ВРАЩАЮЩАЯСЯ УСТАНОВКА С ШЕЙКАМИ ВАЛА ПОД САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ ПОДШИПНИКИ И СПОСОБЫ РАБОТЫ Российский патент 2018 года по МПК F16C25/02 F16C17/02 F16C33/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение, раскрытое в данном документе, относится к вращающимся установкам, в частности, но не исключительно, к турбоустановкам, таким как газовые турбины, паровые турбины, осевые и центробежные компрессоры. В частности, настоящее изобретение относится к усовершенствованиям, касающимся подшипников для роторов таких установок.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Подшипники скольжения или подшипники с жидкостной пленкой обычно используют для опоры вращающихся валов роторов установок, таких как валы роторов турбин и компрессоров. На фиг. 1 схематически изображен ротор 100 турбоустановки, содержащий вал 101, поддерживаемый в двух концевых подшипниках 103, 105. Подшипники 103, 105 могут быть подшипниками скольжения, или так называемыми гидродинамическими подшипниками или подшипниками с жидкостной пленкой, как схематически показано на фиг. 2. Вал 101 поддерживается внутри подшипника 105 посредством масляной пленки 107, заполняющей кольцевое пространство или зазор между наружной поверхностью 101А вала 101 и внутренней опорной поверхностью 105А подшипника 105 скольжения. Вращение вала 101 создает перемещение масла посредством сходящегося масляного клина 109 и расходящегося масляного клина или расходящейся масляной пленки 111. Вал 101 поддерживается посредством гидродинамического давления, создаваемого движением масла и имеющего типичный профиль 112 распределения, такой как профиль, показанный на фиг. 2. Опорная поверхность 101А подшипника может быть образована посредством по существу цилиндрической поверхности подшипника 105 или посредством множества вкладышей шарнирного подшипника, расположенных вокруг оси вращения вала 101.

Важными гидродинамическими параметрами подшипника скольжения являются коэффициент жесткости и коэффициент демпфирования. Жесткость относится к реакции пленки смазочного масла на смещения шейки или вала 101, направленной противоположно самому перемещению. Направленное вниз перемещение вала 101 является противоположным направленной вверх восстанавливающей силе, создаваемой масляной пленкой. Вертикальная жесткость представляет собой восстанавливающую силу, деленную на смещение вала. Горизонтальное смещение, в результате которого масляная пленка создает горизонтальную восстанавливающую силу, определяет горизонтальную жесткости подшипника.

Другим важным гидродинамическим параметром подшипников скольжения является демпфирование. Указанный коэффициент демпфирования связан со скоростью. Направленное вниз возмущение скорости вала будет приводить к направленной вверх восстанавливающей силе, создаваемой масляной пленкой, аналогично тому, как действует гаситель колебаний. Чем быстрее движение, тем больше противодействующая сила, создаваемая пленкой. Подобное демпфирующее действие также происходит в горизонтальном направлении. Демпфирование является благоприятным эффектом с точки зрения подавления вибраций в определенных рабочих режимах. Большее демпфирование может быть получено при большем радиальном зазоре между опорной поверхностью подшипника и наружной поверхностью вращающегося вала, размещенного в подшипнике. Однако увеличение радиальных зазоров приведет к уменьшению жесткости подшипника, что может быть нежелательным при нормальных рабочих режимах ротора. Иногда является целесообразным иметь максимальное демпфирование при переходе через критические скорости и максимальную жесткость во время работы вблизи значения скорости в нормальном режиме, далекого от критических скоростей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для улучшения характеристик подшипника скольжения в различных рабочих режимах шейку вала конструктивно выполняют так, что ее наружный диаметр может быть деформирован в радиальном направлении для избирательного уменьшения или увеличения зазора между наружной поверхностью шейки и опорной (рабочей) поверхностью подшипника скольжения. При низкой скорости вращения поддерживают больший зазор для усиления демпфирующего действия и уменьшения коэффициентов динамичности при переходе через критические скорости, в то время как при повышенных скоростях вращения радиальный размер шейки увеличивают с уменьшением, тем самым, зазора и повышением жесткости подшипника.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения предложен способ работы вращающейся установки, содержащей ротор, вал ротора и по меньшей мере один подшипник скольжения, поддерживающий указанный вал и содержащий корпус, опорную поверхность, втулку, установленную на валу в осевом направлении с возможностью кручения, и пленку смазочного масла, заполняющую зазор между наружной поверхностью втулки и опорной поверхностью подшипника. Упомянутый способ включает этап изменения зазора между наружной поверхностью втулки и опорной поверхностью подшипника путем изменения радиального размера наружной поверхности втулки в зависимости от скорости вращения вала.

