РАДИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ РОТОРОВ МОЩНЫХ ТУРБОАГРЕГАТОВ Российский патент 2004 года по МПК F16C17/02 F16C23/02 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, конкретно турбостроения, в частности к производству радиальных подшипников скольжения для роторов мощных турбоагрегатов и турбогенераторов.

Известны конструкции радиальных подшипников скольжения втулочного типа, содержащих верхний и нижний полувкладыши со сферическими опорными поверхностями и внутренними полукольцевыми каналами подвода смазки, расположенными в верхнем полувкладыше. Смазка из каналов поступает в выемку горизонтальной плоскости против направления вращения вала (Вишнивецкий М.Г., Мищенко Ю.И. Совершенствование радиальных подшипников турбин. НИИ ИНФОРМТЯЖМАШ, 1975 г., с. 10 и 11).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, относится то, что в известных устройствах сопряжение опорных сферических поверхностей вкладыша и корпуса подшипника выполнено по посадке с небольшим натягом и соответственно не обеспечивает перемещение вкладыша в продольном направлении, вследствие чего совершенно не достигается снижение температурного и вибрационного уровня работы вкладыша на номинальном режиме, особенно при тепловых расцентровках валопровода и переносах опор турбоагрегата.

Известны конструкции радиальных подшипников скольжения сегментного типа, содержащих верхние и нижние полувкладыши с подвижными сегментами с опиранием по ребру качания или со сферическим (точечным) опиранием сегментов (Вишнивецкий М.Г., Мищенко Ю.И. Совершенствование радиальных подшипников турбин. НИИ ИНФОРМТЯЖМАШ, 1975 г., с. 23).

Однако при использовании на практике известного устройства вследствие повышенных контактных напряжений непосредственно в месте опирания (сегмент - корпус вкладыша) образуются значительные смятия контактных поверхностей и соответственно существенное ограничение подвижности несущих сегментов, снижение их несущей способности и вибрационной надежности подшипника при всех возможных режимах эксплуатации турбомашин.

Наиболее близким устройством аналогичного назначения к предлагаемой конструкции по совокупности признаков и выбранным в качестве прототипа является устройство радиального подшипника скольжения, содержащее верхний и нижний полувкладыши, в нижнем из которых установлен самоустанавливающийся в продольном направлении опорный элемент, выполненный в виде сегмента протяженностью в окружном направлении 70-90° и опирающийся на ребро качания. Подвод смазки в подшипнике осуществляют через канал в нижнем полувкладыше у горизонтальной плоскости по направлению вращения вала, при этом в зоне выхода его на рабочую поверхность выполнена эксцентричная расточка. (Патент РФ №2079739, F 16 C 17/03 от 1.02.94, опубл. Б.И. №14, 1997 г.)

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что вследствие повышенных контактных напряжений непосредственно в месте опирания по ребру качания (несущий подвижный сегмент - корпус вкладыша) интенсивно образуется сплошная, продольная, кольцевая канавка непосредственно на опорной контактной поверхности вкладыша, в силу ее недостаточной твердости и прочности и, соответственно, резко ограничивается подвижность несущего сегмента, приводящая к его заклиниванию. В результате снижается несущая способность подшипника, что способствует возникновению низкочастотной вибрации и снижению надежности работы турбоагрегата, особенно при тепловых расцентровках валопровода и перекосах его опор. При неточных изготовлении или установке несущего сегмента известной конструкции могут возникать неравномерности моментов сил по его торцам от действующей нагрузки, что приводит к нарушению устойчивости положения сегмента относительно вала, к снижению несущей способности и надежности работы подшипника. Более того, отсутствие возможности дополнительного отвода смазки, а также рациональной организации ее подвода, особенно в случае работы его при повышенных удельных нагрузках, не позволяет обеспечить оптимальный температурный уровень, достаточную несущую способность и эксплуатационную надежность.

Желаемый технический результат состоит в обеспечении оптимального температурного уровня рабочей поверхности вкладыша, повышении надежности и экономичности работы подшипника на всех режимах его работы, что обуславливает в комплексе повышение экономичности и надежности работы турбоагрегата в целом.

Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого технического решения достигается тем, что в радиальном подшипнике скольжения роторов мощных турбоагрегатов, содержащем верхний и нижний полувкладыши, в нижнем из которых установлен самоустанавливающийся в продольном направлении опорный элемент-сегмент протяженностью в окружном направлении 70-90° и опирающийся на ребро качания, при этом содержащий канал подвода смазки, расположенный у горизонтальной плоскости по направлению вращения вала, и эксцентрическую расточку, расположенную в зоне выхода канала, подводящего смазку на рабочую поверхность, самоустанавливающийся сегмент выполняют с углом охвата в окружном направлении, составляющем 95-105°, при этом опорную цилиндрическую расточку выполняют в продольном пазе для установки сегмента по всей ширине рабочей поверхности нижнего полувкладыша, а каналы основного подвода смазки выполняют под углом не менее 15° к горизонтальной плоскости полувкладыша по направлению вращения вала, а на рабочей поверхности нижнего полувкладыша выполняют сообщенную с каналами подвода профилированную полость в виде расточки прямоугольного сечения с глубиной не менее 2,5 мм и шириной, составляющей не менее 65% от ширины рабочей поверхности нижнего вкладыша, при этом на рабочей поверхности сегмента дополнительно выполняют карманы с внутренними перекрестными каналами дозированного подвода смазки высокого давления и расположенные симметрично по торцам сегмента на расстоянии, составляющем не менее 8% от ширины вкладыша, и выполненные под углом не менее 14 к вертикальной его оси, причем нижний полувкладыш подшипника снабжают профилированной полостью дополнительного отвода смазки, которую располагают по всей ширине нижнего полувкладыша и под углом не менее 40° к горизонтальной плоскости против направления вращения вала и имеющей прямоугольный профиль с глубиной не менее 2 мм, а непосредственно в указанной расточке и на расстоянии, составляющем не менее 10% ширины вкладыша, от его торцов симметрично выполняют дополнительные радиальные каналы, которые располагают под углом не более 42° к горизонтальной плоскости против направления вращения вала, а в верхнем полувкладыше с обоих торцов рабочей поверхности выполняют радиальные скосы длиной, составляющей не менее 25% ширины вкладыша и расположенные под углом не менее 2° к его рабочей поверхности.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволил выявить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату и изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности изобретения "новизна".

Для проверки соответствия предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск по известной из уровня техники информации. Результаты поиска показали, что предлагаемое изобретение не вытекает из известного уровня техники явным для специалиста образом. В частности, предлагаемым изобретением не предусматривается следующее:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части (элемента) устройства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом известного из уровня техники для такого исключения и т.п.;

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;

- создание устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми, осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, а достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Более того, для достижения желаемого результата заявитель внес в устройство полувкладышей радиального подшипника скольжения ротора турбоагрегата принципиальные и неочевидные конструктивные изменения, а также снабдил его новыми элементами и связями. В результате чего при практической реализации предлагаемого устройства, во-первых, за счет выполнения опорных поверхностей самоустанавливающегося сегмента в продольном направлении цилиндрическими с уменьшенным уровнем контактных напряжений и одновременной организации дополнительного дозированного подвода смазки высокого давления по внутренним перекрестным каналам на опорную поверхность вкладыша создаются оптимальные условия для обеспечения равномерности и улучшения теплового режима и надежности работы подшипника при номинальных и повышенных удельных нагрузках, а также автоустановки несущего сегмента относительно валопровода турбоагрегата, что в комплексе повышает надежность и безремонтный период работы турбоагрегата.

Во-вторых, путем рациональной организации подвода и отвода отработанной смазки в нижнем и верхнем полувкладышах температура подвода смазки сохраняется неизменной от номинального значения, что обусловлено исключением перемешивания подаваемой и отработанной смазки, интенсивный отвод которой обеспечивается полостью 14, каналами 15, скосами 16 и фрезерованными полостями 18 (см. фиг.1, 2).

В-третьих, за счет выполнения радиальных скосов 16 в верхней половине и применения подвижных масляных уплотнений 17 дополнительно обеспечивается свободная самоустановка несущего сегмента относительно вала при всех максимально возможных тепловых расцентровках и перекосах опор валопровода турбоагрегата в процессе эксплуатации.

