Подшипники
В паровых турбинах используют только подшипники скольжения (опорные и упорные), в которых между вращающимися и невращающимися деталями при нормальной работе всегда существует тонкий слой смазки. Они служат для фиксации такого положения вращающегося валопровода, при котором обеспечивается надежная и экономичная работа турбины.
Опорные подшипники воспринимают нагрузку от массы ротора, вибрационные нагрузки, возникающие при его вращении, а также обеспечивают правильное центрирование ротора относительно неподвижных деталей и сохранение необходимых радиальных зазоров в уплотнениях.
Схема опорного подшипника
Схема опорного подшипника дана на рис. 1.18.
Шейка вала 1 размещается во вкладыше 2 подшипника с небольшим зазором, в который по каналу 9 из масляного бака насосом подается масло. Оно проходит между шейкой и баббитовой заливкой 10 вкладыша, образуя масляную пленку, исключающую контакт поверхностей вала и вкладыша.
Отработавшее масло через торцевой зазор между валом и вкладышем стекает в корпус (картер) 7 подшипника, откуда направляется в масляный бак.
Положение шейки вала и валопровода турбины определяется положением вкладыша. Для изменения его установки используют три нижние колодки 8. Верхняя колодка 6 необходима для плотного зажатия вкладыша в корпусе подшипника. Между вкладышем и колодками для точной центровки расточек устанавливают регулировочные прокладки.
Если масляные насосы расположены не на валу турбины, то на крышках подшипников или над ними устанавливают аварийные емкости 4, непрерывно заполняемые маслом по маслопроводу 5.
Избыток масла по переливной трубе 3 стекает в корпус подшипника. При аварийном прекращении подачи масла от насосов система защиты отключает турбогенератор от сети, а смазка шейки вала в период замедления вращения осуществляется из емкости 4 по маслопроводу 5 через дозировочные отверстия, обеспечивающие уменьшение расхода масла с замедлением турбины.
Подшипник должен быть виброустойчивым, т.е. не реагировать на случайные возмущения, всегда имеющиеся в турбине.
Существует два типа расточки вкладышей: цилиндрическая и овальная (рис. 1.19).
Рис. 1.19. Овальная (а) и цилиндрическая (б) расточки опорных подшипников и распределение давления масла под шейкой вала (в):
1, 3 – верхний и нижний вкладыши, 2 – вал;
А, Б – верхний и боковой зазоры,
В – смещение вала при вращении
При цилиндрической расточке (рис. 1.19, б) боковые зазоры между шейкой вала и вкладышем в плоскости его разъема, примерно вдвое меньше верхнего зазора, который составляет около 0,002 от диаметра шейки вала. При овальной расточке (рис. 1.19, а) боковые зазоры примерно вдвое больше, чем верхний, который составляет около 0,001 диаметра шейки вала.
При быстром вращении ротора масло увлекается в клиновый зазор между шейкой вала и расточкой вкладыша, повышая давление масла под шейкой вала и обеспечивая всплытие ротора на масляной пленке. Так как давление в масляном клине со стороны захода масла больше, то при работе турбины ротор несколько смещается (рис. 1.19, в). Преимуществом овальной расточки вкладышей является то, что при подъеме ротора на масляной пленке между шейкой вала и верхним вкладышем образуется верхний масляный клин, который способствует более спокойной работе турбины.
Упорный подшипник воспринимает результирующее осевое усилие, действующее на валопровод турбины (рис. 1.20).
Рис. 1.20. Схема сегментного упорного гидродинамического подшипника скольжения
На валу 1 турбины выполняют упорный диск (гребень) 4, который через масляный слой опирается в зависимости от направления осевого усилия на сегменты 3 или 5, поворачивающиеся около ребер качания 9. Масло для смазки подводится от насоса в коллектор 8, из которого по отверстиям 2 в установочном кольце подается к сегментам 3. Между упорным сегментом и гребнем образуется масляная пленка, препятствующая их контакту. Совокупность корпуса 6 и установленных в нем сегментов называют вкладышем упорного подшипника.
Маслоснабжение сегментов 5 второго ряда может осуществляться либо точно таким же образом (из другого коллектора) либо, как показано на рис. 1.20, перепуском масла по маслопроводу 7 в камеру этих сегментов.
Широко распространены комбинированные опорно-упорные подшипники (см. рис. 1.2), в которых упорная и опорная части объединены, что уменьшает длину ротора, создает более благоприятные условия для его работы и сокращает габариты турбоагрегата.
Чтобы масло, подаваемое к подшипникам, не вытекало из корпуса подшипника наружу, в месте выхода вала из корпуса устанавливают маслоотбойное уплотнение.