В некоторых вариантах выполнения этап изменения зазора включает этапы увеличения скорости вращения вала от первой скорости вращения (например, от нулевой скорости) до второй скорости вращения (например, до номинальной скорости установки) и уменьшения зазора при увеличении скорости вращения.

В некоторых вариантах выполнения этап изменения зазора включает этап уменьшения скорости вращения вала от второй скорости вращения до первой скорости вращения, например, до нулевой скорости, и увеличение зазора при уменьшении скорости вращения. Во время такого замедления от более высокой скорости до более низкой скорости, например, до нулевой скорости, может быть выполнен этап поддержания вращения вала с промежуточным значением скорости вращения между второй скоростью вращения и первой скоростью вращения для охлаждения вала и увеличения зазора.

В предпочтительных вариантах выполнения радиальный размер наружной поверхности втулки изменяют, по меньшей мере, под действием центробежных сил, возникающих при вращении вала. В некоторых вариантах выполнения можно дополнительно регулировать радиальный размер втулки, например, при помощи текучей среды под давлением, такой как масло (но не ограничиваясь этим), подаваемой к кольцевой полости, образованной между внутренней поверхностью втулки, обращенной к валу, и наружной поверхностью вала.

В соответствии с другим аспектом предложена вращающаяся установка, содержащая ротор, вал ротора и по меньшей мере один подшипник скольжения, поддерживающий указанный вал. Подшипник скольжения содержит корпус с опорной поверхностью, в котором размещен с возможностью вращения вал. Дополнительно выполнена наружная втулка, соединенная с указанным валом в осевом направлении с возможностью кручения и вращения за одно целое с ним. Наружная втулка имеет наружную поверхность, обращенную к опорной поверхности подшипника, и внутреннюю поверхность, обращенную к валу. Толщина втулки может быть постоянной, либо может изменяться вдоль ее осевой протяженности. Наружная поверхность втулки может быть цилиндрической или нецилиндрической. Подшипник скольжения может иметь фиксированную, по существу цилиндрическую, опорную поверхность. В других вариантах выполнения подшипник скольжения составлен из множества поворотных сегментов, поддерживаемых с возможностью поворота в корпусе и распределенных с угловой ориентацией вокруг оси подшипника. Между наружной поверхность втулки и опорной поверхностью подшипника образован зазор, заполненный смазочным маслом.

Кроме того, наружная поверхность втулки выполнена с возможностью деформации в радиальном направлении при вращении вала, так что радиальный размер зазора, заполненного смазочным маслом, уменьшается при увеличении скорости вращения вала.

В некоторых вариантах выполнения радиальная деформация вала вызвана центробежными силами. В других вариантах выполнения радиальную деформацию вала можно регулировать посредством только текучей среды под давлением или текучей среды под давлением в сочетании с действием на втулку центробежных сил, создаваемых скоростью вращения.

Признаки и варианты выполнения раскрыты в данном описании ниже и дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть данного описания. В вышеприведенном кратком описании для лучшего понимания нижеследующего подробного описания, а также для лучшего понимания усовершенствования существующей техники, изложены признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения. Разумеется, имеются и другие признаки настоящего изобретения, которые будут рассмотрены ниже в данном документе и которые будут изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, перед подробным объяснением нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения следует уяснить, что различные варианты выполнения настоящего изобретения не ограничены их применением к деталям конструкции и к расположениям компонентов, рассмотренных в нижеследующем описании или проиллюстрированных на чертежах. Настоящее изобретение может иметь другие варианты выполнения, которые могут быть реализованы на практике или выполнены различными способами. Кроме того, следует понимать, что приведенные в данном описании формулировки и терминология используются с описательной целью и не должны рассматриваться как ограничения.

