Лепестковый газостатический подшипник и способ изготовления лепесткового газостатического подшипника
PETAL GASOSTATIC BEARING AND METHOD OF MANUFACTURING PETAL GASOSTATIC BEARING

Изобретение относится к деталям машин, а именно, к конструкциям радиальных и упорных газостатических подшипников, предназначенных для использования, в частности, в высокоскоростных роторных системах, например, компрессоров, турбин, электрогенераторов.
Известен подшипник газостатический (патент РФ 2630271, опубл. 06.09.2017), содержащий выполненный в виде кольца корпус, как минимум, одну колодку, на опорной поверхности которой выполнены две канавки, имеющие возможность соединения через выполненные в колодке дроссельные отверстия с системой подачи смазки в смазочный зазор подшипника, образованный валом и опорной поверхностью колодки, одна из канавок выполнена прямолинейной и расположена со стороны входной кромки опорной поверхности колодки, а вторая расположена со стороны выходной кромки опорной поверхности колодки и имеет серповидную или дугообразную форму, отличающийся тем, что на внутренней образующей поверхности корпуса выполнена кольцевая канавка, а на колодке имеется цапфа с отверстием, при этом монтаж колодки на корпусе осуществлен посредством пальца, введенного во втулки, установленные в отверстиях корпуса, выполненных в области кольцевой канавки, и проходящего через отверстие цапфы, размещенной с зазором в кольцевой канавке корпуса, при этом на пальце выполнен кольцевой выступ, имеющий сферическую форму, который расположен с зазором в отверстии цапфы.
К недостаткам подобных подшипников можно отнести пониженную адаптивную способность (способность компенсировать конструктивные и эксплуатационные отклонения формы) из-за высокой жесткости сегментов, относительно высокие массу и габариты, значительную техническую сложность.
Известен лепестковый газодинамический подшипник с наддувом (патент РФ 2363867, опубл. 10.08.2009), Лепестковый газодинамический подшипник с наддувом, включающий подвижную плату, установленную на подвижном элементе механизма, и неподвижную плату, установленную на неподвижном элементе механизма, с закрепленными на ней опорными элементами и перекрывающими друг друга упругими лепестками, каждый из которых закреплен одним концом на опорном элементе, а другим концом опирается на подвижную плату, в котором на подвижной плате с двух сторон выполнены торцевые нагнетательные устройства с лопастями и внутреннее нагнетательное устройство с лопастями, каналами для подачи рабочего газа к лопастям.
Недостатком подобного решения является то, что при низких окружных скоростях (когда необходимо обеспечение грузоподъемности) лопасти не способны генерировать сколько-нибудь заметное давление. Даже на номинальных скоростях, обычно лежащих в пределах 50-150 м/с для газовых подшипников подобные устройства представляют собой компрессора с очень низкой эффективностью. Напротив, другим недостатком указанного решения являются повышенные потери мощности, связанные с вентиляционными потерями.
Известен радиальный подшипник с гидродинамической жидкостной пленкой (патент US 5427455, опубл. 27.06.1995), выбранный в качестве наиболее близкого аналога, состоящий из цилиндрического ротора, жидкостной пленки, пружинных лепестков и удерживающего пленку патрона. Картридж имеет круговые волнообразные сходящиеся лепестки или имеет круговые наклоны и огибающие, которые заставляют пружину и жидкую пленку формировать сходящиеся клиновидные гидродинамические каналы, которые при сжатии и создают давление в рабочей жидкой среде и расходящихся каналах, которые всасывают подпиточную жидкость. Пружинный лепесток представляет собой тонкий плоский лист, в котором химически вытравлены пазы узора, в котором консольные балки стоят прямо и служат роль пружин при изгибе во время установки листа в картридж. В случае, когда применяют только один лист вместо множества, состоящего из сегментов, этот лист предварительно заводят в ротор, изгибая его для последующей вставки в картридж. Дополнительные усилия для предварительной загрузки (преднагружение) листа в ротор могут быть приложены к концам листа с помощью кругового натяга по форме картриджа.
