ПОДУШКА ОПОРНОГО ПОДШИПНИКА ДЛЯ ТУРБИНЫ Российский патент 2015 года по МПК F16C17/03 F01D25/16 

Настоящее изобретение относится к гидродинамическим подшипникам, в частности, для тяжелых роторов в силовых установках.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В гидродинамических подшипниках вращающийся объект, такой как вал, поддерживается стационарной подушкой подшипника посредством находящейся под давлением текучей среды, такой как масло, воздух или вода. Преимущество гидродинамических подшипников состоит в том, что, когда вращающийся объект движется, он не скользит по поверхности текучей среды. Вместо этого текучая среда, находящаяся в контакте с вращающимся объектом, прочно пристает к вращающемуся объекту, и движение сопровождается скольжением или сдвигом между частицами текучей среды по всей высоте пленки из текучей среды.

Таким образом, если вращающийся объект и контактирующий слой текучей среды движутся со скоростью, которая известна, скорость на промежуточных высотах толщи текучей среды уменьшается с известной скоростью до тех пор, пока текучая среда, находящаяся в контакте со стационарной подушкой подшипника, пристает к подушке подшипника и является неподвижной. Когда, вследствие нагрузки, происходящей в результате поддержки вращающегося объекта, подушка подшипника отклонится под небольшим углом к вращающемуся элементу, текучая среда будет всосана в клиновидный проем, и в пленке из текучей среды будет создано достаточное давление для выдерживания нагрузки. Этот факт используется в упорных подшипниках для гидравлических турбин и гребных валов судов, а также в традиционном гидродинамическом опорном подшипнике.

Как упорные подшипники, так и радиальные, или опорные, подшипники, обычно характеризуются поддерживающими вал подушками, расположенными на расстоянии друг от друга вокруг оси. Ось, возле которой расположены на расстоянии друг от друга подушки, обычно соответствует продольной оси вала, который необходимо поддерживать как для упорных, так и для опорных подшипников. Эту ось можно назвать главной осью.

В большой паровой турбине для образования целого ротора несколько ступеней лопаток установлены на валу паровой турбины и расположены на расстоянии друг от друга в осевом направлении вдоль вала. Каждый набор лопаток или деталей с аэродинамическим профилем, или каждая ступень турбины, изменяет энтальпию пара, проходящего в осевом направлении через турбину, что вынуждает ротор вращаться. На ротор действует сила пара, впущенного в турбину. Как хорошо известно в данной области техники, на направление и величину этой силы влияет конкретный режим управления работой турбины, т.е. режим полного впуска пара или режим частичного впуска. Поэтому, хотя ротор вращается главным образом вокруг своей оси, вал турбины под действием этих сил испытывает также как горизонтальные, так и вертикальные перемещения.

Обычно вдоль вала в разных местах по оси расположено множество подшипников. Некоторые подшипники паровой турбины включают в себя несколько подушек, которые отделяют вращающийся вал от корпуса подшипника. Эти подшипники, как правило, смазаны маслом, и некоторое количество этого масла распределено между лицевой поверхностью каждой подушки и поверхностью вала. В работе масло в промежутке между лицевой поверхностью подушки и поверхностью вала гидродинамически поднимает вал с лицевой поверхности подушки. Величина подъема, развиваемого в подшипнике, определяет жесткость подшипника к горизонтальным и вертикальным силам, действующим на вал. Таким образом, подшипник гасит горизонтальные и/или вертикальные перемещения вала, а также поддерживает с возможностью вращения вал без приложения к нему больших сил трения, которые замедляют вращение вала. Силы трения, присущие подшипнику, а следовательно, потери мощности сводятся к минимуму при помощи масляной пленки в промежутке, определяемом поверхностью вращающегося вала и лицевой поверхностью подушки. Кроме этого, масляная пленка охлаждает лицевую поверхность подушки, которая нагревается в результате трения, защищая тем самым целостность подшипника.

