гидродинамический упорный подшипник скольжения для генератора

Формула изобретения

1. Гидродинамический упорный подшипник скольжения для предпочтительно приводимого в действие водяной турбиной генератора (10), содержащего ротор (12), вращающееся вместе с валом ротора (12) установочное упорное кольцо (30) и по меньшей мере один не вращающийся вместе с валом (20) ротора (12), опирающийся на корпус (24) подшипника опорный сегмент (32), причем установочное упорное кольцо (30) состоит, в основном, из пластмассовой матрицы с заделанными в нее армирующими волокнами, отличающийся тем, что установочное упорное кольцо (30) выполнено в виде слоистого пластика и состоит из по меньшей мере четырех слоев армированной волокном пластмассы, причем волокна в каждом слое ориентированы в одном направлении, и угол ориентирования волокон слоев лежит между 0 и 90°

2. Гидродинамический упорный подшипник скольжения по п.1, отличающийся тем, что в пластмассовую матрицу заделаны непрерывные волокна.

3. Гидродинамический упорный подшипник скольжения по п.2, отличающийся тем, что пластмассовая матрица является эпоксидной матрицей.

4. Гидродинамический упорный подшипник скольжения по п.1, отличающийся тем, что армирующие волокна являются углеродными волокнами.

5. Гидродинамический упорный подшипник скольжения по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что доля армирующих волокон в матрице составляет 50 - 70% объема.

6. Гидродинамический упорный подшипник скольжения по п.1, отличающийся тем, что слои (40) слоистого пластика имеют последовательность углов [0°/-45°/45°/90°].

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к гидродинамическому упорному подшипнику скольжения для генератора электрического тока, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Уровень техники

В больших генераторах электрического тока ключевое значение имеют подшипники. Если подшипник выходит из строя, то останавливается производство электрического тока, основанное на этом генераторе. Наряду с радиальными подшипниками для вала большую нагрузку должны выдерживать упорные подшипники, прежде всего при вертикально работающих генераторах, которые используются, например, для получения электроэнергии с помощью водяных турбин. Очень элегантной, но дорогой возможностью является выполнение упорного подшипника в виде магнитного подшипника. Другая возможность состоит в выполнении в виде подшипника качения. Однако эти подшипники являются на основании их большого размера и связанной с этим относительно большой неточностью формирования отдельных частей непригодными для диаметра в несколько метров.

Обычной формой выполнения являются упорные подшипники скольжения, в которых укрепленное на валу ротора установочное упорное кольцо вращается вместе с ротором. На это установочное упорное кольцо опирается ротор в осевом направлении относительно корпуса подшипника. Установочное упорное кольцо скользит по пленке смазочного материала над расположенными в корпусе подшипника опорными сегментами.

Согласно ЕР 1058368 А2, для опоры вала используют гидродинамические подшипники скольжения, которые выполнены в виде осевых радиальных подшипников, соответственно, комбинированных радиальных и центрирующих подшипников. Опора обеспечивается несущей гидродинамической пленкой смазочного материала, которая образуется за счет клинообразного профиля в зазоре смазывания. В таких больших генераторах электрического тока используют установочные упорные кольца с диаметрами около 2-6 м. При применяемых высоких скоростях вращения в гидродинамическом упорном подшипнике скольжения возникают соответствующие высокие температуры, которые должно выдерживать установочное упорное кольцо.

Кроме того, гидродинамическое давление в смазочном зазоре может становится настолько высоким, что даже необратимо деформируются пограничные металлические поверхности. Таким образом, установочные упорные кольца для таких гидродинамических упорных подшипников скольжения должны иметь большую жесткость и прочность, а также высокую теплостойкость. Поэтому до настоящего времени их изготавливают из стали. Для того чтобы частичный выход из строя смазки гидродинамического упорного подшипник скольжения не приводил тотчас к аварии подшипника, опорные сегменты покрывают обеспечивающим скольжение материалом, таким как, например, баббит или политетрафторэтилен. Однако на основании больших коэффициентов теплового расширения стали при высоких температурах в подшипнике возникают деформации установочного упорного кольца (изгиб поверхности или образование волнистости), которые создают тем большие проблемы, чем больше диаметр установочного упорного кольца. В таких установочных упорных кольцах вследствие непредсказуемых деформаций могут возникать сильные последствия износа или даже повреждения в гидродинамическом упорном подшипнике. Затраты на обслуживание и время остановок для замены отдельных составляющих частей подшипника соответственно увеличиваются и снижают экономичность генератора. Кроме того, вес стальных установочных упорных колец в больших генераторах, применяемых для производства электроэнергии, часто представляет проблему уже при транспортировке и монтаже на месте.

Сущность изобретения

Поэтому задачей изобретения является создание гидродинамического упорного подшипника скольжения указанного в начале типа, срок службы и несущая способность которого выше, а монтаж которого проще, так что генератор при монтаже и в работе является экономичным.

Эта задача решается в гидродинамическом упорном подшипнике скольжения, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, тем, что установочное упорное кольцо состоит по существу из пластмассовой матрицы с заделанными в нее армирующими волокнами. Поэтому такой упорный подшипник скольжения имеет более длительный срок службы, поскольку армированная волокном пластмасса имеет меньший коэффициент расширения, чем сталь, и поэтому установочное упорное кольцо почти не деформируется. Тем самым предотвращаются повреждения за счет больших деформаций стальных установочных упорных колец. Поскольку дополнительно к этому установочные упорные кольца из армированной волокном пластмассы имеют намного меньший вес, чем кольца из стали, то можно намного проще и дешевле осуществлять как транспортировку, так и монтаж. Кроме того, можно осуществлять такие подшипники с большими размерами, чем это возможно для стальных установочных упорных колец.