По существу, специалисты в данной области техники должны понимать, что концепция, заложенная в настоящее изобретение, может быть легко использована в качестве основополагающего принципа для создания других конструкций, способов и/или систем для достижения нескольких целей настоящего изобретения. Соответственно, важно понимать, что формулу изобретения следует рассматривать как включающую такие равнозначные конструкции в той мере, в какой они не отклоняются от сущности и объема правовой охраны данного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полное понимание приведенных вариантов выполнения настоящего изобретения и множества сопутствующих им преимуществ можно легко получить по мере изучения нижеследующего подробного описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых

фиг. 1 схематически иллюстрирует ротор, поддерживаемый двумя подшипниками скольжения,

фиг. 2 схематически иллюстрирует поперечное сечение подшипника скольжения и соответствующий профиль распределения в нем гидродинамических давлений,

фиг. 3 иллюстрирует конец вала, поддерживаемый подшипником скольжения в первом варианте выполнения по данному изобретению,

фиг. 4 схематически иллюстрирует в увеличенном масштабе вид втулки, установленной на валу, показанном на фиг. 3,

фиг. 5 и 6 иллюстрируют графики радиального смещения наружной поверхности втулки вдоль осевой протяженности втулки при различных рабочих режимах вала,

фиг. 7 и 8 иллюстрируют графики амплитуды вибраций в зависимости от скорости вращение вала при различных рабочих режимах,

фиг. 9 иллюстрирует ротор с расположением подшипников скольжения в другом варианте выполнения, и

фиг. 10A и 10В показывают два варианта выполнения втулки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми ссылочными позициями на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Также, нижеследующее подробное описание не ограничивает настоящее изобретение. В то же время, объем правовой охраны определен в прилагаемой формуле изобретения.

В данном описании ссылка на «один вариант выполнения», или «вариант выполнения», или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в отношении указанного варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения данного изобретения. Таким образом, появление формулировки «в одном варианте выполнения», или «в варианте выполнения», или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения (вариантам выполнения). Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения.

На фиг. 3 изображено осевое сечение конца вала и соответствующего подшипника скольжения в соответствии с настоящим изобретением. Вал схематически обозначен ссылочной позицией 1, при этом конец вала обозначен ссылочной позицией 1Е. Ссылочной позицией 3 схематически обозначен уплотнительный элемент, расположенный между концом 1Е вала 1 и подшипником 5 скольжения. В некоторых вариантах выполнения подшипник 5 скольжения содержит корпус 7, в котором расположены сегменты 9 подшипника. Сегменты подшипника скольжения, поддерживаемые в корпусе подшипника с возможностью поворота, распределены под углом вокруг оси А-А вала 1. В других вариантах выполнения подшипник скольжения может иметь опорную поверхность, образованную жестким цилиндрическим компонентом, окружающим вал 1.

Вал 1 в зоне поддержания его подшипником 5 скольжения имеет участок с меньшим диаметром d, который можно получить, например, посредством механической выточки неглубокой кольцевой канавки 11 на наружной поверхности вала 1. В некоторых вариантах выполнения осевая длина, т.е. протяженность в осевом направлении, указанной неглубокой кольцевой канавки 11 приблизительно соответствует осевой протяженности сегментов 9 подшипника скольжения или превышает ее. В других вариантах выполнения осевая длина неглубокой кольцевой канавки 11 может быть меньше осевой протяженности сегментов 9 подшипника скольжения.

Как лучше всего показано на фиг. 4, на валу вокруг канавки 11 установлена втулка 13. Осевая длина L1 втулки 13 превышает осевую длину L2 канавки 11, так что втулка на своих двух концах входит в контакт с наружной поверхностью 1S вала 1. Втулка может быть разделена на три части, а именно, на первую концевую часть 13А, вторую концевую часть 13В и промежуточную часть 13С. Концевые части 13А и 13В соответствуют зоне втулки 13, в которой внутренняя поверхность 13Х входит в плотный контакт с наружной поверхностью 1S вала 1. Промежуточная часть 13С втулки 13 проходит над канавкой 11, так что между нижней частью 11В кольцевой канавки 11 и внутренней поверхностью 13Х втулки 13, обращенной к валу 1, образуется кольцевая полость 15.

