ОПОРНЫЙ ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ ВАЛА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2004 года по МПК F16C17/02 F16C23/02 

Предлагаемое изобретение относится к области энергомашиностроения, конкретно турбостроения, в частности, к разработке конструкций и производству опорных подшипников скольжения валов мощных турбоагрегатов и турбогенераторов.

Известны конструкции опорных подшипников скольжения, содержащих наружную и внутреннюю кольцевые обоймы со сферическими поверхностями, с установленными между ними антифрикционными и полуэластичными материалами и зафиксированными с помощью выступов и впадин на внутренней поверхности наружной обоймы (патент РФ №2186267, опубл. Б.И. №21, 2002 г., патент РФ №2179269, опубл. Б.И. №4, 2002 г.).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, относится то, что в известных устройствах вследствие не предусмотренной возможности подвода смазки к сферическим контактным поверхностям вкладыша, наблюдается повышенные трение и, соответственно, износ. При этом известные устройства сложны в изготовлении в силу необходимости использования дополнительной операции расплава под давлением полиамидных материалов, а также недостаточно надежны при длительной эксплуатации в агрегатах, особенно в условиях повышенных удельных нагрузок и температур.

Известны конструкции опорных подшипников скольжения, содержащие верхний и нижний полувкладыши со сферическими опорными поверхностями и снабженные внутренними полукольцевыми каналами основного подвода смазки, расположенными в верхнем полувкладыше, при этом подвод смазки выполнен через выемку в горизонтальной плоскости против направления вращения вала (Вишнивецкий М.Г., Мищенко Ю.И. Совершенствование радиальных подшипников турбин. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1975 г., с. 10-15).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, относится то, что опорные сферические поверхности вкладыша и корпуса выполнены без зазоров между ними, что не обеспечивает возможность перемещения вкладыша относительно вала при перекосах его опор в процессе эксплуатации турбомашины. Более того, подвод смазки осуществляют через выемку, расположенную в зоне отрицательных давлений и насыщаемую воздухом, подсасываемым из торцов подшипника. Смазка, пройдя через верхний полувкладыш, поступает к рабочей поверхности нижнего полувкладыша уже нагретой и вспененной, что приводит к появлению температурного градиента и снижению несущей способности подшипника, а также повышению расхода смазки и возрастанию потерь мощности турбоагрегата на трение.

Наиболее близким устройством аналогичного назначения к предлагаемому по совокупности признаков и выбранном в качестве прототипа является устройство опорного подшипника скольжения, включающее верхний и нижний полувкладыши с опорными сферическими поверхностями, снабженное внутренним кольцевым каналом подвода смазки одновременно в верхнем и нижнем полувкладышах, из которого смазка поступает в выемку в горизонтальной плоскости, расположенную со стороны по направлению вращения вала непосредственно в зону начала образования гидродинамического клина в нижнем полувкладыше (Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. М., 1990 г., с. 118, 125, 135).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве не обеспечивается свободное перемещение вкладыша относительно вала, отсутствует возможность дополнительного дозированного подвода смазки к опорным сферическим поверхностям вкладыша, а также не обеспечены оптимальные условия смазки и дополнительного отвода отработанной смазки в нижнем и верхнем полувкладышах, что приводит к повышению температурного уровня и в целом к снижению несущей способности и надежности работы подшипника.

Желаемый технический результат состоит в создании оптимальных условий смазки и улучшении теплового режима работы вкладыша опорного подшипника скольжения, что в комплексе обеспечивает повышение вибрационной надежности, несущей способности, демпфирующих свойств опорного подшипника, его способности к унификации и последующей модернизации, ремонтопригодности, а также снижению износа и трения, расхода смазки, что очевидно обеспечивает повышение экономичности турбоагрегата за счет снижения потерь его мощности на трение, а также повышает надежность работы и технико-экономические показатели турбомашины в целом.

Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого изобретения достигается тем, что в опорном подшипнике скольжения вала турбомашины, содержащем разъемную обойму, верхний и нижний полувкладыши, снабженные взаимно сопряженными с внутренней расточкой обоймы опорными сферическими подушками, причем в нижнем полувкладыше от его рабочей поверхности к опорной сферической поверхности нижней обоймы выполнены не менее двух внутренних перекрестных каналов дозированного подвода смазки высокого давления, между контактными сферическими поверхностями обойм и опорных подушек выполняют минимальный зазор, равный не менее 0,004 диаметра сферы, а в нижней обойме обеспечивают дозированный подвод смазки высокого давления попеременно от внутреннего (на номинальном режиме) и внешнего источника с использованием обратного клапана (на режимах пуска и останова) минимально по двум разветвленным внутренним каналам, соединенных с перекрестными внутренними каналами в нижнем полувкладыше и полостями карманов, расположенных на его рабочей поверхности и на сферической поверхности обоймы в зонах их соединений, при этом основной подвод смазки на рабочую поверхность выполняют в нижнем полувкладыше путем расположения подводящих смазку каналов под углом 40-45° к горизонтальной плоскости вкладыша и по направлению вращения вала, а дополнительный отвод отработанной смазки в нижнем полувкладыше обеспечивают путем снабжения устройства опорного подшипника профилированной полостью, располагаемой по всей ширине вкладыша, начало которой определено и расположено под углом 40-45° к горизонтальной плоскости вкладыша против направления вращения вала, а также двух симметричных каналов в радиальном направлении на торцах полости, при этом в верхнем полувкладыше отвод отработанной смазки осуществлен за счет выполнения полости по всей ширине вкладыша, при этом начало которой расположено под углом 10-15°, а окончание под углом 35-40° к вертикальной оси по направлению вращения вала, а также выполняют дополнительные каналы на торцевой плоскости полости, направленные в тангенциальном направлении относительно вала в сторону его вращения.

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 опорного подшипника скольжения вала турбомашины принципиальные и неочевидные конструктивные изменения, а также снабдил его новыми элементами и связями. При таком конструктивном исполнении опорного подшипника скольжения в результате практической реализации предлагаемого устройства:

Во-первых, за счет выполнения опорных взаимно сопряженных сферических поверхностей, с минимальным зазором между ними и одновременной организации дополнительного дозированного подвода смазки высокого давления попеременно от внутреннего и внешнего источника с использованием обратного клапана по внутренним перекрестным каналам на опорную сферическую поверхность, обеспечивается надежность самоустановки вкладыша относительно вала турбомашины, а также создаются рациональные условия для обеспечения равномерности и улучшения температурного уровня и надежности работы подшипника при номинальных и повышенных удельных нагрузках.

Во-вторых, путем оптимальной организации подвода и дополнительного отвода отработанной смазки в верхнем и нижнем полувкладышах температура подвода смазки сохраняется неизменной от номинального значения, что обусловлено исключением перемешивания подаваемой и отработанной смазки, эффективный отвод которой обеспечивается полостями 20 и 22, каналами 21 и 23 и пазами 26 (см. фиг.2).

В-третьих, за счет применения подвижных масляных уплотнений 24 дополнительно обеспечивается свободная самоустановка вкладыша относительно вала и снижение протечек смазки через уплотнения при всех максимально возможных тепловых расцентровках и перекосах опор валопровода турбомашин.

В-четвертых, вследствие практического наличия перекосов опор и тепловых расцентровок валопровода турбоагрегатов, постоянно возникающих при их эксплуатации, на номинальном режиме работы, соответственно, на торцах рабочей поверхности опорного подшипника давление и зазоры в слое смазки значительно отличаются по абсолютной величине. Выполнение взаимно сопряженных сферических поверхностей вкладыша и обоймы с зазором между ними уже позволяет обеспечить его минимальную самоустановку относительно вала в продольном направлении, а организация внутренних перекрестных каналов дозированного подвода смазки высокого давления дополнительно улучшает самоустановку вкладыша относительно вала за счет автоматического поступления смазки более высокого давления на противоположную сторону опорной сферической поверхности вкладыша, что обеспечивает мгновенность его поворота, а также способствует повышению вибрационной надежности вследствие полного исключения перекосов на рабочей поверхности, возможности возникновения низкочастотной вибрации, а также снижению износа, сглаживанию температурного градиента. 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, можно сделать вывод, что предлагаемое заявителем устройство обеспечивают достижение усматриваемого им неочевидного технического результата, а именно заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На чертежах, поясняющих сущность заявленного изобретения, представлены: на фиг.1 - продольный разрез по плоскости Б-Б опорного подшипника скольжения; на фиг.2 - поперечный разрез опорного подшипника скольжения по плоскости А-А; на фиг.3 - вид Г (в плане) на фиг.2 нижнего полувкладыша.