ПОДШИПНИКИ ПАРОВЫХ ТУРБИН Подшипники служат для фиксации такого
ПОДШИПНИКИ ПАРОВЫХ ТУРБИН Подшипники служат для фиксации такого положения вращающегося валопровода в турбине, при котором обеспечивается надежная и экономичная работа. В зависимости от числа роторов в валопроводе и способа их соединения турбоагрегат может иметь от трех до четырнадцати опорных подшипников и один или два (чаще всего один) упорных. Опорные подшипники воспринимают и передают на детали статора радиальные нагрузки от собственных веса валопровода, от его неуравновешенных центробежных сил и расцентровок, от аэродинамических сил, возникающих в проточной части турбины и уплотнениях. Упорный подшипник воспринимает результирующее осевое усилие, действующее на валопровод турбины, и некоторые другие нагрузки.
Схема опорного подшипника 1 Шейка вала 2 вкладыш подшипника 3 переливная трубка 4 аварийный бак 5 патрубок подвода масла 6 верхняя колодка 7 картер 8 нижние опорные колодки 9 подвод масла 10 баббитовая заливка
Схема опорного подшипника
Схема работы опорного подшипника а — положение неподвижной шейки вала во вкладыше, б — распределение усилий от давления в масляном слое вкладыша с цилиндрической расточкой 1 — центр шейки, 2 — центр вкладыша, 3 — клиновидный зазор
Схема работы опорного подшипника
Основные типы опорных подшипников а — одноклиновой, б — двухклиновой, в — многоклиновой
Опорный вкладыш ЛМЗ
Опорный вкладыш ХГТЗ
Сегментный подшипник XГT 3: 1 — опорный сегмент, 2 — опора сегмента; 3 — канал подвода масла, 4 — установочный штифт
Сегментный подшипник ЛМ 3: 1 — сегменты, 2 — уплотнение, 3 — установочные колодки, 4 — штифты, 5 — вкладыши, 6 — стопорная шайба, 7 — термопара
Упорные подшипники. Принцип действия. Величина возможного перемещения валопровода между рядами упорных сегментов называется осевым разбегом в упорном подшипнике.
Конструкция упорных сегментов. Упорные сегменты являются основными деталями упорного подшипника, определяющими качество его работы. Каждый упорный сегмент подвешивается на двух штифтах и контактирует с подкладным кольцом только по ребру качания, вокруг которого он свободно поворачивается при изменении осевого усилия. Ребро качания выполняют параллельным выходному ребру упорного сегмента.
Конструкция упорных сегментов.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Конструкции упорных подшипников.
Корпуса подшипников и их соединение с турбиной Встроенный подшипник 1 — выходной патрубок, 2 — внутренний (конический) обвод патрубка, 3 — крышка подшипника, 4 — ребра, 5 — шпоночный паз, 6 — шпонка, 7 — фундаментная рама
Корпуса подшипников и их соединение с турбиной
Корпуса подшипников и их соединение с турбиной
Корпуса подшипников и их соединение с турбиной
Корпуса подшипников и их соединение с турбиной Опирание корпуса турбины на подшипник с помощью лап: 1 — опорная поверхность стула подшипника; 2 — прижимная скоба, 3 — болт, 4 — плоскость разъема турбины; 5 — лапа; 6 — поперечная шпонка, 7 — отверстие для установки динамометра
Корпуса подшипников и их соединение с турбиной
Корпуса подшипников и их соединение с турбиной Совмещение вертикальных плоскостей корпусов подшипника и турбины: 1 — фундаментная рама, 2 — продольная шпонка, 3 — корпус подшипника, 4 — приливы для крепления горизонтальной планки, 5 — горизонтальная планка; 6 — вертикальная шпонка, 7 — шпоночный паз, 8 — прилив на корпусе турбины для крепления шпоночного паза
Корпуса подшипников и их соединение с турбиной
УСТАНОВКА ТУРБОАГРЕГАТА НА ФУНДАМЕНТЕ Фундамент турбоагрегата
УСТАНОВКА ТУРБОАГРЕГАТА НА ФУНДАМЕНТЕ Фундамент турбоагрегата
УСТАНОВКА ТУРБОАГРЕГАТА НА ФУНДАМЕНТЕ
УСТАНОВКА ТУРБОАГРЕГАТА НА ФУНДАМЕНТЕ
УСТАНОВКА ТУРБОАГРЕГАТА НА ФУНДАМЕНТЕ
УСТАНОВКА ТУРБОАГРЕГАТА НА ФУНДАМЕНТЕ
УСТАНОВКА ТУРБОАГРЕГАТА НА ФУНДАМЕНТЕ
Валоповоротные устройства турбоагрегата Валоповоротные устройства служат для медленного вращения валопровода турбины, исключающего изгиб из-за температурной неравномерности по сечению, появление вибрации и задеваний вращающихся деталей о неподвижные. Необходимость в работе валоповоротного устройства возникает при пуске и остановке.
