ЛЕПЕСТКОВЫЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК Российский патент 1999 года по МПК F16C27/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к подшипникам скольжения с жидкостной и газовой смазкой, используемым для осевой и радиальной подвески роторов высокоскоростных турбомашин различного назначения, например турбохолодильников, турбодетандеров, турбокомпрессоров, турбонагнетателей, турбогенераторов, турбонасосов.

Известен осевой газодинамический подшипник [1], содержащий пяту и смонтированный в корпусе подпятник, в виде платы с закрепленными на ней опорными элементами и прикрепленными к ним упругими лепестками, с образованием упругих частей, одна из которых, несущая, расположена в контакте со смежным лепестком посредством кромки и выполнена криволинейной с переменным радиусом, уменьшающимся к ее кромке.

Однако этот осевой газодирамический подшипник обладает рядом недостатков. Из-за малого радиуса на конце лепестка он обладает недостаточным ресурсом по количеству пусков-остановов, малой допустимой осевой нагрузкой при старте, большим осевым люфтом пяты в осевых подшипниках. Несущая способность такого подшипника недостаточно высокая. Технология изготовления лепестковых элементов сложная, а воспроизводимость свойств подшипника низкая.

Целью изобретения является увеличение ресурса (количества пусков - остановов), увеличение предельной допустимой нагрузки при старте, уменьшение максимально возможного осевого люфта пяты в осевых подшипниках, увеличение несущей способности подшипника, упрощение технологии изготовления и повышение стабильности свойств подшипников от образца к образцу.

Указанная цель достигается тем, что лепестковый газодинамический подшипник, содержащий плату с закрепленными на ней опорными элементами, перекрывающие друг друга упругие лепестки, каждый из которых одним концом закреплен на опорном элементе, снабжен пружиной, выполненной в виде изогнутой пластины, опирающейся своими кромками на плату и закрепленной на плате в зоне перекрытия лепестков с возможностью самоустановки.

На фиг. 1 представлен предлагаемый осевой лепестковый газодинамический подшипник; на фиг. 2 - подшипниковый узел с осевым лепестковым газодинамическим подшипником; на фиг.3 - осевой подшипник в плане; на фиг.4 - плата осевого подшипника с опорными элементами, пружинами и одним закрепленным лепестком; на фиг.5 - график зависимости положения пяты от нагрузки в осевом подшипнике; на фиг.6 - подшипниковый узел с осевым подшипником в рабочем положении; на фиг.7 - вариант лепесткового газодинамического подшипника, выполненного радиальным (поперечный разрез); фиг.8 - развертка платы радиального подшипника с закрепленными на ней пружинами, опорными элементами и одним лепестком.

Подшипниковый узел с лепестковым газодинамическим осевым подшипником содержит пяту 1, корпус 2, в котором размещена плата 3 с опорными элементами 4, жестко закрепленными на плате 3, например, при помощи сварки, склеивания или полученными путем травления или деформации платы, упругими лепестками 5, закрепленными одним концом на опорных элементах 4 также при помощи сварки. При этом упругие лепестки 5 перекрывают друг друга и кромка 6 лепестка 5 опирается на соседний лепесток. Опорные элементы и лепестки в случае крепления их при помощи сварки или склеивания крепятся по частям 8, 9, 10 и 11 вне рабочей зоны подшипника, находящейся между внутренним R_i и наружным R_e радиусами подшипника.

Нижняя часть лепестка 5 опирается на пружину 7, установленную на плате 3 в зоне перекрытия лепестков. Пружина 7 представляет собой изогнутую пластину, опирающуюся своими кромками на плату 4. Крепление пружины к плате позволяет обеспечивать самоустанавливаемость пружины. На фиг.4 показаны варианты крепления пружины 7. В одном случае оно выполнено при помощи закрепления частей 12 и 13 пружины, отделенных от рабочей части пружины 14 глубокими прорезями. В другом случае пружина 7 свободно установлена внутри пластины 15, закрепленной при помощи сварки на плате 4 и имеющей внутренний вырез по форме пружины. Пластина 15 ограничивает перемещения пружины вдоль платы 3. Выпадению пружины из пластины 15 препятствует расположенный сверху лепесток 5.

