Гибридный упорный подшипник с газовой смазкой, имеющий податливый корпус Российский патент 2019 года по МПК F16C32/06 F16C17/06 F16C27/02 F01D25/16 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к упорным подшипникам, используемым в турбомашинах или в другом оборудовании с вращающимися элементами.

[0002] Турбомашины используют в авиационных двигателях, паровых турбинах, газовых турбинах, компрессорах и в других различных системах. Образующийся в элементе турбомашины перепад давлений приводит к образованию осевого усилия. Например, в центробежном компрессоре перепад давлений между ступенями компрессора образует усилие вдоль оси ротора. Упорные подшипники часто используют для удержания ротора на месте с обеспечением его вращения.

[0003] Обычно в турбомашинах используют упорные подшипники с масляной смазкой. По существу, чем выше вязкость смазочного масла, тем большую нагрузку может нести подшипник. Однако, для упорных подшипников с масляной смазкой может потребоваться большое количество вспомогательных элементов, например уплотнений, из-за необходимости изолировать рабочую текучую среду машины от масла. Кроме того, для упорных подшипников с масляной смазкой необходимы сложные смазочные устройства, которые могут содержать насосы, фильтры, внешние трубопроводы, теплообменники и датчики. Общее требование изоляции рабочей текучей среды от масла ограничивает применение упорных подшипников с масляной смазкой в случае герметичных машин без вспомогательных уплотнительных элементов. Кроме того, масляные смазочные материалы могут вступать в нежелательные реакции с технологическими газами, например CO₂.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В одном варианте выполнения устройство представляет собой упорный подшипник с газовой смазкой. Упорный подшипник содержит податливый корпус, один или более вкладышей, которые прикреплены к корпусу подшипника и каждый из которых имеет упорную поверхность, устройство подачи газа для подачи находящегося под давлением газа к упорной поверхности вкладышей подшипника и демпфирующее устройство, работающее параллельно с податливым корпусом подшипника.

[0005] В другом варианте выполнения устройство представляет собой упорный подшипник с газовой смазкой, имеющий упорную поверхность, устройство подачи газа для подачи находящегося под давлением газового смазочного материала к упорной поверхности, один или более податливых упругих элементов и демпфирующее устройство, работающее параллельно с податливыми упругими элементами.

[0006] В другом варианте выполнения устройство представляет собой турбомашину, содержащую упорный подшипник с одним или более вкладышами, каждый из которых имеет упорную поверхность, устройством подачи газа для подачи находящегося под давлением газа к упорной поверхности вкладышей подшипника, податливым корпусом, прикрепленным к вкладышам подшипника, и демпфирующим устройством, работающим параллельно с податливым корпусом подшипника.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Эти и другие особенности и преимущества данного изобретения станут более очевидны из последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, где на всех чертежах одинаковыми номерами обозначены одинаковые детали и где:

[0008] Фиг. 1 иллюстрирует вариант выполнения турбомашины в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0009] Фиг. 2 схематично иллюстрирует вариант выполнения гибридного упорного подшипника в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0010] Фиг. 3А иллюстрирует вид сбоку варианта выполнения гибридного упорного подшипника в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0011] Фиг. 3В иллюстрирует вид спереди варианта выполнения гибридного упорного подшипника в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0012] Фиг. 4А иллюстрирует вид в аксонометрии в разрезе варианта выполнения устройства подачи газа в гибридном упорном подшипнике в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0013] Фиг. 4В иллюстрирует подробный вид в разрезе варианта выполнения устройства подачи газа в гибридном упорном подшипнике в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0014] Фиг. 5А иллюстрирует вид в аксонометрии в разрезе варианта выполнения крепежного и демпфирующего устройства в гибридном упорном подшипнике в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0015] Фиг. 5В иллюстрирует подробный вид в разрезе варианта выполнения крепежного и демпфирующего устройства в гибридном упорном подшипнике в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0016] Фиг. 6А иллюстрирует вид в разрезе варианта выполнения гибридного упорного подшипника, имеющего демпфер из проволочной сетки в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0017] Фиг. 6В иллюстрирует вид сбоку варианта выполнения гибридного упорного подшипника, имеющего демпфер из проволочной сетки в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0018] Фиг. 6С иллюстрирует вид сзади варианта выполнения гибридного упорного подшипника, имеющего демпфер из проволочной сетки в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0019] Фиг. 7А иллюстрирует вид в разрезе варианта выполнения гибридного упорного подшипника, имеющего демпфер из проволочной сетки в виде полного кольца в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0020] Фиг. 7В иллюстрирует вид в разрезе варианта выполнения гибридного упорного подшипника, имеющего сегментированный демпфер из проволочной сетки в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0021] Фиг. 8А иллюстрирует вид в аксонометрии варианта выполнения гибридного упорного подшипника, имеющего демпфер из проволочной сетки и консольный опорный элемент в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0022] Фиг. 8В иллюстрирует вид сбоку варианта выполнения гибридного упорного подшипника, имеющего демпфер из проволочной сетки и консольный опорный элемент в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