Из-за большого веса турбины, несомой валом, в сочетании со скоростью вращения вала подшипник, который теряет масляную пленку в одном или всех его промежутках, быстро разрушается, потому что поверхность вала стирает лицевую поверхность подушки, и в результате вал и/или лицевая поверхность подушки может становиться шероховатой. Получающаяся в результате неэффективность сработавшегося подшипника хорошо известно в данной области техники.

Помимо этого, когда поверхность вала вступает в скользящий контакт с лицевой поверхностью подушки, этим контактом порождаются большие силы трения, которые воздействуют на непосредственную производительность паровой турбины.

Поскольку гашение горизонтального и вертикального движения вала турбины является важной функцией подшипника, были разработаны подшипники с тремя подушками. Подшипник с тремя подушками уменьшает общую величину площади лицевой поверхности подушки, которая взаимодействует с поверхностью вала, снижая тем самым общий вязкий сдвиг масла и снижая вследствие этого общие силы трения и потери мощности, развиваемые в подшипнике. Однако доведение до минимума области контакта поверхности вала/лицевой поверхности подушки привносит дугообразные пространства между каждой подушкой, т.е. пространство, определяемое задним краем предыдущей подушки, передним краем следующей, или последующей, подушки, поверхностью вала и радиально внутренней поверхностью корпуса подшипника.

Поскольку смазочное масло охлаждает лицевую поверхность подушки, а также обеспечивает для вала поддержку, то через промежуток между лицевой поверхностью каждой подушки и смежной поверхностью вала обычно течет непрерывный поток масла. Масло выбрасывается вблизи заднего края каждой подушки. Выбрасываемое масло вспенивается в дугообразном пространстве, и считается, что такое вспенивание вызывает некоторую потерю мощности в подшипнике.

Такие подшипники описаны, например, в патенте США №4497587.

В современных паровых турбинах нагрузка ротора может превышать 200 тонн. Несмотря на большую нагрузку, подшипники обычно производят с очень малыми допусками.

Можно считать, что задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы изменить жесткость подшипника, а следовательно,увеличить устойчивость подшипника и его опорной конструкции.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечен гидродинамический сегментный подшипник, имеющий несколько подушек, распределенных по окружности вокруг ротора большой паровой турбины, при этом каждая подушка смонтирована на платформу, отделяющую подушку от цилиндрического сепаратора, соединенного,в свою очередь,с полом зала, вмещающего турбину, где область контакта между по меньшей мере одной из нескольких подушек и платформой, на которой смонтирована по меньшей мере одна из нескольких подушек, выполнена таким образом, чтобы содержать по меньшей мере две зоны с разной кривизной для увеличения жесткости области контакта в случае относительного движения между подушкой и платформой.

В первом варианте изобретения по меньшей мере одна из нескольких подушек имеет в зоне контакта между подушкой и платформой первый радиус кривизны у центра зоны контакта и второй радиус кривизны вне центра зоны контакта, причем первый радиус больше второго радиуса кривизны в 5-10 раз. Делая основание подушки слегка более плоским, жесткость подшипника в его опорах увеличивается.

Во втором варианте подушка имеет в зоне контакта лишь один радиус кривизны, в то время как кривизна зоны контакта поддерживающей подушки изменена с плоской до слегка изогнутой. Можно также сочетать оба варианта.

Подшипник сконструирован таким образом, чтобы допускать отклонение подушки в окружном направлении для компенсации соответствующей делинеаризации ротора в подшипнике.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере одна из нескольких подушек включает в себя главную или воспринимающую нагрузку подушку, расположенную при работе внизу сепаратора и имеющую значительно большую ширину в окружном направлении, чем другие подушки.

В варианте предпочтительного варианта осуществления платформа, поддерживающая воспринимающую нагрузку подушку, простирается в осевом направлении между 124/305 и 230+/305 протяженности по оси самой подушки. Это большая зона контакта снижает нагрузку подушки и ротора на платформу и может поэтому избегать деформации формы зоны контакта. Практический результат состоит в том, что зона контакта сохраняет свою форму в пределах требуемых допусков в течение более длительного периода.

Эффективное осевое продолжение, которое фактически несет вес, может быть сделано больше путем уменьшения размера центрального отверстия сквозь платформу. В предпочтительном варианте центральное отверстие имеет в платформе меньший диаметр, чем в сепараторе и/или в самой подушке.

