PL221267B1

PL221267B1 - Łożysko ślizgowe poprzeczne, zwłaszcza do wałów turbin parowych i innych maszyn wirowych

Info

Publication number: PL221267B1
Application number: PL399089A
Authority: PL
Inventors: Artur Olszewski
Original assignee: Artur Olszewski
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2016-03-31
Also published as: EP2679842A1; PL399089A1

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki. Przedmiotem wynalazku jest poprzeczne, cztero-segmentowe łożysko ślizgowe, zwłaszcza do maszyn wirowych takich jak turbiny parowe i gazowe, sprężarki.

Stan techniki. Powszechnie znane jest zjawisko niestatecznej pracy czopa w panwi ślizgowego łożyska hydrodynamicznego w warunkach pracy przy dużych prędkościach ślizgania i małych obciążeniach. Pojawia się wtedy tak zwany „wir olejowy” (oil whirl), który może znacząco pogorszyć stan dynamiczny maszyny, a w niektórych przypadkach doprowadzić do jej uszkodzenia. Aby uniknąć tego zjawiska i zapewnić stabilną pracę wirnika (bez nadmiernych drgań) w turbinach parowych i innych maszynach wirowych stosuje się wielopowierzchniowe łożyska antywibracyjne.

Początkowo tak modyfikowano konstrukcje łożysk, aby podnieść graniczną wartość prędkości obrotowej przy której pojawia się zjawisko wiru olejowego. Jednym z powszechnie znanych promieniowych łożysk antywibracyjnych jest łożysko eliptyczne, zwane również „cytrynowym” (lemon bearing). Łożysko to posiada dwie symetryczne względem płaszczyzny poziomej półpanewki, a każda z półpanwi ma cylindryczne powierzchnie ślizgowe ukształtowane promieniami, które posiadają środki leżące po przeciwległej stronie płaszczyzny dzielącej panew łożyska. W czasie pracy w łożysku powstają dwa usytuowane naprzeciw siebie kliny smarne, które zwiększają stateczność czopa i zapobiegają nadmiernej wibracji. Łożysko to jednak znacznie pogarsza swoje właściwości w przypadku odchylenia kierunku obciążenia od osi prostopadłej do powierzchni podziału panwi i nie zapobiega występowaniu wiru olejowego w warunkach najwyższych prędkości ślizgania lub bardzo małych obciążeń.

Innym rozwiązaniem, które zmniejsza ryzyko wystąpienia „wiru olejowego” jest wykorzystanie symetrycznych łożysk wielopowierzchniowych (multilobe bearing). W łożyskach tych środki promieni tworzących powierzchnie ślizgowe są równo oddalone od środka oprawy łożyskowej, a wszystkie powierzchnie ślizgowe, najczęściej trzy lub cztery są rozmieszczone względem siebie symetrycznie. Biorąc pod uwagę, że pod wpływem obciążenia czop przemieszcza się w łożysku i nie zajmuje podczas pracy położenia w środku symetrii łożyska, ukształtowanie powierzchni ślizgowych jest zawsze dalekie od najkorzystniejszego. Łożyska te tylko w ograniczony sposób rozwiązują problem niestabilnej pracy czopa w panwi.

Teoretycznie problem pojawiania się „wiru olejowego” rozwiązano przez zastosowanie łożysk wielosegmentowych z ruchomymi klockami, w których segmenty podparte są miejscowo umożliwiając ich samoczynne ustawianie się pod właściwym kątem (tilting pad bearing). W łożyskach tych kształt powierzchni ślizgowej wszystkich segmentów jest jednakowy. Dzięki wahliwemu podparciu segmentów, każdy z nich, w konkretnych warunkach pracy łożyska, ustawia się samoczynnie pod optymalnym kątem, co sprawia, że teoretycznie w łożysku nie ma warunków do wytworzenia się wiru olejowego, a film olejowy ma odpowiednią sztywność i zdolność do tłumienia drgań wywołanych w układzie przepływowym lub mechanicznym maszyny wirowej.