[0023] Фиг. 8С иллюстрирует вид спереди варианта выполнения гибридного упорного подшипника, имеющего демпфер из проволочной сетки и консольный опорный элемент в соответствии с аспектами настоящего изобретения,

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0024] Ниже описан один или несколько конкретных вариантов выполнения данного изобретения. Для ясности описания этих вариантов выполнения изобретения, в описании, возможно, будут описаны не все особенности фактической реализации. Необходимо понимать, что при любой такой фактической реализации, как в любых инженерных или конструкторских проектах, должны быть приняты многочисленные конкретные специальные решения для достижения конкретных целей проектирования, например в соответствии с конструктивными или деловыми ограничениями, которые могут изменяться в зависимости от конкретного случая. Более того, необходимо понимать, что такие опытно-конструкторские работы могут быть сложны и трудоемки, но, тем не менее, это будут стандартные процедуры при проектировании, производстве, и изготовлении для специалиста в данной области, знакомого с настоящим изобретением.

[0025] При описании элементов различных вариантов выполнения данного изобретения их упоминание в единственном числе и термин «указанный» означает наличие одного или более элементов. Термины "содержащий", "включающий" и "имеющий" являются инклюзивными и обозначают возможность наличия других элементов помимо перечисленных. Кроме того, любые численные примеры в последующем описании не являются ограничительными, и, следовательно, другие численные значения, диапазоны и проценты находятся в пределах объема предложенных вариантов выполнения.

[0026] Потребность в исключении из турбомашин подшипников с масляной смазкой привела к исследованию и разработке подшипников с газовой смазкой. Исторически, упорные подшипники с газовой смазкой, чтобы нести осевые нагрузки, используют либо гидродинамическое давление, либо гидростатический наддув.

[0027] Обычные гидродинамические газовые упорные подшипники с неизменной геометрией используют для смазки тонкую газовую пленку. Так как газовые смазочные материалы имеют вязкость меньше чем масляные смазочные материалы, гидродинамическим подшипникам с газовой смазкой требуются очень маленькие рабочие зазоры чтобы нести значительную нагрузку. Механическая обработка с такими жесткими допусками сложная и очень дорогая. В результате, параллельность, регулировка и эксплуатационные отклонения представляют значительные трудности для гидродинамических подшипников с газовой смазкой, что сильно усложняет их применение в крупной технике. Разработчики подшипников решают эту проблему с помощью упругих механических элементов, позволяющих менять геометрию ротора и эксплуатационные зазоры, аналогично конструктивному решению, используемому в упорных ленточных подшипниках. Поскольку упругие механические элементы мягче газовой пленки, упругие механические элементы поглощают смещения или отклонения в устройстве, тем самым поддерживая нормальную газовую пленку. При том, что использование упругих механических элементов продлевает срок службы подшипников и позволяет подшипникам работать при более высоких температурах и скоростях, применение гидродинамических упорных подшипников с газовой смазкой ограничено машинами, имеющими мощность от 200 до 300 кВт, по причине допустимой нагрузки гидродинамической газовой пленки.

[0028] Использующие гидростатическое давление подшипники с газовой смазкой, для увеличения несущей способности подшипника без необходимости вращения, используют смазочную пленку с избыточным давлением от внешнего источника. Использующие гидростатическое давление подшипники с газовой смазкой не имеют упругих механических элементов. Недостаточная податливость подшипников с газовой смазкой, использующих гидростатическое давление, ограничивает их применение до маленьких систем с низкими рабочими температурами и низкими скоростями. Кроме того, недостаточная податливость может привести к кромочному нагружению, износу и катастрофическому заклиниванию.

[0029] Использующие гидростатическое давление подшипники с газовой смазкой также могут быть подвержены явлению, называемому пневматический удар. Так как газовый смазочный материал является сжимаемым, изменения давления могут привести к нестабильности, что может быть очень разрушительным. Поэтому исключение пневматического удара в гидростатических подшипниках с газовой смазкой требует тщательного контроля режима работы.

[0030] Не существует упорных подшипников с газовой смазкой, которые можно использовать в турбомашинах высокой мощности (более 3000 кВт) и которые могут выдерживать высокие нагрузки, высокие скорости и высокие рабочие температуры.

[0031] Как подробно описано далее, предложены варианты выполнения гибридных упорных подшипников с газовой смазкой, использующих и гидродинамическое давление и гидростатический наддув, и подходящих для использования в турбомашинах высокой мощности (более 300 кВт). Варианты выполнения упорного подшипника с газовой смазкой могут содержать подаваемый под давлением от внешнего источника газовый смазочный материал, те или иные виды механической податливости, и демпфирующее устройство. Например, в некоторых вариантах выполнения механическая податливость может быть обеспечена с помощью электроэрозионной обработки (ЭЭО) элементов подшипника, чтобы сделать элементы податливыми. В некоторых вариантах выполнения демпфирование может быть выполнено с помощью двух или более герметичных емкостей и поршней, которые пропускают и ограничивают поток текучей среды между емкостями. Кроме того, в других вариантах выполнения демпфирование может быть выполнено с помощью демпфирующего устройства из проволочной сетки.