К недостаткам подобных конструкций можно отнести невозможность полного исключения сухого трения при запуске - останове, а также отсутствие резервов увеличения грузоподъемности путем подачи газа в зону пониженного давления эпюры гидродинамической смазки, а также отсутствие обеспечения работы подшипника на всех режимах.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является с одной стороны обеспечение работы подшипника на всех режимах, включая пуск и останов в условиях отсутствия прямого контакта лепестков и вала, а с другой - увеличение грузоподъемности при одновременном уменьшении износа.
Технический результат заключается в осуществлении газостатического режима работы подшипника, уменьшение износа, а также увеличение давления в зоне пониженного давления эпюры гидродинамической смазки.
Технический результат достигается за счет лепесткового газостатического подшипника, включающего цилиндрический корпус 1, на котором сформированы подводящие каналы 2, в корпусе 1 выполнены тангенциальные пазы 6, в которые со стороны внутренней опорной поверхности 7 вставлены рабочие лепестки 4 подшипника и пружины 5 вторичной жесткости, в которых выполнены упругие балки 10, выполненные с возможностью обеспечения упругого поджатия рабочих лепестков 4 подшипника к валу, при этом упругие балки 10 устанавливаются в зазор между рабочим лепестком 4 подшипника и корпусом 1, согласно изобретению подводящие каналы 2 выполнены упругими и заканчиваются камерами 3, в которых выполнено по меньшей мере одно отверстие первичного дросселя 11, которое выполнено с возможностью обеспечения подачи газа от внешнего источника из камер 3 в карманы 12, при этом карманы 12 расположены над отверстиями 14 в рабочих лепестках 4, указанные отверстия 14 в рабочих лепестках 4 образуют по меньшей мере три камеры 16 и 17, а кромки 13 карманов 12 прижаты к внутренним поверхностям рабочих лепестков 4 за счет сил упругости подводящего канала 2, обеспечиваемыми конструктивным натягом, кроме того упругие балки 10 пружин 5 вторичной жесткости в местах примыкания кромки 13 карманов 12 к внутренним поверхностям рабочих лепестков 4 отсутствуют.
По меньшей мере одна из камер 16 и 17 в рабочих лепестках 4 находится на расстоянии от входных кромок, составляющем от 5 до 30% окружной протяженности рабочей длины рабочего лепестка 4.
По меньшей мере две камеры 16 и 17 в рабочих лепестках 4 располагаются вдоль изобары, образованной естественным полем давления на внешней поверхности рабочих лепестков 4.
По меньшей мере две камеры в рабочих лепестках 4 выполнены ориентированными вдоль изобары эпюры давления в смазочном слое.
Рабочие лепестки 4 и пружины 5 вторичной жесткости фиксируются с торцов стопорным кольцом 8 и втулкой 9.
Пружины 5 вторичной жесткости выполнены из стали.
Пружины 5 вторичной жесткости выполнены из сплава на никелевой основе с последующей термообработкой.
Пружины 5 вторичной жесткости изготовлены лазерной вырезкой.
Пружины 5 вторичной жесткости изготовлены методом электрохимической обработки.
Пружины 5 вторичной жесткости изготовлены методом химического травления.
Величина конструктивного натяга составляет 0,05-0,2 мм. Усилие прижима кромки 13 кармана 12 к внутренней поверхности рабочего лепестка 4 приблизительно равно величине усилия, создаваемого упругими балками 10 пружин вторичной жесткости 5 на внутреннюю поверхность рабочего лепестка 4.
Подводящие каналы 2 соединены между собой коллекторным кольцевым каналом 15, выполненным в корпусе 1.
Сечение подводящего канала 2 выполнено овальным.
