CZ26843U1 - Tlumící hydrodynamické prvky, zejména rotorových soustav - Google Patents

Description

Tlumící hydrodynamické prvky, zejména rotorových soustav

Oblast techniky

Technické řešení se týká oblasti řešení hydrodynamických vlastností soustavy těleso-tekutina a týká se konstrukční úpravy tlumících hydrodynamických prvků, zejména rotorových soustav s nesymetrickými příčně kmitajícími rotujícími i nerotujícími částmi.

Dosavadní stav techniky

Řešení problému interakce tělesa a tekutiny je jedním z nej častějších případů vyskytujících se v praxi, když v mnoha případech je nutné řešit interakce tuhého tělesa a tenkého tekutinového filmu. Konkrétními případy v oblasti rotorových soustav s nesymetrickými příčně kmitajícími rotujícími i nerotujícími částmi jsou pak řešení hydrodynamických těsnících spár, kluzných ložisek a hydrodynamických tlumičů, tzv. squeeze filmových tlumičů.

Nejčastěji je k tlumení příčného, tedy radiálního, kmitání rotorových soustav využívána jednoduchá hydrodynamická spára, tvořená úzkou mezerou mezi rotorem otáčejícím se určitou úhlovou rychlostí a statorovou výstelkou, která bývá nej častěji kruhového průřezu. Spárou proudí tekutina ve směru tlakového spádu a současně rotuje, přičemž rotace kapaliny je vyvolána smykovým napětím v důsledku rotace hřídele. V případě, že je rotor umístěn v centrické poloze, je proudění kapaliny kolem hřídele symetrické a nevzniká žádná radiální síla na rotor. Dojde-li z nějakých příčin k posunu rotoru v radiálním směru, je proudění ve spáře nerovnoměrné a vznikne radiální síla, která působí proti posunutí rotoru. Velikost této síly je u hydrodynamické těsnící spáry ovlivněna jak obvodovým, tak axiálním prouděním, přičemž tlumící efekt se projeví i při nulové úhlové rychlosti rotoru. Konkrétní příklad řešení tohoto těsnícího prvku je uveden ve spise SU 1349385. Lepších těsnících a tlumících vlastností se dosahuje pomocí jedné nebo více komůrek vytvořených v oblasti těsnící spáry, které zvyšují hydraulické ztráty a které jsou popsány například ve spisech RU 2380575 a US 6036192. Těsnící a tlumící schopnost hydrodynamické těsnící spáry se rovněž zvýší tvarováním povrchů rotoru a statorové výstelky, což je známo ze spisů WO 2013028240 nebo US 6036192.

Proudění tekutiny v tenké spáře mezi statorem a rotorem je rovněž využíváno u kluzných ložisek, ovšem zde je konstrukčně oboustranně situovanými ucpávkami zabráněno axiálnímu proudění kapaliny. Při posunutí rotoru v radiálním směru se u kapaliny změní obvodové rychlosti tak, že v užší mezeře je rychlost větší, než v mezeře širší, což je důsledek obecně platné rovnice kontinuity. Výsledkem rozdílných rychlostí je nerovnoměrné tlakové pole, které působí silou proti směru radiálního posunutí. Nej jednodušším tlumícím hydrodynamickým prvkem je squeeze filmový tlumič, využívaný u soustav, kde ani jeden prvek těsněného uzlu nerotuje, pouze se pohybuje v radiálním směru. Tlumící sílaje zde vyvolána v důsledku nestlačitelnosti kapaliny jejím přetékáním z užší mezery do širší. Ani zde nedochází k axiálnímu proudění kapaliny.

Hydrodynamického tlumení u rotorových soustav lze dosáhnout také koncepcí labyrintového provedení těsnící spáry, které je realizováno na vzájemně přiléhajících radiálně situovaných stěnách rotoru a statoru. Labyrintů může být v sérii uspořádáno i více v závislosti na hodnotě tlakového spádu. Příkladem tohoto řešení je spis DE 4122965. Intenzitu tlumení rotorových soustav lze zvýšit i vložením jednoduchého nebo dvojitého tzv. plovoucího kroužku, což je popsáno například ve spisech CN 103047171, CA 1308960, CN 101709718, US 7429160 nebo CN 2154372. Dalším možným řešením tlumení v hydrodynamické spáře obsahující komůrky je popsáno například ve spisech SU 1634908 nebo SU 1622688. U těchto případů jsou do komůrek vloženy pružné elementy, které jednak mění velikost spáry v závislosti na tlaku a jednak působí jako pružná podpěra, kterou je možno měnit vlastní frekvenci kmitání. Vkládané pružné elementy mohou být nahrazeny porézním materiálem, který kromě změny tuhosti v závislosti na tlakovém spádu zvyšuje i disipaci energie, a tím zvyšuje tlumení hřídele.

