариант, где кольцеобразный элемент состоит из отдельных расположенных по окружности частей, например, пластинчатого вида, каждая из которых закреплена с одной стороны на втулке 484, с другой стороны на корпусе 499 турбомашины.
В зазорах между втулкой 484 и корпусом 499 турбомашины установлены гофрированные ленты 483 и 479, или, для усиления демпфирования возможных конических колебаний втулки 484, могут быть установлены упругодемпферные блоки, подобные, например, блоку, показанному на фиг.5, содержащие соответственно гофрированные ленты 483 и 479.
Нагрузочное устройство подшипника, показанного на фиг.31 и 32, устроено также, как в варианте, показанном на фиг.29 и 30.
Смещение вкладыша 6 подшипника, показанного на фиг.1, в окружном направлении, ограничено винтами 101 и 103, установленных во втулке 96 в радиальном направлении, концевые части которых расположенными между частями 118, 120 и 122 вкладыша 6. Другой вариант ограничения смещения вкладыша 6 в окружном направлении, может быть выполнен за счет винтов, установленных во втулке 96 в радиальном направлении, расположенных по обе стороны от винта 104 вдоль оси подшипника, где концевые части этих винтов расположены в пазу 111 части 118 вкладыша 6, показанном на фиг.4..
Части 118, 120 и 122 вкладыша 6 соединены одинаковыми перемычками. Каждая из этих перемычек образована группой прорезей. Части 118 и 122 вкладыша 6 соединены перемычкой 91, содержащей части 123 и 124. Между частями 123 и 124 перемычки имеется утолщение 29, которое служит для установки шпонки 70 и концевой части винта 101. В утолщении 29 расположен паз 31 со стороны внутренней поверхности 11 вкладыша 6 и вдоль его оси. В пазу 31, простирающемся поперек окружного направления, установлена шпонка 70 призматической формы. Такие же шпонки установлены в соответствующих пазах двух остальных перемычек, соединяющих части 118, 120 и 122 вкладыша 6. Перемычка 91 имеет зигзагообразный профиль в сечении, перпендикулярном оси вкладыша 6 и простирается в двух направлениях: окружном и в радиальном. Перемычка 91 образована прорезями 112, 113, 114 и 115, расположенными вдоль оси вкладыша. Перемычки, соединяющие части 118, 120 и 122 вкладыша 6, обеспечивают возможность упругого поворота и смещения частей 118, 120 и 122 относительного друг друга в радиальном и окружном направлении под действием внешней силы или момента. Поэтому для достаточной податливости в этих направлениях и симметричном смещении частей вкладыша 6 в окружном направлении части перемычки должны располагаться как минимум в двух различных направлениях, например, в радиальном и окружном, как показано на фиг.1. Толщина перемычек составляет порядка одного миллиметра. В зависимости от диаметра цапфы и формы прорезей толщина перемычек может быть больше или меньше одного миллиметра. Податливость смещения частей вкладыша относительно друг друга может регулироваться толщиной и длиной перемычек, а также их расположением. Например, для увеличения податливости в радиальном направлении перемычка может иметь зигзагообразную форму в окружном направлении, подобно имеющейся в радиальном направлении зигзагообразной части.
Прорези 112, 113 и другие могут быть выполнены, например, при помощи электроэрозии проволокой. Толщина прорезей составляет несколько десятых миллиметра.
Наличие перемычек, соединяющих части вкладыша 6 в единую деталь, позволяет упростить процесс сборки подшипника. После установки согласно фиг.1 в пазы вкладыша 6 шпонки 70 и двух других шпонок, ленты 16 с упругодемпферными блоками, верхней ленты 4 на части 118 вкладыша и аналогичных ленточных элементов на части 120 и 122 вкладыша 6 эти элементы устойчиво держаться во вкладыше. Поэтому далее вкладыш 6 можно устанавливать в опорную втулку 96 без имитатора цапфы ротора, как это обычно происходит при установке в корпус турбомашины самоустанавливающихся частей вкладыша обычной конструкции, не соединенных друг с другом.
Перемычка и образующие ее прорези могут располагаться в одном направлении. На фиг.33 и 34 показаны варианты перемычек для вкладыша подшипника, показанного на фиг.24. На фиг.33 зигзагообразная перемычка 411 и образующая ее группа прорезей 425 расположены в радиальном направлении. На фиг.34 зигзагообразная перемычка 409 и образующая ее группа прорезей 408 расположены под наклоном к радиусу вкладыша.
На фиг.35 показана увеличенная часть фиг.1 с вариантом соединения частей вкладыша 6 подшипника, где части 59 и 60 вкладыша в отличие от частей 118 и 122 вкладыша 6 выполнены отдельно друг от друга и соединены перемычкой 56, изготовленной в виде отдельной детали. Перемычка 56 изготовлена из тонкой пластины. Толщина пластины 56 имеет такой же порядок, как толщина перемычек, показанных на фиг.1, или несколько меньше. Пластина 56 с U-образным профилем расположена в прорезях 57 и 58 частей 59 и 60 вкладыша, имеющих L-образный профиль и расположенных напротив друг друга, что позволяет удерживать части 59 и 60 относительно друг друга с небольшим люфтом. Таким же образом соединены остальные части вкладыша. Такое соединение обеспечивает возможность относительного радиального и окружного смещения частей вкладыша.
Для ленточного подшипника с устройством регулирования преднатяга соединительные элементы между частями вкладыша, включая перемычки, полученные при помощи прорезей или при помощи тонкой пластины, могут отсутствовать. Однако это усложняет процесс сборки.
Между частью 118 вкладыша 6 и опорной втулкой 96, показанной на фиг.1, расположены гофрированные ленты 92 и 93. Ленты 92 и 93 имеют меньшую радиальную жесткость по сравнению с гофрированными лентами, расположенными между верхней лентой 4 и частью 118. В случае, если гофрированная лента имеет несколько волн в окружном направлении, как лента 92, длина волны в окружном направлении и ее высота может возрастать с удалением от места опоры вкладыша 6 на наконечник 102 к периферии части 118. Такое изменение длины и высоты волны гофрированной ленты снижает жесткость ленты к периферии и увеличивает равномерность нагрузки ленты при повороте вкладыша, вызывающем увеличение или уменьшение зазора между опорной втулкой 96 и периферийной частью вкладыша
Лента 92 и 93 установлены между вкладышем 6 и втулкой 96 с некоторым преднатягом и предназначены для демпфирования возможных угловых колебаний части 118 вкладыша 6. Для увеличения демпфирования между вкладышем и опорной втулкой могут быть установлены гофрированные ленты в составе упругодемпферных блоков, подобных показанному, например, на фиг.5.
Упругое соединение перемычками частей 118, 120 и 122 вкладыша 6 позволяет устанавливать гофрированные ленты 92 и 93, показанные на фиг.1, с преднатягом, вызывающим только малое смещение частей вкладыша 6 в радиальном направлении к центру подшипника и почти не вызывающего увеличения преднатяга в гофрированных лента упругого элемента подшипника при старте и останове, что снижает контактное давление цапфы 2 на верхнюю ленту и износ подшипника.
Верхняя лента 4 подшипника, показанного на фиг.1, удерживается в окружном направлении шпонками 70 и 80, частично расположенными в пазах вкладыша 6. Верхние ленты 7 и 9 удерживаются подобным образом парой соответствующих шпонок.
На фиг.36 показана увеличенная часть фиг.1. Шпонка 70 имеет призматическую форму и расположена в пазу вкладыша 6 поперечно к окружному направлению. Часть шпонки 70, выступающая из паза 31 вкладыша 6 к цапфе 2, имеет заднюю часть, расположенную навстречу направлению вращения цапфы, в которой расположен паз 251 с установленным в нем передним краем 248 ленты 9, верхнюю часть, обращенную к цапфе, ограниченную поверхностью 25, и переднюю часть, противоположную задней части, где расположен паз 253 с установленным задним краем 43 ленты 4. Пазы 251 и 253 расположены вдоль шпонки, в направлении оси подшипника, т.е. поперечно к окружному направлению. Передний и задний край верхних лент 4, 7 и 9 расположен в пазах шпонок, установленных во вкладыше 6, для фиксации верхних лент от смещения по направлению и против вращения. Смещение ленты 9 по направлению вращения возможно до упора переднего края ленты 9 в поверхность дна паза 251, расположенную навстречу вращению ротора поперек окружного направления.
Каждая из верхних лент 4, 7 и 9 имеет у переднего и заднего края ступеньку. Для предотвращения контакта цапфы 2 со шпонкой 70 часть 252 верхней ленты 9, выступающая в сторону цапфы и находящаяся возле переднего края ленты 9, должна находиться ближе к поверхности цапфы, чем верхняя часть 25 шпонки 70. Для этого передний край 248 ленты 9 расположен на нижней части ступеньки, расположенной дальше от цапфы 2, чем верхняя часть 252 ступеньки и находящейся в пазу 251 передней части шпонки 70. Верхняя часть 254 ленты 4, расположенная у заднего края 43 ленты 4, должна находиться дальше от поверхности цапфы, чем часть 252 ленты 9 и может быть как ближе, так и дальше от поверхности цапфы, чем верхняя часть шпонки 70. Ступенька на заднем краю ленты 4 нужна для задания оптимального расстояния между частью 254 ленты 4 и поверхностью цапфы.
Передняя и задняя часть верхних лент 9 и 4 имеет достаточно простую ступенчатую форму. Отсутствие неразборного соединения верхней ленты со шпонками, обычно выполняемого при помощи сварки, упрощает и удешевляет конструкцию подшипника для крепления верхних лент. Малое расстояние между выступающей частью 252 и точкой контакта края 248 верхней ленты 9 со шпонкой 70 в радиальном направлении обеспечивает достаточную жесткость и прочность крепления при удержании верхней ленты в направлении вращения. В осевом направлении верхние ленты могут быть зафиксированы, например, относительно шпонок при помощи закрепленных на торцах шпонок пластинчатых накладок.
Шпонка 70 имеет продольный паз 255, в который входит имеющийся в пазу 31 вкладыше 6 выступ 257 для ограничения смещения шпонки 70 к центру подшипника.
При смещении цапфы в сторону шпонки 70 давление смазочного слоя вызывает смещение в этом же направлении верхней части 252 ленты 9 вместе со шпонкой 70. Смещение шпонки 70 в радиальном направлении, т.е. вдоль направления к цапфе, обеспечивается свободным пространством 266 между шпонкой 70 и вкладышем 6.
На фиг.37 показан другой вариант крепления верхних лент подшипника, показанного на фиг.1. Шпонка 268 имеет расположенный в ее верхней части наклонный паз 264, где расположена имеющая излом передняя часть 260 верхней ленты 261, удерживающая ленту 261 в направлении вращения. Такое расположение паза и ленты 261 также обеспечивает зазор между цапфой и шпонкой 268 при любом положении цапфы. Край 263 задней части верхней ленты 265 не имеет специальной профилировки и не удерживается шпонкой 268. Смещение верхней ленты 260 по направлению вращения возможно до упора переднего края ленты 260 в поверхность дна паза 264, расположенную навстречу направлению вращения ротора и поперек окружного направления. Смещение верхней ленты 265 против направления вращения возможно до упора заднего края ленты 265 в переднюю часть шпонки 268.
Другой вариант крепления одной верхней ленты в подшипнике показан на фиг.38. Передняя часть 282 верхней ленты 284 удерживается в пазу, имеющем L-образное поперечное сечение, расположенном в верхней части шпонки 286. Смещение верхней ленты 284 по направлению вращения возможно до упора передней части 282 ленты 264 в боковую поверхность 270 паза, расположенную навстречу направлению вращения ротора и простирающуюся в осевом направлении, т.е. поперек окружного направления.
Другой вариант крепления верхней ленты показан на фиг.39. Передняя часть 276 верхней ленты 270 удерживается в пазу, имеющем L-образное поперечное сечение, расположенном в задней части шпонки 278. Смещение верхней ленты 284 по направлению вращения возможно до упора передней части 276 ленты 284 в боковую поверхность 272 паза, расположенную навстречу вращению ротора и поперек окружного направления.
В вариантах крепления верхней ленты, показанных на фиг.38 и 39, за счет L-образного профиля паза в шпонке верхнюю ленту можно извлечь из шпонки только при смещении в осевом направлении. Это повышает надежность крепления верхней ленты и удобство при сборке подшипника.
На фиг.40, 41 и 42 показан вариант крепления верхней ленты осевого ленточного подшипника при помощи шпонки.
На фиг.40 показан вид на отдельную верхнюю ленту подшипника в плане. На фиг.41 показано сечение подшипника цилиндрической поверхностью в окружном направлении, проходящей по линии А-А. На фиг.42 показано сечение подшипника цилиндрической поверхностью в окружном направлении, проходящей по линии В-В. Верхняя лента 287 имеет форму кольца и удерживается от смещения в направлении вращения за счет двух передних частей 288 и 289 ленты 287, изготовленных каждая отгибом части ленты 287, ограниченной Г-образной прорезью с формированием L-образного профиля частей 288 и 289. Части 288 и 289 простираются поперек окружного направлению. Часть 288 расположена в L-образном пазу шпонки 290. Часть 289 расположена в пазу другой шпонки 290, расположенной в диаметрально противоположной части корпуса 291 подшипника. Лента 287 имеет ступеньку 292 для образования сходящегося клина между лентой 287 и вращающимся упорным диском 154 и обеспечения несущей способности подшипника. Лента 287 имеет еще пять ступенек, подобных ступеньке 292. Две из этих ступенек, в том числе ступенька 293, расположены на узких в радиальном направлении частях верхней ленты 287.
Смещение верхней ленты 287 по направлению вращения возможно до упора передней части 288 ленты 287 в боковую поверхность 294 паза, расположенную навстречу вращению ротора поперек окружного направления. Смещение шпонки 290 в осевом направлении, т.е. вдоль направления к упорному диску 154, обеспечивается свободным пространством между шпонкой 290 и корпусом 291 в осевом направлении, подобном пространству 266 между вкладышем 6 и шпонкой 70, показанном на фиг.36.
При возможности повышенных, например, ударных нагрузок на ротор в осевом направлении, существенно превосходящих предельную несущую способность подшипника, количество шпонок, удерживающих верхнюю ленту 287, может быть увеличено до трех и более.
Подшипник, показанный на фиг.1 и 4, имеет элемент для ограничения смещения цапфы в направлении от центрального положения цапфы, т.е. в радиальном направлении, в дальнейшем ограничительный элемент, предназначенный для повышения предельной нагрузки на подшипник больше, чем нагрузка, повреждающая гофрированную ленту. Показанный на фиг.4 вариант ограничительного элемента содержит кольцо 143 с нанесенным с внутренней стороны, т.е. со стороны поверхности ротора, антифрикционным слоем 149. Кольцо 143 может быть выполнено целиком из антифрикционного материала, например, из бронзы, и в этом случае антифрикционный слой 149 отсутствует.
Ограничительный элемент может быть закреплен, например, непосредственно в корпусе турбомашины. Однако при этом возможно увеличение несоосности внутреннего отверстия ограничительного элемента и цапфы.
Ограничительный элемент может располагаться возле верхней ленты подшипника в осевом направлении, например, со стороны консольной части ротора. Увеличение расстояния между подшипником и ограничительным элементом как при расположении ограничительного элемента со стороны - консольной части ротора, так и с противоположной стороны снижает технический результат.
Выступающая к цапфе часть ограничительного элемента может иметь цилиндрическую или конусную внутреннюю поверхность. Возможен другой вариант выступающей части ограничительного элемента, например, в виде кольца с выступами, обращенными к цапфе 2. В этом случае выступы должны быть распределены в окружном направлении, чтобы ограничивать смещение цапфы в различных направлениях.
