WO2009022943A1

WO2009022943A1 - Многолепестковый газодинамический подшипник

Info

Publication number: WO2009022943A1
Application number: PCT/RU2008/000449
Authority: WO
Inventors: Yury Ivanovich Ermilov
Original assignee: Yury Ivanovich Ermilov
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2009-02-19
Also published as: DE112008002182T5; RU2350795C1; US20120045154A1

Abstract

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. Сущность изобретения: многолепестковый газодинамический подшипник включает корпус подшипника 7, цапфу 1, несколько верхних податливых гладких лепестков 15 и упруго-демпферные секций, каждая из которых состоит из пружинного элемента 25 (например, гофрированной ленты), и гладких податливых лепестков 27, 30 и 33, закрепленных одним краем на корпусе подшипника с разных сторон пружинного элемента. Повышенное фрикционное демпфирование подшипника при небольших частотах вращения обеспечивается за счет того, что при радиальном смещении цапфы 1 происходит скольжение с трением между контактирующими поверхностями лепестков упруго-демпферных секций.

Description

Многолепестковый газодинамический подшипник

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к подшипникам скольжения с жидкостной и газовой смазкой, используемым для радиальной подвески роторов высокоскоростных турбомашин различного назначения, например, тур- бохолодильников, турбодетандеров и др.

Предшествующий уровень техники

Известен многолепестковый газодинамический подшипник (патент США N° 5634723, кл. 384/103, 384/106, 1997), включающий корпус подшипника, расположенную внутри корпуса подшипника цапфу вала, расположенные в окружном направ- лении 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 соответствую- щего 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, об- разованного 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 не- больших 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 ко- лебания 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 турбома- шины.

Раскрытие изобретения

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 упруго-демпферные 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 с внутренней стороны пружинного элемента и наружными поверхностями верхнего лепестка, причем хотя бы в одной из упруго-демпферных секций любые два смеж- ных лепестка, соприкасающиеся друг с другом своей наружной и внутренней поверхностью, закреплены на корпусе подшипника с разных краев пружинного элемента. Краткое описание чертежей

На фиг. 1. представлен поперечный разрез предлагаемого многолепесткового газодинамического подшипника.

Вариант осуществления изобретения

5 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 лепестки 15, обращенные своей внутренней поверхностью 20 к цапфе 1. Каждый верхний лепесток представляет собой податливую гладкую ленту. Край 17

Ю 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 поверх-

15 ностью корпуса подшипника расположены в окружном направлении несколько (две или более) упруго-демпферных секции. Показанный на фиг. 1 подшипник имеет под каждым верхним лепестком две таких секции. Каждая упруго-демпферная секция состоит из пружинного элемента (например, упругой гофрированной ленты) 25 и гладких податливых лепестков 27, 30 и 33. Лепесток 27 прилегает своей наружной

20 поверхностью к внутренней поверхности пружинного элемента. Лепесток 30 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности лепестку 27. Лепесток 33 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности лепестку 30. Количество лепестков в упруго-демпферной секции может составлять два или более. Лепестки 27, 30 и 33 закреплены на корпусе подшипника по одному краю, располо-

25 женному 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 ле-

30 пестков. Например, вышележащий лепесток 33 прикреплен своей крепежной частью 37 к корпусу подшипника через крепежную часть 35 нижележащего лепестка 27. На фиг. 1. 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 5 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 на- Ю правлении 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 15 уменьшения толщины воздушного зазора в этом зазоре 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 внутренними поверхностями 20 верхних лепестков, то есть наличие на всем 0 протяжении между этими поверхностями газового слоя.

На фиг. 1 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 25 толщины смазочного слоя, и основная часть избыточного давления смазочного слоя передается на корпус подшипника через верхний лепесток и нижнюю упруго- демпферную секцию: лепестки 33, 30, 27 и пружинный элемент 25.

При возникновении колебаний вала в лепестковом подшипнике происходит фрикционное демпфирование этих колебаний вследствие скольжения друг по другу 30 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 смазочно- го слоя верхнего лепестка и лепестков нижней упруго-демпферной 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 33 и 27, вместе с этими лепестками смещаются против часовой стрелки. Такое смещение контактирующих лепестков в различных направлениях вызывает возникновение сил трения между лепестками 33 и 30 и между лепестками 30 и 27. Поскольку под каждым верхним лепестком находятся две (или больше) упруго демпферных секций, их угловая длина такова, что практически вся нижняя упруго-демпферная секция находится в зоне высокого избыточного давления смазочного слоя, и толщина смазочно- го слоя в этой зоне мала. Поэтому лепестки секции под действием сил трения не могут вьшрямляться, 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 упруго- демпферных секциях, которые деформируются в результате движений цапфы.

Величина фрикционного демпфирования между лепестками упруго-демпферной секции растет с увеличением количества трущихся пар поверхностей лепестков. При наличии в упруго-демпферной секции только двух лепестков будет только одна пара трущихся поверхностей. При трех лепестках в секции, имеющихся в подшипнике, показанном на фиг. 1, будет две трущиеся пары поверхностей и фрикционное демпфирование в этом случае будет больше, чем при двух лепестках в секции.

Claims

Формула

1. Многолепестковый газодинамический подшипник, включающий 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, отличающийся тем, что между наружными поверхностями верхних лепестков и внутренней поверхностью корпуса подшипника расположены в окружном направлении упруго- демпферные 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 лепестка и хотя бы между одним из верхних лепестков и корпусом подшипника расположены две или более упруго-демпферные секции.

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 упруго- демпферные секции имеют по одному упругому элементу.

4. Многолепестковый газодинамический подшипник по п. 3, отличающийся тем, что лепестки упруго-демпферных 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 упруго-демпферных секций любые два смежных лепестка, соприкасающиеся друг с другом своей наружной и внутренней поверхностью, закреплены на корпусе подшипника с разных краев пружинного элемента.