Газодинамическая осевая опора Советский патент 1992 года по МПК F16C27/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к подшипникам скольх е- ния с газовой смазкой, используемым для осевой фиксации роторов высокоскоростных машин, например, турбомашин различного назначения (турбохолодильников, турбодетандеров, турбонагнетателей, турбогенераторов и пр)

В таких машинах пытаются применить лепестковые упорные газодинамические подшипники (подпятники) t одержащие платы с закрепленными на них упругими лепестками с различной профилировкой. Эти конструкции имеют повышенный износ.

Известна также газодинамическая осевая опора, содержащая пяту и смонтированный в корпусе подпятник в виде платы с закрепленными на ней опорными элементами и с упругими лепестками жегтко смонти- рованными на опорных элементах с образованием двух консольных частей, одна из которых несущая, расположена в контакте со смежными лепестком посредством кромки.

Однако эта газодинамическая опора обладает рядом недостатков Во-первых, оптимальный профиль зазора, соответствующий максимальной несущей способности, имеет место лишь на рабочем режиме, когда под влиянием осевых сил, действующих на упорный подшипник со стороны вращающегося ротора, кромки несущих лепестков деформируют опорную часть смежных лепестков. В момент запуска ротора, когда осевые силы еще малы, профиль несущей части упорногоподшипникаоптимален, клиновидность рабочего профипя слишком велика, что обуславливает большую скорость всплытия и соответственно повышен ный износ антифрикционного покрытия лепестков.

ел

Ю 4

Износ покрытия - основной фаюор, определяющий ресурс упорного подшипника и соответственно турбомашины.

Во-вторых, в подшипнике имеется зона контакта кромки несуи ей части лепестка с опорным участком смежного лепестка и зона кромочного контакта опорного лепестка с платой в случае максимальной осевой нагрузки. Демпфирующей способности бывает недостаточно для подавления резонансных режимов, когда амплитуды колебаний ротора достигают больших значений.

Целью изобретения является увеличение ресурса и повышение демпфирующих свойств опоры.

Поставленная цель достигается тем, что несущая часть каждого упругого лепестка выполнена криволинейной с переменным радиусом, уменьшакщимся к ее кромке, при этом зона контакта кромки несущей части лепестка со смежным упругим лепестком размещена на несущей части смежного лепестка. Например, профилировка может буть выпол йена в виде двух сопрягающихся дуг окружностей с радиусами RI и R2 (). На фиг. 1,2 представлена газодинамическая осевая опора (поперечный разрез); на фиг.З - опора в плане; на фиг.4 - плата с опорными элементами и одним закрепленным лепестком; на фиг.5 - газодинамическая опора в рабочем режиме.

Газодинамическая опора содержит пяту 1, корпус 2, в котором размещена плата 3 с опорными элементами 4, жестко закрепленными на плате 3, например, при помощи сварки, склеивания или полученными путем травления или деформации плат, и упругими лепестками 5, закрепленными на опорных элементах 4 также при помощи сварки или склеивания. Каждый лепесток 5 закреплен на соответствующем опорном элементе 4 так, что образуются две консольные части - несущая б и вспомогательная 7. Несущая часть 6 лепестка 5 спрофилирована в виде кривой с переменным радиусом R, уменьшающимся к кромке лепестка 8. Кромка 8 лепестка 5 опирается на вспомогательную часть 7 смежного лепестка 5.

Следует отметить, что в турбомашинах опоры монтируются с некоторой предварительной осевой деформацией пакета упругих элементов (фиг.1). Эта деформация, называемая преднатягом, позволяет уменьшить осевые перемещения ротора. Величина преднатяга определяется из условия, что перемещение ротора в двухстороннем подпятнике под действием максимальной расчетной силы должно быть меньше любого осевого зазора в роторной системе.

Радиус профилировки RI выбирается таким образом, чтобы при преднатяге упорного подшипника формировался плоско-параллельный участок профиля между несущей частью б лепестка 5 и пятой, Это условие выполняется при следующем соотношении геометрических параметров газодинамической осевой опоры

10

Ri

FiH

где Е - модуль упругости 1-го рода материала лепестка;

- момент сопротивления лепестка в радиальном сечении;

FI - сила, действующая на кромку лепестка при преднатяге;

И -длина конфузорного участка профиля в условиях преднатяга.

Как известно, сочетание наклонного и плоско-параллельного участка профиля зазора является наиболее благоприятным для обеспечения минимального ивноса при пуске. Дело втом, что в этом случае, во-первых, уменьшается давление в зоне контакта лепестка и платы за счет увеличения площади контакта, и, во-вторых, уменьшается скорость всплытия благодаря оптимальной форме зазора.