Предлагаемая конструкция может быть применена также для радиального подшипника (фиг.7). Способы крепления элементов подшипника такие же, как и в осевом подшипнике. Плата 3 подшипника представляет ленту, спрофилированную в форме окружности с радиусом корпуса подшипника R_C. Между краями ленты 16 и 17 имеется небольшой зазор. Такой же радиус R_C имеет опорный элемент 4. Лепесток 5 профилируется подобно лепестку осевого подшипника, при этом текущий радиус R_R лепестка радиального подшипника до установки цапфы вала 1 может быть получен, например, пересчетом радиуса R_A (фиг.1) лепестка осевого подшипника в соответствующей точке из соотношения:
1/R_R = 1/R_A + 1/R_C.

Профилирование пружины 7 выполняется исходя из требований, предъявляемых к радиальному подшипнику: жесткости, момента трения при проворачивании вала в подшипнике, максимального радиального смещения вала в подшипнике и т.д.

Лепестковый газодинамический подшипник работает следующим образом. Вращающийся ротор увлекает газ в конфузорные зоны между пятой (цапфой) и лепестками 5. Поскольку форма профиля в момент пуска имеет конфузорные участки, в них быстро нарастает давление рабочего газа и становится достаточным для отделения лепестков от пяты. Если нагрузка меньше, чем F₁ (фиг. 5), она воспринимается подшипником за счет упругой деформации лепестков (фиг. 2). При росте нагрузки больше, чем F1, практически все приращение нагрузки воспринимается за счет упругой деформации пружин 7 (фиг.6).

На фиг. 5 представлены нагрузочные характеристики осевых подшипников: зависимость I высоты пяты H над платой 3 от нагрузки F, действующей на пяту - для предлагаемой конструкции, а также зависимость II - для конструкции [1] .

Как видно из зависимости I, вплоть до некоторой высоты H₁ нагрузка на подшипник со стороны пяты остается небольшой из-за малой жесткости пакета лепестков, которая определяется жесткостью балки - участка лепестка, края которого свободно оперты по краю лепестка 6 и в месте контакта лепестка с пружиной 7, а нагрузка со стороны пяты в зоне контакта пяты с лепестком приложена от точки A до точки B (фиг.2). При этом пружина 7 практически не деформируется из-за ее большой жесткости. При дальнейшем уменьшении высоты пяты H начинает деформироваться пружина 7. Жесткость пакета лепестков начинает определяться жесткостью пружины и скачкообразно возрастает, а сила при уменьшении H начинает быстро увеличиваться. При сравнении зависимости I с зависимостью II видно, что при H > H₁ у зависимости I сила F изменяется значительно медленнее, чем у зависимости II, а при H < H₁, наоборот, изменяется значительно быстрее, чем у зависимости II. Высота изгиба пружин увеличивается от внутреннего радиуса к наружному, ширина соответственно уменьшается.

В турбомашинах обычно используются двусторонние осевые подшипники. При этом для уменьшения максимально возможного осевого люфта пяты в подшипниках они монтируются с некоторой предварительной осевой деформацией пакета упругих элементов (фиг.2). При невращающемся роторе (фиг.2) пята, находящаяся в симметричном положении относительно подшипников и на высоте H_m над платой 3, действует на осевой подшипник с определенной силой F_m (фиг.5 ), называемой усилием преднатяга. За счет описанного выше свойства нагрузочной характеристики (фиг.5) для предлагаемой конструкции - слабого изменения силы при H > H_i осевой люфт в двустороннем осевом подшипнике может быть существенно снижен по сравнению с [1].

Для обеспечения небольшой частоты "всплытия " пяты в подшипнике и повышения ресурса (количества пусков - остановов) необходимо, чтобы выполнялось неравенство H_m > H_i, где H₁ определяется из выражения
H₁ ≈ H_NIM + H_П (2)
а H_П - высота изгиба пружины, H_MIN - минимальное расстояние от пяты до платы 3, которое может быть получено при полном раздавливании пятой пакета лепестков, H_MIN= 2δ_Л+δ_П, δ_Л - толщина лепестка, δ_П - толщина пружины.

При симметричном положении пяты между подшипниками, небольшой величине нагрузки F_m, малой начальной кривизне лепестка и достаточно большой зоне контакта пяты с лепестком - от точки A до точки B (фиг.2) контактные напряжения от давления пяты на лепесток уменьшаются, что существенно увеличивает ресурс турбомашины (количества пусков - остановов).

Максимальный осевой люфт подшипника Δ равен:
Δ = 2(H_m-H_MIN) (3)
Увеличение предельной допустимой нагрузки при старте по сравнению с [1] получается по следующим причинам. С одной стороны, контактные напряжения от давления пяты на лепесток уменьшаются, с другой стороны, уменьшение H_m приводит к уменьшению зазора в начале смазочного слоя и, следовательно, к увеличению несущей способности подшипника.