Подшипники роторов газотурбинных установок (ГТУ)
Роторы турбин и компрессоров опираются на опорные подшипники, которые воспринимают их вес. В свою очередь, на ротор действуют силы, возникающие при работе турбины или компрессора. Эти силы возникают при воздействии газа, который стремится сдвинуть ротор в осевом направлении в сторону меньшего давления. По направлению действия эти силы называют осевыми. Перемещению ротора в осевом направлении препятствует упорный подшипник.
При больших нагрузках длительно работают подшипники скольжения, которые в мощных ГТУ используются в качестве опорных и упорных. Для смазывания подшипников применяют турбинное масло.
Рис.1. Устройство опорного подшипника газотурбинной установки
1, 2 — нижний в верхний вкладыши, 3 — шейка ротора,
4 — направление вращения, 5 — баббитовая заливка,
6 — ось расточки вкладышей, 7 — ось ротора,
8 — полость для прохода масла
В опорном подшипнике (рис. 1) шейка 3 ротора располагается в цилиндрической полости, образованной верхним 2 и нижним 1 неподвижными вкладышами. Направление вращения ротора показано стрелкой 4. Масло под небольшим давлением подается в зазор между шейкой и вкладышами, омывает шейку в верхней части, проходя по полости 8 в верхнем вкладыше, и силами трения о поверхность вращающегося ротора увлекается в зазор между шейкой и нижним вкладышем. Таким образом между шейкой ротора и нижним вкладышем подшипника создается тонкая пленка масла (масляный клин). Давление масла в масляном клине резко повышается. В результате создается усилие, равное весу той части ротора, которая приходится на данный подшипник, и ротор как бы «плавает» на масляной пленке.
При работе ГТУ ротор «всплывает» на масляной пленке так, что центр расточки подшипников и ось 7 шейки ротора не совпадают. Расстояние между ними составляет 0,5—0,7 мм. Коэффициент трения при нормальной работе подшипника составляет 0,002—0,005; Но даже при таком малом коэффициенте трения выделяется большое количество теплоты и масло нагревается на 20—25°С. Чтобы уменьшить трение при пуске и останове ГТУ, поверхность вкладышей заливают баббитом 5 — легкоплавким сплавом, обладающим низким коэффициентом трения. Этот сплав состоит из 83% олова, 11% сурьмы и 6% меди (марка Б-83).
Рис.2. Поперечный разрез опорного подшипника ГТУ
1 — корпус, 2 — труба (подвод масла), 3 — фланец,
4 — крышка, 5,7 — верхний и нижний вкладыши,
6 — планки, 8 — колодка, 9 — установочная прокладка,
10 — шейка ротора, 11 — картер
В простейшем опорном подшипнике (рис.2) нижний вкладыш 7, установленный в корпус 1, обычно опирается на него через три колодки 8 и установочные прокладки 9. Изменяя толщину этих прокладок, устанавливают нижний вкладыш в требуемое положение, что необходимо при центровке ротора. Вследствие трения вращающейся шейки ротора о масляную пленку на вкладыши действуют силы, стремящиеся сдвинуть их по окружности (провернуть). Нижний вкладыш фиксируется от поворота планками 6.
Шейка ротора 10 накрывается верхним вкладышем, который шпильками крепится к нижнему. Сверху, устанавливается крышка 4, которую соединяют болтами с корпусом подшипника через фланцы 3. Между крышкой и верхним вкладышем также размещают колодку с установочными прокладками. Масло поступает к подшипнику по трубе 2, размещенной в корпусе, через отверстие в колодке, установочной прокладке и нижнем вкладыше.
Так как при работе турбин и компрессоров их роторы вращаются в прогнутом состоянии, подшипники устанавливают с учетом этого прогиба, возникающего под действием сил тяжести. Однако положение ротора относительно подшипников может изменяться и по другим причинам, например из-за изменения осевого усилия или деформации корпуса. Чтобы уменьшить перекосы шейки ротора относительно подшипника, применяют подшипники со сферическими вкладышами (рис.3).