W przypadku dużych maszyn wirowych łożyska z segmentami wahliwymi nie rozpowszechniły się, ze względu na charakterystyki dynamiczne (sztywność i tłumienie) dalekie od oczekiwanych. Spowodowane to było znacznymi odkształceniami termicznymi i sprężystymi dużych segmentów podpartych miejscowo dla zapewnienia samonastawności. Problemem okazała się także niska trwałość wahliwych podpór segmentów, na powierzchniach których pojawiało się zużycie typu fretting, wskutek nieuniknionych mikropoślizgów podczas pracy łożyska. Dodatkowo łożyska tego typu wymagają znacznie większej przestrzeni do zabudowy w korpusie, w porównaniu do łożysk z nieruchomymi powierzchniami ślizgowymi (np. łożyskami cytrynowymi).

Znane jest rozwiązanie według opisu patentowego US 2008095482 (A1), w którym podjęto próbę zwiększenia zdolności do tłumienia drgań przez podparcie segmentów łożyskowych na pakiecie sprężyn talerzowych. Tarcie między powierzchniami sprężyn winno zwiększać zdolność łożyska do tłumienia drgań. Zastosowanie podparcia segmentów na sprężynach talerzowych zapewne poprawia właściwości tłumiące łożyska jednak wskutek mikropoślizgów między powierzchniami sprężyn po pewnym czasie pojawia się zużycie typu fretting ograniczające trwałość łożyska. W łożyskach tego typu o większych rozmiarach, pod wpływem działania ciśnienia oleju i temperatury pojawiają się bliżej nie znane odkształcenia segmentów łożyskowych. Prowadzi to do trudnej do określenia zmiany kształtu szczeliny smarowej redukującej zdolność do tłumienia drgań.

Również znane jest rozwiązanie z opisu patentowego US 2008013872 (A1), w którym konstrukcja łożyska ślizgowego jest próbą zapewnienia samonastawności łożyska w kierunku osiowym. Możliwość

PL 221 267 B1 zastosowania twardego materiału na podporę segmentu (retaining plater) zmniejsza problem występowania zużycia typu fretting między podparciem wahliwym segmentu a obudową łożyska. Jednak próby stosowania tego rozwiązania w łożyskach o dużych średnicach zakończyły się niepowodzeniem, ponieważ nie uniknięto termicznych i sprężystych odkształceń powierzchni ślizgowej segmentów, zmieniających charakterystykę sztywności i tłumienia łożyska.

Ponadto znana jest z opisu patentowego US 5795077 (A) konstrukcja łożyska ślizgowego, w której do podparcia wahliwego segmentu wykorzystano element polimerowy mający dodatkowo tłumić drgania. Stosowanie tego rozwiązania w dużych łożyskach ślizgowych jest ograniczone wymaganiem dokładnego pozycjonowania wału w stosunku do obudowy, a także nieuniknionym starzeniem się polimeru. Nie znalazło ono zastosowania w łożyskowaniu wirników dużych maszyn wirowych.

W opisie patentowym US 3680932 przedstawiono konstrukcję łożyska ślizgowego mającą na celu zwiększenie stabilności pracy czopa i obciążalności przez udoskonalenie trójpowierzchniowych łożysk cylindrycznych poprzez wykonanie dodatkowych klinów smarnych w środkowej, wlotowej części powierzchni ślizgowej. Poprawia to właściwości dynamiczne łożyska, jednak znacznie poniżej rezultatów uzyskiwanych w łożyska z segmentami wahliwymi, których powierzchnie ślizgowe uzyskuje się promieniem o jednakowej wartości. Łatwo to wykazać dokonując odpowiednich symulacji komputerowych. Niewielka poprawa właściwości dynamicznych tych łożysk i duże utrudnienia w wytwarzaniu i kontroli sprawiły, że konstrukcja nie rozpowszechniła się w technice łożyskowania wirników dużych maszyn wirowych.