-1 CZ 26843 Ul

Úkolem předkládaného technického řešení je představit k využití takové řešení, které by za využití znalostí všech způsobů tlumení zajistilo jednoduchým způsobem zvýšení tlumících a tuhostních účinků hřídelí nebo čepů, a tím snížení přenosu kmitání do konstrukce soustavy.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je řešení tlumících hydrodynamických prvků, zejména rotorových soustav, obsahujících škrtící spáru, vytvořenou mezi rotorovým dílem a statorovým dílem, kde v oblasti stykových ploch rotorového dílu a statorového dílu obsahujících škrtící spáru je vytvořena minimálně jedna komůrka. Podstatou technického řešení je, že komůrka je v oblasti vstupního průřezu nebo ve svém vnitřním prostoru opatřena elastickým distančním členem a zároveň je alespoň částečně naplněna tlumící kapalinou, přičemž distanční člen je vytvořen nebo v komůrce zabudován tak, že je zajištěno oddělení pracovní kapaliny od tlumící kapaliny.

Ve výhodných provedeních je komůrka vytvořena ve statorovém dílu ve tvaru mezikruží nebo je komůrka vytvořena v kluzném ložisku nebo squeeze filmovém tlumiči uloženém mezi stykovými plochami rotorového dílu a statorového dílu.

Je rovněž výhodné, když je elastický distanční člen tvořen pružnou membránou zabudovanou ve vstupním průřezu komůrky, přičemž při vytvoření více jak jedné komůrky mají tyto komůrky stejnou délku i hloubku nebo nestejnou délku a stejnou hloubku nebo nestejnou délku i nestejnou hloubku.

V dalších výhodných provedeních je elastický distanční člen tvořen anuloidem volně vloženým v komůrce nebo je v komůrce vložen pružný kroužek tak, že se opírá v radiálním směru o statorový díl.

Také je výhodné, když je rotorový díl uložen ve valivém ložisku, kde v oblasti uložení valivého ložiska je vytvořena mezi rotorovým dílem a statorovým dílem komůrka s oboustranným vstupem škrtícími spárami, v jejímž vnitřním prostoru je zabudován distanční člen rozdělující komůrku na dvě části, přičemž část vnitřního prostoru komůrky přiléhající statorovému dílu je naplněna tlumící kapalinou.

Konečně je výhodné, když je rotorový díl uložen v kluzném ložisku vytvářejícím komůrku, kde jednak jsou škrtící spáry realizovány s využitím ucpávek a jednak je ve vnitřním prostoru komůrky zabudován distanční člen rozdělující komůrku na dvě části, přičemž část vnitřního prostoru komůrky přiléhající statorovému dílu je naplněna tlumící kapalinou.

Tlumící kapalina může být v dalších výhodných provedeních tvořena kapalinou magnetoreologickou, přičemž v komůrce jsou zabudovány póly magnetu, tvořené s výhodou plovoucími kroužky.

Předkládaným řešením se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že je možno nejen zvyšovat hodnoty tuhosti a tlumení kapalinové vrstvy, ale také řídit působení nových hydrodynamických prvků na dynamiku mechanické soustavy, a to volbou druhu kapaliny nebo účinkem magnetického pole.

Přehled obrázků na výkresech

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde:

obr. 1 je podélný osový řez základním provedením hydrodynamického tlumícího prvku obsahujícího škrtící spáru, jejíž obvodová komůrka je naplněna tlumící kapalinou, která je oddělena od protékající kapaliny distančním členem vytvořeným ve formě pružné membrány, obr. 2 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku z obr. 1 se škrtící spárou opatřenou více komůrkami stejné délky i hloubky,

-2CZ 26843 Ul obr. 3 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku z obr. 1 se škrtící spárou opatřenou více komůrkami nestejné délky a stejné hloubky, obr. 4 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku z obr. 1 se škrtící spárou opatřenou více komůrkami nestejné délky a nestejné hloubky, obr. 5 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku z obr. 1 se škrtící spárou opatřenou jednou komůrkou, do které je vložen pružný kroužek opírající se o statorový díl a pod kroužkem je komůrka naplněna tlumící kapalinou o vysoké viskozitě, oddělené od protékající kapaliny distančním členem ve formě pružné membrány, obr. 6 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku z obr. 1 se škrtící spárou opatřenou jednou komůrkou, do které je vložen pružný kroužek opírající se o statorový díl a pod kroužkem je umístěn anuloid s tlumící kapalinou o viskozitě, obr. 7 je podélný osový řez alternativním provedením tlumícího prvku z obr. 6 bez vloženého pružného kroužku, obr. 8 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku tvořeným squeeze filmovým tlumičem, obr. 9 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku tvořeným squeeze filmovým tlumičem s magnetoreologickou kapalinou, obr. 10 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku tvořeným dvoukapalinovým provedením kluzného ložiska a obr. 11 je podélný osový řez možným provedením tlumícího prvku tvořeným dvoukapalinovým provedením kluzného ložiska s magnetoreologickou kapalinou.