Наружная поверхность 13Y втулки 13 обращена к опорной поверхности подшипника 5 скольжения. В иллюстративном варианте выполнения, показанном на чертежах, указанная опорная поверхность подшипника в основном образована обращенными радиально внутрь поверхностями 9Х сегментов 9 подшипника скольжения. На фиг. 4 для ясности изображения расстояние между поверхностью 9Х сегментов и наружной поверхностью 13Y втулки 13 показано увеличенным, соответственно, чертеж выполнен не в масштабе. Однако следует понимать, что в действительности указанное расстояние намного меньше расстояния, показанного на чертеже. Промежуток между наружной поверхностью 13Y втулки 13 и обращенной радиально внутрь поверхностью 9Х сегментов подшипника скольжения образует кольцевой зазор или зазор С. Поскольку вал 1 и опорная поверхность 9Х подшипника не являются точно коаксиальными, то радиальный размер зазора С изменяется вдоль окружности втулки 13 почти таким же образом, как масляная пленка, показанная на фиг. 2.

Диаметр вала 1 и втулки 13 выбраны так, что на длине 11, где первый конец 13А втулки 13 входит в плотный контакт с наружной поверхностью 1S вала 1, имеется посадка с первой степенью натяга, т.е. с отрицательным допуском. Посадка с натягом на этом участке контакта выполнена так, что наружная втулка 13 при установке на вал связана с ним в осевом направлении с возможностью кручения при любых рабочих условиях, т.е. при максимальной скорости вращения и максимальной температуре, которые могут быть достигнуты валом.

В некоторых иллюстративных вариантах выполнения посадка с натягом образована также между вторым концом 13В втулки 13 и наружной поверхностью 1S вала 1 на участке, обозначенном ссылочной позицией 12 на фиг. 4. В некоторых вариантах выполнения степень натяга на участке 12 меньше натяга на участке 11. Такое решение обеспечивает возможность для свободного теплового расширения втулки 13 в условиях повышенных температур. Первый конец 13А втулки обычно ориентирован в направлении центра вала, тогда как второй конец 13В втулки обычно является концом, ориентированным в направлении конца 1Е вала 1.

В других иллюстративных вариантах выполнения размеры втулки 13 и вала 1 могут быть такими, что втулка 13 посажена на вал 1 без натяга на ее втором конце 13В.

В промежуточной части 13С втулка не входит в контакт с наружной поверхностью вала 1 благодаря кольцевой полости 15, образованной между нижней частью канавки 11 и внутренней поверхностью 13Х втулки 13.

После установки втулки 13 на вал 1 наружную поверхность 13Y втулки механически обрабатывают для получения требуемого наружного диаметра. Диаметр выполняют таким, чтобы между наружной поверхностью втулки 13 и опорной поверхностью 9Х подшипника 5 скольжения оставался зазор С.

Когда вал 1 начинает вращаться, на втулку 13 действуют центробежные силы. Следовательно, части втулки, не подвергающиеся напряжениям, обусловленным натягом, будут расширяться радиально наружу под действием центробежных сил. На фиг. 4, в качестве примера, пунктирными линиями показана втулка 13 в состоянии деформации радиально наружу под действием центробежных сил. Радиально наружное расширение втулки уменьшает зазор, т.е. радиальный размер заполненного маслом просвета или кольцевого зазора между втулкой 13 и опорной поверхностью подшипника, от исходного значения С до уменьшенного значения С1.

