Многолепестковый газодинамический подшипник
Изобретение относится к машиностроению, в частности к подшипникам скольжения с жидкостной и газовой смазкой, используемым для радиальной подвески роторов высокоскоростных турбомашин различного назначения, например турбохолодильников, турбодетандеров. Подшипник включает корпус подшипника с цапфой, расположенные в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и цапфой два или более верхних лепестка, представляющие собой гладкие податливые ленты, простирающиеся в окружном направлении вокруг цапфы и прилегающие своей внутренней поверхностью к цапфе. Между наружными поверхностями верхних лепестков и внутренней поверхностью корпуса подшипника расположены в окружном направлении упругодемпферные секции, состоящие из пружинных элементов, прилегающих наружной стороной к внутренней поверхности корпуса подшипника, и гладких податливых лепестков, расположенных между внутренними поверхностями пружинных элементов и наружными поверхностями верхних лепестков. Хотя бы одна секция содержит два или более лепестка. Хотя бы между одним из верхних лепестков и корпусом подшипника расположены две или более упругодемпферные секции. Достигается повышение демпфирующей способности подшипника при небольших частотах вращения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к подшипникам скольжения с жидкостной и газовой смазкой, используемым для радиальной подвески роторов высокоскоростных турбомашин различного назначения, например турбохолодильников, турбодетандеров и др.
Известен многолепестковый газодинамический подшипник (патент США №5634723, кл. 384/103, 384/106, 1997), включающий корпус подшипника, расположенную внутри корпуса подшипника цапфу вала, расположенные в окружном направлении в зазоре между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса подшипника и цапфой несколько податливых гладких верхних лепестков. Между внутренней поверхностью корпуса подшипника и каждым верхним лепестком расположен имеющий форму гофрированной ленты пружинный элемент. Между наружной поверхностью каждого верхнего лепестка и внутренней поверхностью соответствующего пружинного элемента расположен податливый гладкий подкладной лепесток. Указанный подкладной лепесток прикреплен одним краем к расположенному рядом в окружном направлении верхнему лепестку.
Несущая способность газодинамического подшипника возрастает при прочих постоянных факторах с увеличением угловой протяженности смазочного слоя, образованного внутренней поверхностью каждого из верхних лепестков и поверхностью цапфы. Это означает, что для повышения несущей способности подшипника необходимо уменьшать количество верхних лепестков в подшипнике.
Указанный выше лепестковый подшипник при малом количестве лепестков, например, равном трем, имеет пониженную демпфирующую способность при небольших частотах вращения. Причиной этого является то, что при радиальных колебаниях цапфы в направлении одного из верхних лепестков не происходит скольжения между этим лепестком и расположенным под ним подкладным лепестком, вызывающего рассеивание энергии и демпфирующего колебания. Скольжения не происходит потому, что часть верхнего лепестка находится в зоне большой толщины смазочного слоя между этим лепестком и цапфой и малого избыточного давления. Вследствие этого при радиальном смещении верхнего лепестка, происходящем в зоне малой толщины смазочного слоя в радиальном направлении от центра подшипника, верхний лепесток имеет возможность вытягиваться в зоне большой толщины смазочного слоя, не препятствуя движению расположенного под ним подкладного лепестка и не вызывая скольжения между верхним лепестком и расположенным под ним подкладным лепестком.
Пониженная демпфирующая способность этого подшипника при небольших частотах вращения является недостатком, поскольку при прохождении ротором низких частот вращения во время разгона и торможения наблюдаются резонансные колебания ротора в подшипниках. Низкая величина демпфирования вызывает увеличение амплитуды радиальных колебаний ротора при прохождении резонансных частот и приводит к необходимости увеличения радиальных зазоров в проточных частях центробежного компрессора или турбины, что снижает эффективность турбомашины.
Целью предлагаемого технического решения является повышение демпфирующей способности подшипника при небольших частотах вращения ротора.