Также технический результат достигается за счет способа изготовления лепесткового газостатического подшипника с обеспечением конструктивного натяга каналов подвода воздуха к рабочим лепесткам 4, заключающийся в том, что заготовку цилиндрического корпуса 1 газостатического подшипника с подводящими каналами 2 изготавливают с технологическими перемычками 18, фиксирующими подводящие каналы 2 и камеры 3 относительно корпуса 1, при этом обработка заготовки включает в себя этапы, на которых:
k
- кромки 13 кармана 12 обрабатывают в размер D равный сумме номинального диаметра d вала и удвоенной толщины рабочего лепестка 4 за вычетом удвоенной величины конструктивного натяга;
- удаляют технологические перемычки 18;
- подводящие каналы 2 упруго деформируют таким образом, чтобы кромки 13 кармана 12 углубились в корпус 1 относительно внутренней поверхности корпуса 1 подшипника и заполняют пространство между подводящими каналами 2 и корпусом 1 легкоплавким материалом;
- выполняют окончательную обработку внутренней поверхности корпуса 1 подшипника;
- удаляют легкоплавкий материал из пространства между подводящими каналами 2 и корпусом 1.
Заготовка цилиндрического корпуса 1 газостатического подшипники с подводящими каналами 2 изготовлена методом точного литья.
Заготовка цилиндрического корпуса 1 газостатического подшипники с подводящими каналами 2 изготовлена с помощью аддитивных технологий.
Величина упругой деформации подводящих каналов 2, при которой кромки 13 кармана 12 углублены в корпус 1 относительно внутренней поверхности корпуса 1 подшипники, составляет от 0,05 до 0,1 мм.
Легкоплавким материалом является сплав Вуда или полимер.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами.
На фиг. 1 показан общий вид лепесткового газостатического подшипника.
На фиг. 2 показан состав подшипника.
На фиг. 3 показан продольный разрез канала подвода газа (воздуха).
На фиг. 4 показан выносной элемент А.
На фиг. 5 показан разрез Б-Б канала подвода газа.
На фиг. 6 показана пружина вторичной жесткости.
На фиг. 7 показано положение элементов подшипника при скорости и давлении равными нулю.
На фиг. 8 показано положение элементов при работе подшипника.
На фиг. 9-11 показаны схемы обработки заготовки.
На фиг. 12 показан вид рабочего лепестка с камерами и формирование поля давления в смазочном слое.
На представленных фигурах обозначены следующие элементы лепесткового газостатического подшипника.
1. корпус;
2. подводящие каналы;
3. камера;
4. рабочие лепестки подшипника;
5. пружины вторичной жесткости;
6. тангенциальные пазы корпуса;
7. внутренняя опорная поверхность;
8. стопорное кольцо;
9. втулка;
10. элементарные упругие балки;
11. отверстие первичного дросселя;
12. карман;
13. кромка кармана;
14. отверстия в рабочем лепестке;
15. коллекторный кольцевой канал;
16. камера в рабочем лепестке;
17. камера в рабочем лепестке;
18. технологические перемычки;
19. легкоплавкий материал;
20. упругая деформация при обработке;
21. входная кромка пружины вторичной жесткости;
22. линия входной кромки рабочего лепестка;
23. линия выходной кромки рабочего лепестка.
k
∅D - размер обрабатываемой кромки 13 кармана 12;
∅d - номинальный диаметр вала;
∅D - номинальный диаметр корпуса;
L - длина подводящего канала.
Подшипник лепестковый газостатический состоит из корпуса 1, на котором сформированы упругие подводящие каналы 2 для подвода газа (воздуха), заканчивающиеся камерами 3. В тангенциальные пазы 6 корпуса 1 со стороны внутренней опорной поверхности 7 вставлены рабочие лепестки 4 подшипника и пружины 5 вторичной жесткости. С торцов рабочие лепестки 4 и пружины 5 фиксируются стопорным кольцом 8 и втулкой 9. Пружины 5 вторичной жесткости изготавливаются из стали или, в случае применения при высоких температурах, из сплавов на никелевой основе с термообработкой, обеспечивающей высокие механические характеристики.
Формообразование пружин 5 может обеспечиваться лазерной вырезкой, электрохимической обработкой, химическим травлением и т.п. Формообразующие прорези в пружинах образуют совокупность элементарных упругих балок (так называемых кантилеверов) 10, которые, будучи установленными в зазор между рабочим лепестком 4, охватывающем вал, и корпусом 1, обеспечивают упругое поджатие рабочего лепестка 4 к валу. При окружной скорости равной нулю и отсутствии принудительного нагнетания газа (v=0, р=0) зазор между валом и рабочим лепестком 4 отсутствует. Когда начинается вращение и окружная скорость v достигает определенной величины, газ, увлекаемый валом силами вязкостного трения, образует избыточное давление в смазочном слое и происходит отделение рабочего лепестка 4 от поверхности вала. Другой причиной отделения рабочего лепестка 4 от вала может быть наличие некоторого избыточного давления газа, создаваемого внешним источником сжатого газа. При этом вращение вала может отсутствовать.