На фиг. 5 и 6 показано радиальное смещение втулки 13 вдоль ее осевой протяженности. Радиальное смещение было вычислено на основе метода конечных элементов (МКЭ), примененного с учетом геометрии вала и втулки, показанных на фиг. 4, и с учетом действия центробежных сил и теплового расширения, обусловленного повышением температуры подшипника по мере увеличения рабочей скорости. На горизонтальной оси показано осевое положение вдоль втулки, а на вертикальной оси показано радиальное смещение в миллиметрах (мм). На графике, изображенном на фиг. 5, показаны четыре различные кривые, обозначенные символами RD1, RD2, RD3 и RD4. Каждая кривая соответствует различным рабочим режимам системы вал-подшипник.

Кривая RD1 отражает воздействие температуры без воздействия центробежных сил, создаваемых вращением. Кривые RD2, RD3 и RD4 показывают радиальное смещение, обусловленное совместным воздействием температуры и центробежных сил по мере увеличения скорости вращения: 8000 об/мин (кривая RD2), 10000 об/мин (кривая RD3), 11800 об/мин (кривая RD4). Центральная область, соответствующая участку 13С втулки, испытывает большее радиальное смещение, обусловленное отсутствием натяга между втулкой и валом. Кривые, построенные на фиг. 5, получены при начальном натяге (т.е. натяге при температуре окружающей среды и нулевой скорости) 2,5‰ между первым концом 13А втулки 13 и валом 1 на участке 11, и натяге 0‰ между вторым концом 13В втулки 13 и валом 1 на участке 12.

На фиг. 6 изображен аналогичный график для состояний с различным начальным натягом между втулкой 13 и валом 1. Одинаковые ссылочные позиции обозначают кривые, подобные показанным на фиг. 5, при тех же рабочих режимах. Кривые, показанные на фиг. 6, были получены с использованием МКЭ в предположении начального натяга 2,5‰ на участке 11 и 0,6‰ на участке 12. Натяг у обеих концевых частей 13А и 13В приводит в результате к уменьшению радиального смещения наружной поверхности 13Y втулки у ее концов. Промежуточная часть 13С испытывает по существу такую же степень радиального смещения, как и в примере, показанном на фиг. 5.

Радиальное расширение втулки 13 уменьшается в обоих примерах зазора между наружной поверхностью 13Y втулки 13 и внутренней опорной поверхностью 9Х подшипника, образованной его сегментами 9.

Благодаря установке на вал 1 втулки 13, выполненной с возможностью деформации радиально наружу, можно изменять геометрию подшипника скольжения в зависимости от скорости вращения вала 1. Как с очевидностью следует из вышеприведенного описания, зазор между наружной поверхностью 13Y втулки 13 и опорной поверхностью 9Х подшипника будет больше (С) при низкой скорости вращения и меньше (С1) при более высоких скоростях вращения, в частности при номинальной скорости вращения вала 1. Такое решение приводит в результате к изменению динамических коэффициентов подшипника в зависимости от скорости вращения вала 1, т.е. подшипник является более жестким при более высокой скорости (малый зазор С1), в то время как он обеспечивает более сильное демпфирование при более низких скоростях (большой зазор С).

Это явление производит положительный эффект, в частности, при пуске установки, т.е. во время разгона вала 1. Когда ротор, поддерживаемый валом 1, начинает вращение от нулевой скорости до конечной рабочей скорости, ротор будет переходить через одну или более критических скоростей вращения, т.е. скоростей, при которых ротор будет испытывать явление резонанса, при зазорах в подшипнике, превышающих зазор подшипника, имеющийся при номинальной скорости. Демпфирование вибраций, обусловленных резонансом, происходит эффективным способом благодаря большому радиальному зазору С между поверхностью 13Y втулки 13 и опорной поверхностью 9Х подшипника. Когда скорость вращения ротора превышает критические скорости и приближается к скорости вращения в установившемся режиме, подшипник 5 скольжения становится более жестким благодаря уменьшенному радиальному зазору С1, с уменьшением, тем самым, вибрационных воздействий из-за отсутствия явления резонанса.