Рис.3. Опорный подшипник ГТУ со сферическими вкладышами
1,4 — обоймы, 2,3 — нижний и верхний вкладыши,
5 — подвод масла, 6 — сферическая поверхность,
7 — канал подвода масла от аварийного бачка
В этом случае наружную поверхность нижнего 2 и верхнего 3 вкладышей, соединенных между собой болтами, обтачивают по сфере радиусом R. Аналогично обрабатывают внутреннюю поверхность также соединенных между собой болтами верхней 4 и нижней 1 половинок обоймы. Детали обрабатываются так, чтобы центр сферы радиусом R находился точно на оси вращения ротора. Сопрягающиеся сферические поверхности обойм и вкладышей смазываются маслом, поступающим в каналы 5 и 7. Основным назначением канала 5 является подвод масла в подшипник. Канал 7 заполняется маслом из аварийного бачка. Обоймы 4 и 1 крепятся в корпусе подшипника неподвижно, а нижний и верхний вкладыши могут поворачиваться относительно точки О при изменении положения ротора относительно подшипника.
В настоящее время в опорных подшипниках почти не применяют круговую расточку (см. рис.1), так как при этом велики расходы масла, возникает низкочастотная вибрация ротора и заметное смещение вала в работающем подшипнике по отношению к неработающему.
Другие формы расточки опорных подшипников позволяют избавиться от тех или иных недостатков. На рис.4,а—в показаны круговая расточка со смещением верхнего вкладыша относительно нижнего; овальная и трехклиновая (по числу масляных «клиньев», возникающих при работе подшипника).
Рис.4. Опорные подшипники газотурбинных установок
а — с круговой расточкой со смещением верхней половины относительно нижней,
б,в — с овальной и трехклиновой расточкой, г — с качающимися сегментами,
1,3 — верхний и нижний вкладыши, 2 — сегменты;
О1 О2 — оси верхнего и нижнего вкладышей, Rb — радиус вала,
R — радиусы расточек вкладышей
Используются также подшипники с качающимися сегментами (рис.4,г), на которые опираются шейки ротора, сегменты 2 в свою очередь опираются на поверхность внутренней расточки верхнего 1 и нижнего 3 вкладышей. При вращении ротора они самоустанавливаются так, что давление в масляном клине компенсирует ту часть ротора, которую воспринимает данный сегмент.
Рис.5. Схема работы опорного подшипника с качающимися сегментами
1 — сегменты, 2 — шейка ротора,
3 — масляный клин (распределение давления),
4 — направление вращения ротора, 5 — вал
На рис.5 показана схема работы подшипника с качающимися сегментами. Сегменты 1 устанавливаются под некоторым углом к поверхности вала 5. Масло увлекается силами трения о поверхность вращающегося вала в зазор между сегментами и валом. Давление в масляном клине 3 повышается и препятствует смещению ротора вниз.
Как уже отмечалось, кроме опорных применяются упорные подшипники, назначение которых препятствовать смещению ротора относительно корпуса вдоль оси вращения под действием осевого усилия.
Рис.6. Сегментный упорный подшипник
1,8 — нижняя и верхняя половины корпуса,
2,4 — упорные и установочные колодки,
3 — вал, 5 — отверстия для выхода масла,
6 — упорный диск (гребень), 7 — места опирания колодок
Сегментный упорный подшипник (рис.6) имеет корпус, состоящий из верхней 8 и нижней 1 половин, соединенных друг с другом по горизонтальному разъему. Внутри на корпус опираются упорные колодки 2. На валу ротора выточен упорный диск — (гребень) 6. Осевое усилие с вала 3 передается через упорный диск 6 колодкам 2, а через них — верхней половине 8 корпусаподшипника.
Полость, в которой расположены упорные колодки 2, заполнена маслом, поступающим вдоль поверхности вала. Нагретое масло удаляется из подшипника через отверстия 5. Упорные колодки А-А — работают по тому же принципу, что и сегменты трехклинового подшипника.
Масляный клин создается между упорными колодками 2 и поверхностью упорного диска 6. Давление, возникающее в масляном клине, позволяет компенсировать осевое усилие.
С противоположной стороны упорного диска расположены установочные колодки 4.
Осевой разбег (перемещение) ротора при работе не должен превышать 0,3—0,5 мм. При сборке, когда в подшипнике нет масла, разбег ротора заметно больше, так как упорный диск упирается непосредственно в упорные колодки без масляного клина.
Наиболее широко распространено опирание упорных колодок на ребро и на штифты. Чтобы добиться равномерного распределения усилий по упорным колодкам без точной подгонки, применяют различные способы опирания упорных колодок на корпус подшипника, например через плоские пружины и рычажную систему. Оба способа позволяют автоматически перераспределить нагрузки на колодки до полного выравнивания.