В-четвертых, выполнение протяженности несущего сегмента в окружном направлении строго в интервале 90-105° (угол охвата) обусловлено тем, что в большинстве радиальных подшипников турбоагрегатов известной конструкции на номинальном режиме работы область развитого гидродинамического клина недостаточна и составляет 95-105° с максимумом давления в слое смазки, равным 5,0-8,0 МПа (в зависимости от величины нагрузки). В совокупности с выполнением карманов и внутренних перекрестных каналов дозированного подвода смазки высокого давления 10 в несущем сегменте под определенным углом к вертикальной оси вкладыша по направлению вращения вала “ω” и расположением симметрично по торцам сегмента на определенном расстоянии обеспечивает на всех режимах работы подшипника в результате образования оптимального гидродинамического клина в несущем сегменте по внутренним перекрестным каналам постоянный отбор и, соответственно, дозированный подвод смазки высокого давления (5-8 МПа) на опорную цилиндрическую поверхность 6 сегмента непосредственно к выемкам 9. Упомянутые конструктивные изменения позволяют обеспечить существенное улучшение подвижности сегмента за счет поступления смазки высокого давления и повышение демпфирующих свойств подшипника.

Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемое заявителем устройство обеспечивают достижение усматриваемого им неочевидного технического результата, а заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На чертежах, поясняющих сущность заявленного технического решения, представлены: фиг.1, где изображен продольный разрез по плоскости Б-Б радиального подшипника скольжения, а также фиг.2, где изображен поперечный разрез радиального подшипника скольжения по плоскости А-А.

Радиальный подшипник скольжения состоит из верхнего 1 и нижнего полувкладышей 2, опорных подушек 3, рабочей поверхности 4, несущего сегмента 5 с опорной цилиндрической поверхностью 6 и внутренними перекрестными каналами дозированного подвода смазки высокого давления 7 на расстоянии l_t ширины вкладыша “l”, поступающей из карманов 8 на рабочей поверхности 4 в выемки 9 цилиндрической поверхности 6 нижнего полувкладыша 2, в котором выполнен также и основной подвод смазки через каналы 10 под углом α₁ к горизонтальной плоскости вкладыша по направлению вращения вала “ω”, а на рабочей поверхности 4 имеется сообщенная с каналами подвода 10 и выполненная на пересекающихся осях профилированная эксцентрическая расточка 11 прямоугольного профиля, с глубиной не менее 2,5 мм и шириной, составляющей не менее 65% ширины рабочей поверхности “l” вкладыша.

Подвижность несущего самоустанавливающего в продольном направлении сегмента 5, выполненного с углом охвата α₂=95-105° в окружном направлении, обеспечивается опорной цилиндрической поверхностью 6, зазорами C₁ (между его торцовыми поверхностями и торцами корпуса масляных уплотнений 12) и радиальными зазорами C₂ цилиндрических пальцев 13, установленных в корпусе разъемных уплотнений 12, предназначенных для фиксации несущего сегмента 5. Последний в окружном направлении практически неподвижен из-за его установки в продольном пазе нижнего полувкладыша с нулевым или минимальным зазором между ними.

В нижнем полувкладыше 2 расположена профилированная полость 14 прямоугольной формы для дополнительного отвода смазки, начало которой определяется углом α₃ к горизонтальной плоскости против направления вращения вала “ω” и составляющим не более 45, с глубиной не менее 2 мм по всей ширине нижнего полувкладыша “l”, при этом непосредственно в полости на расстоянии, составляющем не менее 25% от ширины вкладыша “l” от его торцов, симметрично выполнены радиальные каналы 15 для дополнительного отвода смазки, расположенные под углом не более α₄=42° к горизонтальной плоскости против направления вращения вала “ω”, а в верхнем полувкладыше 1 с обоих торцов рабочей поверхности также для дополнительного отвода смазки выполнены радиальные скосы 16 длиной не менее 25% ширины вкладыша “l” (длиной l₃) и под углом не менее α₅=2° к рабочей поверхности.

В корпусе нижних половин уплотнений 12, снабженных подвижными масляными уплотнениями 17, а также нижнем полувкладыше 2 выполнены симметричные фрезерованные полости 18 для слива отработанной смазки из межуплотнительного пространства.

Радиальный подшипник скольжения работает следующим образом.

