RU226579U1 - Радиальный лепестковый газодинамический подшипник - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области машиностроения. Радиальный лепестковый газодинамический подшипник может быть использован в радиальных опорах высокоскоростных роторов турбомашин различного назначения, а именно использован в опорах турбомашин. Радиальный лепестковый подшипник, содержащий корпус подшипника, лепестки, перекрывающие друг друга, и дополнительные лепестки уменьшенной толщины. Достигается увеличение ресурса и износостойкости. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к подшипникам скольжения с газовой смазкой, и может быть использована в радиальных опорах высокоскоростных роторов турбомашин различного назначения.

Уровень техники

Современное турбостроение требует новых технических решений, определяющих возможность повышения экономичности и надежности, существенного улучшения массогабаритных показателей и технологичности турбомашин. Это особенно актуально для различных агрегатов малой энергетики (микротурбинные установки, турбодетандерные генераторы, турбонасосы, турбокомпрессоры, двигатели летательных аппаратов и др.).

Применение газодинамических подшипников позволяет исключить масляную систему, применяемую в традиционных подшипниковых узлах турбин, что снижает массогабаритные параметры и позволяет повысить взрыво- и пожаробезопасность турбомашин.

А малая вязкость газов позволяет осуществить высокие скорости вращения при незначительных потерях на трение и следовательно малом повышении температуры смазки и опор. Следствием малых потерь на трение является повышение износостойкости, долговечности работы опор, экономичности и надежности турбомашины.

Известен радиальный лепестковый газодинамический подшипник (патент RU 2309304, МПК F16C 27/02, опубликовано: 27.10.2007), содержащий корпус с осевыми гнездами и лепестки с хвостовиками, закрепленными в гнездах корпуса, отличающийся тем, что на части своей длины гнезда выполнены сквозными и сообщены с источником смазки.

К недостаткам аналога относится то, что на всей части длины гнезда газодинамического подшипника выполнены сквозными в радиальном направление и сообщены с источником газовой смазки, что приводит к попаданию влаги, пыли и других механических частиц из гнезд корпуса, что снижает ресурс подшипника.

Известно изобретение, газодинамический радиальный подшипник (патент RU 2010119, МПК F16C 27/02, опубликовано: 30.03.1994), содержащий корпус с продольными пазами и размещенными в них призматическими шпонками и лепестки со смонтированными в продольных пазах и зафиксированными посредством шпонок хвостовиками, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, технологичности и ремонтопригодности, каждый хвостовик выполнен в виде коробчатого незамкнутого профиля, консольная стенка которого выполнена с отогнутым внутрь упругим язычком, а каждая шпонка со стороны упругого язычка выполнена с поперечным пазом для установки в нем упомянутого язычка.

Недостатком аналога, является использование призматических шпонок, которые способны к опрокидыванию в процессе износа и смятия боковых рабочих поверхностей, так как силы, действующие на шпонку, образуют моментную пару, а по высоте шпонки в пазу всегда имеется зазор, что существенно снижает ресурс подшипника.

Известен радиальный лепестковый газодинамический подшипник (патент RU 185487, МПК F16C 17/02, F16C 27/02, F16C 32/06, опубликовано: 06.12.2018), содержащий корпус, цапфу, расположенную в отверстии корпуса, гибкие лепестки, расположенные в окружном направлении между цапфой и корпусом и перекрывающие друг друга, между каждым лепестком и корпусом расположена упругая гофрированная лента, средняя часть каждого лепестка закреплена относительно корпуса при помощи шпонки, расположенной в осевом направлении и установленной в пазу корпуса, при этом шпонка прикреплена к лепестку через уголок, выполненный из металлической ленты и закрепленный при помощи контактной сварки одной стороной на наружной поверхности лепестка, а другой стороной - на боковой поверхности шпонки, расположенной навстречу вращению цапфы.

Недостатком аналога является использование контактной сварки при соединении уголка к ленте приводит к изменению структуры металла и увеличению напряжения в данной области, тем самым снижая ресурс подшипника.

Известен радиальный лепестковый газодинамический подшипник (патент RU 169646, МПК F16C 17/02, F16C 27/02, F16C 32/06, опубликовано: 28.03.2017), содержащий корпус, цапфу, расположенную в отверстии корпуса, тонкие упругие лепестки, расположенные в окружном направлении между цапфой и корпусом и перекрывающие друг друга, при этом лепесток закреплен своей средней частью относительно корпуса при помощи шпонки, прикрепленной в осевом направлении к лепестку и установленной в пазу корпуса, где между каждым лепестком и корпусом расположена упругая гофрированная лента.