[0032] Фиг. 1 иллюстрирует вариант выполнения турбомашины 10. Турбомашина 10 имеет одну или более ступеней 12, расположенных вдоль ротора 14. На конце ротора 14 расположен гибридный упорный подшипник 16. На фиг. 1, в качестве конкретного примера турбомашины 10, показан центробежный компрессор. Однако другие примеры подходящей турбомашины 10 содержат, помимо прочего, другие типы компрессоров, турбин, насосов или других промышленных или коммерческих турбомашин. Показанная турбомашина 10 имеет длину примерно 2 метра и вес примерно 225 кг. Хотя показанная турбомашина 10 имеет 7 ступеней 12, турбомашина может иметь любое количество ступеней 12, например 2, 5, 10, 12 или 14 ступеней. Во время работы ступени 12 турбомашины 10 образуют перепад давления между ступенями 12, что приводит к возникновению сил давления. Силы давления приводят к образованию усилия вдоль оси ротора 14. Гибридный упорный подшипник 16 на конце ротора 14 удерживает ротор 14 на месте и позволяет ротору 14 вращаться. По существу, чем мощнее турбомашина 10, тем большее осевое усилие она создает. Следовательно, для турбомашины 10 с большей мощностью потребуется гибридный упорный подшипник 16 с большей допустимой нагрузкой.

[0033] Имеющиеся в настоящее время упорные подшипники с газовой смазкой используют либо гидродинамическое давление, либо гидростатический наддув, и имеют лишь очень ограниченное применение в турбомашинах. Подшипники, использующие обычное гидродинамическое давление, могут использоваться только в турбомашинах с диапазоном мощности от 200 до 300 кВт, так как низкая вязкость газового смазочного материала ограничивает допустимую нагрузку. С другой стороны, использующие гидростатическое давление подшипники могут использоваться только в маленьких системах, работающих на низких температурах и малых скоростях, что вызвано недостаточной податливостью в устройстве. Недостаточная податливость может привести к кромочному нагружению, износу и катастрофическому заклиниванию, что ограничивает срок службы подшипника. Подшипники, использующие гидростатическое давление, также могут быть подвержены пневматическому удару. В настоящем изобретении предложен гибридный упорный подшипник с газовой смазкой, подходящий для использования в турбомашинах высокой мощности (более 300 кВт) и использующий и гидродинамическое давление и гидростатический наддув, и предотвращающий пневматический удар.

[0034] На фиг. 2 схематично показан вариант выполнения гибридного упорного подшипника 16. Показанный на фиг. 2 гибридный упорный подшипник 16 имеет упорный диск 20, который вращается вместе с ротором 14. На каждой стороне упорного диска 20 имеется слой находящегося под давлением газового смазочного материала 22, один или более вкладышей 24 подшипника, один или более податливых упругих элементов 26 и один или более демпферов 28. Как рассмотрено далее, может быть предусмотрен один О-образный вкладыш 24 подшипника на каждой стороне упорного диска подшипника, либо может быть предусмотрено несколько вкладышей 24, разделенных на сектора, либо другая конструкция. В некоторых вариантах выполнения вкладыш 24 может быть выполнен из газопроницаемого пористого материала, так, чтобы находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 проходил через вкладыши 24.

[0035] Податливый упругий элемент 26 воспринимает статическую нагрузку на устройство, а демпфер 28 подавляет вибрацию. Подшипник, работающий только на гидродинамическом давлении (то есть подшипник без газового смазочного материала 22 под давлением), не может нести нагрузку без вращения. Когда ротор 14 и упорный диск 20 подшипника вращаются относительно вкладышей 24, находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 образует тонкую газовую пленку, которая может нести нагрузку. В показанном на фиг. 2 варианте выполнения, любое смещение упорного диска 20 и вкладыша 24 друг относительно друга поглощается податливым упругим элементом 26, так как податливый упругий элемент 26 мягче находящегося под давлением газового смазочного материала 22, что позволяет поддерживать нормальную пленку из находящегося под давлением газового смазочного материала 22. Хотя податливый упругий элемент 26 может быть обычной спиральной пружиной, он не обязательно представляет собой пружину, а скорее является любым элементом, обеспечивающим податливость устройства. Например, податливый упругий элемент 26 может представлять собой элемент корпуса подшипника, выполненный с помощью электроэрозионной обработки, фрезерования или каким-либо другим способом, и обеспечивающий податливость корпуса подшипника. Кроме того, следует понимать, что, хотя на фиг. 2 показано по одному податливому упругому элементу 26 на каждой стороне подшипника, подшипник может иметь любое количество податливых упругих элементов 26, или податливую конструкцию (корпус 38 подшипника) с одним или более элементами, полученными путем механообработки. Например, на каждой стороне подшипника может быть расположено 1, 2, 4, 6, 8 или 10 податливых упругих элементов 26. Кроме того, на каждой стороне упорного диска 20 не обязательно должно быть одинаковое количество упругих элементов.

