ВКЛАДЫШ РАДИАЛЬНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована при производстве и модернизации радиальных подшипников скольжения мощных турбин и турбогенераторов
Известно, что в паровых турбинах применяются радиальные (опорные) подшипники скольжения, в которых между вращающимися и невращающимися деталями при нормальной работе всегда существует тонкий слой смазывающей жидкости (масла). Каждый радиальный подшипник состоит из вкладыша и корпуса. Вкладыши подшипников скольжения, в которых размещаются шейки валопровода, представляют собой, как правило, полое цилиндрическое тело, на внутреннюю поверхность которого нанесен антифрикционный слой из баббита Б-83 [А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Д. Трухний; Под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова. Турбины тепловых и атомных электрических станций: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 488 с. ил, стр. 297]. Толщина слоя баббита в традиционных конструкциях составляет обычно 5-6 мм. Надежное крепление баббита обеспечивается выполнением на заливаемой поверхности вкладыша кольцевых и продольных пазов типа ласточкин хвост [Е.И. Бененсон, Л.С. Иоффе; Под ред. Д.П. Бузина. Теплофикационные паровые турбины. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г., стр. 174]. Охлаждение антифрикционного слоя при работе подшипника осуществляется циркуляцией смазывающего масла. Максимально допустимая температура масла на сливе из подшипников не должна превышать 80°C.
Недостатком такого вкладыша является низкая надежность его работы. В аварийной ситуации, при недостаточном количестве смазочного масла, происходит разогрев антифрикционного слоя. При разогреве до 115°C внутренняя поверхность вкладыша размягчается и ее сопротивление деформированию и износу резко ухудшается. При 150°C разрушается пленка из масла. При 350°C происходит выплавление баббитовой заливки [А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Д. Трухний; Под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова. Турбины тепловых и атомных электрических станций: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 488 с. ил, стр. 298]. Для предотвращения таких ситуаций предусмотрено отключение турбины системой защит при падении давления масла в системе смазки ниже установленного предела. Для обеспечения поступления смазки при выбеге валопровода подшипники турбин, имеющих главный масляный насос с электроприводом, оснащаются аварийными бачками. Тем не менее, при проведении пуско-наладочных работ возможна ситуация, когда по какой-либо причине защита не срабатывает и валопровод вращается в условиях полусухого или даже сухого трения, происходит выплавление баббитового слоя. Вследствие того, что толщина антифрикционного слоя в такой конструкции вкладыша значительно превышает зазоры между ротором и статором, выплавление баббита приводит к тяжелой аварии всей турбины, поскольку происходит задевание вращающегося с большой скоростью ротора о статорные части. Ротор турбины является одной из самых дорогих деталей и восстановление его после аварии не всегда возможно.
Известны вкладыши радиальных подшипников в виде цилиндрического тела, на внутренней поверхности которого выполнен антифрикционный слой из спеченных порошков на основе меди, например из материалов семейства «Романит» [Патент РФ 2201431 Антифрикционный материал РОМАНИТ, способ его получения и элемент узла трения /Романов С.М., Романов Д.С./ Опубликовано: 27.03.2003., Патент РФ 2224920 Антифрикционный материал РОМАНИТ-Н, способ его получения и элемент узла трения /Романов С.М., Романов Д.С./ Опубликовано: 27.02.2004], применяемые в высоконагруженных тихоходных подшипниках скольжения. Материалы семейства «Романит» представляют собой стальную основу, как правило, стальной лист, с напеченным антифрикционным слоем в виде спеченных порошков на основе меди с добавлением порошков железа, графита и феррофосфора с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит. Для получения вкладышей подшипников скольжения листы материала «Романит» вальцуются до необходимого диаметра. Наличие графита и других специальных компонентов обеспечивает бесперебойную работу узла трения при внезапном прекращении подачи смазочного масла или в других аварийных ситуациях.
Недостатком такого вкладыша с антифрикционным слоем из композиционных материалов на основе меди, полученных методами порошковой металлургии, из-за которого они не нашли применения в подшипниках высокооборотных турбин, является более высокий, чем у баббита Б-83, определенный структурой материала, коэффициент трения в условиях жидкостного трения [Т.А. Роик, Ю.Ф. Шевчук, В.Т. Варченко Порошковые подшипники скольжения для высокоскоростных узлов трения // Оборудование и инструмент для профессионалов. Металлообработка, 2006, №2, стр. 14], что обуславливает более высокие потери мощности.
