Способ образования гидродинамического слоя жидкой или газовой среды

 

ОПИСАНИЕ ИЗОВРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5000507/27 (22) 10.07.91 (46) 30.1 0.93 Бюл. Ма 39 — 40 (76) Альпин Александр Яковлевич (54) СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СЛОЯ ЖИДКОЙ ИЛИ ГАЗОВОЙ

СРЕДЫ (57) Использование: в машиностроении для создания гидродинамического слоя в главных и вспомогательных узлах гидромашин /пневмомашин/ и других механизмов. Сущность: при движении одной или обеих образующих гидродинамический слой жидкой или газовой среды поверхностей изменяют давление в слое посредством создания в нем переменных по величине сил вязкости трения и соответствующих вязкостных напряжений между средой и этими поверхностями и внутри слоя. Кроме этого, увеличивают вязкостные напряжения, действующие на спой со стороны поверхности, движущей слой или движимой слоем, и уменьшают соответствующие напряжения со стороны большей части поверхности, толко ограничивающей слой В (в) RU (и) 2002135 Cl (5Ц 5 F16C 17 60 зонах, расположенных вдоль выходной и боковь)х граней ипи только выходной грани. ипи при снижении давления в слое — только входной грани слоя, обеспечивают повышенные и переменные по высоте слоя вязкостные напряжения, уменьшающие вытекание среды из слоя так что между вязкостными напряжениями у одной из поверхностей в этих зонах и вязкостными напряжениями у остальных частей поверхностей, образующих спой, соблюдается соответствующее неравенство. Для этого в указанных зонах слоя создают повышенную и переменную по толщине. слоя вязкость среды, или вводят в слой твердые тела, имеющие максимальный размер больше минимального и меньше максимального размера слоя, или твердые тела выполняют в виде цилиндрических втулок, у которых максимальный размер равен максимальному размеру слоя, и обеспечивают движение образующих слой поверхностей только в одном направлении. Упомянутые средства представляют различные модификации.

28 зл. ф-лы. 23 ил.

2002135

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для создания гидродинамического слоя в главных и вспомогательных узлах гидромашин (пневмомашин) и других механизмов.

Известен способ образования гидродинамического слоя жидкой или газовой сре-. ды, при котором слой образуют между поверхностями элементов и, создавая в нем силы вязкостного трения, изменяют в нем давление, а для увеличения давления воздействуют. на слой средством, обеспечивающим переменные по веллчине -илы вязкостного трения, Недостатками указанного способа являются: малая величина создаваемого в слое гидродинамическаго давления; при увеличении гидродинамического давления за счет уменьшения высоты слоя увеличиваются тепловыделения в саое и вероятность непосредственного касания поверхностей, образующих слой; малая величина расхода среды через слой при использований этого способа для нагнетания или перекачки среды; вследствие малого расхода с еды через тонкие гидродинамические слои оказывается недостаточным массообмен, а, следоваг тельно, и теплообмен в гидродинамическом 0 слое при его использовании в теплообменных устройствах; — при параллельных поверхностях, образующих слой, возникает отрицательное гидродинамическое давление, Целью изобретения является увеличение интенсивности изменения давления, повышение расхода среды и снижение тепловыделения при трении, Это достигается тем, что дополнительно 40 воздействуют на слой или тепловым, или магнитным или электрическим полями, или в слой вводят твердые элементы, или на слой воздействуют упомянутыми полями и одновременно в него вводят твердые эле- 45 менты, для обеспечения между величинами сил вязкостного трения в различных зонах слоя следующего неравенства:

)Peal ) 1Р2 1 (РЗ I, где Р1 — силы вязкостного трения, действу- 50 ющие на слой со стороны поверхностей тел и элемента, движущий слой или движимых слоем;

Рг — силы вязкостного трения, действующие на слой со стороны элемента, только ограничивающего слой, в той его части поверхности, которая не входит в зоны, расположенные вдоль выходной и боковых границ слоя, или только вдоль выходной границы, или только вдоль боковых границ:

Рз — силы вязкостного трения, действующие на слой со стороны элемента, в зонах, расположенных вдоль выходной и боковых границ слоя, или только вдоль выходной границы, или только вдоль боковых границ.

Для обеспечения повышенной и переменной по толщине слоя вязкости при воздействии теплового поля используют эоны, расположенные вдоль выходной и боковых границ слоя, или — вдоль выходной, или— вдоль боковых границ, Для создания теплового поля при обеспечении повышенной и переменной по толщине слоя вязкости используют в зоне под одной из поверхностей, образующих слой, охлаждающую среду или охлаждаемые окружающей средой ребра, а в зоне. отличной от указанных зон, под поверхностью элемента, ограничивающих слой — используют теплоизоляцию, Для обеспечения повышенной и переменной по толщине слоя вязкости при воздействии магнитного поля используют зоны вдоль выходной и боковых границ слоя или — вдоль выходной, или — вдоль боковых границ.

Для создания магнитного поля при обеспечении повышенной и переменной по толщине слоя вязкости под одной из поверхностей элементов, образующих слой, используют магниты или электромагниты, в смазочный слой добавляют магнитный порошок, а другой элемент изготовляют из маломагнитного материала, Тела, введенные в слой, на который воздействуют.магнитным или электрическим полем, используют для движения среды в слое или среду используют для движения упомянутых тел, В качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности вала и вкладыша опорного подшипника.

В качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности гребня и самоустанавливающейся подушки Митчелла упорного и опорного подшипников.

В качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют параллельные поверхности -гребня и диска упорного подшипника.

В качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности зацепления червячной передачи.

В качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности, образующие уплотнение или торцевое уплотнение.

В качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности, образующие уплотнение или торцевое уплотнение.

2002135

В качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности гребня и охлаждающей его подушки в упорном подшипнике.

2, 3, 4 используют в качестве фрикционного элемента в разобщительных муфтах валов.

В качестве поверхностей. ограничивающих слой, используют поверхности теплообмена тонкослойного теплообменного

10 аппарата-насоса.

Слой, в который вводят твердые тела, используют в качестве основного рабочего объема насосов или компрессоров для осуществления процессов всасывания, сжатия, и выталкивания рабочей среды, передающей энергию от элементов, образующих

15 слой, и тел, введенных а слой.

Слой, в который вводят твердые тела, используют в качестве основного рабочего

20 объема гидродаигателей или турбин для осуществления процессов заполнения, или заполнения и расширения, и выпуска рабочей среды, передающей энергию элементам, образующих слой, и телам, введенным

В слой.

Слой, в который вводят твердые тела, используют в качестве основного рабочего объема двигателей внутреннего сгорания ментов, образующих слой, и введенных в него тел.

Слой, в который вводят твердые тела, используют в качестве основного рабочего объема МГД-генераторов или МГД-насосов, или МГД-компрессоров для обеспечения процессов термодинамических циклов этих

МГД-машин, а элементы, образующие слой, и введенные в слой тела.— в качестве магнитопроводов и электропроводоа.

В качестве вводимых в слой твердых тел используют порошок или втулку, или упругие гофрированные втулки, или. подушки

Митчелла, или профильные пластины, или упругие пластины, или упругие гофрированные пластины.

Неподвижную часть торцевого уплотнения выполняют в виде блока, содержащего с обоих концов элементы пар трения, один из которых с большим диаметром прижимают к подвижному элементу одним рядом пружин с нелинейной характеристикой, . опирающихся другим концом на одну из сторон поршня, воспринимающего перепад давления на пару трения большего диаметра и усилия от другого ряда пружин, установленных между второй стороной поршня и блоком.

55 для обеспечения процессов термодинами- 30 ческих циклов двигателей посредством элеТорцовое уплотнение используют а качестве концевого уплотнения паровой турбины и образуют перед ним камеру для конденсирования пара, Зубья колеса червячной передачи выполняют а виде самоуста ; вливающихся подушек Митчелла с эластичной поверхностью, принимающей под нагрузкой форму сопрягаемой поверхности червяка, В качестве поверхностей. ограничивающих слой, используют эксцентричные поверхности элементов, образующих слой, а для подвода в слой или отвода из него среды в торцевых уплотнениях у бокозых границ слоя или в одном элементе выполняют окна, Для обеспечения различных сопротивлений движению среды по длине и ширине слоя гофры втулок или пластин располагают под углом к направлению обеспечения большего сопротивления.

В упорных подушках тонкослойного теплообменного аппарата-насоса выполняют отверстия, расположенные перед зоной с повышенной и переменной по толщине слоя вязкостью, и отводят через эти отверстия охлажденную среду под давлением.

Для образования зон с.повышенной и переменной по толщине слоя вязкостью в гидродинамическом слое торцового уплотнения используют отвод тепла с помощью циркулирующей уплотняемой среды в канавках под рабочей поверхйостью одного из элементов пары трения.

В качестве материала для упругих гофрированных втулок или пластин используют эластичный материал, Поверхности элементов, образующих слой, выполняют гофрированными.

