ГАЗОСТАТИЧЕСКИЙ РАДИАЛЬНО-ОПОРНЫЙ ПОДШИПНИК С РЕГУЛЯТОРОМ ПОЛОЖЕНИЯ ВАЛА Российский патент 2009 года по МПК F16C32/06 G05B11/44 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к газостатическим опорам скольжения, и может быть использовано в устройствах с вращающимися валами, и особенно в турбоустановках общепромышленного назначения, в том числе в газовой промышленности, а также на авиационных газотурбинных двигателях.

Известен "Газостатический подшипник", патент США №7066652, МПК F16C 32/06, от 26.01.2007. В нем рассматривается шпиндельное устройство, в котором бесконтактное положение вала в опорах корпуса обеспечивается подачей газа под давлением извне к кольцевым вкладышам с имеющимися в них организованной системой дросселей для стабилизации положения вала в радиальном и осевом направлениях.

Основным недостатком данного устройства является незащищенность системы при изменении нагрузки на шпинделе, а также в условиях инерционных и вибрационных нагрузок.

Известен "Газостатический подшипник", свидетельство на полезную модель РФ №26092, МПК F16C 32/06, от 10.11.2002, в котором управление положением вала в опорах подшипника при действии внешних возмущений - инерционных, вибрационных нагрузок, возлагается на пневматический струйный регулятор.

В состав регулятора, кроме струйных блоков управления, входят индикаторные сопла, регистрирующие положение и перемещение вала, опорные дроссели, подающие воздух под давлением в циркуляционный зазор подшипника от источника питания.

Парные индикаторные сопла и им соответственные опорные дроссели размещены на корпусе подшипника по двум осям координат диаметрально противоположно, причем ось ординат при горизонтальном положении вала совпадает с направлением действия сил земного притяжения и пересекается в центре подшипника с его горизонтальной осью.

Индикаторные сопла на корпусе подшипника связаны трубопроводами с соответствующими входами каналов управления в струйных блоках регулятора, а их выходы (блоков) соединены с соответствующими опорными дросселями, обеспечивая подачу воздуха с противоположных сторон вала.

Основным недостатком данного устройства является то, что подача воздуха в циркуляционный зазор с необходимым расходом воздуха обеспечивается струйным блоком регулирования, который должен обладать при этом высоким коэффициентом усиления по расходу воздуха при необходимом уровне его давления. В этом случае возникает необходимость увеличения в блоке управления числа каскадов усиления, увеличения размеров каналов струйных элементов с соответствующим увеличением габаритов и массы блока управления, что в авиационной практике нежелательно, особенно при больших размерах вала мощных двигателей.

Задачей заявляемого технического решения является устранение недостатка, связанного с требованием обеспечения в струйных блоках регуляторов высокого коэффициента усиления по расходу воздуха при необходимом уровне давления.

Авторами предлагается применение мембранно-тарельчатых узлов, связанных со струйными пневматическими блоками управления, обеспечивающие необходимый уровень давления в коммуникационных трубопроводах подачи воздуха соответствующих плеч системы к опорным дросселям частичным сбросом его в атмосферу до момента выравнивания сил давления на противоположных сторонах вала подшипника. Применение мембранно-тарельчатых узлов позволяет развязать подачу воздуха в циркуляционный зазор от подачи воздуха в блок управления, обеспечивая подачу воздуха к опорным дросселям непосредственно от источника питания.