Величина R2 определяется из условия нераздавливания профили в зоне кромки 8 под действием максимальной осевой расчетной нагрузки

Ra

l

+

F2|2 2 г ГС RCp

ПЕТ TR( n

где l2 - длина участка конфузорного зазора в условиях максимальной расчетной осевой нагрузки;

б -толщина опорного элемента;

F2 - сила, действующая на кромку лепестка при максимальной осевой нагрузке;

Rep. - среднеарифметическое значение радиуса несущей поверхности упорного подшипника;

Ьср - среднеарифметическое значение ширины опорного элемента;

п - число лепестков упорного подшипника.

Газодинамическая опора работает следующим образом.

Вращающийся ротор (не показан) увлекает газ в конфузорные зоны между пятой и лепестками 5. Поскольку форма профиля в момент запуска имеет наклонные и плоскопараллельные участки, в них быстро нарастает давление рабочего газа и становится достаточным для отделения лепестков, При еще небольшой скорости вращения ротора возникает разделительный газовый слой. При увеличении частоты вращения ротора растут осевые нагрузки, действующие через газовый слой на упорный подшипник. Под действием этих нагрузок кромка 8 несущей б части лепестка 5 отжимает смежный лепесток 5 до контакта с платой 3, а тыльная сторона несущей 6 части лепестка 5 опирается на вспомогательную часть 7 смежного лепестка 5 и деформирует его до контакта с платой 3 Вспомогательная часть 7 лепестка 5 в данном случае играет роль дополнитель- ного упругого упора, увеличивающего жесткость газодинамической опоры.

В эгой стадии деформации в зоне кромки 8 сохраняется лишь профилировка лепестка 5 меньшим радиусом RZ. Рабочий зазор принимает форму, близкую к оптимальной, обеспечивая высокую несущую способность опоры на рабочем режиме.

В процессе формирования пакета упругих элементов возникают следующие зоны сухого трения (фиг.5)

1- кромочный контакт кромки 8 лепест- ка 5 с несущей частью б смежного лепестка

5;

2- контакт тыльной части несущей 6 части лепестка 5 с поверхностью вспомогательной части 7 смежного лепестка 5;

3- кромочный контакт вспомогательной части 7 лепестка 5 с платой 3;

4- контакт тыльной стороны несущей б части лепестка 5 с платой 3

Большое количество зон сухого трения обеспечивает хорошие демпфирующие качества предлагаемой конструкции.

/7в5

Создание лепестковой газодинамической осевой опоры с улучшенными пусковыми характеристиками и повышенной демпфирующей способностью позволило заменить газостатические упорные подшипники в высокооборотных турбодетанде- рах

Использование турбодетандеров с лепестковыми газодинамическими осевыми опорами позволило обеспечить:

-большой запас по динамической устойчивости ротора турбодетандера;

-пониженную чувствительность к загрязнению рабочего газа (прохождение грязевой частицы не приводит к отказу, как это имеет место в газостатических опорах);

-сниженные требования к точности изготовления и сборки турбодетандера.

Формула из оТГр е т е н и я

Газодинамическая осевая опора, содержащая пяту и смонтированный в корпусе подпятник в виде платы с закрепленными на ней опорными элементами и с упругими лепестками, жестко смонтированными на опорных элементах с образованием двух консольных частей, одна из которых, несущая расположена в контакте посредством кромки со смежным упругим лепестком, о т- л и ч а ющ а я с я тем, что; с целью увеличения ресурса и повышения демпфирующих свойств, несущая часть каждого упругого лепестка выполнена криволинейной с переменным радиусом, уменьшающимся к ее кромке, при этом зона контакта кромки несущей части лепестка со смежным упругим лепестком размещена на несущей части смежного лепестка.

/V5 Ь

2

Использование: в машиностроении для осевой фиксации роторов сысокоскорост- ных машин, например, турбохолодильни- «08, турбодетандеров, турбонагревателей турбогенераторов. Сущность изобретения: газодинамическая осевая опора содержит пяту 1, корпус 2, в котором размещена плата 3 с опорными элементами 4 Каждый лепесток 5 закреплен на соответствующем опорном элементе 4 так, что образуются две консольные части: несущая 6 и вспомогательная 7 Несущая часть 6 лепестка 5 спрофилирована в виде кривой с переменным радиусом, уменьшающимся к кромке 8 лепестка Кромка 8-лепестка 5 опирается на несущую часть 6 смежного лепестка 5. Это обеспечивает оптимизацию рабочей поверхности в момент всплытия ротора и образование дополнительных зон сухого трения между упругими элементами подшипника. 5 ил (Л С

Зоне /rrfle#t/#