УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ МАСЛА В ПОДШИПНИК ОПОРЫ РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к устройствам для подачи масла к подшипникам опор роторных газотурбинных машин и может быть использована для смазывания и охлаждения подшипников, а также для уменьшения контактных напряжений на их телах качения.
Известно, что одной из важных проблем надежной работы газотурбинных машин является надлежащее состояние подшипниковых опор вала их ротора, которое напрямую зависти от условий смазки и охлаждения подшипников, а также от значений контактных нагрузок между телами качения и кольцами в процессе работы двигателя.
Из уровня техники известно, что в процессе подачи масла в подшипниковую опору при определенных скоростях подачи и направлениях течения потока масла, между кольцами подшипника и телами качения образуется масляный клин, который уменьшает напряжения между кольцами подшипника и телами качения, аналогично, как и в подшипниках скольжения, где они полностью устраняются и контакт между движущимся и неподвижным кольцом отсутствует.
Использование этого эффекта позволяет, без ухудшения условий смазки и охлаждения подшипников, значительно увеличить срок их эксплуатации, особенно высокооборотных газотурбинных двигателей, у которых контактные напряжения на роликах, контактирующих с внешним кольцом, сильно возрастают по сравнению с контактом на внутреннем кольце из-за центробежных сил роликов, что в значительной степени определяет долговечность подшипника.
Из уровня техники широко известны форсуночные устройства для смазки и охлаждения подшипников, в частности, газотурбинных двигателей, содержащие маслоподводящие форсунки струйного типа, установленные на агрегатах газотурбинного двигателя таким образом, что их сопла направлены на торец подшипника, и соединенные с маслосистемой газотурбинного двигателя, причем проходное сечение сопел имеет расчетный размер в соответствии с заданными требованиями по условиям смазки (см., например, Штода А.В. и др. «Конструкция авиационных двигателей», изд. ВВИА, 1959 г., с. 114-117).
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что при его работе масло через сопла форсунок струями подается на торец подшипника одновременно несколькими форсунами, что не позволяет обеспечить гарантированную доставку масла ко всем контактирующим частям деталей подшипника. Кроме того, часть масла из-за разбрызгивания при отражении от торцов роликов и сепаратора подшипника, вообще не попадает в подшипник. Использование таких устройств не обеспечивает эффективную смазку и охлаждение подшипников подшипниковых опор.
Известно устройство для смазки и охлаждения подшипника вала газотурбинного двигателя, содержащее масляную форсунку и закрепленный на цапфе вала между подшипником и форсункой маслоулавливающий кольцевой козырек, образующий с валом масляную полость, сообщенную с внутренней полостью подшипника посредством каналов и отверстий, выполненных соответственно в цапфе и внутренней обойме подшипника, причем козырек снабжен с внутренней стороны радиальными лопатками, расположенными со стороны форсунки (см. патент РФ №1130014, кл. F02C 7/06, 2004 г.).
При данной схеме подачи масла оно, по сравнению с используемой в решении, приведенном выше, более эффективно доставляется к контактирующим деталям подшипника за счет действия центробежных сил, поскольку масло подается через каналы на валу и через отверстия во внутреннем кольце и при подаче дополнительно получает окружную скорость от вращения вала, что позволяет более эффективно охлаждать контактирующие поверхности подшипника.
Недостатком этого решения является то, что поток масла подается дискретно через каналы в кольце подшипника и не создает сплошного потока под все ролики, что не обеспечивает равномерного охлаждения подшипника. Кроме этого масло подается в зазор между телами качения и внутренним кольцом и не решает проблему уменьшения контактных напряжений на внешнем кольце
Известно устройство для смазки подшипника вала ротора газотурбинного двигателя, состоящее из маслоулавливающего кольца, зафиксированного штифтом в заданном положении относительно вала ротора, и средства подвода масла, включающие в себя маслораздаточную канавку, маслоподводящее отверстие и расходную форсунку.
Подшипник вала ротора имеет разрезанное внутреннее кольцо, состоящее из двух полуобойм, на торцах которых выполнены маслораздаточные лунки, сообщенные с расходной полостью, которая посредством маслоподводящих каналов соединена с накопительной полостью. Устройство содержит маслоулавливающие козырьки, выполненные как единое целое с маслоулавливающим кольцом и спрофилированные так, чтобы разбрызгивание масляной струи было минимальным. Улавливающие отверстия козырьков сопряжены с приемными лунками таким образом, что ось каждого улавливающего отверстия параллельна касательной к внутренней поверхности сопряженной с ним приемной лунки. Каждая приемная лунка посредством местной выборки сообщена с накопительной полостью.