На фиг.1 — распределение вязкостных напряжений в продольном сечении гидродинамического слоя при воздействии на слой тепловым или магнитным, или электри-. ческим полями; на фиг.2 — распределение вязкостных напряжений в поперечном сечении гидродинамического слоя при воздействии на.слой тепловым или магнитным, или электрическим полями; на фиг.3 — распределение вязкости в продольном сечении гидродинамического слоя при воздействии на слой тепловым или магнитным, илиэлектри-, ческим полями;на фиг.4 — распределение вязкости в поперечном сечении гидродинамического слоя при воздействии на слой тепловым или магнитным, или электрическим полями; на фиг.5 — один из элементов, образующих гидродинамический слой, на поверхность которого в определенных зонах подводят охлаждающую среду; на фиг.б — элементы, образующие гидродинамический слой, у одного из которых а определен2002135 и ных зонах устанавливают ребра, охлаждаемые окружающей средой; на фиг.7 — один из элементов, образующих гидродинамичеСКИЙ СЛОЙ, ПОД fl088PXHOCTb КОТороГО 8 ОП" ределенных зонах устанавливают магниты 5 или электрОмаГниты; на фиГ,8 — Гидродинамический слой, в который вводят твердые тела в виде втулок; на фиг.9 — гидродинамический слой, в который вводят твердые тела в виде упругих гофрированных втулок; íà 10 фиГ.10 ГидродинамическиЙ слОЙ, в кОтОрый вводят твердые тела в виде подушек митчелла, на фиг.11 — гидродинамический слой, в который вводят твердые тела в виде профильных пластин и упругих пластин; на 15 фиг,12 — гидродинамический слой, в который вводят твердые тела в виде упругих гофрированных пластин; на фиг,13 — гидродинамическй слой, созданный между двумя эксцентричными поверхностями образую- 20 щих е о элементов, продольный разрез; на. фиг.14 — ",о же, поперечный разрез; на фиг,15 — гидродинамический слой, созданный между параллельными поверхностями гребня и диска в упорном подшипнике с 25 подводом охлаждающей среды.под поверхность диска в определенных, зонах; на фиг,16 — Гидродинамический слой, созданный между парой трения в торцовом уплотнении; на .фиг.17 — вариант торцового, 30 уплотнения, где создают гидродинамический слой между поверхностями пары трения, на фиг,18 — гидродинамический слой, созданный между поверхностями в зацеплении червячной передачи; на фиг.19 — гид- 35 родинамический слой, созданнь.й между поверхностями теплообменного аппарата (между гребнем и охлажда1ощей его подушкой в упорном педшипнике); на фиг,20— гидродинамический слой, используемый в 40 качестве фрикционного элемента в муфтах сцепления валов; на фиг.21 — вариант гидродинамического слоя, используемого в качестве фрикционного элемента в муфтах сце; на фиг.22 — вариант твер- 45 дого тела (кольца), вводимого в гидродинамический слой; на фиг.23 — вариант гидродинамического слоя с гофрированной поверхностью элементов. образующих слой. 50

На фиг.1 показан продольный разрез образованного по заявляемому способу гидродинамического слоя в плоскости, параллельной направлению движения одного из элементов, Образующего этот слой, и 55 перпендикулярной поверхности этого элемента, 1, 2 и 3 — вязкостные напряжения т1, Т2 и т3 непосщдственно $ по8ерхностеЙ элементов, Образующих гидродинамический слой 4-5-6-7, в местах слоя, где действуют силы вязкостного трения соответственно Pj, Р2 и Рз. Эти силы выражаются через вяэкостные напряжения следующими зависимостями:

Р1) Т1 dF Ð2= / Т2 -дЕ;РЭ=. ТЗ dF;

F1 F2 гз где F1, F2 и РЗ вЂ” поверхности элементов, образующих слой, на которые действуют силы Р1, Р2иРз, 8 — движущийся элемент, образующий слой, второй элемент 9 — в данном примере — неподвижен; Поверхности элементов 8 и 9 могут быть параллельными между собой (в заявляемом способе образования гидродинамичеекого слоя и в этом случае в нем будет изменяться давление) или располагаться под углом друг к другу, как это имеет место в известном способе. 5-6 — выходная граница слоя, 10-5-6-11 — зона слоя, расположенная у выходной его границы, Изменение давления в слое может происходить как в виде его повышения, так и понижения, При этом выходная граница слоя при повышении давления в нем располагается в месте, где среда выходит из слоя, а при понижении давления в слое — наоборот.

На фиг.2 — показан поперечный разрез гидродинамического слоя 12-13-14-15 в плоскости, перпендикулярной направлению движения поверхности элемента 8. 13-14 и

12-15 — боковые границы слоя. 12-16-17-15 и

18-13-14-19 — зоны слоя, расположенные у боковых его границ, Кривая 20 на фиг,1 — распределение вязкостных напряжений по толщине слоя в той его части, которая не входит в зоны, расположенные или вдоль выходной и боковых границ слоя, или только вдоль выходной границы, или только вдоль боковых границ.

Кривая 21 на фиг,1 — распределение вязкостных напряжений по толщине слоя в зоне, расположенной вдоль выходной

ГРаНИЦЫ СЛОЯ.

Кривые 22 и 23 на фиг,2 — распределение вязкостных напряжений по толщине слоя в зонах, расположенных вдоль боковых границ слоя.

Стрелка 24 на фиг.1 — скорость движения поверхности элемента 8.

Целью способа является увеличение интенсивности изменения давления в слое, повышения расхода среды и снижение тепловыделения при трении.

Это достигается тем, что дополнительно воздействуют на слой или тепловым. Или

2002135

10 магнитным или электрическим полями, или в слой вводят твердые элементы, или на слой воздействуют упомянутыми полями и одновременно в него вводят твердые элементы, для обеспечения между величинами сил вязкостного трения в различных зонах слоя следующего неравенства:

IP1I > IPz l < IPzl, Это соотношение между силами вязкостного трения обеспечивает поставленную цель, поскольку: — увеличение Р1 способствует увеличению расхода среды, затягиваемой в слой, и увеличению интенсивности изменения давления в слое; — уменьшение Р2 способствует уменьшению сопротивления при затягивании жидкости в слой, что также увеличивает интенсивность изменения давления и уменьшает тепловыделение в слое; — увеличение Рз по сравнению с Р2 способствует уменьшению утечек из слоя, что еще более увеличивает интенсивность изменения давления, которое вызывает увеличение толщины слоя и за счет этого уменьшает в нем тепловыделение, Указанное выше соотношение между

25 силами вязкостного трения достигается несколькими вариантами способа.