Опорный подшипник скольжения (фиг.1-3) состоит из верхней 1 и нижней 2 обойм, из верхнего 3 и нижнего 4 полувкладышей, включающих опорные сферические подушки 5, рабочую поверхность 6 из антифрикционного сплава, на которой в нижнем полувкладыше выполнены гидростатические карманы 7 и внутренние перекрестные каналы 8 и 9, направленные к контактным сферическим поверхностям нижней обоймы 10 с расположенными в ней полостями 11, соединенными осевым каналом 12 дозированного подвода смазки высокого давления 13 от внешнего источника, включающего обратный клапан 14. Основной подвод смазки 15 осуществлен через отверстие 16 в обоймах и полувкладышах и каналы 17 в нижнем полувкладыше под углом α₁=40-45° к горизонтальной плоскости по направлению вращения вала “ω” на эксцентричную расточку 18, расположенной на рабочей поверхности 6 на пересекающихся осях с каналами 18. В нижнем полувкладыше 4 дополнительный отвод отработанной смазки 19 осуществлен через профилированную полость 20, расположенную на рабочей поверхности под углом α₂=40-45° к горизонтальной плоскости против направления вращения вала “ω”, и радиальные каналы 21 в полостях 20 под углом α₃=42° к горизонтальной плоскости, а в верхнем полувкладыше 3 дополнительный отвод отработанной смазки выполнен через полость 22, начало которой расположено под углом α₄=10-15° к вертикальной оси по направлению вращения вала “ω”, и каналы 23, направленные тангенциально относительно вала в сторону вращения вала “ω”.

Подвижность и соответственно самоустановка вкладыша относительно вала в осевом направлении, во-первых, обеспечивается взаимно сопряженными сферическими поверхностями обойм 1 и опорных подушек 5, имеющих гарантированный минимальный зазор, равный не менее 0,004 диаметра сферы, а также выполнением дозированного подвода смазки высокого давления 13 к внутренним перекрестным каналам 8, 9 от внешнего источника на режимах пуска и останова турбомашин, а на номинальном режиме работы турбоагрегата - путем отбора смазки повышенного давления из развитого гидродинамического клина между вкладышем и валом (т.е. внутреннего источника) через карманы 7, внутренние перекрытия и каналы 8, 9 к полостям 11 на сферической поверхности нижней обоймы 2, и во-вторых за счет применения подвижных масляных уплотнений 24, не ограничивающих подвижность вкладыша при возможных расцентровках вала и перекосах опор турбомашин.

В корпусе 25 нижних половин подвижных масляных уплотнений 24, а также в теле нижнего полувкладыша 4 выполнены симметричные пазы 26 для слива отработанной смазки из межуплотнительного пространства 27.

Опорный подшипник скольжения работает следующим образом.

Смазка при номинальном давлении 0,06-0,12 МПа поступает через отверстие 16, каналы 17, эксцентричную расточку 18 на рабочую поверхность 6 из антифрикционного материала нижнего полувкладыша 4. С началом вращения вала и по мере увеличения его частоты вращения до номинального значения в гарантированном зазоре между валом и рабочей поверхностью образуется гидродинамический клин, что обуславливает всплытие вала, при этом несущая способность подшипника определяется величиной всплытия вала, его расположением относительно расточки в вертикальном и горизонтальном направлениях, температурным уровнем при различных нагрузках на различных режимах работы турбомашин.