При радиальном смещении цапфы вращающегося с рабочей частотой ротора под действием нагрузки, меньшей, чем несущая способность подшипника, вся нагрузка от цапфы на подшипник воспринимается гофрированными лентами, расположенными между вкладышем 6 и цапфой и передается от верхней ленты на вкладыш 6 и далее на опорную втулку 96 через обращенные к вкладышу вершины, т.е. наружные выступающие части 367, 369, показанные на фиг.5 и другие подобные выступающие части указанных гофрированных лент. После возрастания нагрузки больше или равной несущей способности подшипника возникает контакт цапфы, т.е. поверхности ротора, с кольцом 143 и часть нагрузки передается от цапфы на опорную втулку 96 через кольцо 143. При нагрузке на подшипник, превышающей его несущую способность, начинается сухое трение между верхней лентой 4 и цапфой 2. При дальнейшем возрастании нагрузки практически вся добавляющаяся нагрузка передается через кольцо 143, часть нагрузки, передающаяся через гофрированные ленты, практически не увеличивается. Внутренний диаметр ограничительного кольца с антифрикционным слоем 149 имеет такую величину, что гофрированные ленты 20 и 40 не имеют пластической деформации как при начале контакта между цапфой и кольцом 143, так и при дальнейшем росте нагрузки на подшипник до максимальной нагрузки, которая превышает нагрузку, повреждающую гофрированную ленту подшипника при отсутствии кольца 143. Таким образом, за счет распределения части подшипниковой нагрузки на кольцо 143, достигается увеличение максимальной нагрузки на подшипник, превышающую нагрузку, повреждающую гофрированную ленту. После снижения нагрузки на подшипник или смене фазы колебательного движения цапфы контакт цапфы с кольцом 143 исчезает.
Ограничительный элемент предназначен для работы в условиях кратковременных контактов с поверхностью вращающегося ротора. В результате каждого контакта происходит износ ограничительного элемента и поверхности ротора. Ленточный подшипник без ограничительного устройства может длительное время работать без износа во всем диапазоне нагрузки от нулевой до нагрузки, равной несущей способности подшипника. Условие возникновения контакта с кольцом 143, при котором нагрузка на подшипник меньше его несущей способности, снижает максимальную нагрузку на подшипник с длительной работой без износа. Условие возникновения контакта с кольцом 143, при котором нагрузка на подшипник равна или превышает его несущую способность, как предлагается в данном изобретении, не снижает максимальную нагрузку на подшипник с длительной работой без износа.
Кроме защиты от повреждения гофрированной ленты, дополнительным преимуществом такого варианта элемента для ограничения радиальных перемещений является снижение износа антифрикционного покрытия верхней ленты при контактах. Для антифрикционного слоя 149 могут быть использованы такие материалы, как пропитанная фторопластом пористая бронза, материалы на основе углеродных волокон и другие. Такие материалы обладают более высокой износостойкостью при высокой скорости и большом контактном давлении, чем антифрикционные материалы, используемые для покрытия верхней ленты в ленточных подшипниках.
Другой вариант элемента для ограничения радиальных перемещений цапфы показан на фиг.43. Этот элемент включает ограничительное кольцо 143, установленное с малым радиальным зазором 148 во втулке 96, и гофрированные ленты 165, простирающиеся в окружном направлении и расположенные в несколько слоев в радиальном направлении между кольцом 143 и втулкой 96. Гофрированные ленты 165 предназначены для демпфирования энергии движения цапфы и снижения ударной нагрузки на ограничительное кольцо. При нагрузке, превышающей предельную несущую способность подшипника, после максимального смещения кольца 143 под действием цапфы 2, равного радиальному зазору между втулкой 96 и кольцом 148, происходит контакт кольца 143 с втулкой 96. Величина максимального смещения с учетом радиального зазора между цапфой 2 и слоем 149 выбирается такой, чтобы не произошло пластической деформации гофрированной ленты. Вместо гофрированных лент могут быть использованы другие рассеивающие энергию движения материалы, например, резина или «металлорезина», полученная прессованием растянутой проволочной спирали.
Другой вариант элемента для ограничения радиальных перемещений цапфы показан на фиг.44. Этот элемент включает промежуточное кольцо 145, установленное с радиальным зазором во втулке 96, ограничительное кольцо 144, установленное с малым радиальным зазором в кольцо 145 и гофрированные ленты 165, расположенные в радиальном зазоре между промежуточным кольцом 145 и втулкой 96. На внутреннюю поверхность кольца 144 нанесен антифрикционный слой 146. Антифрикционный слой 147 может быть нанесен как на внутреннюю поверхность кольца 145, так и на наружную поверхность кольца 144. Слои 146 и 147 выполнены из разных материалов. Коэффициент трения внутреннего слоя 147 меньше, чем слоя 146. По этой причине контакт цапфы и слоя 146 вызывает скольжение слоя 147 с кольцом 144 по кольцу 145. При таком скольжении износ слоя 147 от трения распределяется по всему слою в окружном направлении, поэтому толщина износа слоя уменьшается.
Использование в качестве элемента для ограничения смещения цапфы в радиальном направлении кольца с антифрикционным покрытием имеет следующие преимущества: малые габариты, широкий температурный диапазон и простота. Однако для больших роторов с возможностью возникновения очень больших радиальных нагрузок и при наличии необходимого свободного места для ограничения радиальных перемещений ротора и увеличения предельной нагрузки на подшипник предпочтительным может быть использование подшипника качения (шарикового или роликового). Такой вариант представлен на фиг.45, где показан продольный разрез части подшипника. Подшипник качения установлен в опорной втулке 190, аналогичной втулке 96 так, что наружное кольцо подшипника 191 имеет радиальный зазор с втулкой 190. Гофрированные ленты 194 расположены в радиальном направлении между втулкой 190 и кольцом 191 и предназначены для демпфирования энергии радиального смещения цапфы и снижения ударной нагрузки на ограничительное кольцо. На внутренней поверхности внутреннего кольца 192 подшипника нанесено антифрикционное покрытие 193 для исключения перегрева и повреждения контактирующих поверхностей в начале контакта ротора с кольцом 192, когда кольцо 192 разгоняется и имеет меньшую скорость вращения, чем ротор. Антифрикционное покрытие 193 имеет выпуклость в средней части кольца 192 для предотвращения перекоса внутреннего кольца подшипника качения при контакте с цапфой. Возможен вариант, где для уменьшения перекоса используется сдвоенный подшипник качения, где оба внутренних кольца этих подшипников плотно посажены на втулку, контактирующую с поверхностью ротора при нагрузке на подшипник, превышающей несущую способность.
При нагрузке, превышающей предельную несущую способность подшипника, после максимального смещения кольца 191 под действием цапфы, равного радиальному зазору между втулкой 190 и кольцом 191, происходит контакт кольца 191 с втулкой 190. Величина максимального радиального смещения подшипника качения с учетом радиального зазора между цапфой 2 и внутренней поверхностью кольца 2 с учетом покрытия 193 выбрана такой, чтобы не произошло пластической деформации гофрированной ленты. Вместо гофрированных лент 194 могут быть использованы другие рассеивающие энергию движения материалы, например, резина.
Другой вариант элемента для ограничения радиальных перемещений цапфы с использованием подшипника качения показан на фиг.46 и 47. На фиг.47 показано сечение этого элемента перпендикулярно оси подшипника. Наружное кольцо 191 подшипника качения опирается в радиальном направлении на упругодемпферный блок, содержащий волнообразный элемент 195 и два фрикционных элемента: ленты 196 и 197. Волнообразный элемент 195 может быть изготовлен, например, при помощи электроэрозии проволокой из толстостенного металлического кольца. Выпуклость, т.е. волна 205 элемента 195 имеет края, т.е. выступающие части 198 и 199, являющиеся также вершинами, или гребнями элемента 195, расположенные с одной стороны элемента 195, где расположены ленты 196 и 197, и вершину, или гребень, 201, расположенную с другой его стороны. Волна 205 элемента 195 выполнена заодно с выступом 202, основание которого расположено на вершине 201, и направленным в сторону волнообразного элемента, где расположены ленты 196 и 197, являющимся разгрузочным элементом волнообразного элемента 195. Край 198 волны 205 являются также вершиной волны 212 с краями, т.е. выступающим частями, 210 и 211. Между вершиной 203 выступа 202 и обращенной к выступу поверхностью 204 ленты 196 имеется зазор. Величина этого зазора определяет радиальное смещение наружного кольца 191 подшипника качения при максимальной деформации волнообразного элемента 195. Выступ 202 увеличивает допустимую максимальную нагрузку на ленточный подшипник, предотвращая повреждение волнообразного элемента 195 от большого радиального смещения. В окружном направлении вокруг кольца 191 расположены волны, подобные волне 205 с выступом 202. Объединенные в волнообразном элементе волна 205 и другие волны имеют профиль волн, подобный гофрированной ленте. Один край элемента 195 закреплен на ленте 197 в точке 217 вдоль гребня волнообразного элемента 195. Другой край элемента 195 закреплен на ленте 196 в точке 206 вдоль гребня волнообразного элемента 195. Волнообразный элемент 195 вместе с фрикционными элементами - лентами 196 и 197 образует упругодемпферный блок, подобный блоку, показанному на фиг.5, и имеющий все основные признаки последнего, дополнительно увеличивающий демпфирование по сравнению с отдельным волнообразным элемент 195. Выступающие части 198 и 199 волнообразного элемента 195 контактируют с лентой 196. Выступающая часть 210 волнообразного элемента 195 контактирует с кольцом 191. Нагрузка между кольцом 191, расположенным с одной стороны упругодемпферного блока, и втулкой 190, расположенной с другой стороны последнего, передается через волнообразный элемент 195 и ленты 196 и 197.
Показанный на фиг.47 упругодемпферный блок может контактировать с кольцом 191 подшипника через промежуточную втулку, контактирующую своей внутренней поверхностью с кольцом 191, а наружной поверхностью - с вершинами волнообразного элемента 195, и может быть смещен при этом в осевом направлении по отношению к подшипнику качения.
При смещении кольца 191 в радиальном направлении под действием цапфы, контактирующей с кольцом 192, волнообразный элемент 195 деформируется, передавая нагрузку от ротора, через вращающееся внутреннее кольцо 192 подшипника качения, на втулку 190. Внутреннее кольцо 192 является средством, не имеющим невращающихся механических деталей, передающим подшипниковую нагрузку от вращающейся от ротора на втулку 190. Вершины элемента 195 смещаются друг относительно друга в окружном направлении, порождая трение скольжения с кольцом 191 и лентой 196. Края элемента 195 смещаются друг относительно друга в окружном направлении, порождая трение скольжения между лентой 196 и лентой 197. Смещение кольца 191 в радиальном направлении прекращается после контакта разгрузочного элемента 202 или других подобных разгрузочных элементов с лентой 196.
Волнообразный элемент, подобный показанному на фиг.47, может быть использован в качестве упругого элемента или его части как в радиальных, так и в осевых ленточных подшипниках. При использовании в осевых ленточных подшипниках вершины волнообразного элемента, расположенные с одной его стороны, опираются на плоскую поверхность корпуса подшипника. Подобный волнообразный элемент как отдельно, так и в составе упругодемпферного блока может быть использован также в подшипниках других типов, например, для подшипников качения в турбомашинах с роторами на подшипниках качения. Толщина профиля арочной части волнообразного элемента, определяющая его жесткость, может изменяться, например, от нескольких десятых миллиметра до одного миллиметра или несколько больше.
Упругодемпферный блок, подобный показанному на фиг.47 блоку, содержащему волнообразный элемент 195 и два фрикционных элемента: ленты 196 и 197, может быть установлен в качестве упругодемпферного элемента между ограничительным кольцом 143 и втулкой 96, показанных на фиг.43, вместо гофрированных лент 165.
Другой вариант расположения выступов на волнообразном элементе показан на фиг.48. Волнообразный элемент 208 содержит имеющие форму выступов разгрузочные элементы 207 и 209. Разгрузочный элемент 209 обращен к ленте 196, разгрузочный элемент выступ 207 обращен к кольцу 191.
Показанные на фиг.4 и фиг.43…48 элементы для ограничения радиальных перемещений цапфы расположены вне ленточных элементов подшипника.
Другие варианты расположения элементов, ограничивающих радиальное перемещение цапфы, показаны на фиг.49…51. На фиг.49 показаны элементы ленточного подшипника, представленные также на фиг.1 и 5. Выпуклость, т.е. волна 222 гофрированной ленты 20 имеет края 367 и 369, расположенные с первой стороны ленты 20, и вершину 373, расположенную со второй стороны ленты 20, противоположной первой стороне. Другая волна гофрированной ленты имеет края, т.е. выступающие части 372 и 373, расположенные со второй стороны и вершину 367, расположенную с первой стороны ленты 20. Между волной 222 и внутренней поверхностью ленты 22 расположен разгрузочный элемент 225, имеющий заданную толщину и содержащий, например, расположенные вдоль гребня волны 222 ленты 226 и 227, прикрепленные к ленте 22, например, при помощи сварки. Вместо лент 226 и 227 может быть использована одна лента, имеющая такую же ширину и толщину, равную суммарной толщине лент 226 и 227. Ленты 226 и 227 могут быть закреплены относительно ленты 22 со стороны торцов подшипника, без сварки с лентой 22. Разгрузочный элемент 225 может содержать в направлении гребня ленты 20 несколько сдвоенных лент, подобных лентам 226 и 227. Количество лент в разгрузочном элементе зависит от высоты волны 222 и может изменяться от одной до нескольких штук. Между верней частью ленты 226, обращенной к вершине 373, и волной 222 имеется зазор. Разгрузочные элементы, подобные элементу 225, расположены под другими волнами гофрированной ленты 20 и других гофрированных лент подшипника. Указанные разгрузочные элементы расположены в пространстве между двумя поверхностями. Одна поверхность, проходит через внутренние вершины 372, 373, 374 и подобные им вершины, расположенные с внутренней стороны гофрированной ленты 20, обращенной к поверхности цапфы. Другая поверхность проходит через наружные вершины 367, 369 и подобные им вершины, расположенные с противоположной, наружной стороны гофрированной ленты 20.
При смещении вращающейся с рабочей частотой цапфы 2 к вершине 373 и нагрузке на подшипник, меньшей его несущей способности, происходит деформация гофрированной ленты 20. При этом вся подшипниковая нагрузка, воспринимаемая лентой 20, передается на вкладыш 6 сначала через внутренние вершины 372, 373, 374 ленты 20, а затем через наружные вершины 367, 369 ленты 20. При нагрузке на подшипник, превышающей его несущую способность, начинается сухое трение между верхней лентой 4 и цапфой 2. При дальнейшем смещении цапфы происходит контакт между разгрузочным элементом 225 и волной 222 и часть подшипниковой нагрузки, воспринимаемой лентой 20, начинает передаваться на вкладыш 6 помимо наружных вершин 367, 369 через разгрузочный элемент 225. Расстояние между точками опоры волны 222 уменьшается и предельная максимальная нагрузка, при которой наступает пластическая деформация волны 222, возрастает.
Увеличение предельной нагрузки на подшипник обеспечивается также при условии, что разгрузочные элементы расположены не под каждой волной гофрированной ленты.
Другие варианты расположения разгрузочных элементов показаны на фиг.50 и 51. На фиг.50 разгрузочные элементы 229 закреплены на наружной поверхности верхней ленты 4, обращенной к гофрированной ленте 20. При действии нагрузки, не меньшей несущей способности подшипника, возникает контакт волны гофрированной ленты 20 с разгрузочным элементом 229 и часть нагрузки от цапфы на вкладыш 6 передается помимо внутренних вершин 372, 373, 374 ленты 20 через разгрузочный элемент 229 и другие расположенные рядом разгрузочные элементы.
На фиг.51 разгрузочный элемент 230 расположен между вкладышем 6 и внутренними вершинами 233 и 234 гофрированной ленты 235, его длина в направлении оси вкладыша 6 больше, чем длина ленты 231 и элемент 230 закреплен относительно вкладыша 6 и гофрированной ленты 231 вне пространства между лентой 231 и вкладышем 6. Разгрузочный элемент 232 закреплен непосредственно на волне 235 гофрированной ленты 231 между вершиной 236 и верхней лентой 4. При действии нагрузки, не меньшей несущей способности подшипника, нагрузка от верхней ленты 4 на вкладыш 2 передается помимо наружной вершины 236 через разгрузочный элемент 230.
Показанные на фиг.49…51 варианты расположения разгрузочных элементов могут быть использованы в осевых ленточных подшипниках.