Istota wynalazku. Łożysko ślizgowe poprzeczne wg wynalazku, zwłaszcza do wałów turbin parowych i innych maszyn wirowych, zawierające cztery powierzchnie ślizgowe wykonane na oddzielnych segmentach, które podparte są nieruchomo w oprawie łożyskowej na całym obwodzie. Każdy segment posiada kształt o innej geometrii, odpowiadającej podobnemu łożysku z klockami wahliwymi dla określonych warunków pracy. Środki promieni tworzących powierzchnie czterech segmentów ślizgowych przesunięte są o rożne wartości ΔΧ i ΔΥ zarówno co do wartości jak i kierunku, w stosunku do prostopadłych osi X i Y przechodzących przez środek gniazda łożyskowego.

Nieruchoma pozycja wszystkich czterech segmentów ustalo na jest na obwodzie oprawy łożyskowej przy pomocy kołków, wkrętów lub kleju.

W dolnych segmentach umieszczone są dysze do podawania oleju pod wysokim ciśnieniem zasilane podczas rozbiegu i wybiegu maszyny, a także podczas ustawiania linii wałów.

Istotną zaletą łożyska wg wynalazku jest to, że dla zadanych warunków pracy posiada właściwości dynamiczne identyczne z odpowiednim łożyskiem z klockami wahliwymi (tilting pad), eliminując powstawanie wiru olejowego. Dodatkowo konstrukcja umożliwia stosowanie łożysk wg wynalazku dla największych średnic czopa i prędkości ślizgania bez obawy wystąpienia deformacji segmentów i zużywania się powierzchni elementów podpierających segment, ponieważ są one nieruchome i podparte na całym obwodzie. Ponadto umożliwia łatwe stosowanie wspomagania hydrostatycznego (bez użycia elastycznych przewodów), a usytuowanie dysz w dwu dolnych segmentach bardzo dobrze pozycjonuje czop wału podczas ustawiania linii wału. Żadne z dotychczas znanych łożysk wielosegmentowych nie stwarzało takich możliwości jak łożysko według wynalazku. Stosowanie łożysk wg wynalazku jest szczególnie korzystne w dużych maszynach wirowych o średnicach czopów powyżej 150 mm.

Objaśnienia figur rysunku. Przedmiot wynalazku uwidoczniono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój łożyska płaszczyzną prostopadłą do osi wału, fig. 2 przedstawia geometrię wytoczenia powierzchni ślizgowej pierwszego segmentu, a fig. 3, fig. 4 i fig. 5 przedstawiają odpowiednio geometrię pozostałych trzech segmentów łożyskowych.

Przykład wykonania wynalazku. Łożysko według wynalazku posiada cztery nieruchome powierzchnie ślizgowe wykonane na czterech niezależnych, oddzielnych segmentach od 1 do 4. Segmenty posiadają różne kąty rozwarcia alfa - przykładowo segment czwarty kąt rozwarcia alfa od 60° do 170°, a segment pierwszy, drugi i trzeci odpowiednio od 40° do 80°.

Wszystkie cztery segmenty ściśle przylegają do oprawy łożyska na całym obwodzie, co uniemożliwia ich wahliwość (no-tilting pad). Ponadto wszystkie segmenty są pozycjonowane przy pomocy kołków 7, a mocowane do oprawy przykładowo przy pomocy wkrętów 11.

Każdy segment ma inną geometrię powierzchni ślizgowej, tak dobraną, aby dokładnie odwzorować szczeliny smarowe łożyska z czterema segmentami wahliwymi, tworzące się dla zadanych warunków pracy łożyska.

Środek promienia wytoczenia każdego segmentu jest odpowiednio przesunięty w obu kierunkach (X i Y) w stosunku do osi oprawy łożyska jak to przedstawiono na fig. 2 do fig. 5. Promień ten ma

PL 221 267 B1 zawsze wartość większą od sumy promienia czopa (r) i luzu promieniowego w łożysku. Zaznacza się, że powierzchnie ślizgowe wykonane są na całej szerokości segmentu, tak jak w łożysku typu tilting pad.

