УПОРНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ
THRUST BEARING UNIT

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок.
Известен упорный подшипниковый узел, содержащий ротор с пятой, радиальный сегментный подшипник, корпус, многослойный вкладыш, состоящий из пористого упругого вибродемпфирующего материала и антифрикционного материала (см. RU №2301361, МПК H02K 5/16, 20.06.2007).
Известен также упорный подшипниковый узел, включающий кольцеобразную пяту, подпятник, размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха (см. RU №110565, МПК H02K 5/16, 20.11.2011 г.).
Использование упорного подшипникового узла в мощных турбомашинах требует увеличения диаметра пяты упорного подшипникового узла для получения его необходимой несущей способности, это приводит к высоким окружным скоростям пяты и к значительным потерям на трение в нем ввиду малости осевого зазора (мощность трения в упорном газостатическом подшипнике обратно пропорциональна осевому зазору между пятой и подпятником).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности упорного подшипникового узла в рабочем режиме, снижение деформации зазора в упорном подшипниковом узле от высокого давления наддува газа, а также надежный запуск и останов турбомашины.
В результате предлагаемого технического решения обеспечивается высокая несущая способность упорного подшипникового узла в рабочем режиме (с уменьшением в нем потерь на трение), надежный запуск турбомашины, снижение деформации зазора в упорном подшипниковом узле от высокого давления наддува газа, демпфирование колебаний ротора турбомашины, обусловленных осевыми газодинамическими силами турбины или компрессора.
Указанный технический результат достигается тем, что упорный подшипниковый узел, включающий кольцеобразную пяту, подпятник, размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха, отличается тем, что подпятник образован корпусом, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса, при этом на дне цилиндрической выемки размещена упругая прокладка с опертым на нее газостатическим подшипником, выполненным в форме кольца, разделенного на секторы радиально ориентированными накладками, скрепленными с корпусом подпятника, при этом со стороны, обращенной к пяте, периметр сектора подшипника снабжен буртиком, образующим выемку, причем в выемке каждого сектора зафиксированы вкладыши газостатического подшипника, выполненные из антифрикционного материала, при этом поперечному сечению накладок придана Т-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков секторов подшипника, при этом внешняя поверхность вкладышей газостатического подшипника обращена к пяте с образованием с нею рабочего зазора, кроме того, в объеме секторов выполнена система сообщающихся каналов с возможностью подачи в нее сжатого воздуха от внешнего источника, выходные отверстия которой сообщены, с питающими отверстиями во вкладышах газостатического подшипника, сквозными отверстиями, сообщающимися с рабочим зазором. Кроме того, пята выполнена полой и снабжена внутренним силовым каркасом. При этом упругая прокладка выполнена из стали в виде пластины с кольцевыми гофрами, заполненными привулканизированным с обеих сторон слоем резины или полиуретана.
Сопоставительный анализ предложенного технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий, что «подпятник образован корпусом, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса»Ю обеспечивает фиксацию в корпусе всех элементов, работоспособность подшипника (упругой прокладки и частей газостатического подшипника).
Признак, указывающий, что «на дне цилиндрической выемки размещена упругая прокладка с опертым на нее газостатическим подшипником», обеспечивает возможность упругого автоматического регулирования величины рабочего зазора и несущей способности газостатического подшипника.
Признаки, указывающие, что газостатический подшипник выполнен «в форме кольца, разделенного на секторы радиально ориентированными накладками, скрепленными с корпусом подпятника», обеспечивают независимость упругих перемещений каждого сектора газостатического подшипника, в зависимости от распределения нагрузки по площади подшипника, что гарантирует необходимый осевой зазор в упорном подшипниковом узле при монтаже и в рабочем состоянии.
Признаки, указывающие, что «со стороны, обращенной к пяте, периметр сектора подшипника снабжен буртиком, образующим выемку», обеспечивают возможность надежной фиксации вкладышей газостатического подшипника в этих выемках.
Признаки, указывающие, что «поперечному сечению накладок придана Т-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков секторов подшипника», обеспечивают удержание секторов подшипника от перемещения вдоль оси вращения в пределах деформации упругой прокладки.
Признак, указывающий, что вкладыши газостатического подшипника выполнены из антифрикционного материала, обеспечивает предотвращение разрушения пяты и вкладыша в случае их контакта при аварии.
Признаки, указывающие, что в упорном подшипниковом узле «в объеме секторов подшипника выполнена система сообщающихся каналов с возможностью подачи в нее сжатого воздуха от внешнего источника, выходные отверстия которой сообщены с выполненными во вкладышах газостатического подшипника сквозными отверстиями, сообщающимися с рабочим зазором», позволяют организовать подачу сжатого воздуха в рабочий зазор газостатического упорного подшипника.
Признак, указывающий, что в упорном подшипниковом узле «пята выполнена полой и снабжена внутренним силовым каркасом», способствует снижению массы и массовых моментов инерции ротора турбомашины, что ведет к уменьшению динамических нагрузок от гироскопического момента при вибрации корпуса турбомашины, а также улучшает динамические характеристики ротора при пуске и остановке турбомашины.
Признак, указывающий, что «упругая прокладка выполнена из стали в виде пластины с кольцевыми гофрами, заполненными привулканизированным с обеих сторон слоем резины или полиуретана», обеспечивает необходимую жесткость и демпфирование упругой подложки узла в рабочем состоянии, а также гашение колебаний ротора, обусловленных осевыми газодинамическими силами турбины или компрессора за счет рассеивания энергии колебаний резиной или полиуретаном.
