Радиально-упорный подшипник
Предлагается радиально-упорный подшипник жидкостного трения, разделяющий полости с различным давлением в высокооборотных турбонасосах, центробежных и осевых лопаточных насосах, преимущественно в насосах, использующих для смазки подшипников перекачиваемую жидкость, например в насосах турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей
Радиально-упорный подшипник содержит вал с упорным гребнем и втулку, в которой выполнены каналы, одни концы которых открыты в полости карманов, выполненных на опорной поверхности втулки, внутренняя поверхность которой выполнена с гладким и профилированным участком, расположенным на стороне, противоположной опорной поверхности втулки и отделенным кольцевой проточкой, в профилированном участке выполнены в продольном направлении клиновидные углубления, равномерно расположенные по окружности, глубина которых уменьшается в направлении вращения вала, другие концы каналов открыты в соответствующие зоны клиновидного углубления с уменьшенной глубиной. При этом каждый карман расположен вдоль одной образующей с ближайшим клиновидным углублением, а количество клиновидных углублений равно или кратно количеству карманов. Если число карманов выполнено четным, то каналы, открытые в полости диаметрально расположенных карманов, могут быть объединены. Объединении может осуществляться как в полости кармана его подключением сразу к двум зонам клиновидного углубления с уменьшенной глубиной, так и предварительного соединения соответствующих каналов. Для обеспечения работы устройства каналы могут быть выполнены капиллярными или на входе в каждый карман может быть установлен жиклер.
Способность подшипника работать в условиях осевого протока смазки и значительных осевых перепадов давления позволяет легко встраивать его в конструкцию насосов и использовать для смазки имеющиеся в насосе утечки между полостями с различным давлением. В этом случае не требуется привлечения специально отбираемого для смазки подшипника расхода жидкости, что существенно повышает экономичность насоса.
6 илл.
Полезная модель относится к радиально-упорным подшипникам жидкостного трения, способным выполнять функции как опор, так и уплотнений, разделяющих полости с различным давлением, и предназначенных для использования в высокооборотных турбонасосах, центробежных и осевых лопаточных насосах, преимущественно в насосах, использующих для смазки подшипников перекачиваемую жидкость, например в насосах турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей.
Подшипник скольжения, работающий со смазкой, можно рассматривать как насос. Для того чтобы перемещать вязкую среду из области низкого давления в область высокого давления, необходимо затрачивать энергию внешнего источника. Смазка, прилипшая к контактным поверхностям, при вращении вала сопротивляется полному стиранию и выдавливается в область, где давление повышается, благодаря чему поддерживается зазор между этими поверхностями. Подшипник скольжения, в котором описанным образом создается область повышенного давления, удерживающая нагрузку, называется гидродинамическим.
Известны различные конструкции подшипников, имеющих на рабочей поверхности несущие карманы, в которые подается смазывающая жидкость от какого-либо источника давления (см., например, «Детали и механизмы металлорежущих станков», том 2, под ред. Д.Н.Решетова. М.: Машиностроение, 1972, с.154, рис.35а).
Известны упорные гидростатические многокамерные подшипники, в которых на рабочей торцевой поверхности выполнены гидростатические карманы, в которые подается жидкость от источника высокого давления. Рабочая поверхность может быть разделена канавками на секции по числу несущих карманов (см., напр., В.А.Воскресенский и др. «Расчет и проектирование опор жидкостного трения» М., Машиностроение, 1983г., стр. 114, 142, рис 35, 41)
Недостатком известных технических решений является то, что при использовании для смазки подшипников жидкости, перекачиваемой насосом (например, в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей), жидкость, используемая для смазки подшипника, специально отбирается из полости высокого давления и сбрасывается после подшипника в полость низкого давления. Это приводит к росту потерь, связанных с увеличением объема утечек и уменьшению гидравлического кпд насоса. Этот недостаток особенно критичен в случае малорасходных насосов.
Задачей предлагаемого технического решения является создание компактного радиально-упорного подшипника, не требующего специального подвода смазки и уменьшение потерь, связанных с увеличением объема утечек, увеличения гидравлического кпд насоса, особенно в случае малорасходных насосов.
Эта задача решена за счет того, что в радиально-упорном подшипнике, содержащем вал с упорным гребнем и втулку, в которой выполнены каналы, одни концы которых открыты в полости карманов, выполненных на опорной поверхности втулки, внутренняя поверхность которой выполнена с гладким и профилированным участком, расположенным на стороне, противоположной опорной поверхности втулки и отделенным кольцевой проточкой, в профилированном участке выполнены в продольном направлении клиновидные углубления, равномерно расположенные по окружности, глубина которых уменьшается в направлении вращения вала, другие концы каналов открыты в соответствующие зоны клиновидного углубления с уменьшенной глубиной, при этом каждый карман расположен вдоль одной образующей с ближайшим клиновидным углублением, а количество клиновидных углублений равно или кратно количеству карманов. Если число карманов выполнено четным, то каналы, открытые в полости диаметрально расположенных карманов, могут быть объединены. Объединение может осуществляться как в полости кармана его подключением сразу к двум зонам клиновидного углубления с уменьшенной глубиной, так и предварительного соединения соответствующих каналов. Для обеспечения работы устройства каналы могут быть выполнены капиллярными или на входе в каждый карман может быть установлен жиклер.