Недостатком аналога является недостаточно надежное крепление лепестка к шпонке при длительной эксплуатации турбомашины в условиях вибрационной нагрузки ротора на подшипник, что существенно снижает ресурс подшипника.

В качестве прототипа выбран радиальный лепестковый газодинамический подшипник (патент RU 2658260, F16C 17/02, F16C 27/02, FI6C 32/06 опубликовано: 19.06.2018), содержащий охватывающий цапфу вала корпус с расположенными на его внутренней цилиндрической поверхности продольными прямоугольными пазами, в которые вставлены профилированные по незамкнутому коробчатому профилю крепежные хвостовики перекрывающих друг друга лепестков и отогнутая крепежная часть дополнительных лепестков, отличается тем, что отогнутая крепежная часть дополнительных лепестков размещена внутри незамкнутого коробчатого профиля крепежных хвостовиков перекрывающих друг друга лепестков.

К недостаткам прототипа относится то, что он обладает недостаточным демпфированием, большим моментом трения при пуске, малой несущей способностью и наличием сухого трения, между цапфой вала и лепестковыми элементами в периоды пуска и остановки ротора, что является главной причиной износа лепестков подшипника. Раскрытие сущности полезной модели

Проблемой, решаемой настоящей полезной моделью, является повышение ресурса и надежности подшипника.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в увеличении ресурса и изностойкости радиального лепесткового газодинамического подшипника.

Указанный выше технический результат достигается, тем что радиальный лепестковый газодинамический подшипник, содержащий корпус подшипника, лепестки перекрывающие друг друга с нанесенным антифрикционным покрытием со стороны вала, а также дополнительные лепестки, отличающийся тем, что дополнительные лепестки выполнены уменьшенной толщины.

В основе работы лепесткового газодинамического подшипника лежит эффект повышения давления в клиновых зазорах, образованных поверхностью вала и прилегающими к нему лепестками. Вращающийся вал увлекает воздух в конфузорную зону клиновидного зазора. При увеличении частоты вращения вала давление воздуха в зазоре увеличивается и, наконец, становится достаточным для отделения лепестка от вала. От величины времени всплытия вала зависит износ антифрикционного покрытия лепестков при пуске, остановки подшипника и при скоростных контактах, а значит, и ресурс подшипника в целом. При увеличении частоты вращения вала давление в рабочих зазорах увеличивается и соответственно увеличивается несущая способность подшипника.

Несущая способность подшипника зависит от профиля газового слоя, формирующегося в соответствии с толщиной лепестков, их длиной, формой и степенью взаимного перекрытия, которая подобранна таким образом, чтобы увеличить демпфирующую способность подшипника. При уменьшение толщины дополнительного лепестка несущая способность радиального лепесткового подшипника не изменяется и приводит к уменьшению времени всплытия вала, также уменьшение жесткости дополнительного лепестка приводит к увеличению демпфирующей способности подшипника. Применение антифрикционного покрытия на лепестках увеличивает ресурс подшипника на пусках и остановках.

Радиальный лепестковый газодинамический подшипник состоит из корпуса подшипника, лепестков с антифрикционным покрытием типа Адгеласт или типа Modengy, которое наносят со стороны вала на предварительно подготовленную поверхность лепестков не менее 1 слоя методом пневматического распыления, толщиной от 15 до 25 мкм, после термообработки которого формируется тонкий антифрикционный слой, который обеспечивает сухую смазку подшипника. При этом выбор покрытия для радиально лепесткового газодинамического подшипника осуществляется исходя из температурного режима эксплуатации турбомашин, а толщина антифрикционного покрытия обеспечивает требуемый радиальный зазор между валом и подшипником. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса подшипника равномерно по окружности размещены несколько гнезд. Где гнезда представляют собой прямоугольные пазы. В гнезда свободно монтируются лепестки и дополнительные лепестки. Дополнительные лепестки расположены между корпусом подшипника и лепестками и предназначены для увеличения демпфирующей способности подшипника.

Для уменьшения коэффициента трения при пуске и остановке, а также при кратковременных высокоскоростных контактах применяют антифрикционное покрытие нанесенное со стороны вала на лепестки подшипника.

Данная полезная модель обеспечивает, увеличение ресурса подшипника, за счет применения антифрикционного покрытия на лепестках подшипника и уменьшения толщины дополнительного лепестка.

Применение антифрикционного покрытия позволяет увеличить ресурс подшипника (лепестков) на пусках и остановках, а также кратковременных контактах. А уменьшенная толщина лепестков увеличивает демпфирующую способность подшипника.