Показанный на фиг.1 и 4 радиальный подшипник имеет охлаждение цапфы 2. Детали конструкции для охлаждения цапфы показаны также на фиг.23, а также фиг.52 и 53, где представлены части поперечного сечения цапфы. Цапфа 2 содержит внутреннюю часть в виде сплошного вала 502 и наружную втулку 501, концентрично посаженную на вал 502. С внутренней стороны втулки 501 имеются зубцы 510, между которыми расположены в окружном направлении относительно друг друга охлаждающие каналы 503. Каждый канал 503 расположен вдоль оси подшипника. Меду каналами 503 и наружной поверхностью 27 втулки 501 расположена наружная часть цапфы, имеющая форму цилиндра с отверстием. Таким образом, каналы 503 расположены между внутренней и наружной частью цапфы 2. С одного торца втулки 501, расположенного с первой стороны подшипника, возле каналов 503 находятся радиальные выступы, или ребра 504, показанные на фиг.23 и фиг.52, где показан вид на втулку 501 в осевом направлении. Боковая поверхности каждого ребра 504 располагаются в осевом и радиальном направлении и могут располагаться, например, под небольшим углом к радиальному направлению. Между ребрами 504 расположены выходы из каналов 503, выполненные в виде каналов, отводящих воздух из каналов 503 в окружающее цапфу пространство в радиальном направлении от центра цапфы. С другого торца втулки 501 расположенного со второй стороны подшипника, возле каналов 503 находятся выступы, или ребра 505, направленные под углом к радиальному направлению навстречу вращению. Между ребрами 505 расположены входы в каналы 503, выполненные в виде каналов, подводящих воздух из окружающего цапфы пространства в радиальном направлении к центру цапфы. Наклон ребер 505 выбран такой, чтобы при вращении ротора окружающий цапфу со второй стороны воздух всасывался в каналы между ребрами 505 и нагнетался под избыточным давлением в каналы 503, Возможен вариант, где ребрами 505 и образуемые ими каналы отсутствуют, и в этом случае воздух всасывается в каналы 503 через входы в виде кольцевого пространства, расположенного на месте выступов 505.
Тепло от подшипника частично отводится воздухом, проходящим через зазоры между цапфой 2, вкладышем 6 и втулкой 96 от торца подшипника, где расположены ребра 505, к другому торцу, где расположены ребра 504 за счет перепада давления на торцах подшипника. Другая часть тепла отводится за счет воздуха, проходящего через каналы 503. Окружающий цапфу воздух поступает в каналы между ребрами 505 и далее поступает в каналы 503. После прохождения каналов 503 нагретый воздух проходит каналы между ребрами 504, где приобретает дополнительный напор. Проходящий по каналом 503 воздух отводит от цапфы тепло, выделяющееся в смазочном слое и нагревающее цапфу. Наличие ребер 505 и 504 на входе и выходе из охлаждающего канала 503 позволяет уменьшить необходимый для охлаждения перепад давлений с обеих сторон подшипника за счет увеличения циркуляции воздуха по каналам 503 или улучшить охлаждение подшипника.
Каналы 503 расположены в направлении оси цапфы, однако возможно винтовое расположение подобных каналов, проходящих между внутренней и наружной частью цапфы. Каналы 503 имеют прямоугольную форму, однако возможна друга форма сечения канала, например, крестообразная, показанная на фиг.54, где периметр сечения канала 507, расположенного между внутренней и наружной частью цапфы, больше, чем канала 503, что увеличивает охлаждающую поверхность канала.
Возможен другой вариант расположения осевых каналов в цапфе, где каналы располагаются на валу между выполненными на нем зубцами, подобными зубцам 510 втулки, в на вал посажена втулка с гладкой внутренней поверхностью и наружной поверхностью, являющейся наружной поверхностью цапфы. В этом случае каналы располагаются между внутренней частью цапфы, представляющей сплошную часть вала без зубцов, и наружной частью цапфы, представляющей посаженную на вал цапфу. Каналы могут располагаться вдоль оси или винтообразно..
На фиг.55 представлено поперечное сечение цапфы 507 с другим вариантом охлаждающих каналов 506, аналогичных каналам 503. Каналы 506 расположены в сплошной цапфе 507, не имеющей наружной втулки.
На фиг.56 показан вариант охлаждения с дополнительным увеличением циркуляции воздуха по каналам, проходящим в цапфе, и уменьшением необходимого для охлаждения перепада давлений с обеих сторон подшипника при расположении рядом с подшипником упорного диска 515 осевого подшипника. Выход из охлаждающих каналов 513, расположенных в наружной втулке 512 цапфы подшипника, соединен с входом в каналы 516, проходящие в упорном диске 515 к его периферии. За счет каналов 516 при вращении ротора создается дополнительный напор, и расход охлаждающего воздуха через каналы 513 возрастает.
Другой подобный вариант дополнительного увеличения циркуляции воздуха при расположении подшипника рядом с электромагнитной частью ротора электродвигателя или генератора, диаметр которой больше диаметра цапфы подшипника, показан на фиг.57. Выходы из каналов 519, расположенных во втулке 518 цапфы подшипника, соединены с входами в каналы 522, проходящие в покрывном диске 521, расположенном на торце электромагнитной частью ротора, к его периферии. Увеличение расхода охлаждающего воздуха через каналы 519 достигается аналогично варианту, показанному на фиг.56.
Показанные на фиг.52…57 варианты охлаждения цапфы ленточного подшипника могут быть использованы для охлаждения других видов газодинамических подшипников, где возникают проблемы отвода тепла от смазочного слоя.
Рядом с показанной на фиг.4 втулкой 96 в осевом направлении расположен электромагнит 183, содержащий сердечник 185 и катушку 186. Вокруг поверхности вращения ротора в окружном направлении расположены еще три электромагнита, подобные электромагниту 183. Электромагниты предназначены для создания действующих на ротор постоянных и переменных сил, предназначенных для разгрузки ленточного подшипника от радиальных сил со стороны ротора и для уменьшения амплитуды колебаний ротора в диапазоне средних частот, близких к критическим частотам вращения ротора. Для разгрузки подшипника от радиальных сил необходимо, как правило, не меньше двух пар электромагнитов, где электромагниты одной пары рассоложены друг к другу в диаметральном направлении, а другая пара расположена в поперечном направлении по отношению первой пары. Для разгрузки горизонтального расположенного под наклоном ротора от веса ротора достаточно одного электромагнита. При прохождении тока через одну из катушек соответствующий электромагнит притягивает цапфу 2. Остальные электромагниты притягивают цапфу аналогичным образом. Электромагниты 183 входят в систему электромагнитной разгрузки радиального подшипника.
Электромагнит может располагаться относительно ленточного радиального подшипника как со стороны центра ротора, так и с консольной стороны ротора. Осевое расстояние между электромагнитом и подшипником моет быть различным. При использовании электромагнита с целью уменьшения нагрузки на радиальный подшипник необходимо чтобы радиальное смещение оси ротора от центрального положения в направлении к электромагниту в месте установки электромагнита совпадал по знаку с радиальное смещением оси ротора в месте расположения подшипника. Увеличение разности этих эксцентриситетов, возрастающее с увеличением расстояния между электромагнитом и подшипником при непараллельном смещении оси ротора из центрального положения ухудшает условия управления электромагнитом. При использовании электромагнита с целью уменьшения амплитуды колебаний ротора знаки скорости радиального смещения оси ротора в направлении к электромагниту, равной скорости смещения к электромагниту поверхности ротора, в месте установки электромагнита совпадал по знаку с соответствующей скоростью в месте расположения подшипника. С учетом сказанного желательно, чтобы электромагнит располагался ближе к подшипнику в осевом направлении.
На фиг.58 показан вариант блок-схемы системы управления устройством электромагнитной разгрузки и устройством управления преднатягом радиального подшипника, показанного на фиг.1 и 4.
X
Y
Выходы датчиков силы 94, установленных во вкладыше подшипника 6, соединены с входами усилителей 604. Выходы усилителей 604 соединены с входами формирователя 608. Формирователь 608 выдает электрические сигналы S и S, пропорциональные проекции на оси X и Y действующей со стороны цапфы 2 на датчики силы 94 нагрузки. В случае нелинейности датчика 94 или усилителя 604 формирователи 608 может выдавать сигнал, нелинейно, но монотонно зависящий от нагрузки.
Выходы формирователя 608 соединены с входами фильтров 614 линии обработки электрических сигналов средней частоты. Фильтры 614 пропускают частоты, не превышающие частоту порядка частоты критических колебаний ротора, например, несколько большую, чем вторая или третья критическая частота. Выходы фильтров 614 соединены с входами дифференциальных D-регуляторов 618 и пропорциональных P-регуляторов 619.
Возможны варианты последовательности расположения фильтра 614, где последний расположен между D-регулятором 618 и сумматором 620 или между сумматором 620 и формирователем 622 или между формирователем 622 и усилителем мощности 642, 643, 644 и 645.
На фиг.59…63 представлены варианты зависимостей, характеризующих работу различных вариантов D-регулятора 618.
I
I
На фиг.59 представлена зависимость дифференциального коэффициента регулирования D от скорости V изменения входного сигнала для обычного линейного D-регулятора, где коэффициент D не зависит от скорости V.
I
O
В нелинейном D-регуляторе 618 сначала вырабатывается сигнал, пропорциональный скорости V изменения входного сигнала. Затем выходной сигнал S D-регулятора 618 дополнительно видоизменяется, как показано на фиг.60…63.
O
I
I
I
max
I
min
O
I
I
I
I
max
I
1
O
0
O
I
I
1
1
I
min
I
O
0
На фиг.60 представлена зависимость сигнала S от величины V при уменьшении V от экстремального значения (V) до экстремального значения (V). На фиг.61 представлена соответствующая фиг.60 зависимость дифференциального коэффициента регулирования D, равного отношению величин S и V, от величины V. При убывании в направлении нулевого значения величины V в интервале от (V) до (V) величина S сначала монотонно возрастает, оставаясь отрицательной. При этом коэффициент D равен постоянной отрицательной величине D, как в обычном D-регуляторе. Затем, в отличие от обычного D-регулятора, зависимость для которого соответствует линии 664, величина S скачкообразно возрастает до положительного значения и при 0<V<(V) снижается до нуля. Величина коэффициента D при этом равна некоторой положительной величине D. Далее при (V)<V<0 величина S монотонно возрастает. При этом коэффициент D равен D.
O
I
I
I
min
I
max
I
I
I
min
I
2
O
1
0
O
I
2
I
1
I
I
max
O
0
На фиг.62 представлена зависимость сигнала S от величины V при увеличении V от экстремального значения (V) до экстремального значения (V). На фиг.63 представлена соответствующая фиг.62 зависимость коэффициента D от величины V. При возрастании в направлении нулевого значения величины V в интервале от (V) до (V) величина S сначала монотонно убывает, оставаясь положительной. Средняя величина D коэффициента D при этом равна D. Затем величина S скачкообразно убывает до отрицательного значения и при (V)<V<0 повышается до нуля. Величина коэффициента D при этом равна некоторой положительной величине D. Далее при 0<V<(V) величина S монотонно убывает. При этом коэффициент D равен D.
X
Y
I
0
1
Представленные на фиг.59…63 зависимости имеет следующий смысл. Из-за инерционности системы управления, в частности, индуктивности электромагнитов, сила воздействия на ротор со стороны электромагнитов имеет сдвиг фазы по сравнению с радиальным смещением цапфы, в дальнейшем смещением цапфы, или по сравнению с сигналами S и S, пропорциональными нагрузке на подшипник. Сдвиг фазы зависит от электромагнитных свойств системы управления, включая электромагнит, и возрастает с увеличением частоты сигналов на входе в D-регуляторы 618. Увеличение сдвига фазы уменьшает эффект снижения колебаний и увеличивает токи и тепловыделение в катушках электромагнита 183. Фильтр 614, отсекающий колебания с частотой выше заданной, позволяет не реагировать системе управления на колебания ротора высокой частоты, например, колебания с рабочей частотой вращения ротора и снижает поэтому токи, затраты мощности и тепловыделение в катушках электромагнита 183. Возможен вариант, где фильтр 614 может отсекать, например, не всю область частот выше заданной, а только те зоны, где колебания сигнала, поступающего на вход фильтра 614, наиболее велики, например, колебания от рабочей частоты вращения ротора до в два раза более высокой, а также высокочастотные колебания корпуса турбомашины относительно ротора, вызванные, например, колебаниями газа в проточных частях турбомашины. При отсутствии фильтра 614 эффект снижения амплитуды критических колебаний ротора будет присутствовать, хотя и понизится, но тепловыделение в катушках электромагнита 183 будет больше. Этот позитивный эффект может быть получен при использовании как линейного, так и нелинейного дифференциального регулятора. Для уменьшения сдвига фазы и снижения амплитуды колебаний в нелинейном дифференциальном регуляторе 618 происходит изменение знака и модуля дифференциального коэффициента D на некотором участке интервала изменения скорости V. Оптимальное соотношение величин D и D и расположение участка, где коэффициент D изменяет знак, зависит от сдвига фазы и других параметров системы регулирования.
В пропорциональном P-регуляторе 619 вырабатывается сигнал, пропорциональный прошедшему фильтр 614 входному сигналу. Благодаря подавлению фильтром высокочастотных колебаний повышается устойчивость P-регулятора 619. Нагрузка на подшипник приближенно пропорциональна смещению цапфы, поэтому пропорциональный коэффициент P-регулятора 619 приближенно определяет добавочную жесткость подшипникового узла, где основная составляющая жесткости создается ленточным подшипником. В штатном режиме работы турбомашины P-регулятор отключен для исключения возникновения автоколебаний, однако при разгоне и останове ротора, когда частота вращения ротора совпадает с его критическими частотами, P-регулятор 619 может быть использован для коррекции жесткости подшипникового узла, чтобы отстраивать критическую частоту от частоты вращения ротора и избегать резонанса. Такую же функцию может играть нагрузочное устройство управления преднатягом ротора, что рассмотрено ниже и показано на фиг.64.
Выходы формирователя 608 соединены также с входами фильтров 630 линии обработки электрических сигналов низкой частоты. Фильтры 630 пропускают только частоты, меньшие чем, например, несколько десятков герц и несколько большие, чем частоты возможных колебаний ротора при помпаже. Выходы фильтров 630 соединены с входами интегральных I-регуляторов 638. Ограничение максимальной частоты на входе в I-регуляторы 638 позволяет устранить возникновение неустойчивости в системе управления даже при большой постоянной времени. I-регуляторы 638 имеют также входы, соединенные с выходами из контроллера 640 для задания уставки регулирования. Один из входов контроллера 640 соединен с датчиком частоты вращения ротора 606. Выходной сигнал из I-регуляторов 638, как в обычном интегральном регуляторе, пропорционален интегралу по времени от разности между уставкой, задаваемой котроллером 640 и входным сигналом. Для уменьшения тепловыделения в катушках электромагнита 183 возможен вариант, когда I-регуляторы 638 начинают выдавать ненулевой сигнал только когда модуль разности между уставкой, задаваемой котроллером 640 и входным сигналом больше заданной величины. Контроллер 640 соединен с P-регуляторами 619 для изменения коэффициента P-регулирования в процессе работы турбомашины.
Контроллер 640 предназначен для получения и обработки сигналов от усилителей 604 датчиков силы, формирователя 608, датчика частоты вращения 606, выдачи сигналов уставки на I-регуляторы 638, сигнала на усилитель мощности 643 питания электромагнита и сигнала на привод 650 устройства для управления преднатягом 655, представленного на фиг.4 болтом 104, рычагом 105 и кольцом 98, а также для временного отключения выходов формирователя 608 на фильтры 614 и 630.
Выходы из D-регуляторов 618 и I-регуляторов 638 соединены с входами сумматоров 620. Сумматор 620 выполняет сложение сигналов от D-регулятора 618 и I-регулятора 638. Выходы сумматоров 620 соединены с входами формирователей 622 управляющих токов для разгрузки подшипника по направлениям X и Y. Выходы каждого формирователя 622 соединены с входами усилителей мощности 642, 643 644 и 645.