[0036] Благодаря использованию находящегося под давлением газового смазочного материала 22, гибридный упорный подшипник 16 также использует гидростатическое давление. С помощью находящегося под давлением газового смазочного материала 22, подшипник 16 может нести некоторую осевую нагрузку даже когда ротор 14 не вращается. Следовательно, благодаря находящемуся под давлением газовому смазочному материалу 22, гибридный упорный подшипник 16 может нести базовую осевую нагрузку без вращения ротора 14. Когда ротор 14 начинает вращаться, гидродинамическое давление подшипника 16 увеличивает допустимую нагрузку подшипника 16, и она становится больше нагрузки, которую может выдерживать находящийся под давлением газовый смазочный материал 22. Благодаря использованию и гидростатического наддува и гидродинамического давления, подшипник 16 может выдерживать более высокие скорости, более высокие рабочие температуры, и более высокие осевые нагрузки, которые характерны для высокомощных турбомашин.

[0037] Находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 может представлять собой технологический газ, например CO₂, или любой другой газ, подходящий для использования в качестве смазочного материала в подшипниках. В одном варианте выполнения находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 может подаваться от какого-либо элемента турбомашины 10, от другой турбомашины, или из какого-либо другого процесса. Смазочный материал 22 может сжиматься другим компрессором, может сжиматься в другом резервуаре с наддувом, или может сжиматься с использованием давления, подаваемого от какого-либо элемента турбомашины 10 или от другой турбомашины. Кроме того, для запуска давление может быть получено от буферного резервуара, от другой турбомашины, или от любого другого подходящего источника избыточного давления. Аналогично, этап остановки турбомашины 10 может включать обеспечение избыточного давления в буферном резервуаре, чтобы далее использовать указанное давление для обеспечения находящегося под давлением газового смазочного материала 22 перед следующим запуском.

[0038] В одном варианте выполнения в подшипнике 16 для предотвращения пневматического удара используется демпфер 28. С помощью рассеивания энергии и сопротивления вибрационной скорости устройства, демпфер 28 минимизирует влияние на подшипник 16 неустойчивости, вызванной нагнетанием сжимаемого газа, в данном случае газового смазочного материала 22. Демпфирование подшипника 16 может быть выполнено многими различными способами. Например, демпфирование подшипника 16 может быть выполнено с помощью двух или более герметичных емкостей и поршня, который пропускает и ограничивает поток текучей среды между емкостями. В альтернативном варианте выполнения подшипник 16 может использовать проволочную сетку для выполнения демпфирования путем циклической деформации (конструкционное демпфирование) и путем Кулонова демпфирования. Особенности этих и других способов демпфирования будут рассмотрены более подробно при описании конкретных вариантов выполнения. Подшипник 16 может иметь одно или более демпфирующих устройств на каждой стороне упорного диска 20 подшипника.

[0039] Фиг. 3А и 3В иллюстрируют вид сбоку и вид спереди варианта выполнения подшипника 16. Следует отметить, что показанные на фиг. 3А и 3В варианты выполнения являются лишь возможными и не ограничивают объем заявленной формулы. Фиг. 3А иллюстрирует вид сбоку варианта выполнения подшипника 16. Показанный на фиг. 3А вариант выполнения содержит вкладыши 24 подшипника, податливые упругие элементы 26, выполненные с помощью механообработки корпуса 38 подшипника, газовпускные патрубки 30, опорную пластину 34, монтажные шпильки 36 и отверстия 40 подачи газа. Вкладыши 24 обращены к упорному диску 20 подшипника и к находящемуся под давлением газовому смазочному материалу 22. Вкладыши 24 соединены с корпусом 28 подшипника, который содержит упругий элемент 26 и демпферы 28. В данном конкретном варианте выполнения податливые упругие элементы 26 выполнены заодно с корпусом 38 подшипника путем электроэрозионной обработки указанного корпуса, в результате чего получены S-образные упругие элементы 26, податливые в осевом направлении. Упругие элементы 26 являются податливыми таким образом, что вкладыши 24 и опорная пластина 34 могут перемещаться друг относительно друга. На фиг. 3А также показан газовпускной патрубок 30 для подачи находящегося под давлением газового смазочного материала 22 в систему. Устройство подачи находящегося под давлением газового смазочного материала 22 будет рассмотрено более подробно при описании других вариантов выполнения.