Технический результат достигается в заявляемом газостатическом радиально-опорном подшипнике с регулятором положения вала, содержащем корпус, вал, диаметрально противолежащие парные индикаторные сопла, установленные по двум осям координат и разделенные валом, и соответствующие им диаметрально противоположные парные опорные дроссели, дроссели настройки, регуляторы положения вала, коммуникационные трубопроводы, причем каждая пара индикаторных сопел, предназначенных для пневматической регистрации положения и перемещения вала, установлена диаметрально противоположно и соосно, а их оси проходят через центр окружности подшипника, при этом одна из осей совпадает с направлением действия силы тяжести - ось ординат, а другая ось перпендикулярна ей, а соответствующая каждой паре индикаторных сопел каждая пара опорных дросселей установлена также диаметрально противоположно и соосно по своим собственным осям, проходящим через центр окружности подшипника, и с направлениями осей, совпадающими с направлениями осей индикаторных сопел, в количестве не менее одной пары на одной оси, и предназначенные для подачи воздуха от источника питания в циркуляционный зазор подшипника, регулятор положения вала включает два струйных блока управления, при этом входы каналов каждого струйного блока управления сообщены с соответствующими парами индикаторных сопел, при этом согласно изобретению каждый струйный блок управления связан с мембранно-тарельчатым узлом, включающим самоустанавливающиеся летающие мембраны тарельчатого типа с боковыми сферическими поверхностями, при этом каждый мембранно-тарельчатый узел имеет глухую мембранную камеру, подсоединенную к соответствующему выходу соответствующего струйного пневматического блока управления, причем с другой стороны мембраны каждый мембранно-тарельчатый узел имеет открытую камеру, связанную с атмосферой и имеющую сопло, связанное с соответствующим коммуникационным трубопроводом, подающим воздух к соответствующим опорным дросселям.

На концевых участках вала подшипника выполнены спиралеобразные шнеки, создающие при вращении вала противоток основному потоку воздуха в его циркуляционном зазоре.

Одной из важных частей системы управления является контур регистрации положения вала в опорах с помощью индикаторных сопел, размещенных на корпусе по двум осям координат.

При этом первая пара индикаторных сопел, разделенная валом, расположена диаметрально противоположно по одной и той же оси, совпадающей с направлением действия силы земного притяжения при горизонтальном положении вала. Вторая пара индикаторных сопел также диаметрально противоположна расположена по оси, перпендикулярной оси первой пары, а также перпендикулярной поверхности вала.

Индикаторные сопла в сочетании с поверхностью вала выполняют функции известного в автоматике элемента "Сопла-Заслонки", с помощью которых пневматически регистрируется положение и перемещение вала подшипника в опорных поверхностях по двум осям координат.

Опорные дроссели располагаются также парно, по меньшей мере, в количестве двух пар, в соответствии с каждой парой индикаторных сопел, т.е. оси каждой пары опорных дросселей направлены параллельно осям соответствующей пары индикаторных сопел.

Опорные дроссели служат для подачи воздуха от источника питания под необходимым уровнем давления с противоположных сторон поверхности вала для его перемещения или фиксации его положения в циркуляционном зазоре подшипника.

В схеме системы входы каждых индикаторных сопел связаны коммуникационными трубопроводами с соответствующими противоположными каналами управления двух струйных блоков управления, а их выходные каналы струйных блоков усиления подсоединены коммуникационными трубопроводами к глухим камерам мембранно-тарельчатых узлов.

Каждый из противоположных опорных дросселей, по меньшей мере, в двух парах подсоединен к соответствующему соплу, расположенному над мембранно-тарельчатым узлом с его открытой камерой, связанным с атмосферой, что дает возможность сбрасывать давление воздуха в опорном дросселе и соответственно в этой части циркуляционного зазора для перемещения вала в необходимом направлении.

Сопло мембранно-тарельчатого узла в сочетании с примыкающей к нему мембраной выполняют функции элемента "Сопла-Заслонки" с возможностью пропорционального регулирования давления воздуха, а также прекращения сброса давления от опорного дросселя при соответствующем давлении в глухой камере мембранно-тарельчатого узла, поступающего от струйного блока управления.

Такое построение струйных систем управления положением вала в опорах подшипника позволяет выполнять струйные блоки управления с существенно меньшим коэффициентом усиления по расходу воздуха, сократить число каскадов усиления в струйном блоке с уменьшением размеров каналов струйных элементов и увеличением их быстродействия для парирования перегрузок в большем диапазоне их изменения. Кроме этого такое выполнение системы управления положением вала в циркуляционном зазоре подшипника по двум осям координат позволяет существенно сблизить его геометрические и физические центры, что устраняет причину возникновения и развития вибрационных автоколебаний в газовых высокоскоростных радиально-опорных подшипниках.

Газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала, в котором мембранные узлы выполняются мембранно-тарельчатого типа с самоустанавливающимися, летающими, подвешенными тарелками, имеющими боковую сферическую направляющую поверхность, позволяет повысить их чувствительность в системе управления положением вала.

Газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала, в котором на концевых участках вала в подшипнике выполнены спиралеобразные шнеки, аналогичные по принципу своей работы шнековым насосам, обеспечивает уменьшение расхода воздуха в системе при соответствующем вращении вала, создавая противоток основному потоку воздуха в циркуляционном зазоре подшипника.

Предложенная система автоматического управления (САУ) положением вала газостатического радиально-опорного подшипника со струйным регулятором увеличивает ее эксплуатационную надежность вследствие нечувствительности струйных элементов к изменению температуры окружающей среды, к внешним вибрациям, ударным нагрузкам, электромагнитным и радиационным возмущениям.

Подача воздуха от источника питания, например от аккумулятора, обеспечивает надежную работу газостатического радиально-опорного подшипника с регулятором положения вала в период запуска и остановки объекта.

На фиг.1 схематично показан газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала, включая схему струйной пневматической САУ положением вала с мембранно-тарельчатым узлом.

На фиг 2 показан вид по А-А подшипника с индикаторными соплами.

На фиг.3 показан вид по Б-Б подшипника с опорными дросселями.

На фиг.4 показан вид по В-В подшипника с опорными дросселями.

На фиг.5 показана конструктивная схема мембранно-тарельчатого узла, выполняющего в сочетании мембраны с соплом функции работы "Сопла-Заслонки", где 60 - мембрана, 61 - сопло, 62 - пружина, 63 - глухая камера.

На фиг.6 показана, в качестве примера, характеристика САУ со струйными элементами, отображающая зависимость выходных давлений в струйном блоке управления от величины перепада давлений в каналах управления первичного струйного элемента с зоной нечувствительности.

Газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала, показанный на фиг.1, 2, 3, 4, содержит корпус 1 с размещенным в нем валом 2, диаметрально противолежащими парными индикаторными соплами 3, 4, 5, 6 и соответствующими им диаметрально противолежащими парными опорными дросселями 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14. Причем первая пара указанных индикаторных сопел 3 и 4, разделенных валом, расположена по одной оси диаметрально противоположно перпендикулярно поверхности вала, совпадающей с направлением действия силы земного притяжения при горизонтальном положении вала подшипника.

Вторая пара индикаторных сопел 5 и 6 также диаметрально противоположна, расположена по оси, перпендикулярной оси первой пары и также перпендикулярной поверхности вала подшипника.

Опорные дроссели 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 располагаются парно, по меньшей мере, в количестве двух пар, в соответствии с каждой парой индикаторных сопел 3, 4, 5, 6, т.е. оси каждой пары опорных дросселей 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 направлены параллельно осям соответствующей пары индикаторных сопел 3, 4, 5, 6.

Оси опорных дросселей 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 также перпендикулярны окружной поверхности вала подшипника и пересекают горизонтальную ось вала в центре ее окружности.

Система регулирования положением вала в опорах подшипника на фиг.1, включает в себя два струйных блока управления 15 и 16 с каналами управления первичных струйных элементов 17, 18, 19, и 20.

В регуляторе положения вала каждый выход 21, 22, 23 и 24 каждого струйного блока управления 15 и 16 снабжен соответственно мембранным узлом 25, 26, 27 и 28, каждый из которых имеет глухую мембранную камеру соответственно 29, 30, 31 и 32, подсоединенную к соответствующему выходу соответствующего струйного блока управления, причем с другой стороны мембраны каждый мембранный узел имеет камеру, сообщенную с атмосферой 33, 34, 35 и 36, и имеющую сопло соответственно 37, 38, 39 и 40, связанное с соответствующим трубопроводом, подающим воздух к соответствующим опорным дросселям. Каждое сопло 37, 38, 39 и 40 камер, связанных с атмосферой, нормально закрыто.