Указанная цель достигается тем, что лепестковый газодинамический подшипник включает корпус подшипника с цапфой, расположенные в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и цапфой два или более верхних лепестка, представляющие собой гладкие податливые ленты, простирающиеся в окружном направлении вокруг цапфы и прилегающие своей внутренней поверхностью к цапфе, и расположенные в окружном направлении, между наружными поверхностями верхних лепестков и внутренней поверхностью корпуса подшипника по две или более упругодемпферные секции, каждая из которых состоит из пружинного элемента (например, гофрированной ленты), прилегающего наружной стороной к корпусу подшипника, и двух или более гладких податливых лепестков, расположенных между внутренней стороной пружинного элемента и наружными поверхностями верхнего лепестка, причем хотя бы в одной из упругодемпферных секций любые два смежных лепестка, соприкасающиеся друг с другом своей наружной и внутренней поверхностями, закреплены на корпусе подшипника с разных краев пружинного элемента.
На чертеже представлен поперечный разрез предлагаемого многолепесткового газодинамического подшипника.
Подшипниковый узел содержит цапфу вала 1, расположенную внутри отверстия в корпусе подшипника 7. В кольцевом пространстве, образованном внутренней поверхностью 5 корпуса подшипника 7 и поверхностью 10 цапфы 1, расположены верхние лепестке 15, обращенные своей внутренней поверхностью 20 к цапфе 1. Каждый верхний лепесток представляет собой податливую гладкую ленту. Край 17 верхнего лепестка закреплен в осевом направлении на корпусе подшипника, например, при помощи сварки. Верхний лепесток простирается в окружном направлении вокруг цапфы. Незакрепленный край лепестка образует с закрепленной частью соседнего верхнего лепестка небольшой зазор.
Между наружной стороной 22 каждого верхнего лепестка и внутренней поверхностью корпуса подшипника расположены в окружном направлении несколько (две или более) упругодемпферных секции. Показанный на чертеже подшипник имеет под каждым верхним лепестком две таких секции. Каждая упругодемпферная секция состоит из пружинного элемента (например, упругой гофрированной ленты) 25 и гладких податливых лепестков 27, 30 и 33. Лепесток 27 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности пружинного элемента. Лепесток 33 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности лепестка 27. Лепесток 30 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности лепестка 33. Количество лепестков в упругодемпферной секции может составлять два или более. Лепестки 27, 30 и 33 закреплены на корпусе подшипника по одному краю, расположенному в направлении вдоль оси подшипника, рядом с пружинным элементом секции. Одним из возможных способов закрепления является точечная сварка. Лепестки 27 и 30 прикреплены соответственно частями 35 и 40 к корпусу подшипника непосредственно. При большом количестве лепестков в секции часть лепестков может быть прикреплена к корпусу подшипника через крепежные части нижележащих лепестков. Например, вышележащий лепесток 33 прикреплен своей крепежной частью 37 к корпусу подшипника через крепежную часть 35 нижележащего лепестка 27. На чертеже представлен один из возможных вариантов расположения крепежных частей лепестков в секции, когда лепестки закреплены с разных сторон пружинного элемента поочередно, т.е. каждая из пар соприкасающихся лепестков (пара лепестков 27 и 30, пара лепестков 30 и 33) закреплена с противоположных сторон пружинного элемента.
Лепестковый подшипник работает следующим образом. При вращении вала в воздушных зазорах между внутренними поверхностями верхних лепестков и цапфой поверхность цапфы 10 увлекает окружающий воздух от начала каждого воздушного зазора, находящегося у незакрепленного края верхнего лепестка, в окружном направлении к концу воздушного зазора, находящегося у закрепленного края верхнего лепестка. Для верхнего лепестка, в сторону которого направлена нагрузка со стороны цапфы, это соответствует направлению от большой толщины воздушного зазора между цапфой и верхним лепестком к малой толщине воздушного зазора.
Для указанного верхнего лепестка за счет сил вязкого трения воздуха по мере уменьшения толщины воздушного зазора в нем возрастает давление. При разгоне после достижения валом определенной частоты вращения величина этого давления оказывается достаточной, чтобы воспринимать всю нагрузку со стороны цапфы 1 и обеспечивать газодинамический режим трения между поверхностью цапфы и внутренней поверхностью 20 верхнего лепестка, то есть наличие на всем протяжении между этими поверхностями газового слоя.