[0040] Фиг. 3В иллюстрирует вид спереди варианта выполнения гибридного упорного подшипника 16, содержащего те же элементы, что показаны на фиг. 3А. Показаны четыре вкладыша 24, расположенные в окружном направлении в плоскости вращения и обращенные к упорному диску 20 подшипника. Следует понимать, что подшипник 16 может иметь один O-образный вкладыш 24, или несколько вкладышей 24 меньшего размера, как показано на фиг. 3В. Вкладыши 24 имеют отверстия 40 подачи газа, через которые проходит находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 для обеспечения гидростатической индуцированной силы для образования газовой пленки между двумя поверхностями. Отверстия подачи газа могут находиться на поверхности вкладышей 24, или могут быть утоплены, смещены от упорной поверхности 56 вкладышей 24. Вкладыш 24 также может быть выполнен из газопроницаемого пористого материала, выполненного с обеспечением прохождения находящегося под давлением газового смазочного материала 22 через вкладыш 24. В показанном на фиг. 3В варианте выполнения, гибридный упорный подшипник 16 имеет четыре газовпускных патрубка 30 и четыре монтажные шпильки 36, равномерно распределенные вокруг оси вращения. Следует понимать, что подшипник 16 может иметь большее количество газовпускных патрубков 30 и монтажных шпилек 36 или меньшее количество газовпускных патрубков 30 и монтажных шпилек 36. Аналогично, гибридный упорный подшипник 16 не обязательно должен иметь одинаковое количество патрубков 30 и шпилек 36. Также патрубки 30 и монтажые шпильки 36 не обязательно должны быть равномерно распределены по окружности подшипника.

[0041] Фиг. 4А и 4В иллюстрируют виды в разрезе варианта выполнения устройства 52 подачи газа в подшипнике 16. Фиг. 4А иллюстрирует перспективный вид в разрезе варианта выполнения устройства 52 подачи газа в подшипнике 16. В показанном варианте выполнения устройство 52 подачи газа содержит газовпускной патрубок 30, газовпускное отверстие 74, опорную пластину 34, полость 54, сильфон 48 и отверстия подачи газа 40. Находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 подают по газовпускному патрубку 30, через газовпускное отверстие 74 в опорной пластине 34 и в полость 54. Находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 может представлять собой технологический газ, подаваемый от какого-либо элемента турбомашины 10, от другой турбомашины или газ, используемый только в качестве смазочного материала подшипника. Кроме того, смазочный материал 22 может сжиматься с использованием давления, подаваемого от какого-либо элемента турбомашины 10, давления, подаваемого от другой турбомашины, компрессора, буферного резервуара или от какого-либо другого источника избыточного давления. Гибкий элемент, в данном случае сильфон 48, герметизирует канал текучей среды между вкладышем 24 и полостью 54. Сильфон 48 является гибким, следовательно уплотнение не нарушается когда вкладыш 24 и опорная пластина 34 перемещаются друг относительно друга в результате изгиба податливого упругого элемента 26. Затем находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 проходит далее через отверстия 40 подачи газа к упорной поверхности 56 вкладыша 24. Отверстия подачи газа могут находиться на поверхности вкладышей 24, или могут быть утоплены, смещены от упорной поверхности 56 вкладышей 24. Вкладыш 24 также может быть выполнен из газопроницаемого пористого материала, выполненного с обеспечением прохождения находящегося под давлением газового смазочного материала 22 через вкладыш 24.

[0042] Фиг. 4В иллюстрирует подробный вид в разрезе того же варианта выполнения устройства 52 подачи газа в подшипнике 16, что показан на фиг. 4А. Находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 подают по газовпускному патрубку 30 в газовпускное отверстие 74. Газ заполняет полость 54, проходит через сильфон 48 и отверстия 40 подачи газа к упорной поверхности 56 вкладыша 24.

[0043] Фиг. 5А и 5В иллюстрируют виды в разрезе варианта выполнения крепежного и демпфирующего устройства 58 в гибридном упорном подшипнике 16. Фиг. 5А представляет собой перспективный вид в разрезе варианта выполнения комбинированного крепежного и демпфирующего устройства 58. Следует понимать, что хотя показанное на фиг. 5А и 5В устройство осуществляет и крепление и демпфирование, для крепления и демпфирования также можно использовать два отдельных устройства. В показанном варианте устройство 58 крепления и демпфирования содержит опорную пластину 34, внутреннее демпферное уплотнение 24, наружное демпферное уплотнение 44, первую емкость 66, вторую емкость 68, демпферный поршень 60, монтажную шпильку 36, диафрагму 62, упорную пластину 64 и корпус 46 вкладыша подшипника. В данном варианте выполнения устройство 58 демпфирования содержит две герметичных емкости 66 и 68 и демпферный поршень 60 с зазором между внутренним и наружным уплотнениями и демпферным поршнем, причем поршень пропускает или ограничивает поток текучей среды между емкостями 66 и 68. Это лишь один способ обеспечения демпфирования в гибридном упорном подшипнике 16. Другие способы демпфирования будут рассмотрены более подробно в других вариантах выполнения. В данном варианте выполнения герметичная первая емкость 66 и герметичная вторая емкость 68 образованы внутренним демпферным уплотнением 42, наружным демпферным уплотнением 44 и поршнем 60. Монтажная шпилька 36 крепится к демпферному поршню и к упорной поверхности 46. Механическое соединение между демпферным поршнем и упорной поверхностью обеспечивает передачу колебательного движения от роторной системы к демпферу подшипника. Устройство удерживается на месте с помощью упорной пластины 64. Когда податливые упругие элементы 26 сжимаются, поршень 60 перемещается, и текучая среда проходит из первой емкости 66 во вторую емкость 68.

