УПОРНЫЙ УЗЕЛ ТУРБОМАШИНЫ
THRUST ASSEMBLY OF TURBOMACHINE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к упорным узлам с осевыми лепестковыми газодинамическими подшипниками, и может быть использовано в качестве опор высокоскоростных турбомашин, в частности в турбогенераторах.
Известны осевые лепестковые газодинамические подшипники, применяемые в упорных узлах турбомашин (см. А.с. СССР №637563; патент РФ на полезную модель №170012), представляющие собой тонкий кольцевой диск с закрепленными на нем упругими профилированными пластинами. Конструктивными особенностями данных подшипников является способ крепления их на корпусе с помощью штифтов, что связано с обеспечением постоянного прилегания диска подшипника к корпусу без перекосов при температурных деформациях.
Известен упорный узел с осевыми лепестковыми газодинамическими подшипниками турбомашины (турбогенератора) (см. патент США №5791868), в котором вращающийся упорный диск расположен между осевыми подшипниками. При этом сами подшипники на соответствующих неподвижных корпусах фиксируются штифтами.
Недостатком данного упорного узла является ограниченная область применения в случаях, когда упорный вращающийся диск должен быть меньше по диаметру осевых подшипников и расположен только между этими подшипниками.
Наиболее близким к данному изобретению является упорный узел газовой турбины с подшипниками, например, осевыми лепестковыми газодинамическими подшипниками (см. патент РФ на полезную модель №195196), в котором осевые лепестковые газодинамические подшипники размещены на неподвижном корпусе статора газовой турбины между рабочим колесом турбины и колесом компрессора.
К недостаткам прототипа относится то, что отсутствует описание способа крепления/фиксации осевых подшипников на корпусе статора газовой турбины, а применение традиционного способа крепления штифтами не представляется возможным.
Техническим результатом настоящего изобретения является:
- упрощение конструкции при одновременном повышении надежности сборки и эксплуатации упорного узла;
- повышение надежности работы за счет исключая условия для образования коробления кольцевого тонкостенного диска в указанном техническом решении при тепловых деформациях;
- обеспечение возможности применения данного технического решения при любых взаимных размерах подшипников (и их элементов) корпуса статора;
- расширении области применения упорного узла с осевыми лепестковыми газодинамическими подшипниками путем исключения штифтов, используемых для крепления подшипников.
Также к техническому результату можно отнести расширение области техники и создание технического решения в том виде, как оно заявлено в формуле изобретения.
Заявленный технический результат достигается тем, что в упорном узле турбомашины, содержащем корпус статора с расположенными с двух сторон от него тыльной стороной к корпусу статора турбомашины первым и вторым колесами, соединенными валом, и размещенными между корпусом статора и первым и вторым колесами двумя осевыми лепестковыми газодинамическими подшипниками, оба осевых лепестковых газодинамических подшипника выполнены состоящими из кольцевого тонкостенного диска с прикрепленными к нему упругими профилированными пластинами, образующими с тыльными сторонами колес пару трения, и, как минимум, в одном из осевых лепестковых газодинамических подшипников на внешней поверхности кольцевого тонкостенного диска, максимальным образом удаленной от его центра, имеются усики, в количестве не менее трех, отогнутые в нерабочую сторону от подшипника (в сторону корпуса статора турбомашины) под прямым или близким к нему углом, а в упомянутой поверхности корпуса статора турбомашины имеются соответствующие размеру усиков пазы, в которые заведены упомянутые усики.
В частных случаях реализации изобретения:
- первое и второе колеса могут являться, соответственно, колесами компрессора и турбины, или частями соответствующих ступеней компрессора; собственно, турбомашина может представлять собой электротурбомашину;
- усики могут быть выполнены из твердого упругого прутка или из твердого упругого листового материала и загнуты на величину ориентировочно от 80 до 100 градусов, при этом усики могут составлять единое целое с тонкостенным диском;
- усики и соответствующие им пазы могут быть расположены расположены на равных угловых расстояниях;
- усики и соответствующие им пазы расположены со смещением от равных угловых расстояний, т.е. на различных угловых расстояниях;
- пазы с разных сторон корпуса статора турбомашины могут быть выполнены не оппозитно друг другу;
- узел может быть снабжен дополнительным усиком, используемым в качестве ключа, при этом соответствующая поверхность корпуса статора турбомашины может иметь ответный паз для дополнительного усика;
- вал может быть выполнен разъемным.