В целом при помощи системы управления устройством электромагнитной разгрузки ротора, показанной на фиг.58, достигаются следующие технические результаты: разгрузка ленточного подшипника от низкочастотных и постоянных нагрузок через I-регуляторы 638, демпфирование и уменьшение амплитуды среднечастотных колебаний через D-регуляторы 618 и регулирование преднатяга ленточного подшипника через устройство управления преднатягом 655 подшипника, разгрузка ленточного подшипника от веса ротора при пуске и останове за счет прямого запитывания электромагнита от контроллера заданной величиной тока. Перечисленные технические результаты не позволяют использовать предлагаемую систему управления с устройством электромагнитной разгрузки ротора в качестве автономного подшипника ротора, поскольку не генерируется сила, увеличивающаяся с возрастанием радиального смещения цапфы и противоположная этому смещению по знаку, однако при совместной работе с ленточным подшипником эта система эффективно компенсирует недостатки ленточного подшипника и является более простой и менее дорогой по сравнению с системой управления электромагнитным подшипником. Эти технические результаты достигаются при использовании различных частей системы управления, показанной на фиг.58. Каждая из этих частей системы управления может использоваться для ленточного подшипника отдельно, без использования других частей.
Часть этой системы управления, предназначенная для демпфирования и снижения амплитуды колебаний ротора в ленточных подшипниках включает расположенные в одной цепи блок формирования сигнала, пропорционального смещению ротора, содержащий датчик силы 94, усилитель 604 и формирователь 608, включает также фильтр 614, D-регулятор 618 и блок формирования сигнала для управления электромагнитами, куда входит формирователь 622 и усилители мощности 642, 643 и 644. Фильтр 614 может быть расположен в любом месте этой цепи между усилителем 604 и электромагнитом 185. Отдельное использование этой части системы управления позволяет эффективно снижать амплитуду критических колебания ротора и колебаний от других возбуждающих сил при использовании электромагнитов с максимальной силой притяжения, значительно меньшей несущей способности ленточного подшипника, меньшими габаритами в мощностью питания за счет задания очень больших коэффициентов демпфирования, на порядок и более превышающих коэффициент демпфирования ленточного подшипника.
Элементы системы управления, показанные на фиг.58, могут быть использованы для других видов газовых подшипников, имеющих относительно слабое демпфирование. Например, может быть использована система демпфирования и уменьшение амплитуды среднечастотных колебаний через фильтр и D-регулятор.
Показанная на фиг.58 система управления реализует перечисленные выше технические результаты - по всем возможным радиальным направлениям. Однако эти технические результаты - могут быть реализованы также при помощи одного электромагнита. В этом случае результаты будут получен только в одном направлении радиального смещения ротора. Система управления при этом будет упрощена за счет уменьшения числа каналов до одного при совпадении направления установки датчика силы и электромагнита.
X
1
Y
1
X
0
Y
0
Перед пуском ротора, при нулевой частоте вращения, выходы формирователя 608, соединенные с фильтрами 614 и 630, отключены по команде контроллера 640. Сигналы от датчиков силы 94 через усилители 604 поступают в формирователь 608 и далее в контроллер 640. В контроллере 640 фиксируется средняя величина сигналов (S) и (S), поступающих из формирователя 608. Затем из контроллера 640 выдается на вход усилителя мощности 643 постоянный электрический сигнал заданной величины, проходящий через усилитель 643 и поступающий в катушку 186 для создания силы, снижающей весовую нагрузку ротора на радиальный подшипник. Величина сигнала зависит от угла наклона оси ротора к горизонту, уменьшаясь при увеличении этого угла. После этого в контроллере 640 фиксируется средняя величина сигналов (S) и (S), поступающих из формирователя 608.
Далее происходит разгон ротора с разгрузкой радиального подшипника от весовой нагрузки, которая может осуществляться по двум вариантам.
При первом варианте ротор разгоняется до заданной частоты, например, близкой к частоте всплытия, при продолжающей действовать от электромагнита постоянной силе. Этот этап завершается, т.е. отключается питание электромагнит и постоянная сила от электромагнита перестает действовать на ротор, после поступления на контроллер 640 сигнала от датчика частоты вращения 606 при достижении заданной частоты вращения. Возможен другой вариант завершения этапа по сигналу на контроллер от другого типа датчика, например, датчика давления в проточной части турбомашины, которое зависит от частоты вращения ротора. При останове ротора после снижения частоты вращения до указанной выше величины из контроллера 640 снова выдается на вход усилителя мощности 643 в катушку 186 сигнал заданной величины для создания силы, снижающей весовую нагрузку ротора на радиальный подшипник.
X
0
Y
0
X
0
Y
0
X
1
Y
1
При втором варианте перед разгоном ротора отключается постоянный сигнал, поступавший из контроллера на усилитель 643, и включаются выходы формирователя 608, соединенные с фильтрами 614 и 630. При последующем разгоне ротора до заданной частоты, например, частоты всплытия ротора в подшипнике, сигналы (S) и (S) используются в I-регуляторах 638 в качестве уставки регулирования для обеспечения разгрузки подшипника от веса ротора. При достижении указанной частоты в контроллере 640 изменяются уставки I-регуляторов 638 с (S) и (S) на с (S) и (S) и включаются выходы формирователя 608, соединенные с фильтрами 614 и 630. Смена уставок устраняет разгрузку электромагнитом веса ротора и снижает тепловыделение в катушке 186. Такая настройка уставок регулирования позволяет оптимизировать совместную работу ленточного подшипника и устройства электромагнитной разгрузки и предотвратить нагрузку ленточного подшипника дополнительной силой от электромагнита 183 из-за неточной настройки системы управления.
В начале разгона ротора нагрузочное устройство 655 по команде контроллера 640 смещаются части вкладыша 6, показанные на фиг.1, в радиальном направлении от цапфы 2, и создается минимальный преднатяг для снижения жесткости и частоты критических колебаний ротора в подшипнике.
1
3
2
4
1
1
4
a
Во время разгона ротора контроллер управляет нагрузочным устройством, повышая и понижая преднатяг и обеспечивая минимальную амплитуду резонансных колебаний при прохождении критических частот ротора. Этот процесс показан на фиг.64, представляющей зависимость амплитуды колебаний А неуравновешенного ротора в ленточных подшипниках от частоты вращения N. Кривая I показывает Зависимость амплитуды А от частоты вращения N при малой жесткости ленточных подшипников, когда преднатяг минимален. Кривая II показывает зависимость амплитуды А от частоты вращения N при увеличенной жесткости ленточных подшипников, после увеличения преднатяга с помощью нагрузочного устройства. Кривые I и II имеют по две критических частоты: N и N, N и N соответственно. После старта и всплытия цапфы в ленточном подшипнике разгон производится по кривой I до точки , где амплитуда колебаний начинает возрастать и достигается определяемая контроллером 640 заданная частота вращения, затем по команде контроллера 640 на нагрузочное устройство 655 увеличивается преднатяг, жесткость ленточного подшипника повышается и происходит переход с кривой I на кривую II в точку b. Увеличение преднатяга выбрано так, чтобы далее разгон производится по кривой II до точки c. Это позволяет устранить резонанс при частоте N. Далее разгон происходит через точки c, d, e, f, g, h, k с последовательными переходами с кривой II на кривую I и обратно при достижении заданного значения частоты вращения, когда амплитуда колебаний начинает возрастать. Описанный процесс позволяет проходить зону критических частот от N до N при малой амплитуде колебаний ротора. После достижения точки k увеличивается преднатяг и жесткость подшипника и происходит переход на кривую II в точку т.Дальнейший разгон и рабочий режим ротора происходит при повышенном преднатяге для обеспечения повышенной жесткости и демпфировании подшипника.
Разгрузка подшипника от среднечастотных колебаний, например, автоколебаний ротора, производится следующим образом. Поступающие от датчиков силы 94 и преобразованные в усилителях 604 и формирователе 608 переменные сигналы, пропорциональные проекциям на оси X и Y действующей на подшипник нагрузки, проходят фильтры 614, преобразуются после прохождения D-регуляторов 618, сумматоров 620, формирователя 622 и усилителей мощности 642, 643, 644 и 645 и создают между электромагнитом 183 и ротором силу, направленную против радиальной скорости смещения цапфы. Такая сила вызывает снижение амплитуды среднечастотных колебаний ротора.
Разгрузка подшипника от низкочастотных колебаний, например, помпажных колебаний ротора, производится следующим образом. Поступающие из датчиков силы 94 и преобразованные в усилителях 604 и формирователе 608 переменные сигналы низкой частоты, пропорциональные проекциям на оси X и Y действующей на подшипник нагрузки, проходят фильтры 630, преобразуются после прохождения I-регуляторов 638, сумматоров 620, формирователя 622 и усилителей мощности 642, 643, 644 и 645 и создают между электромагнитом 183 и ротором силу, направленную против действующей на цапфу нагрузки. Такая сила вызывает снижение действующей на цапфу нагрузки.
При торможении ротора проход через зону критических частот для обеспечения малой амплитуды колебаний ротора производится при переменном преднатяге, обеспечиваемом контроллером 640, в обратном по сравнению с разгоном ротора порядке: через точки m, k, h, g, f, e, d, c, b, a. После достижения заданной частоты вращения выходы формирователя 608, соединенные с фильтрами 614 и 630, отключаются по команде контроллера 640 и из контроллера 640 выдается на вход усилителя мощности 643 постоянный электрический сигнал, поступающий после усилителя 643 в катушку 186 для создания вертикальной силы при пуске и останове ротора, снижающей весовую нагрузку ротора на радиальный подшипник.
Как было сказано выше, нагрузка на подшипник приближенно пропорциональна смещению цапфы. Это позволяет применять представленный на фиг.58 вариант системы управления при использовании датчиков радиального смещения цапфы, т.e. датчиков смещения цапфы в направлении, нормальном к поверхности цапфы, в дальнейшем датчиков смещения цапфы, или датчиков радиального смещения цапфы, вместо датчиков силы.
На фиг.65 показан вариант системы управления при использовании датчиков радиального смещения цапфы вместо датчиков силы. Датчики смещения 670 и 671 расположены вокруг цапфы 2 для фиксации смещений цапфы во взаимно перпендикулярных направлениях, например, в вертикальном и горизонтальном направлении при горизонтальном положении оси ротора. Датчики 670 и 671 могут быть расположены возле электромагнита 185 в окружном направлении или, например, другой стороны подшипника в направлении оси ротора. Возможны варианты с использованием датчиков смещения, например, токовихревого или емкостного типа.
Так же как для системы управления с датчиком силы, показанной на фиг.58, где возможно получение технического результата, в частности, демпфирования колебаний, при использовании одного электромагнита и датчика силы, такой же результат может быть получен для системы управления, показанной на фиг.65, при использовании одного электромагнита и датчика смещения.
X
Y
По сравнению с системой управления, показанной на фиг.58, кроме замены датчиков установлены два усилителя 605 вместо трех усилителей 604, формирователь 608 заменен на коммутатор 609, соединяющий по команде контроллера 640 усилители 605, выдающие сигналы S и S с соответствующими каждому их этих сигналов фильтрами 614, у контроллера 640 уменьшено количество входов из-за усилителей трех 604 на два усилителя 605. Могут быть изменены настройки D- и I-регуляторов 618 и 638.
Коммутатор 609 служит только для коммутации и разъединения входов, соединенных с усилителями 605 и выходов, соединенных с фильтрами 614 и 630. Коммутация выполняется по команде контроллера 640. Поскольку усилители 605 сразу выдают величину смещения цапфы по двум координатам, контроллер получает этот сигнал непосредственно из усилителей 605.
Алгоритм работы системы управления, показанной на фиг.65, практически не отличается от алгоритма работы системы управления, показанной на фиг.58.
Часть этой системы управления, предназначенная для снижения амплитуды колебаний ротора в ленточном подшипнике, включает расположенные одной цепи блок формирования сигнала, пропорционального смещению ротора, содержащий датчики радиального смещения 670 и 671, усилитель 605 и формирователь 609, включает также фильтр 614, D-регулятор 618 и блок формирования сигнала для управления электромагнитами, куда входит формирователь 622 и усилители мощности 642, 643 и 644.
На фиг.66 показан вариант системы управления при использовании датчиков скорости радиального смещения цапфы, или датчиков скорости смещения ротора, вместо датчиков радиального смещения цапфы. Датчики 674 и 675 скорости смещения цапфы 2 расположены вокруг цапфы 2 для фиксации скорости смещения последней во взаимно перпендикулярных направлениях, например, в вертикальном и горизонтальном направлении при горизонтальном положении оси ротора. Датчики 674 и 675 могут быть расположены возле электромагнита 185 или с другой стороны подшипника. Возможен вариант с использованием датчика скорости смещения ротора, например, индуктивного типа.
Датчики скорости смещения 674 и 675, как и датчики смещения 670 и 671, могут располагаться на различном расстоянии в осевом направлении от радиального подшипника. Влияние этого расстояния аналогично описанному выше влиянию расстояния между подшипником и электромагнитом. С учетом этого, также как для электромагнита, желательно, чтобы эти датчики располагались ближе к подшипнику в осевом направлении.
В отличие от предыдущих систем управления, в этой системе, показанной на фиг.66, нет интегрального регулятора и отсутствует реакция на статическое смещение ротора. По сравнению с системой управления, показанной на фиг.65, датчики смещения цапфы 670 и 671 с усилителями 605 заменены на датчики скорости смещения цапфы 674 и 675 с усилителями 676. Отсутствуют элементы системы разгрузки ленточного подшипника от среднечастотных колебаний: фильтры 630, I-регуляторы 638, P-регуляторы 619 и сумматоры 620. Вместо D-регуляторов 618 установлены P-регуляторы 677.
Выходы датчиков скорости 674 и 675 соединены с входами усилителей 676. Выходы усилителей 676 соединены с входами коммутатора 609. В случае нелинейности датчика скорости или усилителя на выход из усилителя 676 может выдаваться сигнал, нелинейно зависящий от нагрузки.
0
max
1
1
1
Выход фильтра 614 соединен с входом пропорционального P-регулятора 677. Вариант зависимости коэффициента регулирования P-регулятора 677, равного отношению сигналов на входе и выходе регулятора 677 от величины сигнала на выходе S, показана на фиг.67. Коэффициент P в данном варианте не является постоянной величиной на всем показанном диапазоне. При этом модуль среднего значения P коэффициента P в интервале S от (S) до (S) больше модуля среднего значения P коэффициента P в диапазоне S от (S) до 0.
Вариант системы управления, показанный на фиг.66, предназначен только для разгрузки подшипника от среднечастотных колебаний, например, автоколебаний ротора, подробно рассмотренной при описании системы управления, показанной на фиг.58. при этом функции элементов системы управления, показанной на фиг.65, датчик смещения 670, усилитель 605 и D-регулятор 618 выполняются при помощи датчика скорости смещения ротора 674, усилителя 676 и P-регулятора 677.
Фильтр 614 может быть расположен в любом месте между усилителем 676 и электромагнит 185 в цепи, содержащей усилитель 676, P-регулятор 677, формирователь 622 и электромагнит 185.
Вариант осевого ленточного подшипника представлен на фиг.4 и 68…73. На фиг.68 показан разрез осевого подшипника цилиндрической поверхностью с осью, совпадающей с осью ротора. На фиг.69 и 70 показаны разрезы отдельных элементов осевого подшипника в радиальном направлении.
Верхняя лента 156 расположена между торцевой, упорной поверхностью вращения 173 упорного диска 154, установленного на роторе и плоской, упорной поверхностью корпуса осевого подшипника 168, воспринимающей подшипниковую нагрузку, т.е. между диском 154 и корпусом 168. Поверхность скольжения 173 является, в частности, плоской. Лента 156 обращена внутренней поверхностью к поверхности 173 и имеет форму кольца. Между лентой 156 и поверхностью 173 образуется смазочный слой 150.
Между наружной, противоположной внутренней, поверхностью ленты 156 и упорной поверхностью корпуса 168, т.е. между корпусом 168 и лентой 156, расположен блоки 165 гофрированных лент. Между блоком 165 и лентой 156 расположен промежуточный элемент в виде промежуточного листа 170. Между упорной поверхностью корпуса 168 и блоком 165 расположена опорная лента 174. Между наружной поверхностью ленты 174 и корпусом 168 расположены в направлении оси ротора верхний вкладыш 158 и нижний вкладыш 160, воспринимающие подшипниковую нагрузку.