Один вход 17 канала управления первого струйного блока управления 15 сообщен соответственно с первым индикаторным соплом 3 пары индикаторных сопел 3 и 4. Второй вход 18 канала управления первого струйного блока управления 15 сообщен соответственно со вторым индикаторным соплом 4 пары индикаторных сопел 3 и 4.

Соответствующий входу 17 выход 21 первого струйного блока управления 15 связан с глухой камерой мембранно-тарельчатого узла 29.

Второй выход 22 первого струйного блока управления 15, соответствующий входу канала управления 18, связан с глухой камерой мембранно-тарельчатого узла 30.

При этом если сила давления воздуха в выходных каналах 21 и 22 блоков управления больше силы давления от опорных дросселей 7, 8, 9 и 10, соответственно мембраны 41 и 42 закрывают сопла 37, 38, не допуская слива воздуха и снижения давления в циркуляционном зазоре подшипника. Аналогичная картина работы блока управления 16 с мембранными узлами 27 и 28. Вход 19 канала первичного струйного элемента блока 16 сообщен с индикаторным соплом 5 пары индикаторных сопел 5 и 6, а его второй вход 20 канала первичного струйного элемента сообщен со вторым индикатором соплом 6. Соответствующий входу 19 выход 23 второго струйного блока управления 16 связан с глухой камерой 31 мембранного узла 27.

Соответствующий входу 20 выход 24 второго струйного блока управления 16 связан с глухой камерой 32 мембранного узла 28. В этом случае, если сила давления в глухих камерах 31, 32 будет больше силы давление от опорных дросселей 11, 12, 13, 14, то соответственно мембраны 43 и 44 закрывают сопла 39 и 40, не допуская слива воздуха и снижения давления в циркуляционном зазоре подшипника.

При отсутствии слива воздуха через сопла 37, 38, 39, 40 работа системы соответствует расчетному режиму в зоне нечувствительности.

Источником питания системы воздуха служит компрессор 45 объекта; при этом магистраль связи отбора воздуха содержит редукционный клапан 46 и фильтр 47. Магистраль питания воздухом от аккумулятора 48 содержит трубопровод с краном 49 и обратным клапаном 50.

САУ газостатического радиально-опорного подшипника кроме указанных ранее узлов и элементов имеют дроссели настройки 51, 52, 53, 54, 55, 56 и 57, которые расположены в магистралях связи - коммуникационных трубопроводах.

Указанные дроссели настройки необходимы для обеспечения требуемого давления и расхода воздуха, подаваемого к индикаторным соплам, опорным дросселям и узловым элементам системы в зависимости от параметров подшипника.

На фиг.5, где изображена конструктивная схема мембранно-тарельчатого узла, выполняющего в сочетании мембраны с соплом функции работы "Сопла-Заслонки", показаны: 60 - мембрана, 61 - сопло, 62 - пружина, 63 - глухая камера.

Газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала работает следующим образом.

До начала работы системы автоматического управления вал 2 подшипника под действием силы тяжести находится на нижней части его опорной поверхности и закрывает собой индикаторное сопло 3. Для того чтобы исключить контакт вала с опорной частью подшипника в период запуска двигателя или его остановки, питание системы воздухом осуществляется от аккумулятора 48.

После открытия крана 49 и подачи воздуха в систему от аккумулятора 48 давление в канале 17 струйного блока управления 15 будет больше, чем на входе канала управления 18, так как индикаторное сопло 3 прикрыто валом 2, а индикаторное сопло 4 - раскрыто.

