Подшипник качения с масляным демпфированием
Изобретение относится к подшипнику качения, снабженному смазывающей пленкой, находящейся под давлением, действующей по типу «выдавливаемой пленки», который предназначен для использования преимущественно в авиации. Подшипник качения турбомашины для формирования опоры вращения первого вала (4) относительно второго вала (6) содержит множество элементов (12) качения, установленных между внутренней кольцевой обоймой (14), установленной на втором валу (6), и наружной кольцевой обоймой (16), установленной на первом валу (4), причем внутренняя поверхность обоймы (16) и наружная поверхность обоймы (14) ограничивают между собой кольцевое пространство, масляную пленку (18), формируемую на уровне кольцевой поверхности контакта между обоймой (16) и валом (4) и ограниченную с боковых сторон уплотнительными кольцами (20, 22). Подшипник также содержит один питающий канал (34), проходящий насквозь через обойму (14), причем канал (34) сообщается с контуром подачи масла и выходит на уровень внутренней дорожки качения элементов качения (12) для обеспечения их смазки, и, по меньшей мере, один дополнительный канал (38), проходящий насквозь через обойму (14). Канал (38) сообщается с контуром подачи масла и заканчивается снаружи по отношению к внутренней дорожке качения для питания маслом через обойму (16) масляной пленки (18) под действием центробежной силы, создаваемой вращением вала (6). Обойма (16) снабжена кольцевым фланцем (42), образующим радиальный выступ, обращенный внутрь кольцевого пространства, причем фланец (42) снабжен, по меньшей мере, одним подающим каналом (40), начинающимся по существу напротив канала (38) и заканчивающимся на уровне масляной пленки (18). Технический результат: обеспечение смазкой и охлаждением подшипника и демпфирование вибрации посредством масляной смазки за счет генерирования давления. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к подшипнику качения, снабженному смазывающей масляной пленкой, находящейся под давлением, действующей по типу «выдавливаемой пленки», который предназначен для использования преимущественно в авиации.
Подшипники качения широко используются в авиации. Авиационные турбомашины содержат подшипники качения в качестве опор качения для первого вала по отношению ко второму валу, установленному коаксиально первому. Так, например, такие подшипники могут быть расположены в турбине между валами турбины высокого давления и турбины низкого давления. Подшипники качения образованы в основном шариками или роликами, которые удерживаются в дорожках качения, выполненных в наружных и внутренних обоймах. Обычно используют шариковые подшипники качения для восприятия осевых нагрузок и роликовые подшипники качения для восприятия радиальных нагрузок турбомашины.
Для удовлетворительной работы подшипников качения этого типа необходимо обеспечить, с одной стороны, смазку и охлаждение элементов качения и, с другой стороны, демпфирование вибрации валов и подшипников качения.
Известным образом смазку и охлаждение элементов качения осуществляют путем впрыска масла между обоймами подшипника. Более конкретно, масло подается между обоймами подшипника от контура подачи смазки, сообщающегося с одним или несколькими отверстиями, проточенными во внутренней обойме подшипника. Далее масло выталкивается или вытесняется центробежной силой наружу за подшипник и уносит тепло, генерируемое при качении. Кроме того, для снижения вибрации, возбуждаемой высокоскоростным вращением валов турбомашины, опирающихся на подшипники качения, обеспечивают удержание масла под давлением в ограниченном пространстве между наружной обоймой и элементом корпуса подшипниковой опоры с помощью того же контура подачи смазки. При этом масло под давлением, находящееся на поверхности контакта между наружной обоймой и элементом корпуса в виде масляной пленки, играет также роль демпфера вибрации. Два уплотнительных кольца, помещенных между наружной обоймой и элементом корпуса подшипника, ограничивают эту масляную пленку с боковых сторон.
Проблема подачи масла под давлением для создания пленки, образующей демпфер вибрации, возникает в том случае, когда подшипник качения расположен между двумя вращающимися валами, например между валами турбины высокого давления и турбины низкого давления. В этой ситуации трудно осуществить известным образом подачу масла для формирования масляной пленки с помощью обычного контура подачи смазки. Особенные трудности вызывает размещение на уровне соответствующего вала контура подачи смазки, содержащего сборники для рекуперации, питающие каналы и насос.
В отношении этой проблемы в патенте США № 4693616 предложено решение, состоящее в использовании давления, которое создается при воздействии центробежных сил на смазочное масло подшипника, для питания демпфирующей масляной пленки. Для этого в наружной обойме выполняют отверстие, выходящее на уровень контакта между наружной обоймой и элементом корпуса. Под действием центробежной силы, создаваемой вращением валов, смазочное масло, впрыснутое между обоймами, проходит через это отверстие в пространство между наружной обоймой и элементом корпуса для формирования масляной пленки.