Действующая на осевой подшипник нагрузка передаются на корпус 168 через верхнюю ленту 156, блок гофрированных лент 165, опорную ленту 174, верхний и нижний вкладыши 158 и 160 соответственно и другие элементы, о которых сказано ниже.
На фиг.71 показан вид в плане на часть упорного диска 154. На периферийной кольцевой части поверхности 173 диска 154 расположены в окружном направлении относительно друг друга канавки 845. Канавки расположены под наклоном, или неперпендикулярно к средней линии 846 поверхности скольжения 173 упорного диска, расположенной в окружном направлении, ограниченной - наружной и внутренней окружностями 847 и 848 соответственно и совпадающей со средней линией подшипника, т.е. средней линией верхней ленты 156, проходящей посредине между наружным и внутренним диаметром верхней ленты 156. Расположение канавок на поверхности диска 154 является обычным для осевого подшипника с канавками на упорном диске, имеющего жесткую невращающуюся поверхность. Расположенная между канавками 845 поверхность диска 154 является частью поверхности 173.
Наличие таких канавок на поверхности скольжения упорного диска способствует повышению давления в смазочном слое и несущей способности подшипника при вращении цапфы. Эффект повышения давления особенно заметен при разгоне и останове ротора, когда минимальная толщина смазочного слоя мала. Повышение несущей способности подшипника при разгоне и останове ротора приводит к снижению скорости всплытия и посадки упорного диска в подшипнике.
На фиг.72 показано сечение упорного диска плоскостью А-А. Переход 849 между дном канавки 845 и поверхностью 173 являются скругленным, и подобен переходному профилю между канавкой 402 и поверхностью 27 цапфы 2, показанному на фиг.20. Возможен вариант с переходным профилем между канавками 845 и плоской поверхностью 173, подобный профилю, показанному на фиг.21.
Возможен другой вариант расположения канавок, подобный расположению канавок на цапфе 2, показанному на фиг.4, когда на поверхности 173 диска 154 имеется добавочный ряд канавок, расположенных неперпендикулярно к средней линии 846, т.е. к окружному направлению, на внутренней части поверхности 173 от внутренней окружности подшипника 848 и средней линии 846. Такое расположение канавок на поверхности диска также является обычным для осевого подшипника с канавками, имеющего жесткую невращающуюся поверхность.
Возможен другой вариант расположения канавок, когда на поверхности 173 диска 154 имеется один ряд канавок, расположенных неперпендикулярно к средней линии 846 на внутренней части поверхности 173 от окружности 848 и средней линии 846. Такое расположение канавок на поверхности диска также является обычным для осевого подшипника с канавками, имеющего жесткую невращающуюся поверхность.
На фиг.73 показан вид в плане на осевой подшипник без упорного диска 154. Лента 156 и промежуточный лист 170 показаны частично, для лучшего понимания конструкции подшипника. Верхняя лента 156 кольцеобразной формы имеет на периферии три выступа, на каждом из которых имеется по дугообразному вырезу 812, с помощью которых лента 156 удерживается в радиальном и окружном направлении штифтами 838, закрепленными в корпусе подшипника 168. Таким же образом зафиксирована опорная лента 174. Лента 156 опирается в осевом направлении на лист 170 кольцеобразной формы. Лист 170 имеет вырезы, подобные вырезам 812, для удерживания в радиальном и окружном направлении штифтами 838. Толщина листа 170 может быть несколько больше, чем толщина ленты 156, для создания большей изгибной жесткости. Лист 170 имеет канавки 830, расположенные между выступами 832 и расположенные относительно друг друга в окружном направлении. Канавки расположены на внутренней стороне листа 170, обращенной к ленте 156, под наклоном, т.е. неперпендикулярно, к окружному направлению, т.е. к средней линии 840 подшипника, проходящей посредине между одним боковым, внутренним краем 841 и другим боковым, наружным краем 842 рабочей части верней ленты 156, и образуют елочную структуру. Форма и расположение канавок 830 подобна форме канавок в известных осевых подшипниках с канавками, расположенными на жестких поверхностях, генерирующих давление в смазочном слое при вращении прилегающей к поверхностям с канавками пяты. Глубина канавок 830 может зависеть, например, от размеров подшипника и составляет от нескольких до нескольких десятков микрометров. Для облегчения прогиба верней ленты в канавку ширина канавки 830 может быть больше, чем ширина межканавочного выступа 832.
На фиг.76 показано сечение подшипника, показанного на фиг.73, ломанной плоскостью А-А. При вращении упорного диска под действием давления смазочного слоя верхняя лента 156 прогибается в канавки 830. Образующиеся на верхней ленте 156 канавки, расположенные над канавками 830 в осевом направлении, обеспечивают повышение давления смазочного слоя и несущей способности подшипника.
Возможны варианты различного расположения канавок на промежуточном листе. На фиг.74 канавки 853, расположенные на промежуточном листе 852, выполнены на периферийной части поверхности ленты 852, обращенной к верхней ленте 156, и имеют вид наружной части канавок 830. На фиг.75 канавки 855, расположенные на промежуточном листе 854, выполнены на внутренней части поверхности листа 854, обращенной к верхней ленте 156, и имеют вид внутренней части канавок 830.
Лист 170 опирается на упругий элемент, содержащий блоки 165 с непрерывными и расположенными в окружном направлении гофрированными лентами 814, 816, 818, 820 и 822, показанные на фиг.68 и 73. Блок 165 гофрированных лент имеет в плане форму кольцевого сектора и закреплен на опорной ленте 174 любым подходящим способом, например, сваркой, в точках 172. Показанный на фиг.73 подшипник имеет шесть блоков 165, расположенных на опорной ленте 174 в окружном направлении. Протяженность блока гофрированных лент в окружном направлении обычно определяется удобством расположения складок на гофрированной ленте по отношению к закрепленному или свободному краю этой ленты и может достигать, например, около десяти. В качестве упругого элемента могут быть использованы блоки гофрированных лент с другим профилем, например, показанным на фиг.9. Вершины лент 802, 804, 806 и 808 волн блока 165 показаны на фиг.73 пунктирными линиями. Ширина этих лент в радиальном направлении уменьшается от средней ленты 118 к наружной ленте 814 и к внутренней ленте 822. Такое изменение ширины лент предназначено для снижения жесткости блока 165 от средней линии 840 подшипника, где расположена часть 818, к наружной части и внутренней части, где расположена части 814 и 822 соответственно.
Показанная на фиг.4 и 73 верхняя лента 156 является плоской и канавки возникают на ней только при возникновении избыточного давления в смазочном слое между диском 154 и лентой 156. Такое давление первоначально возникает за счет канавок, расположенных на диске 154.
Возможен другой вариант создания первоначального избыточного давления при малой частоте вращения ротора, как показано на фиг.77, где представлено сечение подшипника, подобное сечению, показанному на фиг.76. Верхняя лента 887, подобная в плане верхней ленте 156, имеет предварительно сформированные канавки 888 с границами 889 и 890, расположенные над канавками 830 в осевом направлении. Канавки 888 расположены на ленте 887 подобно канавкам на листе 170. Глубина предварительных канавок 888 на верхней ленте меньше, чем на листе 170 и приблизительно равна глубине канавок на упорном диске 154, т.е. порядка нескольких микрометров. Канавки на верхней ленте могут быть предварительно сформированы штамповкой или обработкой поверхностной части ленты 888. При использовании верхней ленты с предварительно сформированными канавками первоначальное избыточное давление в смазочном слое может быть создано при плоской поверхности упорного диска, т.е. при отсутствии на нем канавок.
Верхняя лента 887 с канавками 888 может быть использована для создания первоначального избыточного давления в смазочном слое подшипника и уменьшения частоты всплытия без промежуточного листа 170, при использовании в качестве упругого элемента обычной гофрированной ленты или, например, листа эластичного материала.
Подобный вариант с предварительно сформированными канавками на верхней ленте возможен также для радиального подшипника. Например, такие канавки могут быть выполнены на верхней ленте над канавками 376 промежуточного листа 386, показанного на фиг.16.
По мере роста давления в смазочном слое верхняя лента прогибается в канавки на листе 170 и глубина канавок на верхней ленте возрастает. Повышение несущей способности подшипника при разгоне и останове ротора и снижение скорости всплытия и посадки упорного диска в подшипнике достигается подобно варианту с канавками на упорном диске, показанному на фиг.4 и 71.
Другой вариант верхней ленты осевого подшипника, предназначенного в качестве опоры упорного диска с поверхностью скольжения в виде сплошного круга, показан на фиг.78. Рабочая часть верхней ленты 860 имеет форму круга без внутреннего отверстия. Верхняя лента 860 опирается на промежуточный лист 861, имеющую канавки 864, расположенные неперпендикулярно к окружному направлению. Промежуточный лист 861 опирается на расположенные в окружном направлении блоки гофрированных лент 862. В центре подшипника промежуточный лист 861 опирается на гофрированную ленту 863, закрепленную на опорной ленте 174.
Другой вариант формированием канавок на верхней ленте осевого подшипника оказан на фиг.79. Канавки формируются подобно канавкам на верхней ленте радиального подшипника, показанного на фиг.1 и 13. На фиг.79 блок 865 гофрированных лент 868, 869, 870, 871 и 872 закреплен при помощи сварки в точках 866 на опорной ленте 174. Гофрированные ленты блока 865 расположены в окружном направлении. Ширина гофрированных лент 868 и 869, расположенных ближе к наружному боковому краю верней ленты 156, периодически изменяется в окружном направлении. Вершины лент 868 и 869 расположены относительно друг друга таким образом, что вершины с узкими участками лент 868 и 869, имеющие меньшую жесткость, чередующиеся с вершинами с широкими участками лент 868 и 869, имеющими большую жесткость, расположены вдоль направлений, указанных стрелками, т.е. от наружного края ленты 865, т.е. от наружного бокового края верхней ленты 156, к ее средней линии, т., и в окружном направлении по направлению вращения, неперпендикулярно окружному направлению.
Под давлением смазочного слоя верхняя лента 156 продавливается в направлении от упорного диска 154 больше по узким вершинам, вдоль направлений, показанных стрелками, где жесткость гофрированных лент меньше. Это приводит к образованию канавок на верхней ленте 156. Наличие таких канавок способствует повышению давления смазочного слоя и несущей способности подшипника.
Другой вариант упругого элемента осевого ленточного подшипника с формированием канавок на верхней ленте показан на фиг.80. Между опорной лентой 174 и верхней лентой 156 расположен упругий элемент, представляющий непрерывный в окружном направлении кольцеобразный перфорированный лист 875 из эластичного материала, например, резины. Лист 875 имеет с наружной стороны множество отверстий 876, 877, 878 и 870, имеющих большую площадь и формирующих зоны меньшей жесткости, расположенные вдоль направлений, указанных стрелками, т.е. от наружного края ленты 875 к ее средней части, неперпендикулярно направлению вращения. Отверстия 880, 881, 882 и 883, имеющие меньшую по сравнению с отверстиями 880, 881, 882 и 883 площадь, формируют зоны с большей жесткостью и предназначены для регулирования соотношения зон с большей и меньшей жесткостью. Расположенные с внутренней стороны листа 875 отверстия 884 и 885 предназначены для плавного снижения жесткости ленты 875 к внутреннему краю.
Под давлением смазочного слоя верхняя лента 156 продавливается в направлении от упорного диска 154 больше над зонами с меньшей жесткостью листа 875 вдоль направлений, показанных стрелками. Это приводит к образованию канавок на верхней ленте 156 с ее периферийной части, расположенных неперпендикулярно окружному направлению. Наличие таких канавок способствует повышению давления смазочного слоя и несущей способности подшипника.
Возможен вариант подшипника показанного на фиг.80, где вместо отверстий 884 и 885, расположенных с внутренней стороны листа 875, расположены отверстия, подобные отверстиям 876 и другим, имеющим чередующуюся в окружном направлении площадь, расположенным с наружной стороны листа 875, и формирующие чередующуюся в окружном направлении зоны меньшей и большей жесткости для формирований канавок на ленте 156.
Возможен вариант подшипника с кольцеобразным листом из эластичного материала, где вместо круглых отверстий, выполненных на листе 875, имеется сетчатая структура, где за счет различной площади отверстий формируются зоны меньшей и большей жесткости, подобные зонам на листе 875. Возможен также вариант подшипника с кольцеобразным эластичным листом 886, показанным на фиг.81. Вместо отверстий 876 и других, показанных на фиг.80, на наружной части листа 886 расположены широкие и узкие прорези 850 и 851, открытые с наружного края, формирующие на листе 886 чередующиеся зоны с меньшей и большей жесткостью в окружном направлении.
На фиг.82 показан вариант подшипника с обычным расположением нескольких, например трех, верхних лент 878, закрепленных в радиальном направлении на опорной ленте 174 сваркой в точках 876. На фиг.83 показано сечение этого подшипника в радиальном направлении. Между лентой 875 и лентой 174 расположены в окружном направлении две гофрированные ленты 877 и 878, закрепленные на ленте 174 в точках 879 и 880 соответственно. Между лентой 875 и лентами 877 и 878 расположен промежуточный лист 882, закрепленный на ленте 875 в радиальном направлении в точках 883. Лист 882 имеет канавки 884, подобные канавкам 853, показанным на фиг.76. Высота гофрированной ленты 877 увеличивается по направлению вращения упорного диска от свободного края к закрепленному в точках 879 краю, обеспечивая создание смазочного слоя в форме сходящегося клина между верхней лентой 875 и упорным диском для генерации избыточного давления. Канавки 884 обеспечивают образование канавок на верхней ленте под действием избыточного давления и способствуют повышению давления в смазочном слое и повышению несущей способности подшипника. Наличие сходящегося смазочного слоя в форме сходящегося клина позволяет обеспечивать несущую способность подшипника без канавок на упорном диске.
Показанные на фиг.73, 79 и 80 варианты осевого подшипника имеют плоскую верхнюю ленту. При вращающемся упорном диске и наличии смазочного слоя форма смазочного слоя в подшипнике подобна соответствующей форме в газодинамическом торцевом уплотнении с канавками, используемом в технике для снижения перетечек газа вдоль ротора из обрасти высокого в область низкого давления. Поэтому указанные варианты осевого подшипника будут пропускать в радиальном направлении между упорным диском и верхней лентой при разных давлениях на внутреннем и наружном крае подшипника малый расход газа. Кроме перетекания газа через смазочный слой, газ перетекает также через подшипник в радиальном направлении по каналам между гофрированной лентой 165, листом 170 и лентой 174, показанным на фиг.73. Эти перетечки значительно больше, чем перетечки через смазочный слой, что существенно снижает эффективность уплотнения.
В подшипника, показанных на фиг.80 и 81 с упругим кольцеобразным элементом, перетечки между верхней лентой 156 опорной лентой 14 будут малы, поскольку зазор там практически отсутствует, и такие подшипники могут использоваться как торцевые уплотнения.
Значительное снижение перетечек через каналы, образованные гофрированной лентой, когда осевой подшипник моет быть использован как торцевое уплотнение, может быть достигнуто при определенном расположении гофрированной ленты, когда гребни, и следовательно, складки гофрированной ленты располагается в окружном направлении. На фиг.84…97 показаны различные варианты осевого подшипника - уплотнения с таким расположением складок.