В соответствии с характеристикой блока управления (фиг.6), при создавшемся перепаде давления в каналах управления блока 15 давления в глухой камере 29 будет существенно больше, чем в камере 30. При этом мембрана 41 закроет сопло 37, и мембрана 42 раскроет сопло 38. В результате создается перепад давления в опорных дросселях 7, 9 и 8, 10, вал 2 отрывается от нижней части опоры подшипника и перемещается к его центру до расчетного положения в зоне нечувствительности, когда силы давления на противоположных сторонах вала выравниваются с учетом силы земного притяжения.

При возникновении внешних возмущений, например при маневрах летательного аппарата в виде инерционных сил от перегрузок, происходит изменение положения вала относительно опорной поверхности подшипника.

В качестве примера рассмотрим случай действия инерционных сил в направлении, обратном действию сил земного притяжения. В этом случае зазор между валом 2 и индикаторным соплом 4 сокращается, давление в магистрали и соответственно на входе 18 канала управления струйного блока 15 (см. фиг.1) увеличивается, что вызывает уменьшение давления на выходе 21 струйного блока 15 и соответственно уменьшение давления в глухой камере мембранного узла 25. Мембрана 41 при этом открывает сопло 37, уменьшая давление в магистрали с дросселем настройки 57 и перед дросселями 7 и 8, не допуская движение вала 2 к верхней опоре подшипника, заставляя вал 2 двигаться к исходному положению. При появлении перегрузки, совпадающей с направлением действия сил земного притяжения, аналогичная картина работы системы происходит с мембранным узлом 26, приводя к уменьшению давления перед дросселями 9 и 10, вызывая возврат вала 2 к исходному положению в зоне нечувствительности.

При действии перегрузок в направлении, перпендикулярном действию сил земного притяжения, в работе системы участвуют сопла 5 и 6, с помощью которых (по аналогии с описанием работы САУ с соплами 3 и 4) регистрируется положение вала в циркуляционном зазоре подшипника также по перепаду давлений воздуха в этой плоскости (без участия сил земного притяжения). Здесь в работе САУ для стабилизации положения вала в подшипнике участвуют мембранные узлы 27 и 28, а также опорные дроссели 11, 12, 13, 14.

При действии перегрузок под углом к направлению действия силы земного притяжения в работе системы участвуют все индикаторные сопла 3, 4, 5, 6, мембранные узлы 25, 26, 27, 28 и опорные дроссели 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14. Работа системы в этом случае аналогична описанной работе в рассмотренных примерах.

Газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала, в котором мембранные узлы выполнены мембранно-тарельчатыми с самоустанавливающимися, летающими, подвешенными тарелками, имеющими боковую сферическую направляющую поверхность, как показано на фиг.5, позволяет увеличить чувствительность и быстродействие САУ.

Для уменьшения расхода воздуха в системе на концевых участках вала 2, находящихся в подшипнике 1, выполнены спиралеобразные шнеки 58, 59, создающие подобно шнековым насосам противоток, который обеспечивает увеличение сопротивления движению основному потоку воздуха по длине циркуляционного зазора. Это позволяет снизить расход воздуха в системе.

Предлагаемое изобретение позволяет автоматически парировать (в том числе и вибрационные) колебания валов, как в самих подшипниках, так и по их длине в сложных газотурбинных установках с различными условиями нагрузок на валы при соответствующем размещении индикаторных сопел и опорных дросселей регуляторов САУ его на критических участках.

Предлагаемое автоматическое устройство регулирования положения вала позволяет существенно сблизить геометрические и физические центры подшипника, что устраняет причину внешних вибрационных колебаний вала в газовых высокоскоростных подшипниках.

Предлагаемое изобретение с мембранными узлами позволяет сократить расход воздуха в регуляторе, что дает возможность применить струйные элементы с уменьшенными размерами каналов и увеличить их быстродействие для парирования перегрузок и быстроизменяющихся нагрузок в большем диапазоне их изменения.

Предлагаемая система автоматического управления положения вала в подшипнике со струйным блоком, выполненным без подвижных деталей, на элементах струйной техники, обеспечивает нечувствительность системы к изменению температуры, внешним вибрациям и электромагнитным радиационным возмущениям.