Газ подводится в зазор подшипника по упругим подводящим каналам 2. Каналы заканчиваются камерой 3, в дне которой выполнено отверстие первичного дросселя 11 газостатического подшипника. Дроссель 11 в свою очередь выходит в карман 12, расположенный над отверстиями 14 в рабочем лепестке 4. Кромка 13 кармана 12 прижата к внутренней поверхности лепестка 4 силами упругости, возникающими в подводящих каналах 2 за счет конструктивного натяга. Величина натяга составляет от 0,05 до 0,2 мм (для концентричного расположения вала). При этом жесткость подводящих каналов выбирается из соображения обеспечения усилия, воздействующего на рабочий лепесток 4, близкого к величине усилия от пружин 5 вторичной жесткости, отсутствующих в месте примыкания карманов 12. Кроме того должно быть обеспечено условие отсутствия раскрытия стыка, образованного кромкой 13, определяемое равенством силы упругости газостатической силе, действующей по площади кармана 12 от полного давления газа, создаваемого внешним источником. Жесткость подводящих каналов при заданном сечении определяется их длиной - L. С целью ограничения этой длины сечение подводящих каналов выполняется с минимальным моментом сопротивления, например, овальным вместо круглого. Подводящие каналы соединены между собой коллекторным кольцевым каналом 15.
к
Указанный конструктивный натяг обеспечивается следующим образом. Заготовка корпуса 1 подшипника с интегрированными подводящими каналами 2 (например, полученная точным литьем или изготовленная по аддитивным технологиям) изготавливается с технологическими перемычками 18 фиксирующими каналы 2 и камеры 3 относительно корпуса 1. Вначале кромки 13 карманов 12 обрабатываются в размер D, равный сумме номинального диаметра вала d и удвоенной толщины рабочего лепестка 4 за вычетом удвоенной величины конструктивного натяга. После чего технологические перемычки 18 удаляются. Затем все подводящие каналы 2 деформируются с помощью разжимного приспособления на величину, обеспечивающую углубление кромки 13 в корпус 1 за номинальный диаметр D корпуса 1 на 0,05-0,1 мм, после чего пространство между подводящими каналами и корпусом заливается легкоплавким сплавом (например, сплавом Вуда) или полимером. В таком состоянии выполняется окончательная обработка диаметра D рабочей поверхности корпуса подшипника, после чего сплав выплавляют или растворяют полимер.
Места расположения камер 3 относительно поверхности рабочих лепестков 4 определяются следующими соображениями. Камеры 16 и соответствующие отверстия в лепестке выполняют вблизи линии входной кромки 21 лепестка. Если их располагать слишком близко, то увеличивается расход смазки, сопряженный с утечками в сторону, обратную вращению ротора. Размещение камер 16 слишком далеко от входных кромок 21 приводит к снижению грузоподъемности. Практически расстояние камер 16 от входных кромок должно находиться в пределах от 5 до 30% от окружной протяженности рабочей длины рабочего лепестка 4. Нагруженный внешней силой подшипник в процессе работы формирует поле давления в смазочном слое, примерный вид которого представлен на фиг. 12. Тонкими линиями показаны линии постоянного (избыточного) давления в эпюре смазочного слоя - изобары. Подводящие камеры 17 располагаются вдоль изобары, образованной естественным полем давления колодки. Это необходимо для того, чтобы подвести газ в зазор, не внося искажений в естественную форму эпюры давлений, иными словами, не замыкая между собой области повышенного и пониженного давлений. Положение изобары определяется в результате гидродинамического расчета эпюры давления в смазочном поле колодки (например, методами вычислительной гидродинамики) под номинальной расчетной нагрузкой. При этом из всей совокупности изобар выбирается изобара, соответствующая критерию
0
р=k*p;
0
