УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК ТУРБОМАШИНЫ
THRUST BEARING OF TURBOMACHINE

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при проектировании, производстве, реконструкции и эксплуатации паровых и газовых турбин.
Известен упорный подшипник паровой турбины («Паровые турбины малой мощности КТЗ», Москва, Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.18 - [1]; «Конструкция и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин» Г.С.Жирицкий, В.А.Стрункин, Издательство «Машиностроение», Москва, 1968 г., рис.336 - [2]). В данном подшипнике упорным диском служит откованный заодно с валом импеллер центробежного насоса. Торцовая поверхность импеллера передает осевое усилие турбины рабочим колодкам, опирающимся на пружинящую прокладку (выравнивающие пластины), способствующую равномерному распределению нагрузки на колодки. Колодки центрируются по наружному диаметру, фиксируются штифтами и могут качаться вокруг ребра, параллельного радиальной выходной кромке колодки и делящей дугу на среднем диаметре колодки в отношении 3:2 (более длинная часть дуги находится со стороны входа масла на колодку).
Недостатками известного упорного подшипника являются следующие:
1. При возникновении геометрического перекоса, обусловленного режимными факторами работы турбины, между общей плоскостью прилегания рабочих поверхностей колодок упорного подшипника и боковой поверхностью упорного гребня ротора турбины появляется односторонний зазор, который компенсируется за счет упругой деформации выравнивающей пластины (пружинящей прокладки), на которую опирается наиболее нагруженная в зоне контакта с упорным гребнем (диском) ротора рабочая колодка. Деформация упругого элемента (пружинящей прокладки) под наиболее нагруженной колодкой будет происходить до тех пор, пока в контакт с упорным гребнем не вступит наиболее утопленная за общую плоскость прилегания с его боковой поверхностью рабочая колодка. При этом (в случае возникновения эксплуатационного геометрического перекоса контактирующих поверхностей) никогда невозможно добиться равномерного распределения по рабочим колодкам осевой нагрузки, действующей на упорный гребень ротора, так как всегда будет существовать разность между величинами усилий, действующих на колодки: наиболее выступающую и наиболее утопленную за общую плоскость прилегания к упорному гребню ротора, равная усилию, необходимому для деформирования упругого элемента опирания наиболее нагруженной колодки в пределах величины нескомпенсированного одностороннего зазора.
2. Величина силового перекоса, возникающего при распределении усилий по рабочим колодкам в процессе эксплуатации турбины, обусловлена конструктивной жесткостью упругих элементов опирания колодок, которая, в свою очередь, определена исходя из заданной расчетной несущей способности упорного подшипника и составляет несколько десятков тонн силы на один миллиметр упругой деформации элемента (пружинящей прокладки). Таким образом, при компенсации эксплуатационного геометрического перекоса плоскостей контакта рабочих колодок и упорного гребня разница между усилиями, воздействующими на отдельные колодки, может достигать значительной величины, при которой возможна перегрузка отдельной колодки по ее несущей способности, что чревато выходом последней из строя и созданием угрозы аварийной ситуации в работе турбины.
В свою очередь снижение жесткости упругого элемента опирания упорной колодки с целью повышения эксплуатационной надежности подшипника снижает величину его несущей способности в абсолютном выражении.
Известен также упорный подшипник, содержащий корпус, кольцевую обойму, закрепленную в пазу корпуса, гребень ротора, по окружности которого установлены рабочие упорные колодки, снабженные опорными призмами и опирающиеся на кольцевую обойму, в котором рабочие упорные колодки сопрягаются с подушками, самоустанавливающимися под действием нагрузки, воспринимаемой упорным гребнем вала турбины («Конструкция и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин» Г.С.Жирицкий, В.А. Стрункин, Издательство «Машиностроение», Москва, 1968 г., рис.337). В этом подшипнике каждая колодка с помощью упоров сопрягается с подушками первого ряда, которые, в свою очередь, упираются в подушки второго ряда. Равномерное распределение упорного усилия по всем упорным колодкам достигается самоустановкой подушек. Подушки второго ряда передают усилие на корпус подшипника через дистанционную прокладку (из двух половин). Подушки вместе с дистанционными прокладками устанавливаются в торцовых кольцевых пазах обоймы и стопорятся пальцами. Упорные колодки в радиальном направлении удерживаются кольцом, которое крепится к обойме. В этом подшипнике равномерное распределение упорного усилия по отдельным колодкам осуществляется с помощью механической рычажно-шарнирной выравнивающей системы взаимосвязанных друг с другом самоустанавливающихся подушек, передающих усилие от рабочих колодок на корпус упорного подшипника.
Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату.
