Упорный подшипниковый узел

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к области турбостроения и может быть использована при проектировании, например, газотурбинных установок. Узел включает размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха от внешнего источника, кольцеобразную пяту, подпятник, образованный корпусом, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса. На дне цилиндрической выемки размещена упругая прокладка с опертым на нее газостатическим подшипником, выполненным в форме кольца, из немагнитного материала, разделенного на секторы радиально ориентированными накладками, скрепленными с корпусом подпятника, поперечному сечению которых придана Т-образная форма. Полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков выполненных по периметру секторов подшипника, образующих выемку. В выемке каждого сектора зафиксированы секторные постоянные магниты, намагниченные с возможностью образования схемы Хальбаха, при этом внешняя поверхность секторных магнитов составляет одну плоскость, обращенную к пяте, выполненной из немагнитного материала, с образованием с нею рабочего зазора. В объеме секторов подшипника выполнена система сообщающихся каналов с возможностью подачи в нее сжатого воздуха, выходные отверстия которой сообщены с выполненными в секторных магнитах сквозными отверстиями, сообщающимися с рабочим зазором. Технический результат выражается в обеспечении значительных электродинамических сил отталкивания при вращении пяты без прилипания секторных постоянных магнитов к пяте, что повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла. 4 ил.

Полезная модель относится к области турбостроения и может быть использована при проектировании, например, газотурбинных установок.

Известен упорный подшипниковый узел, содержащий ротор с пятой, радиальный сегментный подшипник, корпус, многослойный вкладыш, состоящий из пористого упругого вибродемпфирующего материала и антифрикционного материала (см. RU 2301361, МПК H02K 5/16, 20.06.2007).

Известен также упорный подшипниковый узел, включающий размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха от внешнего источника, кольцеобразную пяту, подпятник, образованный корпусом, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса, при этом на дне цилиндрической выемки размещена упругая прокладка с опертым на нее газостатическим подшипником, выполненным в форме кольца, из немагнитного материала, разделенного на секторы радиально ориентированными накладками, скрепленными с корпусом подпятника, поперечному сечению которых придана Т-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков выполненных по периметру секторов подшипника, образующих выемку (см. RU 131829, МПК F16C 17/04, 12.03.2013).

При использовании упорного подшипникового узла такой конструкции в мощных турбомашинах необходимо увеличивать окружную скорость пяты упорного подшипникового узла для получения высоких значений электродинамических сил отталкивания, что приводит к значительным потерям на трение в этом узле ввиду малости осевого зазора в нем (мощность трения в упорном газостатическом подшипнике обратно пропорциональна осевому зазору между пятой и подпятником).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности упорного подшипникового узла в рабочем режиме, а также надежный запуск и останов турбомашины.

Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении значительных электродинамических сил отталкивания при вращении пяты без прилипания секторных постоянных магнитов к пяте. Это повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла. При этом схема намагничивания (схема Хальбаха) секторных постоянных магнитов обеспечивает увеличение магнитного потока, и направление его основной части в зону рабочего зазора упорного подшипникового узла для получения значительных электродинамических сил отталкивания.

Указанный технический результат достигается тем, что упорный подшипниковый узел, включающий размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха от внешнего источника, кольцеобразную пяту, подпятник, образованный корпусом, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса, при этом на дне цилиндрической выемки размещена упругая прокладка с опертым на нее газостатическим подшипником, выполненным в форме кольца, из немагнитного материала, разделенного на секторы радиально ориентированными накладками, скрепленными с корпусом подпятника, поперечному сечению которых придана Т-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков выполненных по периметру секторов подшипника, образующих выемку, отличается тем, что в выемке каждого сектора зафиксированы секторные постоянные магниты, намагниченные с возможностью образования схемы Хальбаха, при этом внешняя поверхность секторных магнитов составляет одну плоскость, обращенную к пяте, выполненной из немагнитного материала, с образованием с нею рабочего зазора, кроме того, в объеме секторов подшипника выполнена система сообщающихся каналов с возможностью подачи в нее сжатого воздуха, выходные отверстия которой сообщены с выполненными в секторных магнитах сквозными отверстиями, сообщающимися с рабочим зазором.

Сопоставительный анализ предложенного технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом совокупность отличительных признаков формулы полезной модели позволяют дополнительно к газостатическим силам обеспечить значительные электродинамические силы отталкивания при вращении пяты без прилипания секторных постоянных магнитов к пяте. Это повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла. При этом схема намагничивания (схема Хальбаха) секторных постоянных магнитов обеспечивает увеличение магнитного потока, и направление его основной части в зону рабочего зазора упорного подшипникового узла для получения значительных электродинамических сил отталкивания.