Wykorzystując współczesne teorie smarowania i symulacje komputerowe wykazano, że właściwości antywibracyjne łożysk bardzo silnie zależą od geometrii powierzchni ślizgowych tworzących cztery szczeliny smarowe. W przypadku łożysk z segmentami wahliwymi właściwy kształt szczeliny smarowej tworzy się samoczynnie przez odpowiednie obrócenie się segmentu na podporze. W łożyskach z wahliwymi segmentami w określonych warunkach pracy, każdy segment ustawia się pod innym kątem czyli początki promieni tworzących powierzchnie ślizgowe są w różny sposób przesunięte w stosunku do środka oprawy łożyskowej. Tylko wtedy tzw. ukośne współczynniki sztywności i tłumienia teoretycznie równe są zeru, co zapewnia stabilną pracę czopa w panwi.

Stosując odpowiednie programy obliczeniowe łożysk wielosegmentowych z klockami wahliwymi, dla określonych warunków pracy łożyska (określone obciążenie i jego kierunek, określona prędkość obrotowa czopa, określone parametry oleju smarującego i wymiany ciepła) można dokładnie wyznaczyć wartości kątów pochylenia każdego segmentu oraz położenie czopa.

Wykorzystując wyznaczoną obliczeniowo geometrię powierzchni ślizgowych łożysk tilting pad, i unieruchamiając segmenty jak w konstrukcji według wynalazku przez podparcie ich na całym obwodzie (eliminacja wahliwości), uzyskuje się właściwości dynamiczne (sztywność i tłumienie) identyczne z łożyskami o segmentach wahliwych.

Wahliwość segmentów została usunięta przez podparcie segmentów na całej długości i szerokości w dzielonej oprawie łożyskowej 5 i 6. Pozycje każdego segmentu 1, 2, 3, 4 ustalają kołki 7. Segmenty mocowane są do oprawy łożyskowej za pomocą wkrętów 11 lub z użyciem kleju.

W dolnych segmentach 3 i 4 umieszczone są dysze oleju 8 podawanego pod wysokim ciśnieniem podczas rozruchu i wybiegu maszyny. Olej trafiający do dysz jest doprowadzany kanałem 9 do którego dostaje się poprzez otwór 10 wykonany w gnieździe łożyskowym. W płaszczyźnie podziału znajdują się kanały 12 doprowadzające pod niewielkim ciśnieniem olej smarowy.

Z kolei Fig. 2 przedstawia segment 1 i kierunek obrotu wału 13. Powierzchnię ślizgową segmentu tworzącą korzystny kształt szczeliny smarowej uzyskuje się wytaczając go promieniem R, którego wartość zależy od promienia czopa, preload i wymaganego luzu łożyskowego. Przykładowe położenie -3 -3 środka promienia określone jest współrzędnymi ΔΧ = -0,7-10^- -r oraz ΔΥ = -1,9-10^- -r. Gdzie r to promień czopa.

Kolejno Fig. 3 przedstawia segment 2 podobnie jak segment 1. Przykładowe położenie środka

-3 -3 promienia określone jest współrzędnymi ΔΧ = +1,8-10^- -r oraz ΔΥ = -1,0-10^- -r.

Kolejno Fig. 4 przedstawia segment 3 podobnie jak segment 1. Przykładowe położenie środka -3 -3 promienia określone jest współrzędnymi ΔΧ = +1,3-10^- -r oraz ΔΥ = +1,25-10^- -r.

Kolejno Fig. 5 przedstawia segment 4 podobnie jak segment 1. Przykładowe położenie środka

-3 -3 promienia określone jest współrzędnymi ΔX = -1,35-10^- -r oraz ΔY = +1,3-10^- -r.

Wartości przesunięć ΔX oraz ΔY położenia środka promienia wytaczania są w każdym segmencie inne i zależą od średnicy czopa, wymaganego luzu, obciążenia łożyska, prędkości ślizgania, kierunku obrotów wału, lepkości oleju i temperatury oleju na dopływie do łożyska. Wartości te są wyznaczane przy pomocy specjalnego programu obliczeniowego współautorstwa twórcy wynalazku. Najlepsze właściwości dynamiczne łożyska (sztywność i tłumienie) dla zadanych warunków pracy łożyska, uzyskuje się tylko dla jednej kombinacji właściwie dobranych wartości ΔX i ΔY z odpowiednimi znakami +/- jak to pokazano na fig. 2 do fig. 5. W takim przypadku tzw. skośne współczynniki sztywności i tłumienia są praktycznie równe zeru, co gwarantuje eliminację „wiru olejowego” nawet przy największych prędkościach ślizgania i znikomym obciążeniu łożyska.