Подшипниковый узел турбокомпрессора
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к турбокомпрессорам автотракторных дизелей, в частности, к подшипниковым узлам. Задачей, предлагаемой полезной модели, является увеличение срока эксплуатации подшипникового узла турбокомпрессора за счет повышения износостойкости рабочих сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения жидкостного трения, и сохранение их предельной точности по параметрам, а именно, их геометрических форм и размеров, в пределах первоначально заданной точности. Подшипниковый узел турбокомпрессора содержит два подшипника скольжения жидкостного трения 1, выполненные из более прочного и твердого материала, чем бронза, например, из стали с последующей термической обработкой, твердостью HRc 6064, выполненные в виде втулок с гладкими внутренними 2 и наружными 3 цилиндрическими поверхностями и маслоперегонными сквозными отверстиями 4, равномерно расположенными по окружности и, предназначенными для подачи смазочного материала на цилиндрическую гладкую поверхность 5 вала ротора 6, выполненным с колесом турбины 7 как одно целое. На каждой из торцевых поверхностей подшипника 1 выполнены маслопроточные пазы 8. Между подшипниками 1 с зазором и соосно установлен дистанционный элемент 9, в виде втулки, выполненный с гладкой внутренней 10 и наружной 11 цилиндрической поверхностью со сквозными маслоперегонными отверстиями 12. Ротор 13 содержащий вал ротора 6 с колесом турбины 7 как одно целое с одной стороны и с установленным на другом конце вала колесом компрессора 14, закрепленным резьбовым соединением 15. Вал ротора 6 турбокомпрессора с подшипниками 1 и дистанционным элементом 9, выполненные в виде втулок, установлены в рабочей полости 16 корпуса 17 подшипникового узла, выполненной с гладкой внутренней 18 цилиндрической поверхностью. На внутренней цилиндрической поверхности 18 полости 16 корпуса 17 подшипникового узла выполнены две симметричные сегментные канавки 19, соединенные с центральными магистральными каналами 20 для протока смазки.
1 — н.п.ф., 2 — з.п.ф., 3 — илл.
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к турбокомпрессорам автотракторных дизелей, в частности, к подшипниковым узлам.
Известен подшипниковый узел турбокомпрессора, содержащий корпус, с установленным в нем с зазором подшипником, выполненным в виде моновтулки, цилиндрический стопор, удерживающий подшипник от проворачивания и осевого перемещения, снабженный осевым каналом для подвода смазки к подшипнику, в моновтулке подшипника выполнена поперечная прорезь, образующая плоские поверхности, в которые упирается цилиндрический стопор, выполненный с плоским вильчатым выступом, создающим плоские рабочие поверхности сопряжения (Патент РФ на П.М. 31619 от 20.08.03 г.).
Недостатком подшипникового узла турбокомпрессора такой конструкции является небольшой срок его устойчивой работоспособности из-за высокого уровня вибрации и быстрого изнашивания по этой причине сопрягаемых поверхностей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков, взятых в качестве прототипа, является устройство подшипникового узла турбокомпрессора, состоящего из корпуса, в рабочей полости которого с радиальным зазором и соосно, но с ограничением от проворачивания и осевого перемещения установлен плавающий не вращающийся подшипник, выполненный в виде моновтулки, в который, в свою очередь, с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора, установленный в двух раздельных плавающих вращающихся подшипниках скольжения жидкостного трения, связанных между собой дистанционным элементом, и выполненных в виде втулок с гладкими внутренними и наружными цилиндрическими поверхностями, сообщающимися между собой сквозными отверстиями, а торцевые поверхности снабжены маслопроточными пазами (Патент РФ на П.М. 56503 от 10.09.06 г.).
В такой конструкции подшипникового узла маслопроточные пазы на торцевых поверхностях и маслоперегонные отверстия, сообщающиеся между собой наружные и внутренние цилиндрические поверхности, выполненные на двух раздельных, плавающих и вращающихся подшипниках скольжения, способствуют обильному наполнению объема подшипниковой системы смазочным материалом. В результате этого, повышается эффективность демпфирования вибрации, уменьшается усилие механического воздействия динамического характера на сопрягаемых поверхностях.
Но и в этой конструкции срок эксплуатации также недостаточно высок. Как показывает опыт эксплуатации, процессы изнашивания сопрягаемых поверхностей в подшипниковом узле турбокомпрессора, по причине которых резко снижается общий эксплуатационный срок его устойчивой работоспособности, происходят по иному и гораздо быстрее, чем в обычных подшипниках скольжения двигателя. («Автомобильные двигатели с турбонаддувом», Н.С.Ханин, Э.В.Аболтин и др. — М., Машиностроение, 1991 г., стр.336).
Срок эксплуатации подшипникового узла с устойчивой работоспособностью, в основном, зависит от продолжительности сохранения заданной предельной точности по параметрам геометрических форм и размеров сопрягаемых поверхностей подшипниковой системы.