Výkresy, které znázorňují představované technické řešení a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady provedení technického řešení

Technické řešení se týká konstrukčních úprav tlumících hydrodynamických prvků, obsahujících škrtící spáru 1, vytvořenou mezi rotorovým dílem 2, tvořeným například hřídelí, pístem nebo čepem, a statorovým dílem 3, tvořeným například skříní, a využívajících ke zlepšení těsnících a tlumících vlastností polouzavřených obvodových komůrek 4, vytvořených ve statorovém dílu 3 na jeho ploše spoluvytvářející škrtící spáru 1, popřípadě vlastností kluzných ložisek nebo vlastností squeeze filmových tlumičů obsahujících tuto škrtící spáru 1.

V základním provedení tlumícího prvku znázorněném na obr. 1 je v oblasti hydrodynamické obvodové škrtící spáry 1_ vytvořena ve statorovém dílu 3 jedna obvodová komůrka 4 ve tvaru mezikruží, která je na vstupním průřezu opatřena elastickým distančním členem 5, například pružnou membránou, který je zabudován, například zaválcován, zavařen, zapájen nebo zalepen, ve statorovém dílu 3 tak, že je zamezen průnik pracovní kapaliny proudící ve škrtící spáře I do komůrky 4. Vnitřní prostor komůrky 4 je zaplněn tlumící kapalinou 6 o viskozitě podstatně, až o řád, vyšší, než je viskozita kapaliny proudící škrtící spárou I.

V případě, že dojde k pohybu rotorového dílu 2 v radiálním směru, je proudící kapalinou deformován distanční člen 5 a dojde ke změně rychlosti jak proudící pracovní kapaliny ve škrtící spáře 1, tak tlumící kapaliny 6 v obvodové komůrce 4. Vzhledem k tlumení a tuhosti tlumící kapaliny 6 dojde i k vyššímu tlumení rotorového dílu 2.

V alternativních provedeních je za účelem zvyšování tlumení vytvořeno ve statorovém dílu 3 více obvodových komůrek 4, které mohou být stejné délky i hloubky, jak je patrné z obr. 2, nebo nestejné délky a stejné hloubky, jak je znázorněno na obr. 3, nebo nestejné délky i nestejné hloubky, jak plyne z obr. 4.

-3CZ 26843 Ul

Je rovněž za účelem řízení tuhosti soustavy v místě vytvořeného hydrodynamického prvku vložit do obvodové komůrky 4 pružný kroužek 7 tak, že se opírá v radiálním směru o statorový díl 3, jak je znázorněno na obr. 5. V dalším alternativním provedení znázorněném na obr. 6 je v obvodové komůrce 4 rovněž vložen pružný kroužek 7 opírající se v radiálním směru o statorový díl 3, ale tlumící kapalina 6 je naplněna v distančním členu 5, vytvořeném ve formě elastického anuloidu, který je volně vložen do obvodové komůrky 4. Ve zjednodušeném provedení této alternativy hydrodynamického prvku je v obvodové komůrce 4 uložen pouze distanční člen 5 ve formě elastického anuloidu bez pružného kroužku 7, jak je patrné z obr. 7.

Další možnou alternativou technického řešení je úprava hydrodynamického tlumícího prvku tvořeného squeeze filmovým tlumičem znázorněným na obr. 8, kde rotorový díl 2 je uložen ve valivých ložiskách 8, s výhodou kuličkových, přičemž kruhová statorová tělesa valivých ložisek 8 jsou uložena na neznázoměných pružinách, takže se mohou vychylovat. Pro zajištění tlumení, je v oblasti uložení valivého ložiska 8 vytvořena mezi rotorovým dílem 2 a statorovým dílem 3 komůrka 4 s oboustranným vstupem škrtícími spárami I. Ve vnitřním prostoru komůrky 4 je zabudován obvodový elastický distanční člen 5 rozdělující komůrku 4 na dvě části, přičemž část vnitřního prostoru komůrky 4 přiléhající statorovému dílu 3 je naplněna tlumící kapalinou 6. Při radiálním pohybu rotorového dílu 2, např. v důsledku jeho nevyváženosti, dojde k pohybu celého valivého ložiska 8 v komůrce 4, přičemž se ve směru deformace zmenší vnitřní prostor komůrky 4 a pracovní kapalina přeteče pod valivé ložisko 8.