В процессе работы устройства масло из масляной системы двигателя поступает из маслораздаточной канавки в маслоподводящее отверстие, далее через форсунку выбрасывается струей в масляную полость. Навстречу движению струи вращается маслоулавливающее кольцо с козырьками. Выросшая струя за 1/2 оборота маслоулавливающего кольца начинает улавливаться отверстием до завершения ее поглощения, после чего происходит незначительное разбрызгивание струи. Затем на участке до подхода диаметрально расположенного улавливающего отверстия происходит рост струи масла, которая поглощается вторым улавливающим отверстием. Поглощенное масло, через приемные лунки и местные выборки, имеющие коническую поверхность для создания центробежного напора, поступает в накопительную полость, откуда по маслоподводящим каналам, попадает в расходную полость. Из расходной полости по маслораздаточным лункам масло омывает рабочую поверхность внутреннего кольца, шарики подшипника и под действием инерционных сил попадает на беговую дорожку наружного кольца, омывает ее, охлаждает и вытекает через зазор между сепаратором и наружным кольцом подшипника (см. патент РФ №2349776, кл. F02C 7/06, 2009 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что при данной схеме подачи масла оно эффективно и без потерь доставляется к трущимся частям подшипника, поскольку козырьки устраняют разбрызгивание и потери масла. Однако недостатком этого устройства является то, что масло под тела качения и внутреннее кольцо подается дискретно через каналы, что не позволяет обеспечить равномерное охлаждение подшипника и уменьшает влияние гидродинамического эффекта на контактные напряжения роликов. Кроме этого масло подается в зазор между телами качения и внутренним кольцом и не решает проблему уменьшения контактных напряжений на внешнем кольце, где контактные напряжения из-за центробежных сил тел качения гораздо больше, чем на внутреннем кольце. Необходимо также отметить, что доработка подшипника в части выполнения в его кольце прорезей и канавок, уменьшает его несущую способность. Изложенное выше снижает срок эксплуатации подшипников подшипниковых опор.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение срока эксплуатации подшипников подшипниковых опор валов роторов газотурбинных двигателей за счет создания оптимальных условий их смазки и охлаждения, а также за счет уменьшения контактных напряжений между деталями подшипника при работе двигателя.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для подачи масла в подшипник опоры ротора газотурбинного двигателя, содержащем, установленные на маслоподводящих коммуникациях двигателя, закрепленных на статорных деталях двигателя, форсунки с выходными соплами, имеющие возможность соединения с масляной магистралью двигателя, и маслоулавливающий козырек, предназначенный для направления потоков масла от сопел форсунок к подшипнику, новым является то, что маслоулавливающий козырек выполнен в виде кольца, закрепленного на статоре подшипниковой опоры у торца внешнего кольца подшипника, внутренняя поверхность кольца имеет коническую форму с наклоном в сторону подшипника, по периферии отверстия кольца с наружной стороны козырька имеется кольцевой выступ, а форсунки установлены таким образом, что их сопла направлены на коническую поверхность кольца, при этом угол наклона внутренней поверхности козырька в осевом направлении находится в пределах: , толщина козырька в радиальном направлении, примыкающего к внешнему кольцу подшипника составляет , а противоположного , где γ - угол наклона внутренней поверхности козырька в осевом направлении; m - зазор в радиальном направлении между беговой дорожкой внешнего кольца и сепаратором; e - ширина фаски в осевом направлении на сепараторе; f - расстояние в осевом направлении от торца внешнего кольца подшипника до торца ролика; c - толщина в радиальном направлении внешнего кольца подшипника; b - ширина козырька без выступа.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - устройство для подачи масла в подшипник опоры ротора газотурбинного двигателя в разрезе;
- на фиг. 2 - вид A по фиг. 1 (статор и козырек сняты);
- на фиг. 3 - разрез B-B по фиг. 2;
- на фиг. 4 - расчетная схема для определения давления при протекании масла в зазоре между телом качения и неподвижным внешним кольцом подшипника;
Для монтажа вала ротора газотурбинного двигателя, как правило, используют подшипник роликовый радиальный, содержащий наружное (внешнее) 1 и внутреннее 2 кольца, между которыми в сепараторе 3 расположены тела качения (ролики) 4.
Установка подшипника осуществляется следующим образом. Наружное кольцо 1 подшипника закрепляют на статоре 6 (то есть, оно неподвижно), а во внутреннее кольцо 2 подшипника монтируют вал 5 ротора газотурбинного двигателя (то есть, внутреннее кольцо подшипника вращается вместе с валом). В процессе работы подшипникового узла сепаратор 3 центрируется по внутреннему кольцу 2 подшипника и зазор между сепаратором и внутренним кольцом минимален, тогда как с внешним кольцом 1 зазор m гораздо больше.