Основным фактором, влияющим на значительное снижение общего срока эксплуатации подшипниковых узлов, является интенсивное изнашивание сопрягаемых поверхностей, происходящее на режимах в первой половине каждого эксплуатационного цикла его работы. Цикл между каждыми эксплуатационными работами подшипникового узла состоит из следующих режимов:
— режима «покоя» — когда турбокомпрессор не работает и за счет имеющихся зазоров между сопрягаемыми поверхностями, ротор турбокомпрессора с подшипниками скольжения под весом своих масс опускается вниз и «лежит» на внутренней поверхности рабочей полости корпуса подшипникового узла. При этом, геометрическая ось вала ротора относительно геометрической оси рабочей полости корпуса, вокруг которой он должен вращаться, оказывается опущенной вниз на суммарную величину радиальных зазоров, предусмотренных в конструкции для жидкостного трения;
— режима запуска двигателя — самого неблагоприятного, при котором неуравновешенный вдоль своей геометрической оси ротор турбокомпрессора, на котором масса колеса турбины в несколько раз превышает массу колеса компрессора, моментально начинает вращаться на сверхвысоких скоростях — 60-70 м/сек (120000 об/мин.), совершая в подшипником узле прецессионное движение динамического характера, сопровождающееся колебаниями высокой частоты, что становится источником появления в турбокомпрессоре вибраций, с довольно высокой амплитудой, а сопрягаемые поверхности подвергаются интенсивному износу;
— режима постепенного совмещения геометрических осей всех звеньев подшипниковой системы, осуществляемого под действием гидродинамических сил и в процессе жидкостного трения при вращении ротора на сверхвысоких скоростях. Этот процесс происходит постепенно и продолжается с момента пуска двигателя до полного заполнения каждого пространства между сопрягаемыми поверхностями смазочной жидкостью одинаковой толщины по всей окружности;
— режима устойчивого процесса жидкостного трения подшипников скольжения — самого благоприятного, когда между сопрягаемыми поверхностями осуществляется чистое жидкостное трение, отсутствуют вибрации, поэтому, независимо от продолжительности эксплуатационной работы в данном цикле, степень износа близка к нулю.
Учитывая эти характерные особенности, срок эксплуатации подшипниковых узлов возможно увеличить за счет сокращения продолжительности переходного периода — от момента запуска двигателя до момента наступления устойчивого процесса жидкостного трения подшипников скольжения. Кроме этого, срок эксплуатации подшипникового узла с устойчивой работоспособностью зависит от продолжительности сохранения заданной предельной точности по параметрам геометрических форм и размеров на сопрягаемых поверхностях подшипниковой системы.
В подшипниковых узлах турбокомпрессоров ротор с гарантированным радиальным зазором устанавливают в подшипниках скольжения жидкостного трения, выполненных в виде втулок, а в качестве материала для их изготовления, традиционно выбирают бронзу. («Вал ротора турбокомпрессора свободно вращается в бронзовой втулке». М.И.Злоткин, А.А.Лазарев и др. «Трактор Т-130М» Москва. Агропромиздат.1985 г. с.197, стр.46).
Бронза характеризуется пластичностью и сравнительно низкой твердостью, поэтому, сопрягаемые рабочие поверхности подшипников, подвергающиеся механическим воздействиям динамического характера высокой частоты при сверхвысоких скоростях вращения, легко теряют заданную предельную точность параметров по геометрическим формам и размерам.
Задачей, предлагаемой полезной модели, является увеличение срока эксплуатации подшипникового узла турбокомпрессора за счет повышения износостойкости рабочих сопрягаемых поверхностей подшипников скольжения жидкостного трения, и сохранение их предельной точности по параметрам, а именно, их геометрических форм и размеров, в пределах первоначально заданной точности.
Указанная задача решается следующим образом:
В подшипниковом узле турбокомпрессора, содержащем корпус, два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения и дистанционный элемент между ними, выполненные в виде втулок, с маслоперегонными сквозными отверстиями и маслопроточными пазами на торцевых поверхностях, с наружными и внутренними цилиндрическими гладкими поверхностями, в которых с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора, авторы предлагают: вал ротора турбокомпрессора и два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения с дистанционным элементом между ними, установить непосредственно в рабочую полость корпуса подшипникового узла.
На гладкой внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса подшипникового узла выполнить не менее двух симметричных сегментных канавок, соединенных с центральными магистральными каналами для протока смазки.
Плавающие вращающиеся подшипники скольжения жидкостного трения выполнить из более твердого и прочного материала, чем бронза, например, из стали, с последующей термической обработкой, твердостью HRc 6064.