В другом предпочтительном варианте осуществления подушка закреплена к сепаратору двумя съемными фиксирующими болтами, которые расположены в отверстиях, расположенных на соседних сторонах средней осевой плоскости платформы и простирающихся предпочтительно в направлении,параллельном оси наклона подушки, не точно на ней или рядом с ней.

Габаритные размеры устройства подходят для восприятия нагрузок ротора более 100 тонн при частотах вращения 10 Гц или выше.

Вышеупомянутые и дополнительные аспекты изобретения будут очевидны из следующего далее подробного описания и чертежей, перечисленных ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь со ссылкой на прилагаемые чертежи будут описаны примерные варианты осуществления изобретения.

Фиг.1 - схематичное круговое поперечное сечение гидродинамического сегментного подшипника согласно примеру изобретения.

На фиг.2A, B показан укрупненный вид подушки подшипника согласно примеру изобретения.

На фиг.3 показан укрупненный вид подушки подшипника с изогнутой опорной платформой согласно другому примеру изобретения.

Фиг.4A, B - поперечные разрезы части по фиг.1 в осевом и окружном направлениях соответственно.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспекты и детали примеров настоящего изобретения описаны более подробно в следующем далее описании.

На фиг.1 показано схематичное круговое поперечное сечение гидродинамического сегментного подшипника 10 в соответствии с примером изобретения. Он включает в себя кольцеобразную цилиндрическую раму или сепаратор 11, который в конечном счете соединен с неподвижной частью большой паровой турбины. В сепараторе находятся платформы 121, 122, 123. На каждой из платформ 121, 122, 123 находится соответствующая подушка 131, 132, 133 подшипника. Центральное пространство подшипника занято ротором 12.

Хотя многие составные элементы у них похожи, каждая подушка отличается от других для лучшего соответствия нагрузке и силам в их соответствующем местоположении. Одним из общих для всех подушек признаков является центральное отверстие 14, которое соединяет круговую маслораспределительную канавку 141 с каналом 142 в подушках, ведущим к небольшой камере у конца подушки. Небольшая камера имеет выход на поверхность ротора, и из нее на ротор распределяется пленка из масла. Из подушек особую роль играет нижняя платформа 121 и подушка 131, установленная на ней. Она шире двух других подушек и сконструирована нести большую часть веса ротора 12.

Каждая платформа и подушка и их соединение спроектированы с ограниченной степенью свободы, чтобы учитывать отклонение вокруг оси наклона, которая параллельна центральной оси подшипника. Во время отклонения подушка по существу катится по поверхности платформы. На следующих далее чертежах этот аспект подшипника показан более подробно.

Как показано на фиг.2A, 2B, подушка 131 имеет центральный проем 14 достаточно большой, чтобы обеспечивать скольжение в него короткого сопрягающегося кольцевого выступа 124 на платформе 121 с небольшими намеренными зазорами, чтобы приспосабливаться к одинаково небольшой величине отклонения подушки 131. Внешней поверхности подушки 131 относительно центральной оси подшипника в зоне контакта с платформой посредством обработки на станке придана цилиндрическая форма с радиусом кривизны R1. Однако в направлении к центру зоны контакта этот радиус R1 локально увеличивается до R2, так что подушка в соответствующей части зоны контакта становится немного более плоской. Пунктирной линией на фиг.2A показана кривизна без изменения. Радиус кривизны R2 примерно в 7 раз больше R1.

Локальную кривизну внешней поверхности подушки можно уменьшать до величины примерно пяти радиусов подушки или увеличивать до величины примерно десяти радиусов подушки. Однако считается преимущественным поддерживать этот радиус ниже бесконечности, соответствующей плоской поверхности. Отношение двух радиусов может использоваться для регулировки желаемой величины жесткости или сопротивления отклонению подушки подшипника.