1-й вариант — в слое, показанном на 30 фиг.3 и 4, на который воздействуют тепловым полем, создают повышенную и переменную (согласно кривым 25, 26 и 27) по толщине слоя вязкость в зонах, расположенных вдоль выходной 5-6 и боковых 13- 35

14, и 12-15 границ слоя, или такую же вязкость 25 — только вдоль Выходной, или такую же вязкость 26, 27 — только вдоль боковых границ, а в части слоя, которая не входит в указанные зоны. создают вязкость

28 у движущейся поверхности большую, чем вязкость 29 у поверхности, только ограничивающей слой. Чем выше вязкость у поверхности элемента, образующего слоя, тем больше в этом месте вязкостные напряже- 45 ния.

Таким образом, обеспечивается выполнение указанного выше соотношения между силами вязкостного трения в слое. Такое распределение вязкости достигается за 50 счет того, что у неподвижной поверхности в зонах, расположенных у выходной и боковых границ слоя, тепловые потоки (отврд тепла) 30, 31 и 32 больше, чем тепловой поток 33 у подвижной поверхности, а у.не- 55 подвижной поверхности в части слоя, которая не входит в указанные зоны, тепловой поток отсутствует. В качестве вариантов, такие тепловые потоки создают эа счет того.. что под одну из поверхностей 34 (фиг.5) эле ментов, образующих слой. в указанных зонах подводят охлаждающую среду 35 или устанавливают ребра 36 (фиг.6), охлаждаемые окружающей средой, а под поверхностью элемента, только ограничивающего слой 37, в той его части, которая не входит в указанные зоны, устанавливают теплоизоляцию 38.

2-й вариант — в слое, на который воздействуют магнитным или электрическим полем, создают повышенную и переменную по толщине слоя вязкость в зонах, расположенных вдоль выходной и боковых границ слоя, или такую же вязкость — только вдоль выходной, или только ВдОль бОкОВых границ. При этом соотношение между. силами вязкостного трения в слое обеспечивается за счет соответствующего изменения вязкости у поверхностей элементов, образующих слой, Как один из подвариантов, такое распределение вязкости достигается тем, что у зон слоя, где создают повышенную и переменную по толщине слоя вязкость; под поверхностью 39 (фиг.7) одного иэ элементов

40, образующих слой, устанавливают магниты или электромагниты 41, а в смазочный слой добавляют магнитный порошок, В этом случае у поверхности одного элемента, под которой расположены магниты, возникает большая напряженность магнитного поля, что увеличивает концентрацию магнитного порошка в этом месте и вязкостные напряжения между поверхностью и слоем. Для усиления этого эффекта другой элемент, образующий слой, изготовляют из маломагнитного материала, 3-й вариант — в слое, в который вводят твердые тела, последние выполняют в виде: порошка или втулок 42 (фиг.8) или упругих гофрированных втулок 43 (фиг.9), или подушек Митчелла 44 (фиг.10), или профильных пластин 45 (фиг,11), или упругих пластин 46, или упругих гофрированных пластин 47 (фиг.12). Твердые тела, вводимые в слой, увеличивают поверхность, соприкасающуюся со средой в слое и поэтому в зонах поверхности, например, элемента 8 (фиг,11 и 12), с которым тела 45, 46 и 47, вводимые в слой, имеют большие силовые связи — возникают соответственно и большие силы от вязкостного трения. Таким образом, в том варианте за счет изменения площадей поверхности твердых тел, вводимых в слой и имеющих большие или меньшие силовые связи с элементами, образующими слой, поддерживают величины сил вязкостного трения в различных местах слоя, соответствующие неравенству:

IP I < IP I.

2002135

В этом варианте соотношения между вязкостными напряжениями и силами вязкостного трения выражаются следующими зависимостями:

Р1= f t1 dF+ f ti dF;

F1 F1

Рз=3 тз dF+ З,тз dF; з з где t1, г2 и тз — вязкостные напряжения, действующие между средой а слое и телами, вводимыми в слой, имеющими жесткими связи с элементами, образующими слой, в местах этих элементов, где действуют силы, соответственно, Р1, Р2 и Рз, Г1, F2 и Рз — площади поверхностей тел, вводимых в слой, на которые действуют напряжения, соответственно, 71, 72 и тз

Как подварианты: — слой создают между двумя эксцентричными поверхностями элементов 48 и 49 (фиг.13 и 14), и среду в слой подводят и отводят, как показано стрелками 50 и 51 на фиг.13, через специальные окнй 52 и 53 (фиг,13 и 14) в торцовых уплотнениях 54, расположенных у боковых границ слоя или через окна в одном из элементов; или создают различные сопротивления движению среды в направлениях длины и ширины слоя, для чего гофры втулок 43 (фиг,9) или пластин 47 (фиг,12) располагают под углом к направлению, по которому создают большее сопротивление; или втулки 80 (фиг.22) выполняют из эластичного материала, или поверхности элементов 8 и 9 (фиг,23) выполняют гофрированными.