На фиг.84 показан вариант, где между верхней лентой 156 и опорной лентой 174 расположен упругий элемент 898, изготовленный из единого листа и содержащий гофрированные ленты 895, расположенные каждая в радиальном направлении, разделенные узкими прорезями, т.е. промежутками, 897, расположенными в радиальном направлении. Количество гофрированных лент может быть, например, от одной до нескольких десятков и определяется удобством изготовления и размерами подшипника. Линии гребней гофрированных лент 985, обозначенных пунктирными линиями, являются прямыми. Линии гребней могут быть также изогнутыми, например, в форме дуги окружности. На фиг.85 показано сечение гофрированной ленты 895 в радиальном направлении. Прорези, или щели 897 между лентами 895 могут быть получены, например, резкой ножницами или эрозионной резкой проволокой и иметь ширину, например, от нескольких микрон до нескольких десятых миллиметра. Ленты 895 соединены между собой по внутреннему диаметру неразрезанной кольцевой частью 896 упругого элемента 898 и расположены относительно друг друга в окружном направлении.. Упругий элемент закреплен на опорной ленте сваркой в точках 892 на части 896. Гребни гофрированных лент 895 имеют равные углы с боковыми сторонами соответствующих лент 895. Периферийные гребни 901 образуют замкнутый контур с расположенной внутри контура осью подшипника. Подобные контуры образуют гребни, расположенные ближе к центру подшипника. Расположенные напротив друг друга ближайшие, т.е. соседние края 893 и 894 гребней 901, разделенные прорезью 897, расположены на одинаковом расстоянии от оси подшипника. Такое взаимное расположение вершин обеспечивает максимальное гидравлическое сопротивление утечкам газа в радиальном направлении. Для оптимального соотношения распределения давлений по обе стороны верхней ленты 156, обеспечивающего необходимую толщину смазочного слоя между верхней ленты 156 и упорным диском, прорезь 897 может иметь переменную ширину.
Образование избыточного давления в смазочном слое между верхней лентой 156 и вращающимся упорным диском для устранения контакта может быть обеспечено за счет канавок на упорном диске, подобном диску 154. Кроме того, избыточное давление в смазочном слое может быть обеспечено за счет канавок на верхней ленте, подобной ленте 887 на фиг.75. Другой способ образования избыточного давления возможен за счет формирования гофрированных лент различной высоты в окружном направлении и соответствующего профилирования в окружном направлении верхней ленты.
Другой способ образования избыточного давления возможен за счет различной жесткости гофрированных лент в окружном направлении. Ширина прорези 897, показанной на фиг.84, делается более узким со стороны входа утечек. Увеличение гидравлического сопротивления на входе утечек приводит к более быстрому падению давления между верхней и гофрированной лентами. Создание разного давления на наружном и внутреннем диаметре подшипника приводит к тому, что давление между верхней лентой и упорным диском будет больше, чем давление между верхней и гофрированной лентами. Это вызывает больший прогиб верхней ленты над гофрированной лентой с меньшей жесткостью, увеличение толщины смазочного слоя в этой зоне и сходящемуся клину, приводящему к возникновению избыточного давления и несущей способности подшипника.
На фиг.86 представлен другой вариант расположения гребней в гофрированных лентах 902, содержащихся в упругом элементе 903. Ленты 902 изготовлены из одного листа и соединены друг с другом через сплошное наружную кольцевую часть 904. Гребни гофрированной ленты 902, обозначенные пунктирными линиями, имеют разные углы с расположенными радиально боковыми сторонами последней, т.е. расположены под наклоном к окружному направлению. Расположенные напротив друг друга ближайшие соседние края 905 и 906 периферийных гребней 911, разделенные прорезью 907, расположены на разном расстоянии от центра подшипника. Подобно гофрированным лентам, показанным на фиг.84, линии, проходящие вдоль гребней 911 всех гофрированных лент 902 и соединяющие края этих гребней, разделенные прорезью 907, образуют замкнутый контур с расположенной внутри контура осью подшипника. Подобные контуры образуют соответствующие гребни, расположенные ближе к центру подшипника. Расстояние между краями 905 и 906 периферийных гребней 911 меньше чем расстояние между краем 995 периферийного гребня и краем 900 гребня 899, расположенного на соседней гофрированной ленте ближе к центру, чем периферийный гребень 911. Возможен вариант расположения гребней, где расстояние между краями 905 и 900 будет меньше, чем расстояние между краями 905 и 906. В этом случае ближайшими соседними краями будут не края 905 и 906, а края 905 и 900, и замкнутый контур с расположенной внутри контура осью подшипника будут образовывать линии, проходящие вдоль гребней 911 и 899 всех гофрированных лент 902 и соединяющие края этих гребней, в частности, каря 905 и 900, разделенные прорезью 907. На фиг.87 показан разрез упругого элемента 903 в радиальном направлении. Расстояние между краями 905 и 906 гребней 911, образующих замкнутый контур, в радиальном направлении не превышает половины расстояния между краями 905 и 908 соседних гребней одной ленты 902, равного длине волны гофрированной ленты, или ширине выпуклости, образующей волну. Подобное смещение вершин в радиальном направлении приводит к образованию окон 909, 910 и увеличению перетечек газа к в радиальном направлении. Однако эти перетечки существенно меньше, чем перетечки вдоль гофрированных элементов, гребни которых расположены в радиальном направлении подшипника и не образуют замкнутого контура с осью подшипника внутри этого контура.
Расстояние между ближайшими краями 905 и 906 гребней упругого элемента 903, образующих замкнутый контур, в окружном направлении, или окружное расстояние, должно быть достаточно малым, чтобы имел место технический результат понижения расхода между верхней лентой и опорной лентой или корпусом подшипника, на котором расположены гофрированные ленты, по сравнению с обычным расположением гофрированных лент, часть гребней которых расположена в радиальном направлении. В случае небольшого количества гофрированных лент, имеющих гребни, образующие замкнутый контур, расположенных подобно показанным на фиг.86, например, двух или трех, этот технический результат может быть получен при окружном расстоянии между ближайшими краями, образующими замкнутый контур, не больше, например, порядка нескольких длин волн гофрированных лент. При большом количестве гофрированных лент в упругом элементе, например, несколько десятков, этот технический результат может быть получен при соответствующем окружном расстоянии не большем, например, половины длины волны. Для получения значительного технического результата это окружное расстояние должно быть минимальным, не более нескольких десятых миллиметра или меньше.
На фиг.84 показан упругий элемент, содержащий одинаковые гофрированные ленты. Возможен вариант подшипника с различными гофрированными лентами, имеющими каждая различные углы наклона гребней гофрированных лент с окружным направлением.
Для уменьшения жесткости осевого подшипника - уплотнения при требуемой большой амплитуде осевого смещения ротора предназначены варианты упругого элемента подшипника, показанные на фиг.88…92.
На фиг.88 показано сечение подшипника в радиальном направлении, где для снижения жесткости упругие элементы 898, показанные на фиг.84, установлены один на другой в направлении, перпендикулярном поверхности скольжения упорного диска вместе с опорными лентами 174. при этом нагрузка на подшипник передается последовательно через верхнюю ленту 156, верхнюю гофрированную ленту 895, верхнюю опорную ленту 174, нижнюю гофрированную ленту 895 и нижнюю опорную ленту 174. В данном варианте подшипника имеется два слоя гофрированных лент, каждый из которых содержит ленты 895, расположенные относительно друг друга в окружном направлении. Снижение жесткости подшипника происходит из-за последовательного расположения жесткостей упругих элементов.
На фиг.89 показано сечение другого варианта подшипника в радиальном направлении, где под опорной лентой 174 установлено кольцо 912 из упругого материала, например, металлорезины, полученной прессованием растянутой проволочной спирали.
На фиг.90 показан вид в плане другого варианта подшипника с гофрированными лентами пониженной жесткости. Для снижения жесткости гофрированная лента 914, подобная ленте 895, показанной на фиг.84, имеет прорези 915 по линии гребней, касающихся верхней ленты 156 и прорези 916 линии вершин, касающихся опорной ленты 174. Прорези 915 и 916 разделены перемычками 917 и 918, объединяющими гофрированную ленту в единое целое. Сечения гофрированной ленты 914 в радиальном направлении через перемычки 917 и 918 показаны на фиг.91 и 92 соответственно. Жесткость гофрированной ленты 914 пропорциональна длине перемычек 917 и 918 в окружном направлении. Перемычки 917 и 918 сдвинуты относительно друг друга в окружном направлении для равномерного распределения жесткости гофрированной ленты 914. Длина перемычек может зависеть от радиуса расположения. Гребни, проходящие по прорези 915 и перемычке 917, и аналогичным прорезям и перемычкам других гофрированы лент, образуют замкнутый контур с расположенной внутри контура осью подшипника,
На фиг.93 показан вид в плане на подшипник, где упругий элемент является кольцевой гофрированной лентой 920 с кольцевыми складками, линии гребней которых складок обозначены пунктирными линиями и отличается от упругого элемента доказанного на фиг.84, отсутствием радиальных прорезей. Гребни ленты 920 являются замкнутыми и не имеют краев. Распределение давления в радиальном направлении между лентой 920 и верхней лентой 156 может регулироваться, например, при помощи переменной площади сечения канавок малой глубины, выполненных на гребнях гофрированной ленты 920.
На фиг.94 показан вид в плане на подшипник, где упругий элемент состоит из отдельных гофрированных лент 923, закрепленных на опорной ленте 174 по внутреннему краю. Гребни 924, 942, 943, 944, 945, 946 и другие, не показанные на фиг.94, образуют разомкнутый спиральный контур, начинающийся на периферии гофрированных лент подшипника и заканчивающийся на внутреннем краю гофрированных лент подшипника. Каналы, образованные гребнями, входящими в этот контур и гребнями, входящими в подобные контуры, верхней лентой 156 и опорной лентой 174, значительно длиннее аналогичных каналов при радиальном расположении гребней гофрированных лент обычного подшипника, а количество таких каналов значительно меньше. Поэтому гидравлическое сопротивление утечкам газа в радиальном направлении для подшипника, показанного на фиг.94, будет также значительно больше, чем для обычного подшипника с радиальным расположением гребней, т.е. поперек окружного направления. Этот эффект увеличения гидравлического сопротивления будет заметен, если угловой размер спирали в окружном направлении превышает половину дуги окружности.
На фиг.95 показано кольцевое сечение другого варианта подшипника, отличающегося формой верхней ленты. Верхняя лента 926 в виде кольца имеет несколько участков 928, параллельных опорной ленте 174 и несколько наклонных участков 930, чередующихся в окружном направлении с участками 928. Под участками 926 расположены гофрированные ленты 932, подобные лентам 923, показанным на фиг.95. Под участками 930 расположены гофрированные ленты 931. Расположение складок на лентах 931 подобно расположению складок расположение складок на лентах 932, однако высота складок в окружном направлении возрастает по направлению вращения, подобно участку 930 ленты 926. При вращении упорного диска подшипника в сходящемся клине, образованном участком 930 и поверхностью упорного диска, создается избыточное давление газа, обеспечивая несущую способность подшипника. Наличие подобного клинового зазора приводит к возрастанию перетечек газа в смазочном слое в радиальном направлении по сравнению с плоской верхней лентой, однако максимальная толщина смазочного слоя может быть достаточно малой и перетечки газа через такой смазочный слой существенно меньше, чем перетечки вдоль гофрированных элементов, вершины которых расположены в радиальном направлении подшипника и не образуют замкнутого контура с осью подшипника внутри этого контура.
На фиг.96 показана вид в плане на другой вариант подшипника, отличающийся наличием нескольких верхних лент. На фиг.97 подшипника показан разрез этого подшипника в окружном направлении. Подшипник имеет несколько закрепленных на ленте 174 верхних лент 934, расположенных в окружном направлении, участки 935 и 936 которых подобны участкам 928 и 930 верхней ленты, показанным на фиг.95. Показанный на фиг.96 подшипник имеет профиль смазочного слоя в окружном направлении, подобный смазочному слою подшипника, показанного на фиг.94. Показанные на фиг.96 линии 938 и 941 периферийных гребней 931 и 932, расположенных в окружном направлении, соединенные линиями между расположенными напротив друг друга соседними краями 940 и 939 этих вершин, образуют замкнутый контур с расположенной внутри контура осью подшипника. Подобные контуры образуют также линии гребней, расположенные ближе к центру подшипника.
Описанные выше осевые подшипники-уплотнения могут быть использованы также для случая, когда упорный диск установлен на корпусе турбомашины и не вращается, а на роторе установлены верхняя лента и гофрированные ленты.
Для снижения точности изготовления и компенсации возможных деформаций упорного диска верхняя лента, подобная ленте 156, опирающаяся на гофрированные ленты с окружным расположением складок, может быть установлена на роторе и на корпусе турбомашины. В этом случае скольжение происходит между верхними лентами.
Использование гофрированных лент со складками и, следовательно, гребнями, расположенными вдоль средней линии подшипника, т.е. вдоль окружного направления, для значительного сокращения перетечек газа через подшипник возможно также для радиального подшипника. На фиг.98…101 показан вариант такого подшипника. На фиг.98 показан вид в плане на развернутый блок гофрированных лент 950, содержащий множество гофрированных лент 958, разделенных прорезями 952. Пунктирными линиями 953 показаны гребни складок гофрированных лент. На фиг.99 показан вид в плане на верхнюю ленту 960. На фиг.100 показан вид на подшипник в осевом направлении, где верхняя лента 960 и блок 950 свернуты в трубку так, что края этих лент 961 и 966, 956 и 959 соответственно расположены рядом напротив друг друга. На фиг.101 показан продольный разрез подшипника плоскостью, проходящей через ось подшипника и край 966 верхней ленты 966. Фиксация блока лент 950 в осевом направлении выполнена за счет кольца 970. Фиксация верхней ленты 960 в осевом направлении относительно блока 950 выполнена за счет отогнутых частей 962 и 963 верхней ленты 960, входящих в пазы 954 и 955, выполненные гофрированных лентах блока 950. В окружном направлении лента 960 фиксируется относительно кольца 970, расположенного в корпусе 955 концентрично оси подшипника, при помощи отогнутых частей 964 и 965, входящих в паз 972 кольца 970.
Гребни гофрированных лент образуют замкнутые контуры с расположенной внутри контуров осью подшипника.
Для оптимального соотношения распределения давлений по обе стороны верхней ленты 760, обеспечивающего необходимую толщину смазочного слоя между ленты 760 и цапфой, прорезь 952 может иметь переменную ширину.
Высота гофрированных лент может иметь различную высоту в окружном направлении для создания избыточного давления в смазочном слое при вращении цапфы. Для создания избыточного давления могут быть использованы также канавки на поверхности цапфы или канавки на верхней ленте, представленные выше в описании.
Возможен вариант подшипника, показанного на виг.100, где в окружном направлении расположено несколько верхних лент с находящимися под каждой лентой гофрированными лентами, подобно осевому подшипнику, показанному на фиг.96 и 97.
Возможен вариант подшипника, где гребни гофрированных лент, входящие в блок, подобный блоку 950, подобно гребням гофрированных лент, показанным на фиг.94, образуют разомкнутый винтовой контур. Такое расположение гребней также существенно увеличивает гидравлическое сопротивление утечкам газа в осевом направлении, направлении для подшипника.
Варианты упругого элемента, содержащего гофрированные ленты для снижения жесткости осевого подшипника - уплотнения показанных на фиг.88…90, могут быть использованы для радиального подшипника - уплотнения, вариант которого показан на фиг.98…101.
Возможны другие варианты упругого элемента для снижения жесткости подшипника - уплотнения помимо вариантов, показанных на фиг.88…90. Такие варианты показаны на фиг.102 и 103 и отличаются от варианта, показанного на фиг.84, наличием второго слоя гофрированных лент в упругом элементе.
На фиг.102 показано сечение осевого подшипника - уплотнения в радиальном направлении. Формирующие упругий элемент подшипника гофрированные ленты 975 и 976 образуют пары и расположены между верхней лентой 156 и вкладышем 158 в два слоя, т.е. одна на другой, в осевом направлении, т.е. в направлении, нормальном к поверхности упорного диска 154. Гофрированная лента 975 расположена между верхней лентой 156 и вкладышем 158. Гофрированная лента 976 расположена в первом слое между гофрированной лентой 975 и вкладышем 158. Гребни 977 и 978 соответственно гофрированных лент 975 и 976, также как и другие гребни этих лент, расположены в окружном направлении, подобно гребням 901 гофрированным лентам 895, показанным на фиг.84. Гофрированные ленты 976 расположены относительно друг друга в окружном направлении, т.е. в направлении расположения гребней лент 976, и образуют первый слой упругого элемента. Гофрированные ленты 975 расположены относительно друг друга в окружном направлении, т.е. в направлении расположения гребней лент 975, во втором слое. Гребень 978 и другие гребни гофрированной ленты 976 расположены вдоль гребня 977 и других гребней гофрированной ленты 975.