На графиках, показанных на фиг. 7 и 8, визуально представлен положительный эффект, получаемый благодаря изменяемой форме подшипника скольжения. На графике, показанном на фиг. 7, на горизонтальной оси указана скорость вращения, а на вертикальной оси - амплитуда вибраций ротора. Кривая V1 отражает вибрацию ротора во время этапа набора скорости, когда ротор ускоряется от 0 до номинальной скорости RS. На кривой V1 показаны два пиковых значения Р1 и Р2, соответствующие критическим скоростям ω1, ω2. Пиковые значения Р1, Р2 являются относительно небольшими вследствие демпфирующего действия большого радиального зазора С между наружной поверхностью 13Υ втулки 13 и опорной поверхностью 9Х подшипника.

Центробежная сила, приложенная к втулке 13 и приводящая к положительному эффекту с точки зрения динамических коэффициентов подшипника, действует в сочетании с воздействием температуры, постепенно повышающейся при вращении вала с увеличением скорости до достижения постоянной температуры, когда установка работает с конечной номинальной скоростью RS. Повышение температуры вызывает радиальное расширение втулки 13, которое обычно больше радиального расширения подшипника скольжения, что в результате приводит к дальнейшему уменьшению зазора С, С1. Следовательно, во время вращения по инерции, когда вращающаяся установка постепенно затормаживается от проектной скорости RS до нуля при отсутствии каких-либо дополнительных противодействий, амплитуда вибраций при критических скоростях будет больше, чем во время набора скорости, как схематично проиллюстрировано кривой V2 на фиг. 7. Пиковые значения Р1Х и Р2Х амплитуды вибраций связаны с соответствующими критическими скоростями ω1, ω2 во время вращения по инерции. Большая амплитуда вибраций во время вращения по инерции обусловлена уменьшением зазора, вызванным действием температуры.

Для уменьшения амплитуды вибраций при переходе через критические скорости, а также во время вращения по инерции, вращающейся установкой можно управлять таким образом, что она будет работать с промежуточной скоростью вращения, находящейся между нулевой и номинальной скоростью RS, в течение времени, достаточного для охлаждения подшипников скольжения, с уменьшением тем самым радиального размера втулки 13. Такое управление схематично показано на графике, изображенном на фиг. 8, где кривая V1 аналогична кривой, показанной на фиг. 7. Кривая V2 вращения по инерции показывает пиковое значение Р2Х, соответствующее второй критической скорости ω2. Когда вращающаяся установка достигает более низкой скорости LS, т.е. промежуточной скорости, находящейся между нулевой скоростью и номинальной скоростью RS, работу установку поддерживают в таком режиме с пониженной скоростью вращения до тех пор, пока не будет обеспечено охлаждение втулки 13 и вала 1, достаточное для уменьшения теплового расширения втулки 13 в радиальном направлении, с увеличением, тем самым, величины зазора между наружной поверхностью 13Υ втулки 13 и опорной поверхностью 9Х подшипника. После этого продолжают вращение по инерции до полной остановки ротора. Вторая часть кривой вращения по инерции, от скорости LS до нуля, почти совпадающая с кривой V1 набора скорости, показывает уменьшенное пиковое значение амплитуды вибраций при первой критической скорости ω1.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения геометрию подшипника скольжения можно регулировать путем подачи текучей среды под давлением в кольцевую полость 15. На фиг. 9 схематично показан ротор 100, содержащий вал 1, поддерживаемый двумя подшипниками 5. Подшипники 5 могут быть конструктивно выполнены так, как показано на фиг. 3 и 4. Для подачи охлаждающей текучей среды под давлением в две кольцевые полости 15, образованные в валу 1, дополнительно предусмотрен контур 21 охлаждающей текучей среды. Циркуляция текучей среды может быть обеспечена при помощи насосного устройства, схематично обозначенного ссылочной позицией 13, всасывающего текучую среду из резервуара 25. Ссылочными позициями 26А, 26В обозначены подводящие трубопроводы, подающие текучую среду под давлением к двум подшипникам 5 скольжения. Ссылочными позициями 27А, 27В обозначены два обратных трубопровода, обеспечивающих возврат текучей среды в резервуар 25. Текучая среда может быть охлаждена посредством теплообменных устройств 29А, 29В. Текучая среда может достигать кольцевых полостей 15 через третичные уплотнения или соответствующие отверстия, выполненные вблизи подшипников. В некоторых вариантах выполнения текучая среда может быть жидкостью, например маслом. Давление текучей среды может быть использовано для приложения к втулке 13 дополнительной растягивающей силы с увеличением, тем самым, радиального расширения втулки. Дополнительно, или как вариант, текучую среду можно использовать в качестве среды для регулирования температуры, отводящей тепло от подшипника скольжения и/или нагревающей подшипник скольжения для регулирования теплового расширения втулки 13.