Смазка при номинальном давлении 0,06-0,12 МПа поступает через отверстие в опорной подушке 3, каналы 10 и полость 11 на рабочую поверхность 4 несущего сегмента 5. С началом вращения вала турбомашины и по мере увеличения его частоты вращения до номинального значения в гарантированном зазоре между валом и рабочей поверхностью образуется гидродинамический клин, что обусловливает всплытие вала на смазочном слое, при этом несущая способность несущего сегмента и соответственно подшипника, определяется величиной всплытия вала, его расположением относительно расточки в вертикальном и горизонтальном направлениях, температурным уровнем работы при различных нагрузках на всех возможных режимах работы турбомашин.

Выполнение каналов подвода смазки под углом именно не менее 15° к горизонтальной плоскости по направлению вращения вала “ω” обеспечивает повышенную скорость подачи, оптимизирует условия входа и распределения смазки на рабочую поверхность несущего сегмента и, соответственно, способствует увеличению его несущей способности.

Свежая смазка попадает из каналов 10 в профилированную полость 11 прямоугольного профиля, при этом расположение полости под углом α₁=30-32° на перекрестных осях с каналами подвода 10 предотвращает нерациональное перетекание подаваемой смазки в верхний полувкладыш и улучшает условия входа смазки на рабочую поверхность несущего сегмента.

В условиях перекосов опор вкладыша или тепловых расцентровок валопровода турбоагрегатов соответственно на торцах рабочей поверхности радиального подшипника давление и зазоры в слое смазки значительно отличаются по абсолютной величине. Выполнение подвижного в продольном направлении несущего сегмента уже позволяет обеспечить его минимальную самоустановку и снижение контактных напряжений за счет применения в нем опорной цилиндрической поверхности, а организация внутренних перекрестных каналов дозированного подвода смазки высокого давления дополнительно улучшает самоустановку несущего сегмента относительно вала за счет автоматического поступления смазки более высокого давления на противоположную сторону опорной цилиндрической поверхности вкладыша, что обеспечивает мгновенность его поворота, а также способствует повышению вибрационной надежности вследствие полного исключения перекосов на рабочей поверхности и возможности возникновения низкочастотной вибрации вала, что в целом повышает демпфирующие свойства и вибрационную надежность подшипника.

В нижнем полувкладыше на выходе из несущего слоя гидродинамического клина в зоне угла α₃ образуется область отрицательных давлений. Для снижения подсоса смазки и ее переноса в верхний полувкладыш 1 в этой области выполнены полость 14 и каналы 15, через которые часть горячей отработанной смазки отводится непосредственно в картер корпуса подшипника.

Остальное незначительное количество горячей отработанной смазки переносится на рабочую поверхность верхнего полувкладыша 1. За счет наличия радиальных торцевых скосов 16, расположенных под углом α₅ к ней и с длиной l₃, отработанная смазка отводится непосредственно в межуплотнительное пространство и далее через фрезерованные полости 18 в корпусе нижних половин уплотнений 12 нижнего полувкладыша 2 направляется в картер корпуса подшипника.

Вследствие практического наличия перекосов опор и тепловых расцентровок валопровода турбоагрегатов, постоянно возникающих при их эксплуатации, соответственно увеличиваются неравномерности удельных нагрузок на торцах рабочей поверхности нижних полувкладышей, что приводит к интенсивному износу, повышению температурного и вибрационного уровня вследствие снижения несущей способности подшипников. Для предложенной конструкции все конструктивные доводы действуют при всех возможных удельных нагрузках из-за большого резерва по его несущей способности и вибрационной надежности на всех режимах работы турбоагрегатов.

Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого устройства следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее предлагаемое техническое решение при его осуществлении, используется в производстве опорных подшипников скольжения для роторов мощных турбоагрегатов и турбогенераторов;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной ниже формулы патента на изобретение, подтверждается возможность его осуществления с помощью приведенных в описании заявки или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно обеспечивает автоустановку несущего сегмента подшипника в продольном направлении относительно валопровода на всех возможных режимах работы турбомашин, что способствует повышению вибрационной надежности и снижению температурных неравномерностей на рабочей поверхности подшипника при номинальных и повышенных удельных нагрузках, что способствует повышению надежности и ремонтопригодности подшипника, снижению износа и трения, расхода смазки и соответственно повышению экономичности турбоагрегата за счет снижения потерь мощности на трение и повышения надежности работы.