Недостатком известного упорного подшипника является наличие механической рычажно-шарнирной связи между самоустанавливающимися опорными подушками, что требует высокой точности изготовления элементов выравнивающей системы, повышенной твердости и износостойкости их рабочих поверхностей, что ведет к ее удорожанию. Наличие трения обусловливает возникновение эксплуатационного износа, а значит люфтов и заеданий в местах контакта элементов рычажно-шарнирной системы выравнивания упорных усилий по колодкам, что приводит к разбалансировке последней, возникновению окружных пульсаций и ударному характеру распределения нагрузки по рабочим колодкам, в результате чего снижается эксплуатационная надежность и сокращается безаварийный срок службы рабочих элементов упорного подшипника.
Главной причиной недостатков известного технического решения является наличие механической рычажно-шарнирной системы самовыравнивания усилия между рабочими колодками с неизбежными высоконагруженными шарнирами и невозможность обеспечить плавное и равномерное распределение нагрузок между рабочими колодками.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - повышение эксплуатационной надежности и экономичности работы турбомашины за счет повышения несущей способности упорного подшипника.
Достигаемым результатом изобретения является:
- обеспечение равномерного распределения по рабочим колодкам осевой нагрузки, действующей на них со стороны упорного гребня вала турбины; исключение возникновения температурных перекосов при нагреве рабочих поверхностей отдельных колодок и, как следствие, снятие ограничения по взятию турбиной номинальной (максимальной) нагрузки;
- исключение из конструкции упорного подшипника механической рычажно-шарнирной системы и ее дорогостоящих рабочих элементов, подверженных неконтролируемому эксплуатационному износу, что существенно повышает надежность работы турбомашины.
Для решения поставленной задачи в известном упорном подшипнике турбомашины, содержащем корпус, в пазу которого закреплена кольцевая обойма, гребень ротора, по окружности которого установлены рабочие упорные колодки с опорными призмами, опирающимися на кольцевую обойму, согласно изобретению кольцевая обойма снабжена цилиндрическими камерами, одна торцовая сторона которых герметично закрыта упругими дисковыми мембранами, на которые опираются опорные призмы рабочих упорных колодок, а другая торцовая сторона соединена с наполненным несжимаемой рабочей жидкостью гидравлическим кольцевым коллектором, при этом кольцевой коллектор соединен с расширительным бачком атмосферного типа через всасывающую линию, с установленным на ней обратным клапаном, и дренажную линию, с установленным на ней предохранительным клапаном, причем расширительный бачок расположен на корпусе упорного подшипника. При этом дренажная и всасывающие линии заведены в расширительный бачок под уровень заполняющей его рабочей жидкости, а в качестве рабочей жидкости используется рабочий агент, применяемый в системе маслоснабжения и смазки подшипников турбомашины, например турбинное масло марки Тп-22 ГОСТ 9972-74.
Снабжение кольцевой обоймы упорного подшипника цилиндрическими камерами, соединенными между собой с помощью герметичного кольцевого коллектора, заполненного несжимаемой рабочей жидкостью, а также упругими дисковыми мембранами, обладающими малой величиной механической жесткости и обеспечивающими передачу от упорных колодок на корпус подшипника в полной мере всей величины упорного усилия за счет использования в качестве силового передающего звена несжимаемой рабочей жидкости, позволяет равномерно распределить по рабочим колодкам действующую осевую нагрузку.
Исключение из конструкции упорного подшипника механической рычажно-шарнирной выравнивающей системы и применение замкнутого герметичного кольцевого коллектора с несжимаемой рабочей жидкостью между упругими мембранами кольцевой обоймы подшипника позволяет существенно повысить надежность и долговечность подшипникового узла, в частности за счет отсутствия трения и износа в его рабочих элементах конструкции, а также турбомашины в целом за счет сокращения продолжительности простоев в период ремонтов турбоагрегата.
Предлагаемый упорный подшипник изображен на чертежах.
На фиг.1 представлен продольный разрез упорного подшипника; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - выносной элемент Б на фиг.1.
В упорном подшипнике 1 турбомашины установлены упорные колодки 2, подвижно закрепленные с помощью радиальных штифтов 3 в кольцевой обойме 4 (из двух половин), установленной в корпусе упорного подшипника 1. Рабочая поверхность упорных колодок 2 прилегает к боковой поверхности упорного гребня 5 ротора турбомашины, а опорные призмы 6 упорных колодок 2 опираются на дисковые упругие мембраны 7, имеющие упорный выступ 8 и жестко связанные по наружному диаметру с кольцевой обоймой 4, в теле которой под каждой мембраной 7 выполнены цилиндрические камеры 9, соединенные между собой с помощью герметичного гидравлического кольцевого коллектора 10 и образующие замкнутую систему полостей, заполненную несжимаемой рабочей жидкостью 11, осуществляющей гидравлическую связь между камерами 9. Кольцевой коллектор 10 соединен с расширительным бачком 12 атмосферного типа дренажной линией 13, на которой установлен предохранительный клапан 14, и всасывающей линией 15, на которой установлен обратный клапан 16. Дренажная 13 и всасывающая 15 линии заведены в расширительный бачок 12 под уровень заполняющей его рабочей жидкости 11.