Для подачи масла в подшипник используют масляные форсунки 7, например, струйного типа, оснащенные соплами (жиклерами) 8. Количество форсунок может быть различным. Так, на фиг. 3 показано три форсунки, что не означает, что их количество не может быть иным. Количество форсунок зависит от необходимой равномерности подачи масла к подшипнику и, в принципе, чем больше их будет, тем более равномерная происходит подача масла.
Форсунки 7 соединены трубопроводами масляного коллектора с масляной магистралью двигателя и закреплены на статорных деталях двигателя.
На статоре 6 подшипниковой опоры у торца подшипника закреплен маслоулавливающий козырек 9, имеющий форму кольца. Внутренняя кольцевая поверхность «A» козырька выполнена конической формы, с наклоном в сторону подшипника, уменьшающим толщину козырька, под углом γ. По наружному торцу козырька в зоне его отверстия имеется кольцевой выступ 10, предназначенный для устранения утечки масла с козырька в противоположную сторону от подшипника.
При монтаже форсунок, их устанавливают так, что их сопла направлены на коническую поверхность кольца. Наиболее предпочтительно форсунки монтировать таким образом, чтобы при этом они были расположены в плоскости нормальной к оси подшипника, а ось сопла каждой форсунки была направлена параллельно касательной к конической поверхности кольца в точке, расположенной на радиальной линии, совпадающей с выходным сечением сопла. Также предпочтительно, чтобы форсунки были развернуты соплами в направлении вращения внутреннего кольца подшипника.
Заявленное устройство работает следующим образом.
В процессе работы газотурбинного двигателя его вал приводится во вращение, следовательно, приводится во вращение и скрепленное с ним внутреннее кольцо 2 подшипника. Наружное кольцо 1 остается неподвижным. Ролики 4 вместе с сепаратором 3 при этом совершают вращательное движение, обеспечивая между кольцами минимальное трение - трение качения.
Масло от масляной системы двигателя подается к форсункам 7 и, через сопла 8, под давлением, со скоростью V подается на коническую поверхность A маслоулавливающего козырька 9. Отражаясь от конической поверхности, потоки масла попадают на торец подшипника, смазывая контактирующие его части и охлаждая их. Учитывая, что потоки масла подаются постоянно и по всей торцевой поверхности подшипника, обеспечивается гарантированное попадание масла между контактирующими поверхностями всех его деталей. Весьма важно также и то, что попадание масла практически на весь торец подшипника способствует его равномерному охлаждению. Наличие кольцевого выступа 10 на козырьке предотвращает утечку и потери масла, что обеспечивает более эффективное его использование. Все это увеличивает срок эксплуатации подшипника.
Для еще большего повышения срока эксплуатации подшипника за счет создания между его контактирующими элементами масляного клина и создания гидродинамических сил, направление потоков масла, отраженных от конической поверхности кольца 9, должно быть организовано таким образом, чтобы часть масла гарантированно попадала в торцевой зазор между роликами и внешним кольцом подшипника.
Для обеспечения данного условия необходимо, чтобы маслоулавливающий козырек имел соответствующие параметры, а именно: угол конусности конической поверхности “A”; толщины торцов козырька; ширина козырька, должны быть «увязаны» с параметрами подшипника, такими, как толщина его внешнего кольца, расстояние от торца подшипника до торцов роликов.
Естественно, что данные параметры могут быть получены как расчетным, так и экспериментальным путем.
При определении параметров расчетным путем толщина козырька 9 у торца, примыкающего к торцу подшипника “k” должна быть равна
,
а толщина “a” противоположного торца равна
,
где γ - угол наклона козырька в осевом направлении, рад; b - ширина козырька без выступа, м; f - расстояние в осевом направлении от торца внешнего кольца подшипника до торца ролика, м; c - толщина внешнего кольца подшипника, м.
Здесь было принято соотношение при малых углах наклона козырька sinγ=γ.
Так как осевая скорость масляного потока под действием центробежных сил при вращении масляного потока в окружном направлении со скоростью подачи масла из сопла V определяется наклоном козырька, угол его должен быть максимальным. Однако для устранения отражения потока масла от сепаратора угол наклона должен быть ограничен значением:
,
где m - ширина зазора в радиальном направлении между внешним кольцом и сепаратором подшипника, м; e - ширина фаски на сепараторе, м.