Однако описанное в данном патенте решение не позволяет создать достаточно высокое внутреннее давление масляной пленки. Это создает проблемы подпитки и способствует явлениям кавитации в объеме масляной пленки. Данные проблемы влияют на кпд турбин турбомашины.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке подшипника качения для турбомашины, позволяющего обеспечить, с одной стороны, смазку и охлаждение подшипника и, с другой стороны, демпфирование вибрации посредством масляной пленки за счет генерирования давления, достаточно высокого для устранения недостатков известных решений уровня техники.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания подшипника качения, образующего опору первого вала относительно второго вала и содержащего множество элементов качения, установленных между внутренней кольцевой обоймой, установленной на втором валу, и наружной кольцевой обоймой, установленной на первом валу. При этом внутренняя поверхность наружной обоймы и наружная поверхность внутренней обоймы ограничивают между собой кольцевое пространство. Подшипник содержит также масляную пленку, формируемую на уровне кольцевой поверхности контакта между наружной обоймой и первым валом и ограниченную с боковых сторон уплотнительными кольцами, и, по меньшей мере, один (питающий) канал, проходящий насквозь через внутреннюю обойму, причем этот канал сообщается с контуром подачи масла и выходит на уровень внутренней дорожки качения элементов качения для обеспечения их смазки. Имеется также, по меньшей мере, один дополнительный канал, проходящий насквозь через внутреннюю обойму. Данный дополнительный канал сообщается с контуром подачи масла и заканчивается снаружи по отношению к внутренней дорожке качения для питания маслом через наружную обойму масляной пленки под действием центробежной силы, создаваемой вращением второго вала.
Подшипник по изобретению характеризуется тем, что наружная обойма снабжена кольцевым фланцем, образующим радиальный выступ, обращенный внутрь кольцевого пространства. При этом данный фланец снабжен, по меньшей мере, одним подающим каналом, начинающимся по существу напротив дополнительного канала и заканчивающимся на уровне масляной пленки.
Наличие подающего канала, выполненного во фланце наружной обоймы, позволяет создавать повышенное внутреннее давление масляной пленки и за счет этого улучшить ее подпитку, а также ограничить явления кавитации. Предпочтительно кольцевой фланец имеет радиальную высоту, по меньшей мере, вдвое превышающую радиальную высоту наружной кольцевой обоймы.
Контур подачи масла содержит, по меньшей мере, одну полость, выполненную во втором валу на уровне его кольцевой поверхности контакта с внутренней обоймой, причем эта полость питается маслом от форсунки, а канал выходит в эту полость. Кроме того, контур подачи масла содержит дополнительную полость, выполненную во втором валу на уровне его кольцевой поверхности контакта с внутренней обоймой, причем дополнительная полость питается маслом от полости, с которой она сообщается, а дополнительный канал выходит в эту дополнительную полость.
В предпочтительном варианте подающий канал в кольцевом фланце выходит на уровень масляной пленки через выравнивающую канавку, выполненную в наружной обойме на уровне ее кольцевой поверхности контакта с первым валом.
Дополнительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, на которых представлен пример осуществления изобретения, не носящий ограничительного характера.
Фиг.1 схематично изображает в продольном разрезе часть турбомашины, содержащую подшипник качения в соответствии с изобретением,
фиг.2 - это график, на котором представлены две кривые давления: для известного подшипника качения и для подшипника качения в соответствии с изобретением.
Фиг.1 изображает в продольном разрезе часть турбомашины, содержащую подшипник качения в соответствии с предпочтительным примером осуществления изобретения.
Подшипник 2 качения расположен между первым валом 4, который является цапфой, расположенной в продолжение вала турбины высокого давления турбомашины, и вторым валом 6 в виде цапфы, расположенной в продолжение вала турбины низкого давления. Первый вал 4 прикреплен к турбине 8 высокого давления турбомашины с помощью устройства 9 крепления. На фиг.1 представлен также второй подшипник 10 качения. Этот подшипник, поддерживающий второй вал 6 с возможностью вращения относительно корпуса 11 турбомашины, не является предметом настоящего изобретения и не будет описан подробно.
Подшипник 2 качения содержит множество роликов 12, установленных между внутренними поверхностями внутренней кольцевой обоймы 14 и наружной кольцевой обоймы 16, которые образуют дорожки качения (беговые дорожки). Первый вал 4 механически жестко связан с наружной поверхностью наружной обоймы 16.