В некоторых вариантах выполнения может быть использована газообразная текучая среда, например, окружающий воздух или газ, например, газ или воздух, обрабатываемый этой же вращающейся установкой.

В приведенных выше иллюстративных вариантах выполнения втулка 13 изображена в виде цилиндрического полого тела с постоянной толщиной. Однако такое решение не является обязательным. В некоторых вариантах выполнения толщина втулки может изменяться вдоль ее осевой протяженности. На фиг. 10A и 10В схематично показаны два возможных варианта выполнения втулок 13, имеющих переменную толщину. В целом, распределение толщины втулки обеспечивает одну из степеней свободы, доступную для достижения требуемого регулирования зазоров подшипника с точки зрения упомянутых выше задач.

В некоторых вариантах выполнения вал 1 может не иметь кольцевой канавки 11, и можно обойтись без полости 15, или же она может быть образована между цилиндрическим валом, имеющим постоянный радиус, и втулкой 13, имеющей переменную толщину, например, как показано на фиг. 10A и 10В.

Несмотря на то что раскрытые в данном документе варианты выполнения настоящего изобретения были проиллюстрированы на чертежах и полностью и подробно описаны выше в отношении нескольких частных иллюстративных вариантов выполнения, тем не менее, специалистам в данной области техники следует понимать, что возможно внесение множества модификаций, изменений и изъятий без отклонения, по существу, от новаторских основных идей, принципов и концепций, изложенных в данном документе, и преимуществ изобретения, заявленного в прилагаемой формуле изобретения. Таким образом, надлежащий объем правовой охраны раскрытых нововведений следует определять только путем самого широкого толкования прилагаемой формулы изобретения для охвата всех подобных модификаций, изменений и изъятий. Кроме того, порядок или последовательность выполнения любого из этапов процесса или способа могут быть изменены или переупорядочены в соответствии с другими вариантами выполнения.

Изобретение относится к вращающимся установкам, в частности, но не исключительно, к турбоустановкам, таким как газовые турбины, паровые турбины, осевые и центробежные компрессоры. В частности, настоящее изобретение относится к усовершенствованиям, касающимся подшипников для роторов таких установок. Заявлен способ работы вращающейся установки. Установка содержит ротор, вал (1) ротора и по меньшей мере один подшипник (5) скольжения, поддерживающий вал (1). Подшипник (5) содержит корпус (7), опорную поверхность в корпусе, втулку (13), установленную на валу (1) в осевом направлении с возможностью кручения и имеющую наружную поверхность, обращенную к опорной поверхности подшипника, и внутреннюю поверхность, обращенную к валу, и пленку смазочного масла, заполняющую зазор между наружной поверхностью втулки (13) и опорной поверхностью подшипника. Способ включает этап изменения зазора путем изменения радиального размера наружной поверхности втулки (13) в зависимости от скорости вращения вала (1). Радиальный размер наружной поверхности втулки (13) изменяют по меньшей мере одним из: по меньшей мере под действием центробежных сил, возникающих при вращении вала (1), и при помощи текучей среды под давлением между подшипником (5) и валом (1). Технический результат: улучшение характеристик подшипника скольжения в различных рабочих режимах. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ работы вращающейся установки, содержащей ротор, вал ротора и по меньшей мере один подшипник скольжения, поддерживающий вал и содержащий корпус, опорную поверхность в корпусе, втулку, установленную на валу в осевом направлении с возможностью кручения и имеющую наружную поверхность, обращенную к опорной поверхности подшипника, и внутреннюю поверхность, обращенную к валу, и пленку смазочного масла, заполняющую зазор между наружной поверхностью втулки и опорной поверхностью подшипника, причем способ включает:

этап изменения зазора путем изменения радиального размера наружной поверхности втулки в зависимости от скорости вращения вала,

причем радиальный размер наружной поверхности втулки изменяют по меньшей мере одним из: по меньшей мере под действием центробежных сил, возникающих при вращении вала, и при помощи текучей среды под давлением между подшипником и валом.