4-й вариант - в слое, на который воздействуют полями, вводят в него твердые тела и поддерживают величины сил вязкостного трения в различных местах слоя, соответствующие указанному неравенству, При этом тела, вводимые в слой, движут среду в слое или движутся этой средой, а элементы, образующие слой, могут быть неподвижными.

В способе образования гидродинамического слоя по первому и второму вариантам в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности: вала 55 и вкладыша 56 в. опорном подшипнике (фиг,б); гребня и самоустанаалиаающейся подушкой Митчелла в упорном и опорном подшипниках; параллельные поверхности гребня 59 и диска 60 а упорном подшипнике (фиг.15);

50 ребра 78, и закрепленных ко второй полумуфте 79.

В способе образования гидродинамического слоя по третьему варианту в качестве поверхностей, ограничивающих слой, ис55 пользуют поверхности:

25 в паре трения 61 и 62 торцового уплотнения {фиг,16), в котором, как один из вариантов образования эон с повышенной и переменной по. толщине слоя вязкостью, тепло отводят с помощью ребер или циркулирующей уплотняемой среды в канавках под рабочей поверхностью одного иэ элементов пары трения; или.а паре трения торцевого уплотнения (фиг.17), неподвижную. часть которого выполняют в виде блока 63, содержащего с обоих концов элементы пар трения 64, один из которых образуют большего диаметра, прижимают к подвижному элементу 65 одним рядом пружин 66 с нелинейной характеристикой, которые опирают другим концом на одну из сторон поршня

67, воспринимающего перепад давления на пару трения большего диаметра и усилия от другого ряда пружин 68, установленных между второй стороной поршня 67 и блоком

63; а качестве падва рианта применения торцового уплотнения, на гидродинамический слой которого воздействуют тепловым полем, его устанавливают в качестве концевого уплотнения паровой турбины и перед ним образуют камеру, в которой конденсируют пар; в зацеплении червячной передачи; или а зацеплении червячной передачи, показанной на фиг.18, где зубья колеса 69 выполняют в виде самоустанааливающихся подушек

70 Митчелла, имеющих эластичную поверхность 71, принимающую под нагрузкой форму сопрягаемой поверхности червяка 72; гребня 73 и охлаждающей его подушки

74 в упорном подшипнике (фиг.19); поверхности теплообмена тонкослойного теплообменного аппарата или аппарата-насоса; как вариант, а упорных подушках аппарата-насоса выполняют отверстия, расположенные перед зоной с повышенной и переменной по толщине слоя вязкостью, и отводят через эти отверстия охлажденную среду под давлением; разобщительных муфт валов. Как один из вариантов, слой 75 (фиг.20 и 21) образован между коническими поверхностями полумуфты 76 и подушками Митчелла 77, имеющих специальный отвод тепла через основного рабочего обьема насосов или компрессоров и в этом слое совершают процессы асасывания. сжатия и аыгалкивания рабочей среды, которой I1Pредаr(17 энергию

2002135

55 от элементов, образующих слой, и тел, вводимых в слой; основного рабочего объема гидродвигателей или турбин и в этом слое совершают процессы заполнения, или заполнения и расширения, а также выпуска рабочей среды, которая передает энергию элементам, образующих слой, и телам, вводимых в слой, основного рабочего объема двигателей внутреннего сгорания и в этом слое с помощью элементов, образующих слой, и тел, вводимых в слой, совершают над средой процессы термодинамических циклов двигателей.

В способе образования гидродинамического слоя по четвертому варианту в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности рабочих объемов в

МГД-генераторах или МГД-насосах, или

МГД-компрессорах в качестве основного рабочего объема этих МГД-машин и в этом слое совершают над средой процессы термодинамических циклов МГД-машин, а тела, вводимые в слой, служат в качестве магнитопроводов и электропроводов.

Предлагаемый способ образования гидродинамического слоя реализован следующим образом.

Упорные подушки у которых за счет воздействия теплового поля был образован гидродинамический слой с повышенной и переменной по толщине слоя вязкостью в зонах, расположенных вдоль выходной и боковых границ слоя, были установлены взамен штатных подушек Митчелла в стандартном главном упорном подшипнике судового валопровода с диаметром вала

0,32 м. Предельная нагрузка на штатные подушки, при которой происходит их подплавление при скорости вращения 500 об/мин и при смазке и охлаждении подшипника циркулирующим от насоса маслом с температурой 40 С, - 1,4 10 Н, Динамическая вязкость штатного масла — 3,3344 х х10 Н с/м при температуре 20 С. Размеры новых упорных подушек в точности соответствовали штатным. Положение центра опоры этих подушек по расчету было выбрано таким образом, чтобы поверхности гребня и подушек при работе были параллельными, т.е. по возможности отсутствовал бы известный клиновой эффект образования гидродинамического слоя (зффект Рейнольдса-Митчелла), При испытаниях новых подушек со скоростью вращения вала 500 об/мин под их рабочей поверхностью осуществлялся подвод охлаждающей воды с температурой

30 С, Подшипник был полностью залит мас-. лом штатной марки и циркуляционная смаз5

40 ка при испытании была отключена. Таким образом, подшипник испытывался только при охлаждении водой, прокачиваемой через охлаждаемые зоны подушек, Расход охлажда ощей воды — 3500 л/ч. Температура воды на выходе из подушек — 32 С. Длительность интервалов между очеоедными повышенияминагруэкина10 10 определялась по установлению постоянной температуры масла в подшипнике. От нагрузки 140 10

Н до нагрузки, соответствующей подплавлению подушек, температура масла в подшипнике изменялась от 54 до 56 С.