[0044] Фиг. 6В иллюстрирует подробный вид в разрезе варианта выполнения крепежного и демпфирующего устройства 58, показанного на фиг. 5А и рассмотренного выше. Упругие диафрагмы 62 на крепежной шпильке 36 предотвращают утечку масла из полостей, но позволяют крепежной шпильке 36 двигаться. Демпферный поршень ограничивает два тонких проточных канала, соединяющих первую емкость 66 со второй емкостью 68. При изгибе податливого упругого элемента 26 текучая среда протекает по двум тонким проточным каналам между первой емкостью 66 и второй емкостью 68. Следует понимать, что это лишь один из способов выполнения демпфирования в гибридном упорном подшипнике 16, и он не ограничивает объем заявленной формулы. Другие варианты выполнения демпфирования будут рассмотрены при описании других вариантов выполнения.

[0045] Фиг. 6А, 6В и 6С иллюстрируют различные виды варианта выполнения подшипника 16 с демпфером 72 из проволочной сетки. Фиг. 6А иллюстрирует вид в разрезе варианта выполнения гибридного упорного подшипника 16, содержащего демпфер 72 из проволочной сетки вместо показанного на фиг. 5А и 5В крепежного и демпфирующего устройства 58 с двумя емкостями, использующего для демпфирования поток текучей среды. Демпферы 72 из проволочной сетки изготавливают путем переплетения и последующего сжатия полосы из свитых металлических проводов или металлической сетки, чтобы получить кольцо или сегмент с высокой плотностью компоновки. Вместо выполнения демпфирования путем пропускания и ограничения потока текучей среды между двумя емкостями, демпфер 72 из проволочной сетки рассеивает энергию путем циклической деформации проводов (конструкционное демпфирование) и путем относительного перемещения проводов (демпфирования на основе Кулонова трения). В настоящем варианте выполнения S-образные податливые упругие элементы 26 выполнены путем электроэрозионной обработки корпуса 38. Демпфер 72 из проволочной сетки установлен в корпусе 38 и сверху опорной пластины 34. Сверху демпфера 72 из проволочной сетки расположена крышка 76, которая герметизирует газовую полость 54 от демпфера 72 из проволочной сетки. Газовый смазочный материал 22 поступает из полости 54 через отверстия 40 подачи газа к упорной поверхности 56 вкладыша 24, чтобы смазывать подшипник 16. Отверстия подачи газа могут находиться на поверхности вкладышей 24, или могут быть утоплены, смещены от упорной поверхности 56 вкладышей 24 подшипника. Вкладыш 24 также может быть выполнен из газопроницаемого пористого материала, выполненного с обеспечением прохождения находящегося под давлением газового смазочного материала 22 через вкладыш 24.

[0046] Фиг. 6В иллюстрирует вид сбоку показанного на фиг. 6А варианта выполнения гибридного упорного подшипника 16, имеющего демпфер из проволочной сетки. В отличие от предыдущих показанных вариантов выполнения, в настоящем варианте газовпускные отверстия 74 расположены не внизу, а сбоку гибридного упорного подшипника 16. Следует понимать, что газовпускные отверстия 74 могут располагаться где угодно на подшипнике 16, и не обязательно должны быть снизу или сбоку подшипника 16. В данном варианте выполнения газовпускные патрубки 30 подают смазочный материал 22 в газовпускные отверстия 74, расположенные на корпусе 38 подшипника.

[0047] Фиг. 6С иллюстрирует вид спереди показанного на фиг. 6А и 6В варианта выполнения гибридного упорного подшипника 16, имеющего демпфер 72 из проволочной сетки. Как было указано ранее, находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 поступает через отверстия 40 подачи газа к упорной поверхности 56 вкладыша 24, чтобы смазывать подшипник.

[0048] Фиг. 7А и 7В иллюстрируют два варианта выполнения демпфера 72 из проволочной сетки. Фиг. 7А иллюстрирует вид в разрезе подшипника 16, содержащего демпфер 72 из проволочной сетки в виде полного кольца. В другом случае, фиг. 7В иллюстрирует вариант выполнения подшипника 16, содержащего сегментированный демпфер 72 из проволочной сетки. Следует понимать, что демпфер 72 из проволочной сетки может быть цельным кольцеобразным элементом, или может иметь любое количество сегментов.