Такой радиальный лепестковый газодинамический подшипник, обладает сниженным износом покрытия, малым коэффициентом трения, высокой термо- и теплостойкостью, более ранним всплытием вала, а антифрикционное покрытие обладает высокой износостойкостью и эффективно работает в условиях граничного трения при самосмазывании антифрикционным покрытием.

Предложенный радиальный лепестковый подшипник обладает увеличенным ресурсом.

Работа радиального лепесткового газодинамического подшипника заключается в следующем. Лепестки, частично перекрывая друг друга, и дополнительные лепестки, образуют непрерывный ряд клиновых поверхностей. На лепестки со стороны вала нанесено антифрикционное покрытие, а дополнительные лепестки не имеют антифрикционного покрытия. Когда вал неподвижен, лепестки касаются вала и стремятся удержать его в центре радиального лепесткового газодинамического подшипника. Вращающийся вал увлекает воздух из зоны с большой толщиной воздушного зазора между валом и лепестком в зону с малой толщиной воздушного зазора. С увеличением частоты вращения давление в этих зонах возрастает и при частоте вращения, соответствующей возникновению газодинамического клина, происходит полное отделение лепестков от вала и образуется несущий слой, способный воспринимать всю нагрузку от вала.

Зоны сухого трения, образующиеся при относительном смещении лепестков в процессе их деформирования, рассеивают колебательную энергию вала. Обычно этого не достаточно, особенно при большой мощности на валу или при воздействии внешней возмущающей нагрузки. Для увеличения демпфирующей способности подшипника используют дополнительные лепестки, устанавливаемые между корпусом подшипника и лепестками. Дополнительные лепестки гасят возмущающие колебания вала за счет образования демпфера. При этом уменьшение толщины лепестков увеличивает демпфирующую способность подшипника, что приводит к уменьшению времени всплытия вала, что в свою очередь уменьшает износ лепестков подшипника за счет сил трения и увеличивает ресурс подшипника.

Применение антифрикционного материала на лепестках позволяет увеличить срок работы подшипника при пусках и остановках, а также при кратковременных высокоскоростных контактах, позволяют избежать задиров вала.

Краткое описание чертежей

Преимущества и особенности полезной модели поясняются конкретным примерам его выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.

На чертеже представлен поперечный разрез радиального лепесткового газодинамического подшипника.

Радиальный лепестковый газодинамический подшипник содержит корпус подшипника (1), лепестки (2) свободно вмонтированы в гнезда подшипника и частично перекрывающие друг друга, покрытые антифрикционным покрытием со стороны вала и дополнительные лепестки (3). Дополнительные лепестки (3) расположены между корпусом подшипника (1) и лепестками (2) и установлены в гнезда подшипников.

Радиальный лепестковый газодинамический подшипник работает следующим образом. Лепестки (2), частично перекрывая друг друга, образуют непрерывный ряд клиновых поверхностей. Когда вал неподвижен, лепестки (2) касаются вала и стремятся удержать его в центре. Вращающийся вал увлекает воздух из зоны с большой толщиной (4) воздушного зазора между валом и лепестком в (конфузорную) зону с малой толщиной воздушного зазора (5). С увеличением частоты вращения давление в этих зонах возрастает и при частоте вращения, соответствующей возникновению газодинамического клина (устойчивого газового слоя), происходит полное отделение лепестков (2) от вала и образуется несущий слой, способный воспринимать всю нагрузку от вала. Осуществление полезной модели

Испытания радиального лепесткового подшипника проводились на электроустановке, представляющую собой вал приводимый во вращение электродвигателем на который монтируется корпус подшипников, состоящий из корпуса, в который устанавливается радиальный лепестковый газодинамический подшипник для испытаний радиально лепесткового подшипника двух шарикоподшипников и наружной втулки. Корпус подшипников нагружается грузом, имитирующий вес ротора изделия. При запуске электродвигателя создается момент силы (из-за трения между валом и подшипником), который пытается сдвинуть корпус подшипников за собой. Момент силы измеряется в процессе всего испытания с помощью датчика силы и весового контроллера. За счет применения шарикоподшипников момент силы не взаимодействует на наружную втулку шарикоподшипников с подвешенным грузом.