На фиг.1 показан продольный разрез, а на фиг.2, - поперечные разрезы упорного подшипникового узла по секторам подшипника. На фиг.3 показан поперечный разрез сектора.
На чертежах показаны корпус 1, кольцевой выступ 2, упругая прокладка 3, кольцевые гофры 4, секторы 5 подшипника, секторные вкладыши 6, накладки 7, пята 8, буртик 9, рабочий зазор 10, внутренний силовой каркас 11, радиальные отверстия 12, тангенциальные каналы 13, штуцеры 14, уплотнительные кольца 15, 16, отверстия 17 в корпусе 1, осевые отверстия 18 в секторах 5 подшипника, осевые отверстия 19 во вкладышах газостатического подшипника 6, крышки 20, заглушки 21.
Упорный подшипниковый узел состоит из подпятника и пяты. Подпятник образован корпусом 1, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом 2 по периметру корпуса 1. На дне цилиндрической выемки закреплена упругая прокладка 3, выполненная в виде пластины, которая деформирована с образованием кольцевых гофров 4 из стали с заданными упругими свойствами, например, 36НХТЮ5М, которые заполнены с обеих сторон пластины привулканизированным (или приклеенным) слоем эластичного материала, например резины или полиуретана. На упругую прокладку 3 оперт газостатический подшипник, выполненный в форме кольца. Газостатический подшипник равномерно разделен на секторы 5 радиально ориентированными накладками 7 такой же толщины, закрепленными на корпусе 1 подпятника. Со стороны, обращенной к пяте 8, периметр сектора 5 снабжен буртиком 9, образующим выемку. В выемке каждого сектора 5 равномерно распределены по окружности и зафиксированы (например, клеем) вкладыши газостатического подшипника 6. Поперечному сечению металлических немагнитных накладок 7 придана Т-образная форма, причем полки накладок 7 выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков 9 секторов 5. Пята 8 выполнена полой и снабжена внутренним силовым каркасом 11.
В объеме каждого сектора 5 подшипника выполнена система сообщающихся радиальных отверстий 12 и тангенциальных каналов 13 с возможностью подачи в них сжатого воздуха от внешнего источника (на чертеже не показан) через штуцеры 14 с надетыми на них уплотнительными кольцами 15, 16. Штуцеры 14 могут свободно перемещаться в отверстиях 19 корпуса 1 в пределах деформации гофры 4. В радиальных отверстиях 12 секторов 5 подшипника выполнены осевые отверстия 18, сообщающиеся с осевыми отверстиями 19 во вкладышах 6, выходящих в рабочий зазор 10 газостатического подшипника. Диаметр радиальных отверстий 12 сектора 5 должен быть как можно меньше, но суммарная площадь их проходного сечения должна превышать суммарную площадь осевых отверстий 19 сектора 5 и вкладыша 6 в три - пять раз, а площадь проходного сечения тангенциального канала 13 сектора 5 должна быть больше или равна суммарной площади проходного сечения радиальных отверстий 12 сектора 5, что позволит уменьшить деформации осевого рабочего зазора 10 от действия высокого давления газа в этих отверстиях.
Тангенциальные каналы 13 закрыты крышками 20, радиальные отверстия 12 снабжены заглушками 21. Газостатический подшипник образован обращенными друг к другу торцевыми поверхностями секторных вкладышей 6, пяты 8 и зазором 10 между ними.
Упорный подшипниковый узел собирается в следующем порядке. Предварительно изготавливают корпус 1 подпятника и секторы 5 с радиальными отверстиями 12 и тангенциальными каналами 13. Тангенциальный канал 13 закрывают крышкой 20 и обваривают ее по периметру, а затем зачищают сварные швы. В корпусе 1 подпятника закрепляют (на клей) упругую прокладку 3 необходимой жесткости, которую предварительно штампуют для образования кольцевых гофров 4 и термически обрабатывают, а к гофрам 4, в свою очередь, привулканизируют с двух сторон резину или полиуретан. Секторы вкладышей 6 вклеивают в секторы 5 подшипника. Сверлят осевые питающие отверстия 19 в секторах вкладышей 6 и осевые питающие отверстия 18 в секторах 5, прочищают их и устанавливают с торцов радиальных отверстий 12 заглушки 21. На упругую прокладку 3 равномерно по окружности устанавливают (на клей) секторы 5 подшипника и между ними устанавливают радиально ориентированные металлические немагнитные накладки 7, которые фиксируют, например, винтами. Собранный подпятник устанавливают в корпусе турбомашины, монтируют ротор и на него устанавливают пяту 8.
Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. Перед началом вращения пяты 8 через отверстия 17 в корпусе 1 штуцеры 14 в секторах 5 подшипника подают под высоким давлением смазывающий (очищенный и охлажденный) газ от внешнего компрессора или из ресивера. Этот газ поступает в тангенциальные каналы 13 и затем распределяется по радиальным отверстиям 12 секторов 5, а затем через осевые питающие отверстия 18 в секторах 5 и осевые отверстия 19 в секторных вкладышах 6 поступает в рабочий зазор 10 подшипникового узла. В результате этого пята 8 всплывает на газовом смазочном слое. Под действием давления газа в газовом смазочном слое увеличивается рабочий зазор 10 в осевом подшипниковом узле (за счет деформации гофры 4 и упругой прокладки 3), при этом снижается трение в осевом подшипниковом узле ввиду увеличения осевого рабочего зазора 10. Гофра 4 и демпфирующая упругая прокладка 3 также позволяют компенсировать температурную деформацию пяты 8.
При двусторонней симметричной конструкции осевого подшипникового узла газостатическая составляющая силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализует отрицательную обратную связь по отклонению пяты 8 от равновесного положения.