[0049] Фиг. 8А, 8В и 8С иллюстрируют вариант выполнения гибридного упорного подшипника 16, имеющего демпфер 72 из проволочной сетки и консольные податливые упругие элементы 26, выполненные путем механообработки в корпусе 38 подшипника. Как видно на фиг. 8А, в настоящем варианте выполнения подшипник 16 имеет демпфер 72 из проволочной сетки в виде полного кольца и консольные податливые упругие элементы 26, выполненные путем механообработки в корпусе 38. Следует понимать, что хотя на фиг. 8А показан демпфер 72 из проволочной сетки в виде полного кольца, также можно использовать сегментированный демпфер из проволочной сетки. Аналогично, на фиг. 8А корпус 38 расположен только снаружи демпфера 72 из проволочной сетки, а не внутри и снаружи, как показано на фиг. 7А и 7В. В результате, консольные податливые упругие элементы 26 расположены только снаружи демпфера 72 из проволочной сетки, а не снаружи и внутри демпфера 72 из проволочной сетки, как S-образные податливые упругие элементы, показанные на фиг. 7А и 7В. Следует понимать, что эта разница не является ограничительной, а лишь иллюстрирует различные способы выполнения податливых упругих элементов 26. Податливые упругие элементы 26 могут иметь любую форму и могут располагаться снаружи демпфера 72, внутри демпфера 72 сетки или и снаружи и внутри демпфера 72.

[0050] Фиг. 8В иллюстрирует вид сбоку варианта выполнения гибридного упорного подшипника 16, имеющего демпфер 72 и консольные податливые упругие элементы 26. Как и в показанных на фиг. 6А, 6В и 6С вариантах выполнения, находящийся под давлением газовый смазочный материал 22 поступает в подшипник 16 через газовпускное отверстие 74 сбоку подшипника. Вместо нескольких отверстий 40 подачи газа, каждый вкладыш 24 подшипника может иметь одно отверстие 40 подачи газа, как показано на фиг. 8А. Следует понимать, что вкладыш 24 может иметь любое количество отверстий 40 подачи газа, например 1, 5, 10, 50, 100 или 500. Кроме того, каждый вкладыш 24 может иметь одно или более углублений 80, каждое из которых имеет одно или более отверстий 40 подачи газа. В другом случае, гибридный упорный подшипник 16 может иметь вкладыши 24 совсем без углублений 80.

[0051] Фиг. 8С иллюстрирует вид спереди варианта выполнения гибридного упорного подшипника 16, имеющего демпфер 72 из проволочной сетки и консольные податливые упругие элементы 26. Как видно на фиг. 8С, гибридный упорный подшипник 16 имеет шесть сквозных отверстий 78, просверленных в корпусе 38 подшипника между вкладышами 24. Следует понимать, что фиг. 8С не ограничивает конструкцию гибридного упорного подшипника 16 показанной конфигурацией с шестью вкладышами 24 и с шестью сквозными отверстиями 78. Наоборот, подшипник 16 может иметь любое количество вкладышей 24 и сквозных отверстий 78. Кроме того, количество вкладышей 24 и сквозных отверстий 78 не обязательно должно быть одинаковым.

[0052] Технический результат изобретения содержит подшипник, использующий газовый смазочный материал, податливую конструкцию и демпферное устройство. Технический результат также содержит упорные подшипники с газовой смазкой, использующие и гидродинамическое давление и гидростатический наддув. Технический результат также содержит упорные подшипники с газовой смазкой, подходящие для использования в турбомашинах высокой мощности (например более 300 кВт).

[0053] В этом описании для раскрытия изобретения используются примеры, включающие предпочтительный вариант выполнения изобретения, которые позволяют любому специалисту реализовать изобретение на практике, включая создание и использование любых устройств или систем и реализацию любых соответствующих способов. Патентоспособный объем изобретения определен формулой изобретения, и может содержать прочие варианты конструкций, которые имеют место в практике специалистов. Имеется в виду, что такие прочие варианты конструкций будут находиться рамках формулы изобретения, если они содержать конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы, имеющие несущественные отличия от элементов, описанных в формуле изобретения.

Изобретение относится к упорным подшипникам, используемым в турбомашинах или в другом оборудовании с вращающимися элементами. Упорный подшипник (16) содержит один или более вкладышей (24), которые прикреплены к податливому корпусу (38) подшипника и каждый из которых имеет упорную поверхность, а также устройство подачи находящегося под давлением газового смазочного материала к упорной поверхности вкладышей (24) и демпфирующее устройство (26, 28), работающее параллельно с податливым корпусом. Также предложена турбомашина, содержащая упомянутый подшипник (16). Технический результат: создание упорного подшипника с газовой смазкой, использующего и гидродинамическое давление, и гидростатический наддув, а также подходящего для использования в турбомашинах высокой мощности (например, более 300 кВт). 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Упорный подшипник, содержащий

податливый корпус,

один или более вкладышей, которые соединены с указанным податливым корпусом подшипника и каждый из которых имеет упорную поверхность,

устройство подачи газа, выполненное с возможностью подачи находящегося под давлением газового смазочного материала к упорной поверхности указанного одного или более вкладышей, и

демпфирующее устройство, выполненное с возможностью работы параллельно с податливым корпусом подшипника.