2. Способ по п. 1, в котором указанный этап изменения зазора включает этапы увеличения скорости вращения вала от первой скорости вращения до второй скорости вращения и уменьшения указанного зазора при увеличении скорости вращения.

3. Способ по п. 2, в котором указанный этап увеличения скорости вращения от первой скорости вращения до второй скорости вращения включает переход через по меньшей мере одну критическую скорость вращения ротора.

4. Способ по п. 1, в котором этап изменения зазора включает этапы уменьшения скорости вращения вала от второй скорости вращения до первой скорости вращения и увеличения указанного зазора при уменьшении скорости вращения.

5. Способ по п. 4, дополнительно включающий этап поддержания вращения вала с промежуточной скоростью вращения между второй скоростью вращения и первой скоростью вращения для охлаждения вала и увеличения зазора.

6. Способ по одному или более из предшествующих пунктов, в котором указанную втулку устанавливают на указанный вал с натягом, изменяющимся в осевом направлении.

7. Способ по п. 6, в котором по меньшей мере одну осевую концевую часть втулки присоединяют к валу с большим натягом, чем натяг, с которым к валу присоединяют осевую промежуточную часть втулки.

8. Способ по п. 7, в котором создают кольцевую полость между внутренней поверхностью втулки и валом.

9. Способ по п. 8, в котором повышают давление в указанной кольцевой полости посредством текучей среды под давлением и изменяют давление указанной текучей среды в зависимости от скорости вращения для увеличения или уменьшения наружного диаметра втулки с соответственным уменьшением или увеличением указанного зазора.

10. Способ по п. 9, в котором отводят тепло от подшипника посредством указанной текучей среды под давлением.

11. Вращающаяся установка, содержащая ротор, вал ротора и по меньшей мере один подшипник скольжения, поддерживающий вал, причем подшипник скольжения содержит:

корпус с опорной поверхностью подшипника, причем вал размещен с возможностью вращения в корпусе,

наружную втулку, присоединенную к валу в осевом направлении с возможностью кручения и вращения с ним, причем наружная поверхность втулки обращена к опорной поверхности подшипника, а ее внутренняя поверхность обращена к валу,

и зазор, заполненный смазочным маслом, между наружной поверхностью втулки и опорной поверхностью подшипника,

причем наружная поверхность втулки выполнена с возможностью деформации в радиальном направлении при вращении вала с обеспечением уменьшения радиального размера указанного зазора при увеличении скорости вращения вала, и

причем наружная поверхность втулки выполнена с возможностью деформации в радиальном направлении за счет по меньшей мере одного из: под действием центробежных сил, возникающих при вращении шейки вала, и текучей среды под давлением.

12. Вращающаяся установка по п. 11, в которой указанная втулка имеет первую концевую часть, вторую концевую часть и промежуточную часть, расположенную между первой концевой частью и второй концевой частью, при этом по меньшей мере одна из указанных концевых частей установлена на валу с натягом, превышающим натяг между промежуточной частью и валом.

13. Вращающаяся установка по п. 12, в которой вторая из указанных концевых частей втулки установлена на валу с натягом, который меньше, чем натяг между указанной одной из указанных концевых частей втулки.

14. Вращающаяся установка по п. 12, в которой между внутренней поверхностью втулки и валом у указанной промежуточной части втулки выполнена кольцевая полость.

15. Вращающаяся установка по п. 14, дополнительно содержащая трубопровод для подачи текучей среды под давлением в указанную кольцевую полость.

16. Вращающаяся установка по п. 15, в которой выполнено устройство для регулирования давления указанной текучей среды под давлением в зависимости от скорости вращения ротора.

17. Вращающаяся установка по одному или более из пп. 11-16, в которой радиальная толщина указанной втулки изменяется вдоль осевой протяженности втулки.