Для демпфирования усилий, передаваемых от второго вала 6 к первому валу 4, подшипник качения снабжен масляной пленкой 18. Эта образующая демпфер масляная пленка сформирована на уровне кольцевой поверхности контакта между первым валом 4 и наружной поверхностью наружной обоймы 16. Она ограничена с боковых сторон двумя уплотнительными кольцами 20, 22, которые установлены в двух кольцевых канавках, проточенных в наружной обойме на ее поверхности контакта с первым валом 4.
Масло, необходимое для смазки и охлаждения роликов 12, подается форсункой 24, которая впрыскивает масло в контур циркуляции. Этот контур циркуляции масла содержит коллекторную канавку 26, выполненную в стенке 27 распределителя масла. Данная канавка обеспечивает питание смазочным маслом двух подшипников качения 2 и 10, представленных на фиг.1. Что касается подшипника 2 качения, являющегося предметом данного изобретения, во втором валу 6 выполнен проход 28, который начинается на уровне первой коллекторной канавки 26 и заканчивается на уровне первой полости 30, выполненной во втором валу на его кольцевой поверхности контакта с внутренней обоймой 14. Далее по направлению потока циркуляции масла эта первая полость 30 сообщается со второй полостью 32, также выполненной во втором валу на его кольцевой поверхности контакта с внутренней обоймой. Один или несколько питающих каналов 34 проходят насквозь через внутреннюю обойму 14 подшипника, начинаясь напротив второй полости 32 и заканчиваясь на уровне внутренней дорожки качения роликов 12. Эти питающие каналы 34 (на фиг.1 показаны два канала) обеспечивают питание смазочным маслом и охлаждение роликов подшипника 2.
Предусмотрена также третья открытая полость 36 для приема масла, от которой масло направляется к масляной пленке 18. Эта третья полость 36 расположена за второй полостью 32 по направлению потока циркуляции масла на уровне кольцевой поверхности контакта между вторым валом 6 и внутренней обоймой 14. Дополнительный канал 38 проходит насквозь через внутреннюю обойму, начинаясь напротив третьей полости 36 и заканчиваясь снаружи по отношению к внутренней дорожке качения роликов 12. На фиг.1 показан один дополнительный канал 38. Во внутренней обойме могут быть предусмотрены также другие каналы для подачи масла к масляной пленке.
Согласно изобретению наружная обойма 16 подшипника качения содержит, по меньшей мере, один подающий канал 40 для подачи масла в масляную пленку 18. Этот канал проходит насквозь через наружную обойму 16, начинаясь напротив дополнительного канала 38, выполненного во внутренней обойме, и заканчиваясь между двумя уплотнительными кольцами 20, 22 на уровне кольцевой поверхности контакта между наружной обоймой и первым валом 4. В данном примере выполнения наружная обойма 16 на уровне своего конца со стороны дополнительного канала 38 снабжена кольцевым фланцем 42, который образует радиальный выступ, обращенный внутрь кольцевого пространства, образованного двумя обоймами подшипника. Фланец 42 имеет достаточный размер в радиальном направлении для того, чтобы подающий канал 40, выполненный в этом фланце, начинался напротив дополнительного канала 38. На практике при скоростях вращения, равных скорости вращения второго вала, создаваемое внутреннее давление масляной пленки изменяется в зависимости от расстояния, отделяющего дополнительный канал 38 от входного конца подающего канала 40.
Таким образом, для создания высоких величин внутреннего давления масляной пленки, адекватных данному частному режиму работы турбомашины, то есть порядка 0,6 МПа (6 бар) по сравнению с величиной 0,2 МПа (2 бар) в известных подшипниках качения с масляным демпфированием, высота напора h (определяемая как радиальный размер фланца 42) предпочтительно превышает, по меньшей мере, в два раза и особенно предпочтительно превышает в три раза высоту напора в известных подшипниках качения с масляным демпфированием (эта высота напора определяется радиальным размером наружной обоймы подшипника).
Согласно полезной особенности изобретения подающий канал 40 выходит на уровень масляной пленки через выравнивающую канавку 44, выполненную в наружной обойме на уровне ее кольцевой поверхности контакта с первым валом для того, чтобы облегчать распределение масла по всему кольцевому пространству, ограниченному двумя уплотнительными кольцами 20, 22.
Далее будет описано функционирование подшипника по изобретению, в частности циркуляция масла, предназначенного для смазки и охлаждения роликов и для питания масляной пленки.
Масло впрыскивается форсункой 24 на уровень коллекторной канавки 26. Далее оно проходит через проход 28, выполненный во втором валу 6, и проникает сначала в первую полость 30, а затем во вторую полость 32. Отсюда масло распределяется в два раздельных контура:
- с одной стороны, под действием центробежной силы, создаваемой вращением второго вала, масло проходит насквозь через внутреннюю обойму 14 по питающему каналу или питающим каналам 34 для обеспечения смазки и охлаждения роликов 12;
- с другой стороны, масло поступает в третью полость 36, проходит через внутреннюю обойму по дополнительному каналу 38 и затем также под действием центробежной силы поступает в подающий канал 40, выполненный во фланце 42 внутренней обоймы, для питания маслом под давлением масляной пленки 18, обеспечивающей демпфирование вибрации.