Technické řešení je možno aplikovat rovněž u hydrodynamického tlumícího prvku tvořeného squeeze filmovým tlumičem znázorněným na obr. 9, kde je jako tlumící kapalina 6 použita kapalina magnetoreologická. V komůrce 4 jsou zabudovány póly 9 magnetu, tvořené například plovoucími kroužky, přičemž působením magnetické indukce mezi póly 9, tedy v radiálním směru, je možno výrazně měnit viskozitu tlumící kapaliny 6, a tím i celkové tlumení radiálního kmitání rotorového dílu 2.

Na stejných principech je koncipována i úprava kluzného ložiska znázorněného na obr. 10, kde škrtící spáry I jsou realizovány s využitím ucpávek 10, popřípadě i u kluzného ložiska znázorněného na obr. 11, kde jako tlumící kapalina 6 je použita kapalina magnetoreologická. V komůrce 4 jsou zabudovány póly 9 magnetu, tvořené například plovoucími kroužky, stejně jako v případě squeeze filmového tlumiče.

Průmyslová využitelnost

Řešení tlumících hydrodynamických prvků podle technického řešení je určeno k využití zejména u rotorových soustav s nesymetrickými příčně kmitajícími rotujícími i nerotujícími částmi, jako jsou například točivé stroje, zejména odstředivá čerpadla, turbíny apod.

Claims (10)

1. Tlumící hydrodynamické prvky, zejména rotorových soustav, obsahující škrtící spáru (1), vytvořenou mezi rotorovým dílem (2) a statorovým dílem (3), kde v oblasti stykových ploch rotorového dílu (2) a statorového dílu (3) obsahujících škrtící spáru (1) je vytvořena minimálně jedna komůrka (4), vyznačující se tím, že komůrka (4) je v oblasti vstupního průřezu nebo ve svém vnitřním prostoru opatřena elastickým distančním členem (5) a zároveň je alespoň částečně naplněna tlumící kapalinou (6), přičemž distanční člen (5) je vytvořen nebo v komůrce (4) zabudován tak, že je zajištěno oddělení pracovní kapaliny od tlumící kapaliny (6).

2. Tlumící hydrodynamické prvky podle nároku 1, vyznačující se tím, že komůrka (4) je vytvořena ve statorovém dílu (3) ve tvaru mezikruží.

-4CZ 26843 Ul

3. Tlumící hydrodynamické prvky podle nároku 1, vyznačující se tím, že komůrka (4) je vytvořena v kluzném ložisku nebo squeeze filmovém tlumiči uloženém mezi stykovými plochami rotorového dílu (2) a statorového dílu (3).

4. Tlumící hydrodynamické prvky podle nároků la 2, vyznačující se tím, že elastický distanční člen (5) je tvořen pružnou membránou zabudovanou ve vstupním průřezu komůrky (4).

5. Tlumící hydrodynamické prvky podle některého z nároků 1,2a 4, vyznačující se tím, že při vytvoření více jak jedné komůrky (4) mají tyto komůrky (4) stejnou délku i hloubku nebo nestejnou délku a stejnou hloubku nebo nestejnou délku i nestejnou hloubku.

6. Tlumící hydrodynamické prvky podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že elastický distanční clen (5) je tvořen anuloidem volně vloženým v komůrce (4).

7. Tlumící hydrodynamické prvky podle některého z nároků 1, 2, 4 a 6, vyznačující se tím, že v komůrce (4) je vložen pružný kroužek (7) tak, že se opírá v radiálním směru o statorový díl (3).

8. Tlumící hydrodynamické prvky podle nároků 1 a 3, vyznačující se tím, že rotorový díl (2) je uložen ve valivém ložisku (8), kde v oblasti uložení valivého ložiska (8) je vytvořena mezi rotorovým dílem (2) a statorovým dílem (3) komůrka (4) s oboustranným vstupem škrtícími spárami (1), v jejímž vnitřním prostoru je zabudován distanční člen (5) rozdělující komůrku (4) na dvě části, přičemž část vnitřního prostoru komůrky (4) přiléhající statorovému dílu (3) je naplněna tlumící kapalinou (6).

9. Tlumící hydrodynamické prvky podle nároků la3, vyznačující se tím, že rotorový díl (2) je uložen v kluzném ložisku vytvářejícím komůrku (4), kde jednak jsou škrtící spáry (1) realizovány s využitím ucpávek (10), a jednak je ve vnitřním prostoru komůrky (4) zabudován distanční člen (5) rozdělující komůrku (4) na dvě části, přičemž část vnitřního prostoru komůrky (4) přiléhající statorovému dílu (3) je naplněna tlumící kapalinou (6).

10. Tlumící hydrodynamické prvky podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že tlumící kapalina (6) tvořena kapalinou magnetoreologickou, přičemž v komůrce (4) jsou zabudovány póly (9) magnetu, tvořené s výhodou plovoucími kroužky.