Подпывление подушек произошло при нагрузке 200 10 Н. Таким образом, несущая способность гидродинамического слоя, образованного по новому способу, оказалась выше на 43, чем несущая способность гидродинамического слоя, образованного по известному способу. Кроме того, при новом способе не требуется циркуляционная смазка от насоса.

Нижний вкладыш подшипника; у которого за счет воздействия теплового поля был образован гидродинамический слой с повышенной и переменной по толщине слоя вязкостью в зонах, расположенных вдоль выходной и боковых границ слоя, и одновременно этот слой имел форму клина (как это имеет место в обычном опорном подшипни-: ке), был установлен взамен штатного вкладыша в стандартном опорном подшипнике валопровода диаметром 200 мм. Схема испытаний была аналогична предыдущей, При испытании не удалось достигнуть подплавления испытуемого подшипника, поскольку первым подплавлялся нагружающий подшипник. смазываемый циркулирующим от масляного насоса маслом, имеющим рабочую поверхность в 4 раза большую, чем испытуемый подшипник, и слой, образованный по известному способу. Та-. ким образом, можно сделать вывод, что способ образования,гидродинамического слоя, сочетающий в себе предлагаемый способ и известный клиновой, дает возможность повысить несущую способность слоя не менее чем в 4 раза. При этом не требуется циркуляционной смазки от насоса, Нижние вкладыши подшипников, у которых за счет воздействия теплового поля были образованы гидродинамические слои с повышенной и переменной по толщине слоя вязкостью в зонах, расположенных вдоль боковых границ слоев, и одновременно эти слои имели форму клиньев (как имеет место в обычном опорном noäojèïíèêå), были установлены взамен штатных вклады шей в стандартных опорных подшипниках валопроводов с диаметрами валов от 0,61 до

2002135

30

40

0,6 м. Ь отличие ст предыдущего примера, повышенная и переменная по толщине слоя вязкость создавалась в зонах только вдоль боковых границ слоев, и охлаждение этих зон осуществлялась, как это показано на фиг.6, только за счет естественного отвода тепла в окружающую среду через установленные на корпусе подшипника ребра (являющиеся одновременно стенками картера).

:Никаких других устройств для отвода тепла подшипники не имели. Все зти подшипники были подвергнуты всесторонним испытаниям; на повышение нагрузки в камере, где поддерживалась постоянная температура окружающей среды 55-60 С, длительные стендовые ресурсные испытания — до 2000 ч в этой камере и эксплуатационные испытания до 60000 ч. Аналогичным сравнительным испытаниям подвергались подшипники.гаких же размеров, но тепло в них отводилось с помощь с змеевиковых маслоохладителей,-встроенных в картеры подшипников, через которые прокачивалзсь охлаждающая вода с температурой 20 — 30 С, Анализ результатов сравнительных испытаний показал, что несущая способность, надежность и ресурс подшипнйксв, где об-. разован гидродинамический слой по рекомендуемому способу, и поэтому не требующих ни циркуляцМонной смазки и ни водяного охлаждения, оказались не ниже, чем эти же параметры у подшипников, имеющих слой, образованный по известному способу, и водяное охлаждение в картере, Две охлаждающие упорный гребень подушки (один иэ вариантов тонкослойного теплообменного аппарата), у которых за счет воздействия теплового поля был образован гидрсдинзь|ический слой с повышенной и переменной пс толщине слоя вязкостью в зонах, расположенных вдоль выходной и боковых границ слоя (фиг,19), были установлены 838MGH двух штатных оодушек Митчелла (из восьми) в стандартном главном упорном подшипнике судового валопровода с диаметром вала 0,32 м. Предельная нагрузка на восемь штатных подушек, при которых происходит их подплавление при скорости вращения 500 об/мин и при смазке и охлаждении подшипника циркулирующим от насоса штатным маслом с температурой 40 С, — 140 ° 10" Н.

Динамическая вязкость штатного масла—

3,3344 . 10 Н с/мг при температуре 20 С.

Отвод тепла при испытаниях этого подшипника производился только за счет прокачки воды через указанные две охлаждающие подушки. Температура охлаждающей воды на входе — 30 С. Расход воды — 2000 кг/ч, Перепад температур по охла>кдзющей воде при нагрузке на подшипник 100 10 — 3 С.

Площадь охлаждаемой поверхности (no маслу) в обоих подушках — 16 10 м . Под-э плавление подушек подшипника произошло при нагрузке 157 10 Н. При этом перепад температур по охлаждающей воде был 3,5 С.