Гофрированные ленты 975 и 976 зафиксированы друг относительно друга через упругие средства с возможностью создания упругой реакции между лентами 975 и 976 при относительном смещении последних в направлении вдоль поверхности верхней ленты 156 и поперек к линиям гребней ленты 975, что для подшипника, показанного на фиг.102, является радиальным направлением. Гофрированные ленты 975 и 976 закреплены каждая на опорной ленте 174 по периферийному краю 981 и 982 ленты 975 и 976 посредством, например, контактной сварки. Края гофрированных лент 975 и 976, противоположные периферийным краям 981 и 982, не закреплены. Упругим средством, соединяющим гофрированные части ленты 975 и 976, расположенные между упорным диском 154 и вкладышем 158, для создания упругой реакции между этими частями, является волна 985 ленты 975, имеющая гребень 983, расположенный вдоль гребня 977 ленты 975, длину, существенно превышающую длину остальных волн ленты 975, расположенная у края ленты 975 и отстоящая от оси ротора дальше, чем периферийная часть упорного диска 154 и верхней ленты 156. Гофрированные части ленты 975 и 976 соединены через волну 985 и опорную ленту 174. Большая длина волны 985 позволяет получить необходимую относительно небольшую жесткость и упругую реакцию при относительном смещении лент 975 и 976 в радиальном направлении. Возможен вариант, где жесткость упругого средства, соединяющего пару гофрированных лент 975 и 976, является различной для различных пар этих лент. Это дает возможности для формирования профиля смазачного слоя между верхней лентой 156 и
Гофрированные ленты 975 и 976 контактируют друг с другом по наклонным участкам поверхностей волн этих лент, являющимися контактными участками, передающим подшипниковую нагрузку от ленты 975 к ленте 976. Один из таких участков имеет края 979 и 980, расположенные относительно друг друга в направлении, поперечном к гребням ленты 975, и простирается вдоль гребней ленты 975. Этот контактный участок содержит контактную поверхность гофрированной ленты 975, обращенную к ленте 976 и вкладышу 158 и поверхность гофрированной ленты 976, обращенную к ленте 975 и упорному диску 158 и контактирующую с контактной поверхностью ленты 975.
Наклонные части волн лент 975 к 976, имеющие рассмотренные выше контактные участки поверхностей, чередуются с другими наклонными частями волн лент 975 к 976, между которыми имеются зазоры. Один из таких зазоров, зазор 996 имеется между частями 984 и 987 волн лент 975 и 976. Эти зазоры позволяют смещаться ленте 975 относительно ленты 976 вдоль контактных участков лент 975 и 976 с уменьшением расстояния между лентой 975 и вкладышем 158.
Возможен вариант, где такой контактный участок содержит между поверхностями лент 975 и 976, например, тонкую полимерную ленту, металлическую фольгу или покрытие ленты 975 или 976, передающие нагрузку от поверхности ленты 975 к поверхности ленты 976 этого участка, например, для изменения коэффициента трения на контактном участке.
На гребень 977 и другие гребни ленты 975 действуют со стороны верхней ленты 156 силы, возникающие при действии на подшипник подшипниковой нагрузки. Эти силы стремятся сместить ленты 975 и 976 относительно друг друга в направлении вдоль поверхности верхней ленты 156 и поперек к линиям гребней ленты 975. При отсутствии трения между контактными поверхностями лент 975 и 976 такое смещение лент 975 и 976 происходит при любом ненулевом значении контактного угла 986 наклона одной контактных поверхностей лент 975 и 976 к поверхностью ленты 156 или ленты 174 как при увеличении, так и при уменьшении силы, действующей на гребень 977 и соответственно уменьшении или увеличении зазора между верхней лентой 156 и вкладышем 158. При ненулевом коэффициенте трения между контактными поверхностями и контактном угле 986 меньше некоторого значения такое смещение лент 975 и 976 престает происходить при нарастании силы на гребень и может происходить лишь при уменьшении нагрузки на гребень за счет упругой силы реакции со стороны волны 985 ленты 975. При ненулевом коэффициенте трения между контактными поверхностями и угле 986 больше некоторого значения такое смещение лент 975 и 976 происходит при нарастании и не происходит при убывании силы на гребень. Когда угол 986 больше некоторого минимального значения и меньше некоторого максимального значения, зависящего также от коэффициента трения между контактными поверхностями, такое смещение лент 975 и 976 происходит как при уменьшении нагрузки на гребень, так и при ее увеличении.
На фиг.103 показан другой вариант подшипника с упругим элементом, отличающийся от варианта на фиг.102 другим закреплением пары гофрированных лент 988 и 989 и другим упругим средством, связывающим эти ленты. Ленты 988 и 989 содержат гофрированные части, содержащую волны и контактные поверхности, и крепежные части 992 и 997, Упругое средство выполнено в виде упругой части 990 ленты 988 и упругой части 991 ленты 989, расположенных соответственно между крепежной частью 992 и гофрированной частью ленты 988 и между крепежной частью 997 и гофрированной частью ленты 989. Части 990 и 991 расположены перпендикулярно ил по небольшим углом к поверхности верхней ленты и выполняют функцию упругого средства. Крепежная часть 992 ленты 988 скреплена с крепежной частью 997 ленты 989 через расположенный между этими частями лист 994 при помощи сварки. Крепежные части лент 988 и 989 вместе с листом 994 расположены в пазу 995 корпуса подшипника 993, расположенном вдоль гребней волн лент 988 и 989. Между частью 990 ленты 988 и частью 991 ленты 989 имеется свободное пространство, образованное за счет листа 994 и позволяющее частям 990 и 991 приближаться и отдаляться друг от друга и создавать в направлении поперек к гребню ленты 988 и вдоль верхней ленты упругую реакцию за счет изгиба частей 990 и 991.
В показанных на фиг.102 и 103 вариантах подшипника упругие средства, соединяющие гофрированные ленты, являются частями соединяемых гофрированных лент. Возможен вариант, где упругие средства выполнены отдельно от пары соединяемых гофрированных лент, например, в виде отдельной ленты, приваренной к каждой из этих гофрированных лент выполняющей функцию пластинчатой пружины, подобно частям 990 и 991 гофрированных лент 988 и 989, показанных на фиг.103.
Возможен также другой вариант упругого элемента подшипника, показанного на фиг.102, где друг с другом контактируют по наклонным участкам волн несколько, например, три гофрированных ленты, расположенные одна на другой в три слоя в направлении, нормальном к поверхности упорного диска 154 и связанные между собой упругими средствами, например, подобно гофрированным лентам 975 и 976 на фиг.102.
Возможет вариант радиального подшипника - уплотнения, показанного на фиг.99…101, где вместо каждой из гофрированных лент 958 установлена пара первой и второй гофрированных лент, подобных лентам 975 и 976, показанным на фиг.102 и имеющих такие же признаки взаимного расположения и крепления с фиксацией относительно друг друга через упругие средства, как ленты 975 и 976, для возможности скольжения относительно друг друга с целью уменьшения жесткости подшипника.
Жесткость упругого элемента подшипников, показанных на фиг.102 и 103, при условии относительного скольжения контактных поверхностей гофрированных лент определяется главным образом жесткостью упругих средств, через которые соединяются гофрированные ленты и контактным углом наклона этих контактных поверхностей. Поэтому волны длина контактирующих гофрированных лент может быть существенно уменьшена без увеличения жесткости упругого элемента. Это позволяет применять такой упругий элемент, например, для осевых и радиальных подшипников малых размеров, для которых упругий элемент из обычной гофрированной ленты, жесткость которого возрастает пропорционально кубу уменьшения длины волны гофрированной ленты, не позволяет получить оптимального распределения матрицы жесткости верхней ленты при действия давления смазочного слоя из-за чрезмерно большой длины волны гофрированной ленты.
Показанный на фиг.103 вариант упругого элемента для подшипника - уплотнения может быть использован в обычных осевых и радиальных ленточных подшипниках где гофрированные ленты опираются на жесткий корпус подшипника и отсутствует вкладыш, с направлением расположения гребней гофрированных лент, например, поперек окружного направления.
Верхний вкладыш 158 осевого подшипника, показанного на фиг.4, 68 и 70, опирается на упоры 164 и 169, расположенные с противоположных сторон от оси подшипника в диаметральном направлении. Упоры 164 и 169 имеют цилиндрические поверхности, по которым контактируют с нижним вкладышем 160 и передают от вкладыша 158 к вкладышу 160 основную часть нагрузки на подшипник. Возможны варианты упоров с другими подходящими поверхностями.
Как показано на фиг.68 и 69, нижний вкладыш 160 опирается на упоры 162 и 171, расположенные с противоположных сторон от оси подшипника в диаметральном направлении. Линия расположения упоров 162 и 171 направлена поперек к линии расположения упоров 164 и 169. Упоры 162 и 171 имеют цилиндрические поверхности, по которым контактируют с датчиками силы 163 и 167 соответственно и передают от вкладыша 160 к корпусу 168 основную часть нагрузки на подшипник. Возможен вариант установки датчиков силы между вкладышами 158 и 160 совместно с упорами 164 и 169.
Перекос вращающегося упорного диска 154 относительно верхнего вкладыша 158 приводит к увеличению с одной стороны и уменьшению с противоположной стороны вкладыша 158 средней толщины смазочного слоя. Эта неравномерность вызывает увеличение давления со стороны меньшей толщины смазочного слоя. Возникающий крутящий момент, действующий на вкладыш 158, приводит к его повороту относительно вкладыша 160 вокруг линии контакта упоров 164 и 169 с вкладышем 160 и повороту вкладыша 160 относительно корпуса 168 вокруг линии контакта упоров 162 и 171 с датчиками силы 163 и 167 таким образом, что возникшая неравномерность толщины смазочного слоя устраняется и перекос корпуса подшипника и упорного диска компенсируется. Компенсация указанного перекоса в любом направлении возможна благодаря тому, что пара упоров 164 и 169 располагается в поперечном направления к упорам 162 и 171.
Вкладыши 158 и 160 зафиксированы в радиальном и окружном направлении относительно промежуточного кольца 127, закрепленного на корпусе 168, при помощи штифтов 166 и 161. Между вкладышами 158 и 160 расположено в окружном направлении несколько гофрированных лент 177. Между промежуточным кольцом 127 и вкладышем 160 расположено в окружном направлении несколько гофрированных лент 176. Гофрированные ленты 176 и 177 предназначены для демпфирования возможных колебаний вкладышей 158 и 160. Для увеличения демпфирования ленты 176 и 177 могут быть включены в состав упругодемпферных блоков, подобных например, показанному на фиг.5.
От датчиков силы 163 и 167 нагрузка на подшипник передается на пьезокерамические актюаторы 126 и 129, принцип действия которых подобен актюатору 216, показанному на фиг.23. Актюаторы 126 и 129 входят в состав нагрузочного устройства для управления преднатягом осевого подшипника. Возможен вариант, где вместо актюаторов 126 и 129 используются болты, подобные болту 104 для управления преднатягом в радиальном подшипнике, показанном на фиг.1.
Возможен вариант использования нагрузочного устройства для ленточного подшипника с частичной самоустановкой вкладыша с установленными на нем ленточными элементами. Этот вариант может быть реализован, например, путем удаления из подшипника, показанного на фиг.4, 68 и 69 нижнего вкладыша 160 с упорами 162 и 171 и установки верхнего вкладыша 158 с упорами 164 и 169 на актюаторы 126 и 129.
Возможен также вариант использования нагрузочного устройства для ленточного подшипника без самоустановки вкладыша 158. Этот вариант может быть реализован, например, путем удаления из подшипника, показанного на фиг.4, 68 и 69 нижнего вкладыша 160 с упорами 162 и 171 и установки верхнего вкладыша 158 через упоры на три актюатора, подобные актюатору 126 и расположенные по окружности под углом около 120 градусов.
С другой стороны упорного диска 154 расположен осевой подшипник, подобный показанному на фиг.4 подшипнику, содержащий вкладыши, подобные вкладышам 158 и 160, опирающиеся на упоры, расположенные в поперечных направления, подобно упорам 164, 169, 162 и 171, передающие нагрузку на датчики силы. Для управления преднатягом в осевом подшипнике достаточно наличия описанного выше нагрузочного устройство только у одного осевого подшипника.
Во время старта и останова ротора подвижные части нагрузочного устройства - актюаторы 126 и 129 имеют минимальную высоту в направлении упорного диска 154 и преднатяг в подшипнике минимален. Это обеспечивает минимальное контактное давление между упорным диском 154 и верхней лентой 156 и малый износ ленты 156. После достижения частоты вращения, большей чем частоты всплытия упорного диска 156, от системы управления поступает сигнал на актюаторы 126 и 129. Актюаторы увеличиваются по высоте и толкают вкладыши 158 и 160 и верхнюю ленту 156 к диску 154, увеличивая преднатяг и повышая осевую жесткость осевого подшипника.
В корпусе 168, показанном на фиг.4, установлен электромагнит 134, содержащий катушку 135 и сердечник 136. При прохождении тока через катушку 136 упорный диск 154 притягивается в осевом направлении к электромагниту 134.
Возможен другой вариант установки осевого электромагнита, например, напротив отдельного упорного диска.
В кольцевом пространстве между дисками 158, 160 и электромагнитом 134 установлен элемент для ограничения осевых перемещений упорного диска 154, содержащий ограничительное кольцо 130 с расположенный на торце кольца 130 антифрикционный слой 131.
При смещении вращающегося ротора под действием осевой нагрузки, превышающей несущую способность подшипника, сначала возникает контакт между диском 154 и верхней лентой 156, затем, при дальнейшем смещении ротора, возникает контакт диска 154 с антифрикционным слоем 131 кольца 130, после чего дальнейшее смещение диска 154 и ротора прекращается. Ограничительное кольцо 130 имеет такой осевой размер, что пластической деформации гофрированных лент 165 при максимальном смещении цапфы не происходит.
С противоположной стороны упорного диска 154 расположен ограничительное кольцо, подобное кольцу 130 и электромагнит, подобный электромагниту 134.
На фиг.104 показан вариант блок-схемы устройства электромагнитной разгрузки и устройства управления преднатягом осевого подшипника. Эта система устроена аналогично системе управления радиального подшипника, показанной на фиг.58 Выходы воспринимающих нагрузку в одном направлении датчиков силы 163 и 167, показанных на фиг.4 и подобных им воспринимающих нагрузку в другом направлении датчиков силы 702 и 703 соединены с входами усилителей 704. Выходы усилителей 704 соединены с входами формирователя 708. Формирователь 708 выдает электрический сигнал S, пропорциональный нагрузке упорного диска 154 на один из осевых подшипников.
Выход формирователя 708 соединен с входами фильтра 714, фильтра 730 и контроллера 740. Контроллер 740 предназначен для получения и обработки сигналов от усилителей 704 датчиков силы, формирователя 708, датчика частоты вращения 606, выдачи сигналов уставки на 1-регуляторы 738 и сигнала на привод 745 нагрузочного устройства для управления преднатягом 746, представленного на фиг.4 и 68 пьезокерамическими актюаторами 126 и 129.
Фильтр 714 пропускает частоты, не превышающие частоту порядка частоты собственных осевых колебаний ротора, например, несколько большую, чем эта частота. Выход фильтра 714 соединен с входом 718 D-регулятора электрических сигналов. D-регулятор 718 работает аналогично показанному на фиг.58 D-регулятору 618 радиального подшипника, принцип работы которого описан выше.
Фильтр 730 пропускает частоты, меньшие, например, порядка несколько десятков герц и несколько большие, чем частоты возможных осевых колебаний ротора при помпаже. Выход фильтра 730 соединен с входом интегрального I-регулятора 738. I-регулятор 738 работает аналогично I-регулятору 638 радиального подшипника, принцип работы которого описан выше. I-регуляторы 638 имеют также входы, соединенные с выходами из контроллера 740 для задания уставки регулирования.
Контроллер 740 предназначен для получения и обработки сигналов формирователя 708 и датчика частоты вращения 606, выдачи сигнала уставки на I-регулятор 738, а также для временного отключения выходов формирователя 708 на фильтры 714 и 730.