Предлагаемый упорный подшипник работает следующим образом.
Осевое усилие, воспринимаемое ротором от лопаточного аппарата турбомашины, через боковую поверхность упорного гребня 5 передается на рабочую поверхность упорных колодок 2, расположенных по окружности в корпусе упорного подшипника 1, а далее через опорные призмы 6 упорных колодок 2 к дисковым мембранам 7, от которых через несжимаемую рабочую жидкость 11 силовой импульс передается кольцевой обойме 4, жестко закрепленной в торцевой расточке корпуса упорного подшипника 1.
Упорные колодки 2 с помощью радиальных штифтов 3 подвижно закреплены в кольцевой обойме 4 и имеют возможность поворачиваться в любом направлении вокруг опорной призмы 6, в результате чего между рабочей поверхностью колодки и вращающимся упорным гребнем ротора образуется несущий масляный клин.
Равномерное распределение осевого усилия по всем упорным колодкам 2 достигается путем самоустановки последних относительно упорного гребня 5 ротора турбины в результате направленной упругой деформации дисковых мембран 7, обусловленной взаимокомпенсацией силовых нагрузок, действующих на мембрану 7 как со стороны упорной колодки 2, так и со стороны заключенной в камере 9 несжимаемой рабочей жидкости 11, передающей силовой импульс от наиболее нагруженной колодки к наименее нагруженной посредством герметичного гидравлического кольцевого коллектора 10.
Упорный выступ 8 дисковой мембраны 7 ограничивает величину упругой деформации последней в пределах допустимых значений, определяемых из расчета мембраны на прочность. Предельная расчетная величина деформации мембраны 7 обеспечивается выдержкой монтажного зазора «а» между торцом упорного выступа 8 и торцевой поверхностью полости 9.
Перед началом работы упорного подшипника 1 при выводе турбомашины из ремонта или монтажа производится заполнение рабочей жидкостью 11 расширительного бачка 12, а через него и всасывающую линию 15 с обратным клапаном 16 происходит заполнение замкнутой системы камер 9 и кольцевого коллектора 10 внутри обоймы 4 до полного удаления воздуха из замкнутой системы. При этом также происходит заполнение рабочей жидкостью 11 дренажной линии 13 вместе с предохранительным клапаном 14 при обязательном соблюдении условия полного удаления воздуха из последних. Для этой цели расширительный бачок 12 и гидравлические линии 13 и 15, соединяющие его с замкнутой системой камер 9 и коллектором 10, должны располагаться выше последних и над упорным подшипником 1.
Во время работы упорного подшипника 1 при эксплуатации турбомашины происходит нагрев и стремление к расширению рабочей жидкости 11, заполняющей замкнутую систему камер 9 и кольцевого коллектора 10, в результате чего происходит повышение давления жидкости 11 внутри замкнутой системы камер 9 и деформация ("выпучивание") мембран 7. В этом случае для предохранения мембран 7 от разрушения или возникновения в них пластических деформаций в гидравлической выравнивающей системе упорного подшипника 1 предусмотрен предохранительный клапан 14, отрегулированный на открытие при повышении давления в системе камер 9 до значения, при котором величина упругой деформации мембран 7 достигает определенного расчетом на прочность допустимого значения. При открытии клапана 14 излишки рабочей жидкости 11 вытесняются из системы камер 9 в расширительный бачок 12, а клапан 14 закрывается.
При сбросе нагрузки или останове турбомашины и охлаждении рабочей жидкости 11 благодаря сифонному эффекту открывается обратный клапан 16 и жидкость 11 из расширительного бачка 12 по линии 15 в необходимом количестве засасывается в замкнутую систему камер 9 и коллектор 10, а клапан 16 закрывается, обеспечивая герметизацию замкнутой системы камер 9.
Реализация предложенного упорного подшипника позволит существенно повысить экономичность круглогодичной работы теплофикационной турбины как на теплофикационных, так и на конденсационных режимах за счет снятия ограничения по взятию турбиной максимальной паровой нагрузки, накладываемого при эксплуатации турбины в связи с возникновением температурных перекосов по рабочим колодкам упорного подшипника, обусловленных неравномерностью распределения упорного усилия по ним, и при достижении температуры нагрева отдельных упорных колодок, превышающих допустимые нормы, установленные заводом-изготовителем турбины.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. при анализе современного технического уровня развития энергетического машиностроения установлено, что предложенная совокупность существенных признаков неизвестна.
Предлагаемое техническое решение в качестве изобретения соответствует критерию «изобретательский уровень», поскольку на современном уровне развития техники не известны указанные отличительные признаки, обеспечивающие достижение указанного технического результата.
Предлагаемое техническое решение может быть реализовано при модернизации и техническом перевооружении действующего энергетического оборудования на тепловых и конденсационных электростанциях, а также при проектировании и производстве новых паровых и газовых турбин.