Zastosowanie wynalazku. Łożysko wg wynalazku nadaje się do przemysłowego stosowania w turbinach parowych i gazowych, sprężarkach wirowych, pompach odśrodkowych, wentylatorach i podobnych maszynach, w których występują duże prędkości ślizgania. Dla zadanych warunków pracy łożysko posiada właściwości dynamiczne identyczne z podobnym łożyskiem z segmentami wahliwymi, a pozbawione jest wad dużych łożysk wielosegmentowych jakimi są uszkodzenia typu fretting na podporach segmentów oraz termiczne i sprężyste odkształcenia segmentów skutkujące inną charakterystyką łożyska niż przewidywano. Dodatkowo posiada zwartą budowę i zajmuje znacznie mniej miejsca niż łożyska z klockami wahliwymi.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Łożysko ślizgowe poprzeczne, zwłaszcza do wałów turbin parowych i innych maszyn wirowych zawierające cztery segmenty jak w konstrukcji łożyska wahliwego, znamienne tym, że powierzchnie ślizgowe wykonane są na oddzielnych segmentach (1, 2, 3, 4), przy czym segmenty podparte są nieruchomo w oprawie łożyskowej (5, 6) na całym obwodzie, a każdy segment posiada kształt o innej geometrii, odpowiadającej podobnemu łożysku z klockami wahliwymi dla określonych warunków pracy, z kolei środki promieni tworzących powierzchnie ślizgowe segmentów (1, 2, 3, 4) przesunięte są o rożne wartości ΔΧ i ΔΥ zarówno co do wartości jak i kierunku, w stosunku do prostopadłych osi X i Y przechodzących przez środek gniazda łożyskowego.
2. Łożysko ślizgowe poprzeczne według zastrz. 1, znamienne tym, że środek promienia R

-3 -3 segmentu (1) określony jest przesunięciem ΔΧ = (-0,1 do -0,9)-10^- -r oraz ΔΥ = (-0,2 do -2,5)-10^- -r w stosunku do osi gniazda łożyskowego.
3. Łożysko ślizgowe poprzeczne według zastrz. 1, znamienne tym, że środek promienia R

-3 -3 segmentu (2) określony jest przesunięciem ΔΧ = (0,2 do +2,5)-10^- -r oraz ΔΥ = (-0,5 do -2,3)-10^- -r w stosunku do osi gniazda łożyskowego.
4. Łożysko ślizgowe poprzeczne według zastrz. 1, znamienne tym, że środek promienia R

-3 -3 segmentu (3) określony jest przesunięciem ΔΧ = (0,2 do 2,2)-10^- -r oraz ΔΥ = (0,1 do 2,1)-10^- -r w stosunku do osi gniazda łożyskowego.
5. Łożysko ślizgowe poprzeczne według zastrz. 1, znamienne tym, że środek promienia R

-3 -3 segmentu (4) określony jest przesunięciem ΔΧ = (-0,1 do -2,2)-10^- -r oraz ΔΥ = (0,2 do 2,3)-10^- -r w stosunku do osi gniazda łożyskowego.
6. Łożysko ślizgowe poprzeczne według zastrz. 1, znamienne tym, że nieruchoma pozycja wszystkich segmentów (1, 2, 3, 4) ustalona jest na obwodzie oprawy łożyskowej przy pomocy kołków (7) oraz wkrętów (11) lub klejów.
7. Łożysko ślizgowe poprzeczne według zastrz. 1, znamienne tym, że w segmentach (3) i (4) umieszczone są dysze (8) do podawania oleju pod wysokim ciśnieniem zasilane podczas rozbiegu i wybiegu maszyny, a także podczas ustawiania linii wałów połączone kanałem (9).
8. Promieniowe łożysko poprzeczne według zastrz. 1, znamienne tym, że kształtowanie powierzchni ślizgowej każdego segmentu promieniem R, odbywa się na całej wewnętrznej powierzchni segmentu.