Результаты этих испытаний позволяют сделать следующие выводы: — коэффициент теплоотдачи в тонкослойном теплообменном аппарате, где образован гидродинамический слой по рекомендуемому способу, составляет 15000

Вт/м град; известно, что коэффициенты

2 теплоотдачи по маслу с такой вязкостью в обычных теплообменных аппаратах не превосходят 200 Вт/мг град; несущая способность упорного подшипника с охлзждением таким теплообменным аппаратом на 12 g, больше, чем при циркуляционной смазке от масляного насоса, Применение предлагаемого способа образования гидродинамического слоя, использующего оптимальные соотношения между вязкостны и напряжениями в различных местах слоя (согласно обобщающему признаку формулы), позволит значительно расширить область применения гидродинамических слоев в различных областях техники и обеспечить в них следующие преимущества: использование способа создания повышенной и переменной по толщине слоя вязкости среды в зонах гидродинамического слоя, расположенных вдоль выходной и боковых границ слоя позволяет существенно увеличить несущую способность опорных и упорных подшипников скольжения (гидродинамического трения), а также снизить в них тепловыделение от трения, При средних нагс5узках и скоростях скольжения (до 15х х10 Н/и удельных давлений и 10 м/с окружныхх скоростей) можно не применять циркуляционной смазки или водяного охлаждения. А при водяном охлаждении под указанными зонами несущая способность подшипников будет соответствовать удельным давлениям до 120 10 Н/м при окружг ных скоростях до 20 м/с.

С помощью этого способа можно также создавать: тонкослойные теплообменные аппараты для вязких жидкостей с коэффициентами теплоотдачи до 25000 Вт/м град; этй ап2 парзты могут одновременно выполнять функцию насоса. перекачивающего охлажденную жидкость:

2002135

15 торцевые уплотнения, имеющие очень тонкие, но надежные гидродинамические слои; червячные передачи, передающие большие крутящие моменты; разобщительные муфты валов, позволяющие производить их включение при большой разнице в скоростях вращения соединяемых валов (без синхронизации), Использование заявляемого способа, в котором вводят в слой твердые тела (согласно второй общей альтернативной технологии) позволит создать:

Формула изобретения

1, СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СЛОЯ ЖИДКОЙ ИЛИ

ГАЗОВОЙ СРЕДЫ путем движения одной или обеих образующих слой поверхностей тел для изменения давления в гидродина-. мическом слое и создания в нем переменных по величине сил вязкостного трения и соответствующих вяэкостных напряжений между средой и поверхностями тел и внутри слоя, отличающийся тем, что дополнительно воздействуют на слой, или тепловым, или магнитным, или электриче- 3j скими полями, или в слой вводят твердые элементы, или на слой воздействуют упомянутыми полями и одновременно в него вводят твердые элементы для обеспечения между величинами сил вязкостного трения 35 в различных зонах слоя следующего нера-.

I венства:

IP1I > IPzI > IPaI, где P1 - силы вязкостного трения, действующие на слой со стороны поверхностей

- 40 . тел и элемента, движущих слой или движиt

- мых слоем;

Pg - силы вяэкостного трения, действующие на слой со стороны элемента, только ограничивающего слой, в той его части по- 45 верхности, которая не выходит в зоны, рас-, положенные вдоль выходной. и боковых границ слоя, или только вдоль выходной .границы, или только вдоль боковых границ;

Рз - силы вязкостного трения, действующие на слой со стороны поверхности элемента, в зонах, расположенных вдоль, выходнои и боковых границ c/losf, или Yoltb 55 ко вдоль выходной границы, или только вдоль боковых границ.

2.Способ по п.1, отличающийся . тем, что для обеспечения повышенной и переменной по толщине слоя вязкости при а6згидромашины различных типов (насосы, гидродвигатели, компрессоры, турбины, двигатели внутреннего сгорания, М ГД-генераторы); используемый в этих гидромашинах способ изменения давлени в среде с помощью взаимодействия между ней и движущимися поверхностями за счет вязкостных сил, которые создают в среде, усовершенствованный отличительными особенностями заявляемого способа; позволит повыси ь основные эксплуатационные качества гидромашин (уменьшить габариты, вес,. повысить надежность), а также упростить их конструкции. действии теплового поля используют зоны, расположенные вдоль выходкой и боковых границ слоя, или - вдоль выходной, илйвдоль боковых границ.

3.Способ по п.2, отличающийся тем, что для создания теплового поля при обеспечении повышенной и переменной по толщине слоя вязкости используют в зоне под одной из поверхностей, образующих слой, охлаждающую среду или охлаждаемые окружающей средой ребра, а в зоне, отличной от указанных Ъон, под поверхностью элемента, ограничивающей слой, используют теплоизоляцию.

4.Способ no- n.1, отличающийся тем, что при обеспечении повышенной и переменной по толщине слоя вязкости при воздействии магнитного вопя, используют эоны вдоль выходной и боковых границ слоя, или вдоль выходкой, ипи вдоль боковых границ.

5.Способ по п.4, отличающийся тем, что для создания магнитного поля при обеспечении повышенной и переменной по толщине слоя вязкости используют по одной из поверхностей элементов, образующих слой, используют магниты или электромагниты, в смазочный слой добавляют

Магнитный порошок, а другой элемент изготовляют из маломагнитного материала.

6.Способ по п.1, отличающийся тем, что тела, введенные в слой. на который воздействуют магнитным или электрическим полем, используют для движения среды . в слое или среду используют для, движения упомянутых тел.