В примере по фиг.3 противоположная платформе 121 лицевая поверхность, начиная от внешнего диаметра шипа 124, более не плоская, как в примере по фиг.2A, B, а обработана на машине в аналогичную цилиндрическую поверхность с радиусом кривизны R2. Подушка 131 в этом примере имеет одинаковый радиус кривизны R1. Опять же, отношение двух радиусов R1, R2 может использоваться для регулировки желаемой величины жесткости или сопротивления отклонению подушки подшипника.

Считается, что для поддержания этой желаемой величины жесткости, или сопротивления, на протяжении срока службы подшипника, важно предотвращать деформацию формы зоны контакта вследствие чрезмерных нагрузок. Для сокращения нагрузки платформа, поддерживающая воспринимающую нагрузку подушку, простирается в осевом направлении между 124/305 и 230+/305 протяженности по оси самой подушки. Увеличивая осевую ширину платформы до максимального диапазона, т.е. от 200/305 до 250/305, нагрузку можно эффективно сводить к минимуму. Практический результат состоит в том, что зона контакта сохраняет свою форму в пределах требуемых допусков в течение более длительного периода и даже при больших нагрузках.

Этого же эффекта большей зоны контакта можно достигать путем уменьшения размера центрального отверстия 14 сквозь платформу 121. Центральное отверстие 14 суживается от внешней стороны или распределительного кольца 141 платформы к внутренней поверхности, где подушка 131 и платформа 121 соприкасаются. Это сужение относительно внешнего канала подачи масла увеличивает площадь платформы в направлении ее центра и помогает снижать потенциальную деформацию. Тем не менее, если необходимо, то площадь, достигаемая за счет сокращения диаметра канал подачи масла через платформу, может быть также использована для увеличения толщины шипа.

На фиг.4A, B показаны дополнительно два винта 151, 152, вставленные в подушку через каналы или отверстия в области обода сепаратора. Винты предотвращают радиальное перемещение подушки 131 и закрепляют подушку во время сборки или технического обслуживания подшипника. Осевое поперечное сечение по фиг.4A проходит через первый винт 151, а фиг.4B - круговое поперечное сечение.

Винты 151, 152 расположены на соседних сторонах средней осевой плоскости платформы 121 и простираются в направлении, параллельном оси наклона подушки 131, не точно на ней или рядом с ней. Как показано на фиг.4B, винты смещены от центра зоны контакта.

Общий результат описанных выше модификаций известных сегментных подшипников для паровой турбины состоит в повышении механической жесткости подшипника. Этот эффект повышения жесткости может применяться для компенсации большей гибкости в других частях оснований, несущих роторы паровых турбин. Это выгодно, например, в больших паровых турбинах, у которых их внутренних корпус смонтирован не прямо на фундаментных столбах, а на плите, несущей и внутренний корпус, и подшипник. Такие конструкции, как,например, описанные в европейской заявке на патент EP 1193149, поданной 13 декабря 2012 года, являются по существу более гибкими в местоположении подшипника, а гибкость можно компенсировать путем надлежащего проектирования подшипника, следуя аспектам настоящих изобретений.

Настоящее изобретение было описано выше исключительно для примера, и можно делать модификации в пределах объема этого изобретения, в частности, относящиеся к форме и конструкции подушки и платформы. Изобретение заключается также в любых отдельных признаках, описанных или подразумеваемых в этой заявке или показанных или подразумеваемых на чертежах, или любом сочетании любых таких признаков, или любом обобщении любых таких признаков или сочетания, что распространяется и на их эквиваленты. Таким образом, объем настоящего изобретения не должен ограничиваться каким-либо из описанных выше примерных вариантов осуществления.

Каждый признак, раскрытый в спецификации, в том числе на чертежах, можно заменять альтернативными признаками, служащими тем же, эквивалентным или подобным целям, если иное ясно не заявлено.