Несущая способность подшипника предлагаемой конструкции увеличивается по сравнению с [1] по следующим причинам. Жесткость пружины и величина H_П подбираются из условия, что при максимальной нагрузке на лепесток профиль смазочного слоя будет иметь форму, близкую к оптимальной для заданной частоты вращения.

На фиг. 6 показан подшипник при рабочей нагрузке F_p, когда H_p < H₁. При возрастании нагрузки, начиная с некоторой ее величины, форма пружины 7 изменяется и из плавной дугообразной распадается на три разных по форме участка. По краям пружины она остается дугообразной, а в середине, в зоне касания с лепестком между точками C и D (фиг.6), появляется прямолинейный участок, длина которого растет по мере увеличения нагрузки. Практически такой же прямолинейный участок над пружиной имеет при этом лепесток, образующий зазор с пятой. Как известно из теории газовой смазки, максимальная несущая способность смазочного слоя имеет место при клиновидном входном участке профиля смазочного слоя и плоскопараллельном основном участке. Именно такой профиль получается в данной конструкции. В подшипнике, у которого основным упругим и несущим элементом является сам лепесток [1], получить такую форму профиля смазочного слоя при условии, что он не полностью раздавлен осевой силой, практически невозможно.

Подшипник предлагаемой конструкции более прост в изготовлении, чем [1], поскольку в конструкции [1] значительную сложность представляет изготовление лепестков с переменным радиусом с достаточной степенью точности.

Проведенные экспериментальные исследования, а также опытная и промышленная эксплуатация осевых подшипников предлагаемой конструкции показали, что по сравнению с конструкцией [1] они дают следующие преимущества:
- уменьшение максимально возможного осевого люфта пяты в осевых подшипниках в 2...2,5 раза, либо увеличение ресурса (количества пусков - остановов ротора) при неизменной стартовой нагрузке;
- увеличение предельной допустимой нагрузки при старте в 2...3 раза;
- увеличение несущей способности опоры на 50%;
- повышение стабильности свойств подшипников от образца к образцу;
- упрощение технологии изготовления подшипников.

Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР N 1754949, кл. F 16 C 27/02, 1992.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к подшипникам скольжения с жидкостной и газовой смазкой, используемым для осевой и радиальной подсветок роторов высокоскоростных турбомашин различного назначения, например турбохолодильников, турбодетандеров, турбокомпрессоров, турбонагнетателей, турбогенераторов, турбонасосов. Лепестковый газодинамический подшипник содержит плату с закрепленными на ней опорными элементами, перекрывающие друг друга упругие лепестки, закрепленные одним концом на опорных элементах. Кромка лепестка опирается на соседний лепесток, а нижняя часть лепестка опирается на пружину. Пружина представляет собой изогнутую пластину, опирающуюся своими кромками на плату и закрепленную на плате в зоне перекрытия лепестков с возможностью самоустановки. Высота изгиба пружин может быть постоянна по их длине или для осевого подшипника увеличиваться от внутреннего радиуса платы к наружному, а ширина пружины уменьшаться от внутреннего радиуса платы к наружному. Использование лепестка с профилем в виде дуги малой кривизны в сочетании с подпирающей лепесток снизу пружиной позволяет достичь увеличения ресурса подшипника, увеличения предельной допустимой нагрузки при старте, уменьшения максимально возможного осевого люфта пяты в осевых подшипниках и увеличения несущей способности подшипника, упрощение технологии изготовления и повышение стабильности свойств подшипников от образца к образцу. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Лепестковый газодинамический подшипник, содержащий плату с закрепленными на ней опорными элементами, перекрывающие друг друга упругие лепестки, каждый из которых одним концом закреплен на опорном элементе, отличающийся тем, что он снабжен пружинами, выполненными в виде отдельных изогнутых пластин, опирающихся своими кромками на плату и закрепленных на плате в зонах перекрытия лепестков с возможностью самоустановки. 2. Лепестковый газодинамический подшипник по п.1, отличающийся тем, что высота изгиба пружин постоянна по их длине. 3. Лепестковый газодинамический подшипник по п.1, отличающийся тем, что высота изгиба пружин для осевого подшипника увеличивается от внутреннего радиуса платы к наружному, а ширина пружин уменьшается от внутреннего радиуса платы к наружному.