Наличие фланца 42 наружной обоймы, который образует радиальный выступ, обращенный внутрь кольцевого пространства, образованного двумя обоймами подшипника, позволяет получать значения внутреннего давления масляной пленки 18 существенно более высокие по сравнению со значениями, получаемыми в известных подшипниках качения с масляным демпфированием.
Фиг.2 хорошо демонстрирует эту значительную разницу. На представленной диаграмме кривые 100 и 102 представляют внутреннее давление масляной пленки, создаваемое в зависимости от частоты вращения второго вала (то есть, частоты вращения цапфы вала турбины низкого давления турбомашины), соответственно для известного подшипника качения и для подшипника качения по изобретению. Так например, для частоты вращения второго вала порядка 10000 об/мин известный подшипник качения позволяет получать внутреннее давление масляной пленки, примерно равное 0,3 МПа (3 бар), в то время как подшипник по изобретению создает давление, почти равное 0,8 МПа (8 бар). Такое внутреннее давление масляной пленки ограничивает явления кавитации и позволяет добиться намного более эффективного демпфирования вибрации по сравнению с известными подшипниками качения с масляным демпфированием.
1. Подшипник качения турбомашины для формирования опоры вращения первого вала (4) относительно второго вала (6), содержащий множество элементов (12) качения, установленных между внутренней кольцевой обоймой (14), установленной на втором валу, и наружной кольцевой обоймой (16), установленной на первом валу, причем внутренняя поверхность наружной кольцевой обоймы (16) и наружная поверхность внутренней кольцевой обоймы (14) ограничивают между собой кольцевое пространство, масляную пленку (18), формируемую на уровне кольцевой поверхности контакта между наружной кольцевой обоймой (16) и указанным первым валом и ограниченную с боковых сторон уплотнительными кольцами (20, 22), по меньшей мере, один питающий канал (34), проходящий насквозь через внутреннюю кольцевую обойму (14), причем этот канал сообщается с контуром подачи масла и выходит на уровень внутренней дорожки качения элементов качения для обеспечения их смазки, и, по меньшей мере, один дополнительный канал (38), проходящий насквозь через внутреннюю кольцевую обойму (14), причем дополнительный канал сообщается с контуром подачи масла и заканчивается снаружи по отношению к внутренней дорожке качения для питания маслом через наружную кольцевую обойму (16) масляной пленки под действием центробежной силы, создаваемой вращением указанного второго вала, отличающийся тем, что наружная кольцевая обойма (16) снабжена кольцевым фланцем (42), образующим радиальный выступ, обращенный внутрь кольцевого пространства, причем указанный фланец снабжен, по меньшей мере, одним подающим каналом (40), начинающимся, по существу, напротив указанного дополнительного канала и заканчивающимся на уровне указанной масляной пленки.
2. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что кольцевой фланец (42) имеет радиальный размер, по меньшей мере, вдвое превышающий радиальный размер наружной кольцевой обоймы (16).
3. Подшипник по п.1 или 2, отличающийся тем, что контур подачи масла содержит, по меньшей мере, одну полость (30, 32), выполненную во втором валу (6) на уровне его кольцевой поверхности контакта с внутренней кольцевой обоймой (14), причем указанная, по меньшей мере, одна полость питается маслом от форсунки (24), а указанный, по меньшей мере, один канал выходит в эту, по меньшей мере, одну полость.
4. Подшипник по п.3, отличающийся тем, что контур подачи масла дополнительно содержит дополнительную полость (36), выполненную во втором валу (6) на уровне его кольцевой поверхности контакта с внутренней кольцевой обоймой (14), причем дополнительная полость питается маслом от указанной, по меньшей мере, одной полости (30, 32), с которой она сообщается, а, по меньшей мере, один дополнительный канал выходит в эту, по меньшей мере, одну дополнительную полость.
5. Подшипник по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанный, по меньшей мере, один подающий канал (40) в кольцевом фланце (42) выходит на уровень масляной пленки (18) через выравнивающую канавку (44), выполненную в наружной кольцевой обойме (16) на уровне ее кольцевой поверхности контакта с первым валом (4).
6. Подшипник по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что первый вал (4) является цапфой, расположенной в продолжение вала турбины высокого давления турбомашины, второй вал (6) является цапфой, расположенной в продолжение вала турбины низкого давления турбомашины, а элементы качения (12) являются роликами.