где р - давление в изобаре; р - давление в системе смазки; k=0,5-2 - режимный коэффициент. Камеры 16 предназначены для подачи смазки на всех режимах работы. Подача смазки через камеры 16 увеличивает давление на входе в рабочий лепесток 4, что приводит к пропорциональному увеличению общего давления в нагруженном лепестке, т.е. подвод смазки через кару 16 служит для дополнительного наполнения динамической эпюры смазочного слоя. Камеры 17 выполняют ориентированными вдоль изобары эпюры давления в смазочном слое. Подача смазки через камеры 17 обеспечивает гидростатическую составляющую грузоподъемности. При низких скоростях вращения, когда влияние динамической составляющей невелико, подвод смазки через камеры 17 обеспечивает достаточную статическую грузоподъемность. Если для организации подвода смазки выбирается изобара, соответствующая давлению источника смазки, то при номинальной нагрузке давление в эпюре сегмента станет равным давлению источника и расход смазки будет равен нулю. В общем случае для подвода смазки может выбираться изобара с давлением больше или меньше давления в источнике смазки. Для увеличения грузоподъемности давление источника смазки может превышать давление в изобаре (k>1), однако, при этом возможно заметное увеличение расхода смазки через слабо нагруженные сегменты. Для подвода смазки с k<\ возможен реверс смазки (истечение смазки из эпюры нагруженного сегмента через дроссель 11 в нагнетающую магистраль), и, как следствие, некоторое снижение грузоподъемности. Из всех возможных вариантов организации подвода смазки подвод через камеру, ориентированную вдоль естественной изобары, вносит наименьшие искажения в эпюру давлений, которая генерируется при вращении вала. В общем случае смазка в камеры 17 может подаваться на всех режимах работы подшипника. Однако для снижения расхода подача газа в камеру 17 может отключаться. При работе подшипника смазка может подаваться в камеры 16, 17 по независимым магистралям при различных давлениях.
Лепестковый газостатический подшипник работает следующим образом. При отсутствии вращения вала и подачи смазки вал опирается на рабочие лепестки 4, деформируя упругие балки 10 пружин 5 вторичной жесткости в большей степени со стороны, в направлении которой действует сила от веса вала. Рабочие лепестки 4 прижаты к валу силами упругости в упругих балках 10 пружин 5 вторичной жесткости. При этом имеется существенный момент трения, и, для раскрутки вала, требуется повышенная мощность. Для тяжелых роторных систем с удельной нагрузкой на подшипник более 0,01 МПа запуск и останов в условиях сухого трения сопряжен со значительными техническими трудностями и в значительной степени ограничивает ресурс машины по числу запусков и остановов. При подаче газа в подшипник по подводящим каналам 2 от внешнего источника возникает избыточное давление в смазочном зазоре. Происходит это вследствие растекания газа через камеры 3 с дросселями 11 в карманы 12 и далее через отверстия 14 в лепестках в смазочный зазор подшипника. При достижении давления газа некоторой величины происходит полный отрыв рабочих лепестков 4 от вала за счет гидростатического действия поля избыточного давления в зазоре. При этом момент трения резко снижается и определяется вязкостью смазки. С этого момента ротор может быть раскручен до номинальной частоты вращения машины. В процессе разгона ротора, по мере возрастания окружной скорости, происходит вязкое вовлечение смазки в смазочный зазор. Рабочие лепестки 4 под действием сил давлений в смазочном слое еще больше отходят от поверхности вала. В процессе разгона ротора эпюра давлений трансформируется и приобретает вид, примерно соответствующий изображенному на фиг. 12. При этом вклад динамической составляющей грузоподъемности увеличивается и может в несколько раз превысить величину начальной статической грузоподъемности. Кроме того, непрерывный подвод газа в смазочный зазор через камеры 16 способствует увеличению динамической грузоподъемности за счет увеличения начального давления и плотности среды по сравнению с подшипником без поддува.
Таким образом, осуществляется газостатический режим работы подшипника, достигается уменьшение износа, а также увеличивается давление в зоне пониженного давления эпюры гидродинамической смазки.