На представленных чертежах показан упорный узел турбомашины согласно изобретению, причем:
на фиг. 1 показан продольный разрез упорного узла;
на фиг. 2 показан узел сочленения упорных подшипников и статора турбомашины;
на фиг. 3 показан упорный узел (корпус статора показан условно).
Упорный узел турбомашины содержит корпус статора 1 с расположенными с двух сторон от него тыльной стороной к корпусу статора первым 1 и вторым 2 колесами, например, колесами компрессора 2 и турбины 3, соединенными составным (разъемным) валом 4, и размещенными между корпусом статора и колесами двумя осевыми лепестковыми газодинамическими подшипниками 5, состоящими из кольцевого тонкостенного диска 6 с прикрепленными к нему упругими профилированными пластинами 7, образующие с тыльными сторонами колес 8 пару трения. Между поверхностями трения может быть нанесена твердая смазка.
На наружном диаметре кольцевого тонкостенного диска 6 подшипника имеются усики 9 (в количестве не менее трех), которые отогнуты в нерабочую стороны 10 подшипника под прямым углом или близким к нему углом (например, в диапазоне 80-100 градусов), а в корпусе статора турбогенератора 1 имеются соответствующие размеру усиков 9 пазы 11, в которые усики и заведены. Необходимо отметить, что длина концов усиков 9 должна быть достаточной для того, чтобы усики 9 оставались заведенными в пазы 11 даже при максимальных режимах работы турбомашины.
Усики 9 могут быть выполнены из твердого упругого прутка или из твердого упругого листового материала и прикреплены к диску 6, но могут также составлять единое целое с тонкостенным диском 6.
Усики 9 и соответствующие им пазы 11 могут быть расположены на равных угловых расстояниях. Однако возможно также расположение усиков 9 и соответствующих им пазов 11 со смещением от равных угловых расстояний, т.е. на различных угловых расстояниях.
Пазы 11 с разных сторон корпуса статора 1 турбомашины могут быть выполнены не оппозитно друг другу.
Упорный узел также может быть снабжен дополнительным усиком, используемым в качестве ключа (не показан), при этом соответствующая поверхность корпуса статора турбомашины может иметь ответный паз для дополнительного усика, что уменьшает вероятность неправильной сборки узла.
Упорный узел турбомашины работает следующим образом. Упругие профилированные пластины 7, частично перекрывая друг друга, образуют непрерывный ряд клиновых поверхностей. Когда вал 4 с колесами 2 и 3 неподвижен, пластина 7 касаются тыльной стороны колес 8 и стремятся удержать вал с колесами в центре упорного узла. Вращающийся вал с колесами увлекает воздух из зоны с большой толщиной воздушного зазора между тыльной стороной колес 8 и упругими профилированными пластинами 7 в зону с малой толщиной воздушного зазора. При этом в зазоре между тыльной стороной колес 8 упругими профилированными пластинами 7 возрастает давление. При определенной частоте вращения вала с колесами давление воздуха становится достаточным для отделения пластин 7 от тыльной стороны колес 8. Между тыльной стороны колес 8 и упругими профилированными пластинами 7 на всем протяжении возникает несущий газовый слой, чтобы воспринимать осевую нагрузку от вала с колесами.
От смещения осевых лепестковых газодинамических подшипников 5 относительно корпуса статора 1 и, тем самым, проворота подшипника при вращении ротора, предохраняют заходящие в пазы 11 усики 9 кольцевого тонкостенного диска 6.
Причем свободная установка усиков 9 в пазах 11 корпуса статора 1 не препятствует возможности самоустановки лепесткового газодинамического подшипника 5 относительно корпуса статора 1, исключая условия для образования коробления кольцевого тонкостенного диска 6 с прикрепленными к нему упругими профилированными пластинами 7 при тепловых деформациях.
Изобретение находится на стадии опытно-промышленных испытаний. Планируется серийное производство заявляемого устройства и использование в отечественных турбомашинах, в частности, турбогенераторах.