Выход из D-регулятора 718 и I-регулятора 738 соединен с входом сумматора 720. Сумматор 720 выполняет сложение сигнала от D-регулятора 718 и I-регулятора 738. Выход сумматора 720 соединен с входом формирователя 722 управляющих токов для разгрузки осевого подшипника. Выходы формирователя 722 соединены с входами усилителей мощности 742 и 744.
В целом при помощи системы управления, показанной на фиг.104, осуществляется разгрузка от низкочастотных и постоянных нагрузок через I-регулятор 738 и демпфирование среднечастотных колебаний через D-регулятор 718.
1
Перед пуском, при нулевой частоте вращения ротора, выходы формирователя 708, соединенные с фильтрами 714 и 730, отключены по команде контроллера 740. Сигналы от датчиков силы 163, 167, 702 и 703 через усилители 704 поступают в формирователь 708. Из формирователя 708 сигнал поступает в контроллер 740, где фиксируется средняя величина (S) этого сигнала.
X
0
Y
0
Если ротор установлен вертикально или под наклоном, из контроллера 740 выдается на вход усилителя мощности 742 постоянный электрический сигнал заданной величины, поступающий усилителя 742 в катушку 135, расположенную с противоположной стороны от осевого подшипника, нагруженного весовой нагрузкой, для создания силы, снижающей весовую нагрузку ротора на осевой подшипник. Величина сигнала зависит от угла наклона оси ротора. В контроллере 740 фиксируется средняя величина сигналов (S) и (S), поступающих из формирователя 708.
Далее происходит разгон ротора с разгрузкой осевого подшипника, которая может осуществляться по двум вариантам.
При первом варианте, аналогично разгрузке радиального подшипника, ротор разгоняется до заданной частоты при продолжающей действовать от электромагнита постоянной силе. Этот этап завершается после поступления на контроллер 740 сигнала на датчик частоты вращения 606. При останове ротора после снижения частоты вращения до заданной частоты из контроллера 740 снова выдается на вход усилителя мощности 742 в катушку 135 сигнал заданной величины для создания силы, снижающей весовую нагрузку ротора на радиальный подшипник.
1
При втором варианте отключается постоянный сигнал, поступавший из контроллера на усилитель 742 и включаются выходы формирователя 608, соединенные с фильтрами 714 и 730. При последующем разгоне и работе турбомашины сигнал (S) используется в I-регуляторе 738 в качестве уставки регулирования. Такая настройка уставки регулирования позволяет оптимизировать совместную работу ленточного подшипника и устройства электромагнитной разгрузки.
При вертикальном или наклонно установленном роторе, когда на осевой подшипник действует весовая нагрузка, после разгона ротора может быть выполнена смена уставок регулирования аналогично системе управления устройством электромагнитной разгрузки радиального подшипника для устранения разгрузки электромагнитом веса ротора и снижения тепловыделение в катушке 135.
В начале разгона ротора актюаторы 126 и 129 нагрузочного устройства 746, показанные на фиг.4, по команде контроллера 740 отодвигаются от упорного диска 154 и создается минимальный преднатяг для снижения износа подшипника. После разгона ротора до частоты, превышающей частоту всплытия, по команде контроллера 740, показанного на фиг.97, нагрузочное устройство 746 увеличивает преднатяг подшипника.
Разгрузка подшипника от среднечастотных колебаний, например, автоколебаний ротора, производится следующим образом. Поступающие от датчиков силы 163, 167, 702 и 703 в усилители 704 переменные сигналы преобразуются в формирователе 708 в сигнал, пропорциональный действующей на осевой подшипник нагрузке. Этот сигнал проходит фильтр 714, преобразуется после прохождения D-регулятора 718, сумматоров 720, формирователя 722 и усилителей мощности 742 и 744 и создает между сердечником 135 или 138 и упорным диском 154 силу, направленную против осевой скорости движения упорного диска. Такая сила вызывает снижение амплитуды осевых колебаний ротора.
Разгрузка подшипника от низкочастотных колебаний, например, помпажных колебаний ротора, производится следующим образом. Поступающие от датчиков силы 163, 167, 702 и 703 в усилители 704 переменные сигналы преобразуются в формирователе 708 в сигнал, пропорциональный действующей на осевой подшипник нагрузке. Этот сигнал проходит фильтр 730, преобразуется после прохождения I-регулятора 738, сумматора 620, формирователя 722 и усилителей мощности 742 и 744 и создает между сердечником 135 или 138 и упорным диском 154 силу, направленную против действующей на осевой ленточный подшипник нагрузки. Такая сила вызывает снижение действующей на осевой ленточный подшипник нагрузки.
При вертикальной установке ротора турбомашины система управления разгрузкой радиального и осевого подшипника, показанные на фиг.58 и 96, могут быть изменены для компенсации весовой нагрузки на осевой подшипник при старте и останове. В этом варианте при разгоне и торможении ротора контроллером 740 через усилитель мощности 742 или 744 выдается постоянный сигнал на катушку 135 или 137 для создания действующей на упорный диск силы, снижающей весовую нагрузку ротора на осевой подшипник. При этом разгрузка радиального подшипника от весовой нагрузки не производится.
На фиг.105 представлен вид в плане на развертку рабочей части верхней ленты 395 другого варианта ленточного радиального подшипника. На фиг.106 показана часть поперечного разреза этого подшипника.
Подшипник содержит цапфу 200, расположенную внутри отверстия, образованного внутренней поверхностью 405 корпуса 401. Цапфа 200 имеет наружную поверхность вращения 407, в частности, цилиндрической формы. Между поверхностью 407 и поверхностью 405, т.е. между цапфой 200 и корпусом 401, расположена верхняя лета 395. Лента 395 закреплена относительно корпуса любым подходящим способом, например, при помощи хвостовой части ленты 404, установленной в пазу корпуса 401, расположенном в направлении оси подшипника. Между верхней лентой 395 и корпусом 401 расположена гофрированная лента 400, выполняющая роль упругого элемента подшипника. Задний 391 и передний 396 края ленты 395 расположены вдоль оси подшипника, т.е. поперек направления вращения цапфы 200. Боковые края ленты 395 расположены в окружном направлении.
Вращение цапфы 200 происходит в направлении от заднего края 391 к переднему краю 396 ленты 395. Смазочный слой при этом образуется между поверхностью вращения 407 и верхней лентой 395. Подшипниковая нагрузка передается от этого смазочного слоя к корпусу 401 через ленту 395, промежуточную ленту 382 и гофрированную ленту 400.
Гофрированная лента 400 закреплена относительно корпуса любым подходящим способом, например, посредством соединения контактной сваркой с верней лентой 395 в точках 389, расположенных, установленной в пазу корпуса 401, расположенном в направлении оси подшипника.
Лента 395 содержит две равные отдельные прямоугольные в плане части 1010 и 1011. Части 1010 и 1011 расположены относительно друг друга поперек окружного направления. Боковые края 1013 и 1014 соответственно частей 1010 и 1011 ленты 395 расположены в окружном направлении от точки 399, находящейся на заднем крае 391 ленты 395, до точки 397, находящейся на переднем крае 396 ленты 395. Вращение цапфы 200 происходит в направлении от задних краев частей 1010 и 1011 к передним краям последних. Передние и задние края частей 1010 и 1011 принадлежат соответственно переднему краю 396 и заднему краю 391 верхней ленты 395. Между боковыми краями 1013 и 1014, обращенными друг к другу, имеется узкая щель шириной порядка нескольких сотых или десятых миллиметра в зоне у переднего края ленты 395. Возможен вариант, где боковые края 1013 и 1014 прилегают друг к другу вплотную.
Между верхней лентой 395 и гофрированной лентой 400 расположена промежуточная лента 382, передающая подшипниковую нагрузку от ленты 395 к ленте 400. Лента 382 содержит три равные отдельные прямоугольные части: 1020, 1021 и 1022. Последние расположены относительно друг друга поперек окружного направления. Между боковыми краями 1030 и 1031 соответственно соседних частей 1020 и 1021 и боковыми краями 1032 и 1033 соответственно частей 1021 и 1022, обращенными друг к другу, имеется узкая щель. Ширина этой щели может быть несколько больше, чем ширины щели между частями ленты 395, не более порядка миллиметра, предотвращая существенное продавливание ленты 395 в эту щель.
Лента 382 закреплена на ленте 395 при помощи контактной сварки в нескольких точках 389, расположенных возле переднего края 391 ленты 395, следующим образом. Расположенная с края часть 1020 ленты 382 закреплена на части 1010 ленты 395. Средняя краю часть 1021 ленты 382 закреплена на частях 1010 и 1020 ленты 395. Расположенная с края часть 1022 ленты 382 закреплена на части 1011 ленты 395.
В смазочном слое между вращающейся цапфой 200 и верхней лентой 395 выделяется тепло. Большая часть тепла выделяется ближе к переднему краю 391 ленты 395, в зоне малой толщины смазочного слоя. В результате такого неравномерного нагрева в окружном направлении температура и тепловое расширение ленты 395 в направлении, поперечном к окружному, больше у переднего, чем у заднего края ленты 395. Наличие зазора между боковыми краями 1013 и 1014 частей 1010 и 1011 ленты 395 приводит к возможности свободного относительного смещения этих краев в поперек окружного направления. В результате тепловые напряжения в верхней ленте 395 возникают от неравномерного нагрева в окружном направлении частей 1010 и 1011, имеющих каждая меньшую ширину в поперечном к окружному направлении, чем вся лента 395, что уменьшает тепловые напряжения и площадь зоны этих напряжений в ленте 395 по сравнению с цельной верхней лентой в обычном ленточном подшипнике и устраняет или уменьшает коробление верхней ленты 395 при большой частоте вращения цапфы и подшипниковой нагрузке.
Неравномерный нагрев в окружном направлении имеет также лента 382. Наличие отдельных частей ленты 382 снижает тепловые напряжения в последней и предотвращает ее коробление при больших нагрузках и частоте вращения цапфы.
Несущая способность смазочного слоя между лентой 395 и цапфой 200, определяющая несущую способность подшипника, возрастет из-за повышения давления в смазочном слое, если вместо ленты 395 будет установлена цельная верхняя лента, не имеющая щели в своей средней части, как лента 395. Наличие щели между частями 1010 и 1011 приводит к дополнительным перетечкам воздуха в смазочном слое, снижающим несущую способность последнего. При отсутствии промежуточной ленты 382 перетечки воздуха из смазочного слоя направлены нормально к поверхности цапфы 200 и поступают через щель в пространство между верхней лентой 395 и корпусом 401, где расположена гофрированная лента 400. Такие перетечки приводят к максимальной потере несущей способности смазочного слоя. Однако и в этом случае уменьшение ширины щели снижает перетечки и ширина щели может быть подобрана достаточно малой, чтобы несущая способность смазочного слоя между лентой 395 и цапфой была больше, чем в случае, если щель между частями ленты 395, была бы велика, например, один миллиметр или более, когда ширина щели между частями 1010 и 1011 ленты 395 уже не влияет на несущую способность, а также больше, чем несущая способность цельной верхней ленты, установленной вместо ленты 395 и имеющей максимальную ширину, при которой не происходит коробления верхней ленты из-за тепловых деформаций Увеличение ширины участка щели снижает давление в смазочном слое тем больше, чем меньше толщина смазочного слоя и выше начальное давление на этом участке. Поэтому максимальная допустимая ширина щели у заднего края верхней ленты, где толщина смазочного слоя велика, а давление мало, может быть значительно больше, чем у переднего края этой ленты, где толщина слоя мала и давление в слое велико.. Для уменьшения перетечек воздуха возможен также вариант, где ширина щели практически равна нулю за счет плотного прижатия боковых краев частей верхней ленты. Возможен также вариант, где ширина щели в окружном направлении переменная.
Добавление промежуточной ленты 382 значительно увеличивает несущую способность смазочного слоя, уменьшая перетечки в смазочном слое, поскольку в этом случае лента 382 плотно прилегает к ленте 395 и перетечки воздуха происходят из зоны смазочного слоя с высоким давлением в зону смазочного слоя с низким давлением по щели между частями 1010 и 1011 ленты 395 в окружном направлении, и гидравлическое сопротивление при таком течении воздуха значительно выше, чем при течении воздуха в радиальном направлении сквозь щель между частями 1010 и 1011, при отсутствии ленты 382.
Количество частей в верхней ленте может определяться степенью неравномерности ее нагрева в окружном направлении. Ширина этих частей в поперечном к окружному направлению может быть различной. Соотношение ширины этих частей может определяться получением оптимального давления смазочного слоя.
Возможен вариант подшипника, где по сравнению с подшипником, показанном на фиг.105, может быть несколько, например, три, в том числе неравные по ширине прямоугольные части с обращенными друг к другу краями. Количество частей у промежуточной ленты может быть две или несколько, а ширина этих частей может быть различной.
В показанном на фиг.105 варианте подшипника верхняя лента 395, имеет щель между частями ленты 395, расположенную по прямой линии в окружном направлении. Возможен вариант подшипника, где по сравнению с подшипником, показанным на фиг.105, эта щель расположена под небольшим углом к окружному направлению, включая вариант с криволинейной линией щели. При этом начало и конец щели расположены соответственно на заднем и переднем краю верхней ленты, а части верхней ленты, разделяемые этой щелью, располагаются поперек окружного направления.
На фиг.107 показан вариант подшипника, отличающийся от показанного на фиг.105 и 106 варианта тем, что верхняя лента 1040 на фиг.107 разделена на части не до конца. Также не до конца разделена на части промежуточная лента. Щель 1055, делящая ленту 1040 в окружном направлении на две прямоугольные части, 1042 и 1043, от точки 1047 на переднем крае 1045 до точки 1048, прерывается перемычкой 1050 между частями 1042 и 1043, расположенной от заднего края 1044 ленты 1040, до точки 1048 и соединяющей части 1042 и 1043 ленты 1040. Щель 1055 расположена в зоне малой толщины смазочного слоя и ее длина должна быть достаточной, чтобы снижать тепловые напряжения в ленте 395. Возможен также вариант верхней ленты, где разделяющая ее части щель начинается от заднего края верхней ленты, а перемычка, соединяющая части верхней ленты, расположена у переднего края последней. Промежуточная лента 1060, содержащая части 1052, 1053 и 1054, имеет две щели, а также две перемычки, соединяющие соответственно части 1052 и 1053 и 1053 и 1054. Эти перемычки расположены подобно перемычке, соединяющей части 1042 и 1043 верхней ленты 1040. Показанный на фиг.107 вариант подшипника может иметь варианты, подобно подшипнику, показанному на фиг.105, где щель, разделяющая верхнюю ленту на части, расположена под небольшим углом к окружному направлению, включая вариант с криволинейной линией щели.
Возможен вариант радиального подшипника, показанного на фиг.1 и 4, где вместо верхних лент 4, 7 и 9 установлены верхние ленты, имеющие все описанные выше признаки ленты 395, представленной на фиг.105, позволяющие получить технический результат снижения тепловых напряжений и устранения коробления верхней ленты, а также поддержания достаточно высокого давления в смазочном слое, и где могут быть установлены промежуточные ленты, имеющие все основные описанные выше признаки промежуточной ленты 382, уменьшающие ее тепловые напряжения и коробление.
Верхние и промежуточные ленты, подобные показанным на фиг.105 и 107, могут быть использованы в других вариантах подшипника, представленных в предлагаемом изобретении, а также в обычных осевых ленточных подшипниках, где гофрированные ленты опираются на жесткий корпус подшипника и отсутствует вкладыш, для снижения коробления от неравномерного нагрева. В этом случае верхняя лента, расположенная между упорным диском и корпусом, имеющая задний край и передний край, расположенные друг относительно друга в направлении вращения упорного диска, содержит две или несколько частей, расположенных относительно друг друга поперечно к окружному направлению и имеющих передний и задний край, принадлежащие соответственно заднему и переднему краю верхней ленты. Эти части имеют боковые края, расположенные в окружном направлении. Боковые края соседних частей расположены с малым зазором или с прилеганием друг к другу для снижения потерь давления в смазочном слое подшипника.