На чертеже показан вариант расположения подшипника, когда весовая нагрузка от вала передается на подшипник в его нижней части. В этой части находится и зона малой толщины смазочного слоя. При небольших частотах вращения значительное избыточное давление в смазочном слое присутствует только в указанной зоне малой толщины смазочного слоя, и основная часть избыточного давления смазочного слоя передается на корпус подшипника через нижнюю упругодемпферную секцию: через верхний лепесток, лепестки 22, 30, 27 и пружинный элемент 25.
При возникновении колебаний вала в лепестковом подшипнике происходит фрикционное демпфирование этих колебаний вследствие скольжения друг по другу деталей подшипника: лепестков, пружинных элементов и корпуса и диссипация энергии колебаний вала.
При вертикальных колебаниях вала и небольших частотах вращения основная доля фрикционного демпфирования происходит в нижней части подшипника, где контактное давление между элементами подшипника наиболее значительно.
При движении цапфы вниз и смещении вниз под действием давления смазочного слоя верхнего лепестка и лепестков нижней упругодемпферной секции точки, лежащие на наружной и внутренней поверхностях лепестка 30, смещаются относительно центра подшипника вместе с этим лепестком по часовой стрелке (к точке крепления лепестка 30). При этом точки, лежащие на поверхностях лепестков 22 и 27, вместе с этими лепестками смещаются против часовой стрелки. Такое смещение контактирующих лепестков в различных направлениях вызывает возникновение сил трения между лепестками 22 и 30 и между лепестками 30 и 27. Поскольку под каждым верхним лепестком находятся две (или больше) упругодемпферные секции, их угловая длина выбрана такой, что практически вся нижняя упругодемпферная секция находится в зоне высокого избыточного давления смазочного слоя, и толщина смазочного слоя в этой зоне мала. Поэтому лепестки секции под действием сил трения не могут выпрямляться, приближаясь к валу, и вынуждены совершать скольжение друг по другу с трением, за счет чего происходит фрикционное демпфирование. При движении цапфы вверх лепестки секции возвращаются на прежнее место и также скользят друг по другу с трением, порождая фрикционное демпфирование.
При колебаниях вала в другом направлении или в случае круговой прецессии вала аналогичным образом происходит демпфирование в других упругодемпферных секциях, которые деформируются в результате движений цапфы.
Величина фрикционного демпфирования между лепестками упругодемпферной секции растет с увеличением количества трущихся пар поверхностей лепестков. При наличии в упругодемпферной секции только двух лепестков будет только одна пара трущихся поверхностей. При трех лепестках в секции, имеющихся в подшипнике, показанном на чертеже, количество трущихся пар поверхностей - две и фрикционное демпфирование в этом случае будет больше, чем при двух лепестках в секции.
1. Многолепестковый газодинамический подшипник, включающий корпус подшипника с цапфой, расположенные в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и цапфой два или более верхних лепестков, представляющих собой гладкие податливые ленты, простирающиеся в окружном направлении вокруг цапфы и прилегающие своей внутренней поверхностью к цапфе, отличающийся тем, что между наружными поверхностями верхних лепестков и внутренней поверхностью корпуса подшипника расположены в окружном направлении упругодемпферные секции, состоящие из пружинных элементов (например, гофрированных лент), прилегающих наружной стороной к внутренней поверхности корпуса подшипника, и гладких податливых лепестков, расположенных между внутренними поверхностями пружинных элементов и наружными поверхностями верхних лепестков, причем хотя бы одна секция содержит два или более лепестков и хотя бы между одним из верхних лепестков и корпусом подшипника расположены две или более упругодемпферных секций.
2. Многолепестковый газодинамический подшипник по п.1, отличающийся тем, что верхние лепестки закреплены на корпусе подшипника по одному краю, расположенному в осевом направлении, при этом направление вращения ротора происходит от свободного края лепестка к закрепленному.
3. Многолепестковый газодинамический подшипник по п.2, отличающийся тем, что упругодемпферные секции имеют по одному упругому элементу.
4. Многолепестковый газодинамический подшипник по п.3, отличающийся тем, что лепестки упругодемпферных секций закреплены по одному краю, расположенному в осевом направлении, на корпусе подшипника.
5. Многолепестковый газодинамический подшипник по п.4, отличающийся тем, что хотя бы в одной из упругодемпферных секций любые два смежных лепестка, соприкасающихся друг с другом своей наружной и внутренней поверхностями, закреплены на корпусе подшипника с разных краев пружинного элемента.