На фиг. 1 показан продольный разрез, а на фиг. 2, 3, 4 - поперечные разрезы упорного подшипникового узла по секторам подшипника, постоянным магнитам и по пяте, соответственно.

На чертежах показаны корпус 1, кольцевой выступ 2, упругая прокладка 3, кольцевые гофры 4, секторы 5 подшипника, металлические немагнитные накладки 6, пята 7, буртик 8, секторные постоянные магниты 9, 10, 11, рабочий зазор 12, внутренний силовой каркас 13, радиальные отверстия 14, тангенциальные каналы 15, штуцеры 16, уплотнительные кольца 17, 18, осевые отверстия 19 в корпусе 1, осевые отверстия 20 в секторах 5 подшипника, осевые отверстия 21 в секторных постоянных магнитах 9, 10, 11, крышки 22, заглушки 23.

Упорный подшипниковый узел состоит из подпятника и пяты.

Подпятник образован корпусом 1, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом 2 по периметру корпуса 1. На дне цилиндрической выемки закреплена упругая прокладка 3 в виде пластины, которая деформирована с образованием кольцевых гофров 4 из стали с заданными упругими свойствами, например, 36НХТЮ8М, заполненными привулканизированным слоем резины или полиуретана. На упругую прокладку 3 оперты сектора газостатического подшипника, образующих, соответственно, кольцо упругой прокладки 3 и кольцо из немагнитного материала, состоящих из металлических немагнитных секторов 5, расположенных равномерно по окружности между радиально ориентированными металлическими немагнитными накладками 6, закрепленными на корпусе 1 подпятника. При этом сторона секторов 5 газостатических подшипников, обращенная к пяте 7 снабжена выемкой с плоским дном, образованной буртиками 8 по периметру сектора газостатического подшипника. В выемке каждого сектора 5 подшипника равномерно распределены по радиусу и зафиксированы (например, клеем), несколько секторных постоянных магнитов 9 выполненных, например, из сплава неодим-железо-бор, намагниченных в осевом направлении, и контактирующие с ними секторные постоянные магниты 10, 11, намагниченные в радиальном направлении (по радиусу). Внешняя поверхность секторных постоянных магнитов 9, 10, 11 составляют одну плоскость, обращенную к пяте 7, с образованием с нею рабочего зазора 12. Пята 7 выполнена полой из немагнитного электропроводного материала и снабжена внутренним силовым каркасом 13.

В объеме каждого сектора 5 подшипника выполнена система сообщающихся радиальных отверстий 14 и тангенциальных 15 каналов с возможностью подачи в них сжатого воздуха от внешнего источника (на чертеже не показан) через штуцеры 16 с надетыми на них уплотнительными кольцами 17, 18. Штуцеры 16 могут свободно перемещаться в осевых отверстиях 19 корпуса 1 в пределах деформации гофры 4. Диаметр радиальных отверстий 14 сектора 5 должен быть как можно меньше, но площадь их проходного сечения должна превышать суммарную площадь отверстий 20 сектора 5 и отверстий 21 вкладыша 6 в три - пять раз, а площадь проходного сечения тангенциального канала 15 сектора 5 должна быть больше или равна суммарной площади проходного сечения радиальных отверстий 14 сектора 5, что позволит уменьшить деформации осевого рабочего зазора 12 от действия высокого давления газа в этих отверстиях.

В радиальных отверстиях 14 секторов 5 подшипника выполнены осевые отверстия 20, сообщающиеся с осевыми отверстиями 21 в секторных постоянных магнитах 9, 10, 11, выходящих в рабочий зазор 12 газостатического подшипника. Тангенциальные каналы 15 закрыты крышками 22, радиальные отверстия 14 снабжены заглушками 23. Газостатический подшипник образован обращенными друг к другу торцевыми поверхностями секторных постоянных магнитов 9, 10, 11 и пяты 7 и зазором 12 между ними. Секторные постоянные магниты 9, 10, 11 и пята 7 образуют упорный магнитный подшипник.

Упорный подшипниковый узел собирают в следующем порядке.