При большем значении угла γ будет происходить отражение масляного потока от сепаратора и эффект гидродинамических сил будет ослабевать.
min
При значении минимального угла близкого к нулю, осевая скорость потока также будет равна нулю и эффекта гидродинамических сил не будет. Принимаем минимальный угол козырька равным, γ=0.05 рад., при котором будет реализовываться эффект гидродинамических сил, имеющий практическое значение. Угол наклона козырька должен находиться в диапазоне
.
Как показали исследования, приведенные выше действия, обеспечивающие подачу масла из форсунки со скоростью V, равной скорости перемещения роликов в окружном направлении по внешнему кольцу, обеспечивают максимальный эффект.
Скорость перемещения ролика относительно внешнего кольца составит (См. Назаренко Ю.Б. Жидкостное трение в подшипниках и влияние гидродинамических сил на контактные напряжения тел качения // Двигатель. - Москва. - 2015, №2. - С. 10-11)
,
В
Н
W
f - частота вращения ротора, Гц; d, d, d - соответственно диаметр беговой дорожки внутреннего, внешнего кольца и ролика, м.
Скорость истечения масла из форсунки для несжимаемой жидкости и при площади сечения масляного канала для подачи масла к подшипнику намного превышающей площадь сопла форсунки определяется из зависимости Бернулли (см. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Гидродинамика, Наука, 24 с.)
,
2
3
где P - давление масла в подающем канале форсунки, Н/м; ρ - плотность масла, кг/м.
Для обеспечения максимальной величины гидродинамических сил необходимо выполнение условия, чтобы скорость потока в окружном направлении была равна скорости перемещения роликов.
В этом случае гидродинамическое давление будет определяться только осевой скоростью масляного потока, и оно будет максимальным. Как показали исследования, эффективность действия гидродинамических сил будет гораздо больше в осевом направлении подачи масляного потока, чем в окружном. Кроме этого оно будет действовать как с левой, так и с правой стороны ролика относительно его оси. В случае меньшей или большей скорости масла в окружном направлении и при векторе подачи масла направленным под некоторым углом к оси ролика давление масла будет действовать только с одной стороны ролика, и величина его будет меньше.
Скорость потока масла в осевом направлении устанавливается из условия, что струя масла будет направлена на среднюю часть конической поверхности козырька, а центробежная сила будет определяться вращением масла в окружном направлении со скоростью V, углом наклона внутренней поверхности козырька в осевом направлении γ и шириной козырька без выступа b.
Центробежная сила слоя масла под козырьком массой m определится из выражения
,
H
где R - внутренний радиус внешнего кольца, м; V - окружная скорость движения масляного потока, м/сек; b - ширина козырька, м; γ - угол наклона внутренней поверхности козырька в осевом направлении, рад.
O
Ц
Осевая сила, действующая на слой масла под козырьком, будет равна F=F·γ.
Ускорение масла при этом составит
.
Время прохождения масла от середины козырька до его конца и входа в зазор между роликом и внешним кольцом определится из условия
.
В этом случае скорость масляного потока на входе в зазор между роликом и внешним кольцом составит
Пример такого расчета приведен ниже.
Н
Р
В
Пример реализации устройства с обеспечением указанного выше технического результата был проведен на моделе, имитирующей подшипник 5-2272917 Р с габаритными размерами 85×120×18 мм при диаметре беговой дорожки наружного кольца D=0.112m и ролика D=0.008 м, диаметре беговой дорожки внутреннего кольца d=0.096 м, длине ролика L=0.009 м. Частота вращения вала ротора n=14000 об/мин или f=233.3 Гц.
Скорость перемещения ролика при таких параметрах подшипника составит:
.
Для реализации такой же скорости потока в окружном направлении давление масла в маслосистеме и в форсунке должно быть P=0.575 МПа.
м/сек,
3
где ρ - плотности масла ρ=800 кг/м.
Скорость потока масла в осевом направлении определим из условия, что центробежная сила будет определяться вращением масла в окружном направлении со скоростью V=37.9 м/с, углом наклона козырька γ=0.2рад и шириной козырька (без учета выступа) b=0.04 м.
Ускорение масла при движении по козырьку составит
,
Н
Н
где V - скорость масла в окружном направлении, V=37.9 м/с; b - ширина козырька, b=0.04 м; R - радиус беговой дорожке наружного кольца, R=0.056 м; γ - угол наклона внутренней поверхности козырька в осевом направлении, γ=0.2 рад.
Скорость масляного потока на входе в зазор между роликом и внешним кольцом составит
.