Предлагаемая система автоматического управления положением вала в подшипнике с подачей воздуха от аккумулятора обеспечивает надежную работу объекта в период запуска и его остановок.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к газостатическим опорам скольжения, и может быть использовано в устройствах с вращающимися валами, и особенно в турбоустановках общепромышленного назначения, в том числе в газовой промышленности, а также на авиационных газотурбинных двигателях. Газостатический радиально-опорный подшипник включает корпус подшипника (1), вал (2), диаметрально противолежащие парные индикаторные сопла (3, 4, 5, 6), разделенные валом (2), и соответствующие им диаметрально противоположные парные опорные дроссели (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14), дроссели настройки (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57), регулятор положения вала, включающий два струйных блока управления (15, 16) с каналами управления первичных струйных элементов (17, 18, 19, 20), коммуникационные трубопроводы. Входы каналов (21, 22, 23, 24) каждого блока (15) и (16) сообщены с соответствующими парами сопел (3, 4, 5, 6). Каждый блок (15) и (16) связан с узлом (25, 26, 27, 28), включающим мембраны (41, 42, 43, 44) и глухие мембранные камеры (29, 30, 31, 32), подсоединенные к соответствующим выходам соответствующего блока (15) и (16). С другой стороны мембраны (41, 42, 43, 44) каждый узел (25, 26, 27, 28) имеет открытую камеру (33, 34, 35, 36), связанную с атмосферой и имеющую сопло (37, 38, 39, 40), связанное с соответствующим трубопроводом, подающим воздух к соответствующим дросселям (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14). На концевых участках вала (2) выполнены шнеки (58, 59), создающие при вращении вала (2) противоток основному потоку воздуха в его циркуляционном зазоре. Технический результат: сокращение расхода воздуха в регуляторе, обеспечение нечувствительности системы управления к изменению температуры, обеспечение надежной работы объекта в период запуска и его остановок. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала, содержащий корпус, вал, диаметрально противолежащие парные индикаторные сопла, установленные по двум осям координат и разделенные валом, и соответствующие им диаметрально противоположные парные опорные дроссели, дроссели настройки, регулятор положения вала, коммуникационные трубопроводы, причем каждая пара индикаторных сопел, предназначенных для пневматической регистрации положения и перемещения вала, установлена диаметрально противоположно и соосно, а их оси проходят через центр окружности подшипника, при этом одна из осей совпадает с направлением действия силы тяжести - ось ординат, а другая ось перпендикулярна ей, при горизонтальном положении вала подшипника, а соответствующая каждой паре индикаторных сопел каждая пара опорных дросселей установлена также диаметрально противоположно и соосно по своим собственным осям, проходящим через центр окружности подшипника, и с направлениями осей, совпадающими с направлениями осей индикаторных сопел, в количестве не менее одной пары на одной оси, и предназначенные для подачи воздуха от источника питания в циркуляционный зазор подшипника, регулятор положения вала включает два струйных блока управления, при этом входы каналов управления каждого струйного блока сообщены с соответствующими входами индикаторных сопел, отличающийся тем, что каждый выход струйных блоков управления связан со своим соответствующим мембранно-тарельчатым узлом, включающим самоустанавливающиеся летающие мембраны тарельчатого типа с боковыми сферическими поверхностями, при этом каждый мембранно-тарельчатый узел имеет глухую мембранную камеру, подсоединенную к соответствующему выходу соответствующего струйного пневматического блока управления, причем с другой стороны мембраны каждый мембранно-тарельчатый узел имеет открытую камеру, связанную с атмосферой и имеющую сопло, связанное с соответствующим коммуникационным трубопроводом, подающим воздух к соответствующим опорным дросселям.2. Газостатический радиально-опорный подшипник с регулятором положения вала по п.1, отличающийся тем, что на концевых участках вала подшипника выполнены спиралеобразные шнеки, которые создают при вращении вала противоток основному потоку воздуха в его циркуляционном зазоре.