Выполнение каналов подвода смазки под углом α₁=40-45° к горизонтальной плоскости по направлению вращения вала “ω”, т.е. близким к тангенциальному, обеспечивает повышенную скорость подачи, улучшает условия входа и распределения смазки на рабочую поверхность нижнего полувкладыша и, соответственно, повышает его несущую способность.

Свежая смазка из каналов 17, в направлении, близком к тангенциальному, попадает в эксцентричную расточку, расположенную на пересекающихся осях с каналами, что предотвращает нерациональное перетекание подаваемой смазки в верхний полувкладыш и улучшает условия входа смазки на рабочую поверхность нижнего полувкладыша.

Протяженность развитого гидродинамического клина в нижних полувкладышах большинства подшипников скольжения турбомашин на номинальном режиме составляет 100-140° с максимум давления в слое смазки, равным 5-8 МПа (в зависимости от величины нагрузки), и расположенным примерно под углом 15° к вертикальной оси по направлению вращения вала. Вследствие этого карманы 7 внутренних перекрестных каналов 8 и 9 дозированного подвода смазки высокого давления выполнены на рабочей поверхности нижнего полувкладыша под углом α₅=14-16° к вертикальной оси вкладыша по направлению вращения вала “ω” и расположены симметрично торцов его рабочей поверхности, а также продольной оси вкладыша, при этом карманы с каждого его торца соединены с центральными карманами 28, расположенными на оси вкладыша. Аналогичное расположение и выполнение полостей предусмотрено на внутренней сферической поверхности нижней обоймы 2 корпуса подшипника, соединенных радиальными отверстиями с каналом 12 подвода смазки высокого давления 13 с использованием обратного клапана 14 от внешнего источника.

Таким образом, на номинальном режиме работы турбомашины в результате образования гидродинамического клина в несущей его области из карманов 7, расположенных под углом α₅=14-16° к вертикальной оси, постоянно по внутренним перекрестным каналам 8, 9 осуществляется отбор и соответственно дозированный подвод смазки высокого давления (5-8 МПа) на опорную сферическую поверхность нижней обоймы в центральные полости на оси вкладыша 11, что позволяет обеспечить существенное улучшение подвижности сегмента за счет поступления смазки высокого давления и повышения демпфирующих свойств подшипника.

При пуске или останове турбомашины дозированный подвод смазки высокого давления 13 осуществляется от внешнего источника с использованием обратного клапана 14, при этом смазка поступает через канал 12 в нижней обойме через радиальные отверстия к полостям 11 и далее по внутренним перекрестным каналам 8, 9 к карманам 7, 28 на рабочей поверхности. В результате происходит всплытие вала на смазочном слое и при необходимости поворот вкладыша относительно продольной оси валопровода путем одновременного всплытия самого вкладыша в пределах минимального зазора между сферическими поверхностями относительно обоймы и его самоустановки за счет автоматического поступления смазки более высокого давления на противоположную и необходимую сторону взаимно сопряженных сферических поверхностей.

В нижнем полувкладыше на выходе из несущего слоя гидродинамического клина в зоне угла α₂=40-45° образуется область отрицательных давлений. Для снижения подсоса смазки и ее переноса в верхний полувкладыш 3 в этой области выполнены полость 20 и радиальные каналы 21, через которые часть горячей отработанной смазки отводится непосредственно в картер корпуса подшипника.

Остальное незначительное количество горячей отработанной смазки переносится на рабочую поверхность верхнего полувкладыша 3, и далее за счет выполнения полости 22 каналов 23, расположенных в тангенциальном направлении относительно вала в сторону его вращения, поступает в межуплотнительное пространство 27 и через пазы 26 в корпусе нижнего уплотнения 25 и нижнего полувкладыша 4 сливается в картер корпуса подшипника.