Такая конструкция подшипникового узла, а именно, когда подшипники скольжения жидкостного трения выполнены из более прочного и твердого материала, чем бронза, например, из стали с последующей термической обработкой, твердостью HRc 6064, позволит повысить износостойкость их сопрягаемых поверхностей, увеличить продолжительность периода сохранения всех основных параметров по геометрическим формам и размерам в пределах первоначальной заданной точности и, как результат, значительно увеличить общий срок эксплуатации подшипникового узла.
При проведении поиска по патентной и научно-технической литературе не было обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Промышленная применимость видна из описания конструкции подшипникового узла турбокомпрессора.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами:
На фиг.1 — изображена конструктивная схема подшипникового узла турбокомпрессора, работающего в режиме устойчиво установленного жидкостного трения.
На фиг.2 — сечегие А-А, схематическое расположение геометрических осей составляющих звеньев подшипникового узла в режиме покоя, когда компрессор еще на работает.
На фиг.3 — сечение А-А, схематическое расположение геометрических осей составляющих звеньев подшипникового узла турбокомпрессора, работающего в режиме устойчиво установленного жидкостного трения.
На фиг.2 и фиг.3 — представлены:
«а» — геометрическая ось вала ротора,
«в» — геометрическая ось подшипника скольжения,
«с» — геометрическая ось рабочей полости корпуса.
Подшипниковый узел турбокомпрессора содержит два подшипника скольжения жидкостного трения 1, выполненные из более прочного и твердого материала, чем бронза, например, из стали с последующей термической обработкой, твердостью HRc 6064, выполненные в виде втулок с гладкими внутренними 2 и наружными 3 цилиндрическими поверхностями и маслоперегонными сквозными отверстиями 4, равномерно расположенными по окружности и предназначенными для подачи смазочного материала на цилиндрическую гладкую поверхность 5 вала ротора 6, выполненным с колесом турбины 7 как одно целое. На каждой из торцевых поверхностей подшипника 1 выполнены маслопроточные пазы 8. Между подшипниками 1 с зазором и соосно установлен дистанционный элемент 9, в виде втулки, выполненный с гладкой внутренней 10 и наружной 11 цилиндрической поверхностью со сквозными маслоперегонными отверстиями 12. Ротор 13 содержащий вал ротора 6 с колесом турбины 7 как одно целое с одной стороны и с установленным на другом конце вала колесом компрессора 14, закрепленным резьбовым соединением 15. Вал ротора 6 турбокомпрессора с подшипниками 1 и дистанционным элементом 9, выполненные в виде втулок, установлены в рабочей полости 16 корпуса 17 подшипникового узла, выполненной с гладкой внутренней 18 цилиндрической поверхностью. На внутренней цилиндрической поверхности 18 полости 16 корпуса 17 подшипникового узла выполнены две симметричные сегментные канавки 19, соединенные с центральными магистральными каналами 20 для протока смазки.
Предлагаемый подшипниковый узел турбокомпрессора работает следующим образом:
В режиме покоя, когда турбокомпрессор не работает, (фиг.2) два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения 1 и дистанционная втулка 9, под весом своих масс, «лежат» на нижней части внутренней 18 цилиндрической поверхности рабочей полости 16 корпуса 17 подшипникового узла, образуя в верхней части между сопрягаемыми поверхностями 3 и 18 односторонний зазор величиной 21 равный диаметральному зазору, предусмотренному в конструкции подшипников скольжения жидкостного трения для создания условий осуществления жидкостного трения. При этом, геометрические оси подшипников скольжения 1, относительно геометрической оси рабочей полости 16 корпуса 17 опущены вниз на величину 1. Также, на нижних внутренних поверхностях 2 подшипников скольжения жидкостного трения 1 лежит вал ротора 6 с колесами турбины 7 и компрессора 14, образуя сверху односторонний диаметральный зазор 22 между сопрягаемыми внутренними, гладкими поверхностями 2 подшипников 1 и наружной цилиндрической поверхностью 5 вала ротора 6. При этом, геометрическая ось вала ротора 6 относительно геометрических осей двух раздельных подшипников скольжения 1, опущена на величину 2 равную радиальном зазору, предусмотренному для обеспечения условий жидкостного трения. Таким образом, геометрическая ось вала ротора 6 относительно геометрической оси полости 16 корпуса 17, по которой ротор 13 должен вращаться, опущена на суммарную величину =1+2, где:
1 — величина радиального зазора между осью полости корпуса подшипников и осью подшипников скольжения;
2 — величина радиального зазора между осью подшипника скольжения и осью вала ротора;
— суммарный радиальный зазор;
21 — диаметральный зазор между поверхностями скольжения полости корпуса подшипников и наружной поверхностью подшипника скольжения;
22 — диаметральный зазор между внутренней поверхностью скольжения подшипника и наружной поверхностью вала ротора.