Наиболее близким к технической сущности заявляемой полезной модели является выбранное в качестве прототипа конструктивное решение вкладыша с телом в виде полого цилиндра, включающего расположенные на его внутренней поверхности последовательно и концентрично, выполненные из металлических сплавов, подслой сцепления и расположенный над ним антифрикционный слой [Патент РФ 2162174 Вкладыш радиального подшипника скольжения турбоагрегата /Егоров Н.П., Егоров В.Н., Агафонов Б.Н./ Опубликовано: 20.01.2001]. Подслой сцепления наносится на стальное основание вкладыша методом плазменного напыления и обеспечивает высокую адгезию, как с основанием вкладыша, так и с антифрикционным слоем, что позволяет значительно уменьшить толщину последнего.
Недостатком такого решения является то, что при отсутствии смазочного масла, в режиме полусухого и сухого трения, выплавление антифрикционного слоя приводит к контакту шеек валопровода с подслоем сцепления. Поскольку подслой сцепления весьма тонок и не обладает антифрикционными свойствами, то происходит его разрушение и шейки валопровода вступают в контакт со стальным основанием. В результате на поверхности шеек образуются задиры, устранение которых, особенно неоднократное, может привести к недопустимому уменьшению диаметра шеек.
Задачей полезной модели является обеспечение сохранности шеек валопровода при возникновении аварийных ситуаций, связанных с недостаточным поступлением масла на смазку.
Указанная задача достигается за счет того, что на стальном основании вкладыша подшипника выполнен подслой сцепления из антифрикционного композиционного материала из спеченных порошков на основе меди, на котором, в свою очередь, выполнен рабочий антифрикционный слой из баббита Б-83 или сплава на его основе.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез вкладыша. Вкладыш радиального подшипника скольжения 1 представляет собой стальное полое цилиндрическое тело 2, на котором выполнен подслой сцепления 3 из композиционного антифрикционного материала из спеченных порошков на основе меди, а на подслое сцепления выполнен рабочий антифрикционный слой 4 из баббита Б-83 или сплава на основе баббита Б-83.
Толщина рабочего антифрикционного слоя сопоставима с радиальными зазорами между ротором и статором. Толщина подслоя сцепления определяется технологией его выполнения. Медная основа подслоя сцепления обеспечивает хорошую адгезию с рабочим слоем.
2
2
2
В условиях нормальной эксплуатации, с достаточным количеством смазочного масла, шейки валопровода контактируют с рабочим антифрикционным слоем из баббита. При возникновении аварийной ситуации с прекращением подачи смазочного масла, баббитовый слой разогревается. При температуре слоя 350°C происходит расплавление баббита. Шейка вала вступает в контакт с подслоем сцепления из композиционного антифрикционного материала из спеченных порошков на основе меди. Эти материалы обладают высокими физико-механическими характеристиками. Максимально допустимая температура работы узлов трения на их основе достигает 700°C [http://romanitsteel.com/properties.php]. Триботехнические испытания подшипников скольжения из материалов ДГр10 и ДН5КФ9 [Т.А. Роик, Ю.Ф. Шевчук, В.Т. Варченко Порошковые подшипники скольжения для высокоскоростных узлов трения // Оборудование и инструмент для профессионалов. Металлообработка, 2006, №2] показали, что их несущая способность (P×V) по условиям испытаний составила 2464 (кг×м)/(см×с), что сопоставимо с несущей способностью подшипников скольжения мощных паровых турбин. Так, например, линейная скорость (V) для шейки вала турбины Т-250/300 ТМЗ с диаметром 465 мм составляет около 82 м/с: Максимальная нагрузка на поверхность скольжения вкладыша подшипника (Р) при расчете обычно принимается не более 3 МПа (30 кг/см). Реальная нагрузка значительно ниже. Таким образом, для подшипника паровой турбины величина (P×V) составит 2460 (кг×м)/(см×с). Исходя из практики соблюдения равенства несущей способности (P×V) при различных Р и V, можно утверждать, что вышеупомянутые композиционные антифрикционные материалы из спеченных порошков на основе меди применимы и для использования в паровых турбинах. В условиях аварийной ситуации более высокое значение коэффициента жидкостного трения, по сравнению с традиционным баббитом, уже не играет важной роли.
Таким образом, выполнение подслоя сцепления из антифрикционного композиционного материала из спеченных порошков на основе меди повышает надежность работы турбины за счет исключения контакта шеек валопровода со стальным основанием вкладыша и образования недопустимых задиров в аварийных ситуациях при недостаточном количестве смазочного масла, что является техническим результатом.