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 и эксплуатации 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 эффективную самоустановку подшипника в продольном направлении относительно валопровода на всех возможных режимах работы турбомашин, что в комплексе с оптимальными условиями и организации основного и дополнительного дозированного подвода, а также отвода отработанной смазки позволяет повысить вибрационную надежность и снизить температурные неравномерности и уровни рабочей поверхности подшипника при номинальных и повышенных удельных нагрузках, возникающих, например, при возможных тепловых расцентровках валопровода. Упомянутое способствует повышению вибрационной надежности, несущей способности, демпфирующих свойств опорного подшипника, унифицированности и ремонтопригодности подшипника, снижению износа и трения, расхода смазки, что очевидно обеспечивает повышение экономичности турбоагрегата за счет снижения потерь мощности на трение, а также повышает надежность его работы.

Опорный подшипник скольжения вала турбомашины предназначен для использования в производстве опорных подшипников скольжения, применяемых преимущественно для роторов мощных турбоагрегатов. Конструкция опорного подшипника скольжения содержит верхнюю и нижнюю обоймы корпуса подшипника, верхний и нижний полувкладыши, имеющие взаимно сопряженные с внутренней расточкой обойм опорные сферические подушки, в нижнем полувкладыше выполнено не менее двух перекрестных каналов дозированного подвода смазки высокого давления от внутреннего и внешнего источника с использованием обратного клапана, а опорные сферические поверхности выполняют с зазором между ними, что в комплексе обеспечивает самоустановку вкладыша относительно вала, при этом в верхнем и нижнем полувкладышах выполнены каналы и полости основного подвода смазки по направлению вращения вала под углом к горизонтальной плоскости и также дополнительного отвода отработанной смазки, расположенных в зоне, близкой к горизонтальной плоскости. Технический результат заключается в создании оптимальных условий смазки и улучшении теплового режима работы вкладыша опорного подшипника скольжения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Опорный подшипник скольжения вала турбины, включающий разъемную обойму корпуса подшипника, верхний и нижний полувкладыши, снабженные взаимно сопряженными с внутренней расточкой обоймы опорными сферическими подушками, причем в нижнем полувкладыше от его рабочей поверхности к опорной сферической поверхности нижней обоймы выполнены каналы дозированного подвода смазки высокого давления, отличающийся тем, что между контактными сферическими поверхностями обойм корпуса и опорных подушек вкладышей выполняют зазор, равный не менее 0,004 диаметра сферы обоймы, а нижнюю обойму снабжают не менее чем двумя разветвленными внутренними каналами для дозированного подвода смазки высокого давления попеременно от внутреннего и внешнего источника, соединенных с перекрестными внутренними каналами в нижнем полувкладыше и полостями карманов, расположенных на его рабочей поверхности и на сферической поверхности обоймы в зонах их соединений, при этом основной подвод смазки на рабочую поверхность выполняют в нижнем полувкладыше путем расположения подводящих смазку каналов под углом не менее 40° к горизонтальной плоскости вкладыша и по направлению вращения вала, а дополнительный отвод отработанной смазки в нижнем полувкладыше обеспечивают путем снабжения устройства опорного подшипника дополнительной профилированной полостью, располагаемой по всей ширине вкладыша, а также двумя каналами, симметрично расположенными в радиальном направлении и на торцах полости, при этом в верхнем полувкладыше выполняют дополнительную полость по всей ширине вкладыша для отвода отработанной смазки, а также выполняют дополнительные каналы на торцевой плоскости полости, направленные в тангенциальном направлении относительно вала в сторону его вращения.2. Опорный подшипник скольжения по п.1, отличающийся тем, что линии дозированного подвода смазки высокого давления попеременно от внутреннего и внешнего источника снабжают обратным клапаном.3. Опорный подшипник скольжения по п.1, отличающийся тем, что начало дополнительной профилированной полости в нижнем полувкладыше располагают под углом не более 45° к горизонтальной плоскости вкладыша против направления вращения вала, а начало дополнительной полости в верхнем полувкладыше располагают под углом не менее 10°, а окончание - под углом не менее 35° к вертикальной оси по направлению вращения вала.4. Опорный подшипник скольжения по п.1, отличающийся тем, что верхний и нижний полувкладыши снабжают подвижными масляными уплотнениями, располагаемыми на торцевых поверхностях упомянутых полувкладышей.