Перед запуском двигателя (на фиг. не показан) включают маслозакачивающий насос, с помощью которого из системы смазки, через магистральные каналы 20 и сегментные канавки 19, все зазоры подшипникового узла турбокомпрессора под давлением заполняются смазочным материалом. Маслозакачивающий насос работает до тех пор, пока в системе смазки давление не стабилизируется до трех атмосфер. После этого запускают двигатель (на фиг. не показан), а маслозакачивающий насос отключают, и далее подшипниковый узел турбокомпрессора смазочным материалом снабжается от двигателя.
С момента пуска двигателя энергия потока выхлопных газов, направленная на лопатки колеса турбины 7, преобразуется в механическую энергию и мгновенно приводит к вращению на больших скоростях (40000-120000 об/мин) колесо турбины 7, выполненное с валом ротора 6, как одно целое. В связи с несоосностью геометрических осей вала ротора 6 и рабочей полости 16 величиной =1+2, перед запуском двигателя и неуравновешенности ротора 13, от неравенства масс на колесах турбины 7 и компрессора 14, при каждом запуске двигателя в течение времени с момента пуска двигателя до момента установления режима полного жидкостного трения, ротор 13 в рабочей полости 16 совершает прецессионное движение динамического характера с нутационными колебаниями высокой частоты, приводящее всю систему к вибрациям высокого уровня и к быстрой потере заданных предельных точностей параметров по геометрическим формам и размерам сопрягаемых рабочих поверхностей.
С момента начала вращения ротора 13 с валом 6 на сверхвысоких скоростях, под действием гидродинамических сил и процесса жидкостного трения, раздельные подшипники 1 и дистанционная втулка 9 между ними начинают вращаться, постепенно выравнивая толщину масляного слоя, заключенного между наружными поверхностями 3 подшипников 1 и внутренней поверхностью 18 рабочей полости 16, по всей ее окружности. При этом, вал ротора 6 постепенно «всплывает» и его геометрическая ось располагается соосно с геометрической осью полости 16 корпуса 17. После того, как пространства между всеми рабочими сопрягаемыми поверхностями заполняться масляными слоями равномерной толщины по всей окружности, осуществится соосность геометрических осей вала ротора 6 и полости 16 корпуса 17 с максимальной точностью, подшипниковый узел переходит в режим полного жидкостного трения. С этого момента прекращаются вибрации с высокой амплитудой, приводящие к быстрой потере предельно заданной точности по геометрическим формам и размерам сопрягаемых рабочих поверхностей, и в условиях полного жидкостного трения износ сопрягаемых рабочих поверхностей практически не происходит.
Таким образом, предлагаемая конструкция подшипникового узла, когда вал ротора турбокомпрессора с двумя раздельными подшипниками скольжения, установлен непосредственно в рабочей полости корпуса подшипникового узла, позволяет уменьшить суммарную величину несоосности геометрических осей вала ротора и рабочей полости корпуса, образующуюся каждый раз в режиме «покоя», когда компрессор не работает. При уменьшении суммарной величины несоосности геометрических осей в режиме «покоя», после каждого запуска двигателя, соосность быстрее восстанавливается и этим значительно уменьшается период работы подшипникового узла в условиях несоосности, сопровождающийся постепенным по интенсивности изнашиванием сопрягаемых рабочих поверхностей. При этом, вибрации с высокой амплитудой, приводящие к потере заданной точности по параметрам сопрягаемых поверхностей, также значительно снижаются. Подшипники скольжения жидкостного трения, выполненные из стали, с последующей термической обработкой значительно повышают их износостойкость, что приводит к повышению срока эксплуатации всего подшипникового узла турбокомпрессора.
1. Подшипниковый узел турбокомпрессора, содержащий корпус, два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения и дистанционный элемент между ними, выполненные в виде втулок с маслоперегонными сквозными отверстиями и маслопроточными пазами на торцевых поверхностях, с наружными и внутренними цилиндрическими гладкими поверхностями, в которых с зазором и соосно помещен вал ротора турбокомпрессора, отличающийся тем, что вал ротора турбокомпрессора и два раздельных плавающих вращающихся подшипника скольжения жидкостного трения с дистанционным элементом между ними установлены непосредственно в рабочую полость корпуса подшипникового узла.
2. Подшипниковый узел по п.1, отличающийся тем, что на гладкой внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса подшипникового узла выполнены не менее двух симметричных сегментных канавок, соединенных с центральными магистральными каналами для протока смазки.
3. Подшипниковый узел по п.1, отличающийся тем, что плавающие вращающиеся подшипники скольжения жидкостного трения выполнены из более прочного и твердого материала, чем бронза, например из стали, с последующей термической обработкой, твердостью HRc 6064.