При расстоянии в осевом направлении от торца внешнего кольца подшипника до торца ролика, равном f=0.004 м, ширине зазора в радиальном направлении между внешним кольцом и сепаратором подшипника, равном m=0.00075 м и ширине фаски на сепараторе e=0.0015 м, условие не превышения максимально допустимого угла наклона козырька выполняется γ=0.2<0.3
, рад.
Гидродинамическое давление в зазоре между роликом и внешним кольцом определим по методике (См. Назаренко Ю.Б. Жидкостное трение в подшипниках и влияние гидродинамических сил на контактные напряжения тел качения // Двигатель. - Москва. - 2015, №2. - С. 10-11), для чего разобьем щель в осевом направлении между роликом и внешним кольцом в виде отдельных участков A, B, C и F, которые можно представить в виде плоских элементов без кривизны и которые образуют щель между двумя пластинами (см. Фиг. 4).
Величина зазора между роликом и кольцом в зонах A, B, C и F с координатой X по центру ролика определяется из выражения (См.. Назаренко Ю.Б. Жидкостное трение в подшипниках и влияние гидродинамических сил на контактные напряжения тел качения // Двигатель. - Москва. - 2015, №2. - С. 10-11)
,
Н
Н
Р
Р
Н
Р
где R - радиус беговой дорожки внешнего кольца, R=0.056 м; R - радиус ролика, R=0.004 м; α - угол между точкой контакта ролика и точкой на ролике в окружном направлении, где определяется зазор между ним и внешним кольцом; ζ - параметр равный, ζ=R-R=0.052 м.
P
P
H
P
При ширине зон A, B, C и F равной ρ=R-sin(Δα)=R·Δα=0.1 мм, при интервале дуги Δα=0.025 рад. и параметре ζ=R-R=0.052 мм, зазор в среднем сечении ролика в середине каждой зоны составит h=0.3 мкм (т. 7), h=2.6 мкм (т. 5), h=7.3 мкм (т. 3), h=14.2 мкм (т. 1).
Зазоры для рассматриваемых зон по торцу ролика будут больше на величину бомбиниривонности ролика, которую принимаем b=10 мкм (см. Фиг. 4) и они составят h=10.3 мкм (т. 8), h=12.6 мкм (т. 6), h=17.3 мкм (т. 4), h=24.2 мкм (т. 2).
При отсутствии движения двух пластин верхней и нижней в осевом направлении и движении только потока масла в осевом направление между пластинами, которые образуют ролики и внешнее кольцо подшипника гидродинамическое давление в середине каждой зоны A, B, C и F определим из выражения
,
1
ср
2′
где h - начальная величина зазора; h - зазор в середине пластины для зон A, B, C и F соответственно составляют 5.3, 7.6, 12.3 и 19.2 мкм; V - скорость потока масла; V=14.9 мм/с; µ - динамическая вязкость масла при температуре 100°C, µ=0.0027 Нс/м; β - угол наклона пластины, β=0.0022 рад.
F
C
B
A
Усредненное гидродинамическое давление в зонах F, C, B, A составит: P=29.6 МПа; Р=15.2 МПа; Р=6.2 МПа; Р=2.7 МПа.
Площадь каждой из рассматриваемых зон составит
2
м,
-3
-3
где L - длина ролика, L=9·10 м; ρ - ширина зоны, ρ=0.1·10 м.
Суммируем силы каждой из зон получаем
F+
C+
B
A
-6
6
6
6
6
F=S·(PPP+P)=0.45·10·(29.6·10+15.2·10+6.2·10+2.7·10)=24.2 Н.
Полная сила, действующая на ролик установим при условии, что сила действующая с обоих сторон ролика, как в поперечном так и в осевом направлении будут одинаковы. Тогда будем иметь
R
При радиальной нагрузке на подшипник F=5600 Н, сила приходящаяся на один ролик составит (см. Черневский Л.В., Коросташевский Р.В. Подшипники качения: справочник - каталог - М.: Машиностроение, 1977. - 205 с.).
,
где Z - количество роликов, Z=28.
Уменьшение силы, действующей на ролик и внешнее кольцо в зоне их контакта, составит 10.5%. И это увеличивает ресурс работы подшипника.
Таким образом, подача масла в осевом направлении в зазор между роликами и внешним кольцом подшипника со скоростью, равной скорости перемещения роликов относительно неподвижного внешнего кольца, обеспечивает гарантированное уменьшение контактных напряжений между роликами и внешним кольцом. Данный эффект получен экспериментальным путем и подтвержден проведенными расчетами. (См. Назаренко Ю.Б. Жидкостное трение в подшипниках и влияние гидродинамических сил на контактные напряжения тел качения // Двигатель. - Москва. - 2015, №2. - С. 10-11).