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно - турбостроения, в частности к производству радиальных подшипников скольжения для роторов мощных турбоагрегатов и турбогенераторов. Самоустанавливающийся сегмент выполняют с углом охвата, составляющим 95-105°, при этом опорную цилиндрическую расточку выполняют в продольном пазе для установки сегмента по всей ширине рабочей поверхности нижнего полувкладыша, а каналы основного подвода смазки выполняют под углом не менее 15° к горизонтальной плоскости полувкладыша по направлению вращения вала, причем на рабочей поверхности сегмента дополнительно выполняют карманы с внутренними перекрестными каналами дозированного подвода смазки высокого давления, расположенные симметрично по торцам сегмента на расстоянии, составляющем не менее 8% от ширины вкладыша, и под углом не менее 14° к вертикальной его оси. Технический результат заключается в обеспечении оптимального температурного уровня рабочей поверхности вкладыша, повышении надежности и экономичности работы подшипника на всех режимах его работы, его ремонтопригодности и способности к модернизации, а также экономичности работы системы смазки, что обуславливает в комплексе повышение экономичности и надежности работы турбоагрегата в целом. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Радиальный подшипник скольжения роторов мощных турбоагрегатов, содержащий верхний и нижний полувкладыши, в нижнем из которых установлен самоустанавливающийся в продольном направлении опорный элемент, опирающийся на ребро качания и выполненный в виде сегмента, с углом охвата в окружном направлении 70-90°, а также канал подвода смазки, расположенный в зоне, близкой к плоскости разъема подшипника, и эксцентрическую расточку, расположенную в зоне выхода канала, подводящего смазку на рабочую поверхность, отличающийся тем, что опорные поверхности самоустанавливающегося сегмента выполняют цилиндрическими в продольном направлении, с уменьшенным уровнем контактных напряжений, а угол охвата сегмента в окружном направлении составляет 95-105°, при этом опорную цилиндрическую расточку выполняют в продольном пазе для установки сегмента по всей ширине рабочей поверхности нижнего полувкладыша, а каналы основного подвода смазки выполняют под углом не менее 15° к горизонтальной плоскости нижнего полувкладыша по направлению вращения вала, при этом на его рабочей поверхности, на пересекающихся осях, дополнительно выполняют профилированную полость, представляющую собой эксцентричную расточку прямоугольного сечения и сообщенную с каналами подвода смазки, а также дополнительную профилированную полость для отвода смазки, которую устраивают под углом не более 45° к горизонтальной плоскости против направления вращения вала и по всей ширине рабочей поверхности нижнего полувкладыша, причем непосредственно в упомянутой полости и на расстоянии, составляющем не менее 10% ширины вкладыша от его торцов, симметрично выполняют дополнительные радиальные каналы, расположенные под углом не более 42° к горизонтальной плоскости против направления вращения вала, а в верхнем полувкладыше с обоих торцов его рабочей поверхности выполняют расположенные под углом к рабочей поверхности радиальные скосы.2. Радиальный подшипник скольжения роторов по п.1, отличающийся тем, что профилированная полость, выполненная на рабочей поверхности нижнего полувкладыша в виде эксцентрической расточки прямоугольного сечения, имеет глубину не менее 2,5 мм и ширину, составляющую не менее 65% от ширины рабочей поверхности нижнего полувкладыша.3. Радиальный подшипник скольжения роторов по п.1, отличающийся тем, что дополнительная профилированная полость для отвода смазки имеет прямоугольный профиль и выполнена с глубиной не менее 2 мм.4. Радиальный подшипник скольжения роторов по п.1, отличающийся тем, что радиальные скосы в верхнем полувкладыше выполняют с длиной, составляющей не менее 25% от ширины рабочей поверхности вкладыша, и располагают под углом, составляющем не менее 2° к его рабочей поверхности.5. Радиальный подшипник скольжения роторов по п.1, отличающийся тем, что на рабочей поверхности самоустанавливающегося сегмента дополнительно выполняют карманы, снабженные внутренними перекрестными каналами дозированного подвода смазки высокого давления и которые располагают симметрично по торцам сегмента на расстоянии, составляющем не менее 8% от ширины вкладыша, и под углом не менее 14° к его вертикальной оси.