Предварительно изготавливают корпус 1 подпятника с отверстиями 19 и сектора 5 подшипника с радиальными отверстиями 14 и тангенциальными каналами 15. Тангенциальный канал 15 закрывают крышкой 22 и обваривают ее по периметру, а затем зачищают сварные швы. В корпусе 1 подпятника закрепляют (на клей) упругую прокладку 3, необходимой жесткости, которую предварительно штампуют для образования кольцевых гофров 4 и термически обрабатывают, а к гофрам 4, в свою очередь, привулканизируют с двух сторон резину или полиуретан. В сектора 5 подшипника вклеивают секторные постоянные магниты 9, 10, 11. Далее шлифуют наружную поверхность секторных постоянных магнитов 9, 10, 11 и покрывают ее немагнитным антифрикционным материалом, например, ВАП-2. Сверлят осевые питающие отверстия 21 в секторных постоянных магнитах 9, 10, 11, и осевые отверстия 20 в секторах 5 подшипника, прочищают их и устанавливают с торцов радиальных отверстий 14 заглушки 23. На упругую прокладку 3 равномерно по окружности устанавливают (на клей) металлические немагнитные сектора 5 подшипника и между ними устанавливают радиально ориентированные металлические немагнитные накладки 6, которые фиксируют, например, винтами. Собранный подпятник устанавливают в корпусе турбомашины, монтируют ротор и на него устанавливают пяту 7.

Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. Перед началом вращения пяты 7 через отверстия 19 в корпусе 1, штуцеры 16, в секторах 5 подшипника подают под высоким давлением смазывающий (очищенный и охлажденный) газ от внешнего компрессора или из ресивера. Этот газ поступает в тангенциальные каналы 15, распределяется по радиальным отверстиям 14 секторов 5 подшипника, а затем через осевые питающие отверстия 20 в секторах 5 подшипника и осевые отверстия 21 в секторных постоянных магнитах 9, 10, 11 поступает в рабочий зазор 12 подшипникового узла. В результате этого пята 7 всплывает на газовом смазочном слое. При вращении пяты 7 дополнительно возникают электродинамические силы, обусловленные взаимодействием вихревых токов, наведенных в пяте 7 магнитным полем секторных постоянных магнитов 9, 10, 11 с полем этих магнитов. Осевая составляющая электродинамических сил действует отталкивающим образом между пятой 7 и секторными постоянными магнитами 9, 10, 11. Эта сила суммируется с силами газостатического подшипника, действующими на пяту 7. В результате увеличивается осевой рабочий зазор 12 в подшипнике за счет деформации гофры 4, упругой прокладки 3 и при этом значительно снижается трение в подшипнике ввиду увеличения осевого зазора в подшипнике. Гофра 4 и демпфирующая подложка 3 также позволяют компенсировать температурную деформацию пяты 7. Тангенциальная составляющая электродинамической силы оказывает тормозящее воздействие, но она незначительна. С увеличением линейной скорости на поверхности пяты отталкивающая составляющая электродинамической силы увеличивается, а тормозящая - уменьшается. Для увеличения вихревых токов в пяте 7 и, следовательно, электродинамической силы упорного подшипникового узла применяется омеднение поверхности пяты, обращенной к секторным постоянным магнитам 9, 10, 11, а также обработка этой поверхности с высокой чистотой.

При двусторонней симметричной конструкции упорного подшипникового узла электродинамическая и газостатическая составляющие силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению пяты от равновесного положения и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).

Упорный подшипниковый узел, включающий размещенные с зазором, выполненным с возможностью подвода в него сжатого воздуха от внешнего источника, кольцеобразную пяту, подпятник, образованный корпусом, снабженным цилиндрической выемкой с плоским дном, образованной кольцевым выступом по периметру корпуса, при этом на дне цилиндрической выемки размещена упругая прокладка с опертым на нее газостатическим подшипником, выполненным в форме кольца, из немагнитного материала, разделенного на секторы радиально ориентированными накладками, скрепленными с корпусом подпятника, поперечному сечению которых придана Т-образная форма, причем полки накладок выполнены с возможностью зацепления радиальных буртиков, выполненных по периметру секторов подшипника, образующих выемку, отличающийся тем, что в выемке каждого сектора зафиксированы секторные постоянные магниты, намагниченные с возможностью образования схемы Хальбаха, при этом внешняя поверхность секторных магнитов составляет одну плоскость, обращенную к пяте, выполненной из немагнитного материала, с образованием с ней рабочего зазора, кроме того, в объеме секторов подшипника выполнена система сообщающихся каналов с возможностью подачи в нее сжатого воздуха, выходные отверстия которой сообщены с выполненными в секторных магнитах сквозными отверстиями, сообщающимися с рабочим зазором.



 

Похожие патенты:
Наверх