Проведенные патентные исследования не выявили идентичных и сходных технических решений. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства не следует явным образом из изученного уровня техники, имеет существенные отличия от рассмотренных аналогов. Поэтому заявитель считает, что заявляемый подшипник соответствует критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлен пример реализации предлагаемого технического решения. Этот пример ни в коей мере не ограничивает любые другие варианты выполнения различных функциональных узлов предлагаемого устройства.
На фиг 1 изображен предлагаемый радиально-упорный подшипник в осевом разрезе, на фиг.2 - поперечное сечение подшипника с равным количеством карманов и клиновидных углублений, на фиг 3 - поперечное сечение подшипника с кратным количеством карманов и клиновидных углублений, на фиг.4 - вид на опорную поверхность втулки с равным количеством карманов и клиновидных углублений, на фиг.5 - вид на опорную поверхность втулки с кратным количеством карманов и клиновидных углублений, на фиг.6 представлено поперечное сечение с объединенными каналами, открытыми в полости диаметрально расположенных карманов.
На фигурах обозначено: вал 1, втулка 2, профилированный участок 3, гладкий участок 4, упорный гребень 5 вала 1, упорная поверхность 6 втулки 2, карманы 7, перепускные каналы 8, клиновидные углубления 9 участка 3, объединение 10 каналов, открытых в полости диаметрально расположенных карманов 7, (если число карманов 7 выполнено четным), 11 - перепускной канал, 12 - канавки, разделяющие упорную поверхность 6 втулки 2 на секции. Буквой 
обозначено направление вращения вала 1.
Устройство работает в составе высокооборотного турбонасоса, центробежного и осевого лопаточного насоса, использующих для смазки подшипников перекачиваемую жидкость, например в насосах турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей.
Перекачиваемая жидкость находится под давлением со стороны торца профилированного участка 3 с клиновидными углублениями 9 и выполняет функцию смазки подшипника.
При вращении вала 1 перекачиваемая жидкость увлекается в сужающуюся часть клиновидного углубления 9, (зоны с уменьшенной глубиной), где повышается давление, что обеспечивает несущую способность подшипника, а благодаря наличию нескольких таких зон - его устойчивую работу.
Из зон с уменьшенной глубиной по каналам 8 жидкость поступает в карманы 7, выполненные на опорной поверхности втулки 2, создавая дополнительные зоны высокого давления, увеличивающие устойчивость подшипника.
При смещении вала 1 под действием осевой силы в сторону втулки 2 зазор между упорным гребнем 5 вала 1 и опорной частью 6 втулки 2 уменьшается, что приводит к уменьшению утечки из карманов 7, росту в них давления жидкости и возникновению противодействующей силы.
Выполнение числа клиновидных углублений 9 кратным количеству карманов 7 исключает влияние изменения давления при радиальных перемещениях вала 1 на несущую способность карманов 7
Смещение вала 1 под действием радиальных сил приводит к уменьшению радиального зазора между упорным гребнем 5 вала 1 и опорной частью 6 втулки 2 в направлении перемещения вала 1 и его увеличению с противоположной стороны и, соответственно, увеличению давления в клиновидных углублениях 9 в зоне меньшего зазора и уменьшению давления в клиновидных углублениях 9 в зоне большего зазора. Это приводит к смещению вектора силы, возникающем в устройстве относительно оси вала 1 и к появлению момента, способствующего перекосу вала 1. Выполнение числа карманов 7 четным и объединение каналов, открытых в полости диаметрально расположенных карманов, выравнивает давление в упомянутых зонах и исключает появлению момента, способствующего перекосу вала 1
Выполнение каналов 8 капиллярными, или установка жиклеров в каналах 8 на входе в карман 7 обеспечивает устойчивую работу устройства.
Канавки 12, разделяющие упорную поверхность 6 втулки 2 на секции, обеспечивают уменьшение влияния разности давлений в различных секциях упорной поверхности 6 втулки 2 (зазора между упорным гребнем 5 вала 1 и упорной поверхностью 6 втулки 2) при радиальном смещении вала 1 во втулке 2.
Заявителем были проведены успешные макетные испытания заявляемого устройства. Предлагаемый подшипник может быть изготовлен в промышленных масштабах и пригоден для использования в высокооборотных турбонасосах, центробежных и осевых лопаточных насосах, преимущественно в насосах, использующих для смазки подшипников перекачиваемую жидкость, например в насосах турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей.
1. Радиально-упорный подшипник, содержащий вал с упорным гребнем и втулку, в которой выполнены каналы, одни концы которых открыты в полости карманов, выполненных на опорной поверхности втулки, внутренняя поверхность которой выполнена гладкой, отличающийся тем, что втулка дополнена профилированным участком, расположенным на стороне, противоположной опорной поверхности втулки, и отделенным кольцевой проточкой, в профилированном участке выполнены в продольном направлении клиновидные углубления, равномерно расположенные по окружности, глубина которых уменьшается в направлении вращения вала, другие концы каналов открыты в соответствующие зоны клиновидного углубления с уменьшенной глубиной.
2. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что каждый карман расположен вдоль одной образующей с ближайшим клиновидным углублением, а количество клиновидных углублений равно или кратно количеству карманов.
3. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что число карманов выполнено четным, а каналы, открытые в полости диаметрально расположенных карманов, объединены.