7.Способ по пп.2 - 5, отличающийся тем, что в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхност вала и вкладыша опорного подшипника.

З,Способ по nn,2 - g, отличающийся тем, что в качестве поверхностей, ограни19

2002135

20 чивающих слой, используют поверхности гребня и самоустанавливающейся подушки

Митчелла упорного и опорного подшипни-. ков.

9.Способ по пп,2 - 5, отличающийся тем. что в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют параллельные поверхности гребня и диска упорного подшипника.

10.Способ по пп.2 - 5, отличающийся тем, что в качестве поверхностей, ограни чивающих слой, используют поверхности зацепления червячной передачи.

11.Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности, образующие уплотнение или. торцевое уплотнение.

12.Способ по пп,4 и 5, отличающийся тем, что в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности, образующие уплотнение или торцевое уплотнение.

13,Способ по пп.2 — 5, отличающийся тем, что в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности гребня и охлаждающей его подушки в упорном подшипнике..

14.Способ по пп.2 - 5, отличающийся тем, что слой используют в качестве фрикционного элемента в разобщительных муфтах валов.

15.Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют поверхности теплообмена тонкослойного теплообменного аппарата или теплообменного аппарата-насоса, 1б.Способ по п.1, отличающийся тем, что слой, в который вводят твердые тела, используют в качестве основного рабочего объема насосов или компрессоров для осуществления процессов всасывания, сжатия и выталкивания рабочей среды, передающей энергию от элементов, образующих слой, и тел, введенных в слой.

17.Способ по п.1, отличающийся тем, что слой, в который вводят твердые тела, используют в качестве основного рабочего объема гидродвигателей или турбин для осуществления процессов заполнения или заполнения и расширения и выпуска рабо. чей среды, передающей энергию элементами, образующими слой, и телом, введенным в слой.

18.Способ по п.1, отличающийся тем, что слой, в который вводят твердые тела. используют в качесгве основного рабочего объеМа двигателей внутреннего сгорания для обеспечения процессов термодинамических циклов двигателей посредством

5 элементов, образующих слой, и введенных в него тел.

19.Способ по п.1, отличающийся тем, что слой, в- который вводят твердые тела, используют в качестве основного рабочего

10 объема МГД-генераторов или МГД-насосов, или МГД-компрессоров для обеспечения процессов термодинамических циклов этих МГД-машин, а элементы, образующие слой, и введеные в слой тела - в качестве

15 магнитопроводов и электропроводов.

20,Способ no n.1, отличающиич тем, что в качестве вводимых в слой твердых тел используют порошок или втулки, или упругие гофрированные втулки, или подушки- Митчелла, или профильные пластины или упругие пластины, или упругие гофрированные пластины.

21;Способ по п.11, отличающийся тем, 25 что неподвижную часть торцевого уплотнения выполняют в виде блока, содержащего с обоих концов элементы пар трения, один из которых с большим диаметром, прижимают к подвижному элементу одним рядом

30 пружин с нелинейной характеристикой, опирающихся другим концом на одну из сторон поршня, воспринимающего пере:пад давления на пару. трения большего диаметра и усилия от другого ряда пружин, 35 установленных между второй стороной поршня и блоком, 22.Способ по п.13., отличающийся тем, что торцевое уплотнение используют в качестве концевого уплотнения паровой турбины и образуют перед ним камеру для конденсирования пара.

23.Способ по п.10, отличающийся тем, что зубья колеса червячной передачи вы45 полняют. в виде самоустанавливающихся подушек Митчелла с эластичной поверхностью, принимающей под нагрузкой форму сопрягаемой поверхности червяка.

24.Способ по п.20, отличающийся тем, 50 что в качестве поверхностей, ограничивающих слой, используют эксцентричные по верхности элементов, образующих слой, а для подвода в слой или отвода из него среды в торцевых уплотнениях у боковых гра 55 ниц слоя или в одном из элементов выполняют окна, 25.Способ по п,20, отличающийся тем, что для обеспечения различных сопротивлений движению среды по длине и ширине слоя гофры втулок или пластин располага22 родинамическом слое торцевого уплотнения используют отвод тепла с помощью циркулирующей уплотняемой среды в канавках под рабочей поверхностью одного из элементов пары трения.

28.Способ по п.26, отличьлщийся тем, что в качестве материала для упругих гофрированных втулок или пластин используют эластичный материал, 29.Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхности элементов, образующих слой, выполняют гофрированными.

2 20

21 2002135 ют под углом к направлению обеспечения большего сопротивления.

26.Способ по п.15, отличающийся тем, что в упорных подушках тонкослойного теплообменного аппарата-насоса выполняют отверстия, расположенные перед зоной с повышенной и переменной по толщине слоя вязкостью, и отводят через эти отверстия охлажденную среду под давлением.

27.Способ по п,11, отличающийся тем, что для образования зон с повышенной и переменной по толщине вязкостью в гидФиг, 2002135

Фиг.б

2002 135

ФигЗ фиг

2002135

Фиг.22

Составитель А. Альпин

Редактор Л. Народная Техред М. Моргентал Корректор А, Козориз

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5

Заказ 3165

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгорол. ул I:è;, ина 101