Пример 1

В соответствии с настоящей полезной моделью был изготовлен опытный образец радиальных лепестковых газодинамических подшипников с покрытием типа «Адгеласт» с толщиной лепестков 16,5 до 17,5 мкм и толщиной покрытия 15 до 25 мкм. При этом толщина дополнительных лепестков составляет 14 мкм. Опытный образец радиально лепесткового газодинамического подшипника прошел испытания на прочность и долговечность в количестве 500 циклов старт/стоп, с частотой вращения 12000 об/мин на валу экспериментальной установки. Выше этих оборотов экспериментальная установка проходит через ряд резонансных частот, что не является штатным режимом при работе подшипника. После 500 циклов лепестковый газодинамический подшипник демонтировали. Процесс притирки контролировался по образованию пыли, состоящих из частичек покрытия, после 200 пусков образуется большое количество пыли, т.е. притирка подшипника идет активно, после пыли существенно меньше. Состояние подшипников - удовлетворительное. Наблюдались следы приработки лепесткового газодинамического подшипника Результаты испытаний и исследований положительны: наволакирования покрытия отсутствует. Износ покрытия составил не более 5 мкм.

Пример 2

Также был изготовлен опытный образец радиального лепесткового газодинамического подшипника с покрытием типа Modengy с толщиной лепестков 16,5 до 17,5 мкм и толщиной покрытия 15 до 25 мкм. При этом толщина дополнительных лепестков составляет 14 мкм. Опытный образец радиально лепесткового газодинамического подшипника прошел испытания на прочность и долговечность в количестве 500 циклов старт/стоп, с частотой вращения 12000 об/мин на валу экспериментальной установки. При этом если частота вращения вала больше, то экспериментальная установка проходит ряд резонансных частот, что не является штатным режимом при работе подшипника. После 500 циклов лепестковый газодинамический подшипник демонтировали. Наблюдались следы приработки лепесткового газодинамического подшипника. Процесс притирки контролировался по образованию пыли, состоящих из частичек покрытия, после 200 пусков образуется большое количество пыли, т.е. притирка подшипника идет активно, после пыли существенно меньше. Состояние подшипника - удовлетворительное. Результаты испытаний и исследований положительны: наволакирования покрытия отсутствует, заметны следы приработки подшипника, работоспособность покрытия сохраняется. Износ покрытия составил не более 5 мкм.

Проводились испытания методом решетчатых порезов по ГОСТ 15140-78 на адгезию антифрикционного покрытия типа «Адгеласт» и типа Modengy - края надрезов полностью гладкие, нет признаков отслаивания ни в одном квадрате решетки.

Проводились эксперименты с двумя типами покрытия на определения время всплытия вала на экспериментальной установки. При этом методика испытаний состоит из циклического пуска и остановки вала. Запуски повторяются до 200 раз и длительностью в 50 мин. Результаты испытаний с толщиной дополнительных лепестков 16 мкм - всплытие вала происходит при частоте вращения 7000-8000 об/мин, и с уменьшенной толщиной 14 мкм дополнительных лепестков всплытие вала происходит при частоте вращения 6000-6500 об/мин. Таким образом, по итогам результатов испытаний можно подтвердить, что происходит уменьшение времени всплытия вала, что соответственно в свою очередь уменьшает износ лепестков за счет сил трения и увеличивает ресурс подшипника.

Полезная модель предназначена для применения в радиальных опорах высокоскоростных роторов турбомашин различного назначения, а именно для применения в опорах турбохолодильников, турбодетандеров, турбонагнетателей, турбогенераторов.

Все технические средства и обеспечивающее их работу, применение которых предусмотрено в полезной модели, разрабатываются и выпускаются отечественными промышленными предприятиями.

Предусмотренное полезной моделью взаимодействие средств реализуется в известных процессах турбостроения. В процессе изготовления радиального лепесткового газодинамического подшипника может быть использовано типовое, стандартное промышленное оборудование, материалы и комплектующие изделия.

Claims (5)

1. Радиальный лепестковый газодинамический подшипник, содержащий корпус подшипника, лепестки, перекрывающие друг друга, а также дополнительные лепестки, отличающийся тем, что дополнительные лепестки выполнены уменьшенной толщины.

2. Радиальный лепестковый газодинамический подшипник по п. 1, отличающийся тем, что антифрикционное покрытие наносится толщиной от 15 до 25 мкм.

3. Радиальный лепестковый газодинамический подшипник по п. 1, отличающийся тем, что на лепестки нанесено покрытие типа Адгеласт.

4. Радиальный лепестковый газодинамический подшипник по п. 1, отличающийся тем, что на лепестки нанесено покрытие Modengy.

5. Радиальный лепестковый газодинамический подшипник по п. 1, отличающийся тем, что антифрикционное покрытие нанесено на лепестки со стороны вала.

Images