2. Упорный подшипник по п. 1, выполненный с возможностью установки на ротор, расположенный в турбомашине.

3. Упорный подшипник по п. 1, в котором устройство подачи газа содержит

газовпускной патрубок, выполненный с обеспечением подачи находящегося под давлением газового смазочного материала к подшипнику через газовпускное отверстие,

гибкий сильфон, через который проходит находящийся под давлением газовый смазочный материал, и

одно или более отверстий подачи газа, через которые находящийся под давлением газовый смазочный материал проходит к упорной поверхности подшипника.

4. Упорный подшипник по п. 1, в котором корпус подшипника содержит один или более податливых упругих элементов, выполненных в корпусе подшипника путем электроэрозионной механообработки.

5. Упорный подшипник по п. 4, в котором указанный один или более податливых упругих элементов имеют S-образную форму.

6. Упорный подшипник по п. 4, в котором указанный один или более податливых упругих элементов являются консольными.

7. Упорный подшипник по п. 1, в котором демпфирующее устройство содержит демпферный поршень, разделяющий первую емкость и вторую емкость, причем демпферный поршень ограничивает ограничительный канал между первой емкостью для текучей среды и второй емкостью для текучей среды и выполнен с возможностью перемещения между первой емкостью и второй емкостью при изгибе податливого корпуса подшипника с обеспечением пропускания или ограничения потока текучей среды между первой емкостью и второй емкостью.

8. Упорный подшипник по п. 1, в котором демпфирующее устройство содержит демпфер из проволочной сетки.

9. Упорный подшипник по п. 8, в котором устройство подачи газа содержит

газовпускное отверстие, расположенное сбоку на корпусе подшипника,

крышку, расположенную между демпфером из проволочной сетки и полостью, и

одно или более отверстий подачи газа, выполненных с обеспечением прохождения находящегося под давлением газового смазочного материала из полости к упорной поверхности подшипника.

10. Упорный подшипник с газовой смазкой для применения в турбомашине, содержащий

упорную поверхность,

устройство подачи газа, выполненное с обеспечением подачи находящегося под давлением газового смазочного материала к упорной поверхности,

один или более податливых упругих элементов, соединенных с упорной поверхностью, и

демпфирующее устройство, выполненное с возможностью работы параллельно с податливыми упругими элементами.

11. Упорный подшипник по п. 10, в котором указанный один или более податливых упругих элементов содержат S-образные упругие элементы, полученные путем электроэрозионной механообработки.

12. Упорный подшипник по п. 10, в котором демпфирующее устройство содержит демпферный поршень, разделяющий первую емкость и вторую емкость, причем демпферный поршень ограничивает ограничительный канал между первой емкостью для текучей среды и второй емкостью для текучей среды и выполнен с возможностью перемещения между первой емкостью и второй емкостью при изгибе податливого корпуса подшипника с обеспечением пропускания или ограничения потока текучей среды между первой емкостью и второй емкостью.

13. Упорный подшипник по п. 10, в котором демпфирующее устройство содержит демпфер из проволочной сетки.

14. Упорный подшипник по п. 13, в котором демпфер из проволочной сетки является сегментированным.

15. Турбомашина, содержащая упорный подшипник, который содержит

один или более вкладышей, каждый которых имеет упорную поверхность,

устройство подачи газа, выполненное с возможностью подачи находящегося под давлением газового смазочного материала к упорной поверхности указанного одного или более вкладышей,

податливый корпус, соединенный с вкладышами, и

демпфирующее устройство, выполненное с возможностью работы параллельно с указанным податливым корпусом подшипника.

16. Турбомашина по п. 15, которая содержит буферный резервуар, выполненный с возможностью поддержания под давлением находящегося под давлением газового смазочного материала, когда турбомашина не работает.

17. Турбомашина по п. 15, в которой находящийся под давлением газовый смазочный материал представляет собой технологическую текучую среду.

18. Турбомашина по п. 15, в которой находящийся под давлением газовый смазочный материал представляет собой технологическую текучую среду, подаваемую из какого-либо местоположения в турбомашине.

19. Турбомашина по п. 15, в которой устройство подачи газа также имеет одно или более утопленных отверстий подачи газа, которые смещены от упорной поверхности вкладыша подшипника.

20. Турбомашина по п. 15, в которой указанный один или более вкладышей подшипника содержат газопроницаемый пористый материал.