Если только здесь ясно не указано, любое обсуждение на протяжении спецификации известного уровня техники не является допущением, что такой известный уровень техники широко известен или образует часть общедоступных знаний в данной области техники.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

Сегментный подшипник - 10

Цилиндрическая рама или сепаратор - 11

Платформы - 121, 122, 123

Подушка подшипника - 131, 132, 133

Ротор - 12

Центральное отверстие - 14

Маслораспределительная канавка - 141

Канал - 142

Кольцевой выступ - 124

Радиус кривизны - R1, R2

Винт - 151, 152

Изобретение относится к гидродинамическим подшипникам, в частности, для тяжелых роторов в силовых установках. Гидродинамический сегментный подшипник содержит несколько подушек (131), распределенных по окружности вокруг ротора большой паровой турбины. Каждая подушка (131) установлена на платформу, отделяющую подушку от цилиндрического сепаратора, соединенного, в свою очередь, с полом зала, вмещающего турбину. Область контакта между по меньшей мере одной из нескольких подушек (131) и платформой, на которой установлена по меньшей мере одна из нескольких подушек (131), образована таким образом, чтобы содержать по меньшей мере две зоны с разной кривизной для увеличения жесткости области контакта в случае относительного перемещения между подушкой (131) и платформой. По меньшей мере одна из нескольких подушек (131) имеет в зоне контакта между подушкой (131) и платформой первый радиус кривизны (R1) вне центра зоны контакта и второй радиус кривизны (R2) в центре зоны контакта, причем второй радиус (R2) превышает первый радиус кривизны (R1) в 5-10 раз. Технический результат: изменение жесткости подшипника и, следовательно, увеличение устойчивости подшипника и его опорной конструкции. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Гидродинамический сегментный подшипник, содержащий несколько подушек, распределенных по окружности вокруг ротора большой паровой турбины, при этом каждая подушка установлена на платформу, отделяющую подушку от цилиндрического сепаратора, соединенного, в свою очередь, с полом зала, вмещающего турбину, причем область контакта между по меньшей мере одной из нескольких подушек и платформой, на которой установлена по меньшей мере одна из нескольких подушек, образована таким образом, чтобы содержать по меньшей мере две зоны с разной кривизной для увеличения жесткости области контакта в случае относительного перемещения между подушкой и платформой, при этом по меньшей мере одна из нескольких подушек имеет в зоне контакта между подушкой и платформой первый радиус кривизны вне центра зоны контакта и второй радиус кривизны в центре зоны контакта, причем второй радиус превышает первый радиус кривизны в 5-10 раз.

2. Подшипник по п.1, в котором по меньшей мере одна из нескольких подушек имеет в зоне контакта между подушкой и платформой первый радиус кривизны, а платформа искривлена в зоне контакта с радиусом кривизны, большим первого радиуса.

3. Подшипник по п.1, в котором по меньшей мере одна из нескольких подушек включает в себя главную или воспринимающую нагрузку подушку, расположенную при работе внизу сепаратора и имеющую значительно большую ширину в окружном направлении, чем другие подушки.

4. Подшипник по любому из пп.1-3, в котором платформа, несущая воспринимающую нагрузку подушку, проходит в осевом направлении от 124/305 до 250/305 протяженности подушки по оси.

5. Подшипник по любому из пп.1-3, в котором центральное отверстие в платформе имеет меньший диаметр, чем в зоне сепаратора и/или в самой подушке.

6. Подшипник по любому из пп.1-3, в котором подушка закреплена к сепаратору двумя съемными фиксирующими болтами или винтами, расположенными в отверстиях на соседних сторонах средней осевой плоскости платформы.

7. Подшипник по любому из пп.1-3, в котором подушка закреплена к сепаратору двумя съемными болтами или винтами, расположенными в отверстиях на соседних сторонах средней осевой плоскости платформы и простирающимися в направлении, параллельном оси наклона подушки, не точно на оси наклона или рядом с осью наклона.

8. Подшипник по п.1, выполненный с возможностью поддержания в своей середине ротора с весом, превышающим 50 т.

9. Подшипник по п.1, являющийся частью паровой турбины для энергетической установки, вырабатывающей энергию для электричества общего пользования.

10. Подшипник по п.9, соединяемый с воспринимающей нагрузку плитой, совместно используемой подшипником и внутренним корпусом паровой турбины, причем плита поддерживается, в свою очередь, фундаментными столбами, так что перемещение плиты приводит к одинаковому перемещению сепаратора подшипника и внутреннего корпуса.