Весьма целесообразно применять армированную волокном пластмассу с непрерывными волокнами, поскольку тем самым обеспечивается как более благоприятные величины жесткости, так и меньший коэффициент расширения. Если установочное упорное кольцо выполняется в виде слоистого пластика из по меньшей мере четырех слоев армированной волокном пластмассы с ориентированными в одном направлении волокнами и углы ориентации волокон в слоях находятся между 0 и 90°, то можно дополнительно уменьшить тепловое расширение установочного упорного кольца.

Если в качестве пластмассовой матрицы выбирается эпоксидная матрица, то обеспечивается отличная теплостойкость.

Очень предпочтительно, когда в качестве армирующих волокон используются углеродные волокна, поскольку они имеют отрицательные коэффициенты теплового расширения. Если углеродные волокна укладываются в матрицу из эпоксидной смолы слоями, то можно получать материал почти без теплового расширения и с увеличенной удельной жесткостью.

В зависимости от требований к соответствующему гидродинамическому упорному подшипнику скольжения, доля волокна в установочном упорном кольце предпочтительно составляет от 50% объема до 70% объема, поскольку прочность и жесткость установочного упорного кольца увеличивается с увеличением доли волокна.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится подробное описание предмета изобретения на основе предпочтительных вариантов выполнения, которые показаны на прилагаемых чертежах, на которых схематично изображено:

фиг.1 - разрез гидродинамического упорного подшипника скольжения с установочным упорным кольцом из многослойного материала, согласно изобретению;

фиг.2 - разрез установочного упорного кольца, согласно изобретению;

фиг.3 - пример с восемью следующими друг за другом слоями установочного упорного кольца в разнесенной изометрической проекции.

Используемые в чертежах номера позиций и их значение указаны в списке позиций. Принципиально одинаковые части на фигурах обозначены одинаковыми позициями. Описываемые варианты выполнения представляют в качестве примера предмет изобретения и не имеют ограничительного характера.

Пути реализации изобретения

На фиг.1 показан схематично разрез части вертикально установленного генератора 10, приводимого в действие неизображенной водяной турбиной. Показан ротор 12 генератора 10 с полюсами 14 генератора на кромке обода 16 ротора. Обод 16 ротора через ступицу 18 ротора соединен с роторным валом. Роторный вал может быть выполнен как целая часть, или же, как показано на фигуре, может состоять из верхней части 20 вала и нижней части 22 вала. Ступица 18 ротора одновременно соединяет верхнюю часть 20 вала генератора 10 с нижней частью 22 вала, которая ведет к неизображенной турбине. Нижняя часть 22 вала турбины опирается в осевом направлении на корпус 24 подшипника. Между корпусом 24 подшипника и ротором 12 расположен гидродинамический упорный подшипник 26 скольжения. Гидродинамический упорный подшипник 26 скольжения состоит из вращающегося установочного упорного кольца 30 из армированной волокном пластмассовой матрицы и из неподвижных опорных сегментов 32. Опорные сегменты 32 выполнены так, что во время работы между установочным упорным кольцом 30 и опорными сегментами 32 может образовываться клинообразная смазывающая пленка. Эти опорные сегменты 32 являются как правило отдельными телами, которые могут свободно поворачиваться вокруг опирающейся на стенку 36 корпуса 24 подшипника точки 34 опрокидывания, что обозначено на фиг.1 с помощью соответствующей двойной стрелки. Таким образом, может оптимально устанавливаться смазочный зазор. Гидродинамический упорный подшипник 26 скольжения работает с помощью смазочного материала 28, в большинстве случаев машинного масла. Уровень масла превышает высоту смазочного зазора между установочным упорным кольцом 30 и опорным сегментом 32. Возможно также отдельное снабжение маслом отдельных опорных сегментов 32.

На фиг.2 показан предпочтительный вариант выполнения установочного упорного кольца 30 из армированной волокном пластмассы в разрезе по оси 38 вращения. Установочное упорное кольцо 30 выполнено в виде слоистого материала из нескольких слоев 40 армированной волокном пластмассы, при этом волокна являются непрерывными углеродными волокнами с ориентацией в одном направлении в каждом слое 40. Волокна заделаны в эпоксидную матрицу. Угол ориентации углеродных волокон изменяется от одного слоя 40 к другому слою 40. При этом для получения необходимой толщины установочного упорного кольца 30 предпочтительно несколько раз повторяется последовательность углов [[0°/-45°/45°/90°]_{симметрично} ]_n (индекс n).

На фиг.3 показана последовательность из восьми слоев 40 с указанной последовательностью углов в разнесенной изометрической проекции. При таком симметричном расположении слоев можно противодействовать деформации установочного упорного кольца. При этом, естественно, можно варьировать показанный угол ориентирования волокон. Установочное упорное кольцо можно просто и экономично изготавливать, например, с помощью способа автоклавирования из предварительно изготовленных препрегов. Необходимое для прохода вала 20/22 через установочное упорное кольцо 30 отверстие 42 в середине установочного упорного кольца можно легко создавать посредством сверления или токарной обработки. Кроме того, при необходимости в поверхности опорной шайбы 30 могут быть выполнены необходимые структуры для лучшего распределения смазочного материала с помощью фрезерования поверхности.

В зависимости от требований к гидродинамическому упорному подшипнику скольжения можно применять волокна, такие как углеродные волокна, стекловолокно, а также полиамидные волокна. Вместо эпоксидной матрицы можно выбирать также другие теплоустойчивые пластмассы, такие как полиаминоимид Rhodeftal (фирмы Vantico). Там, где это необходимо, можно дополнительно наносить на установочное упорное кольцо еще одно покрытие, которое для лучшего сцепления предпочтительно также должно быть пластмассовым покрытием.

Естественно, можно изготавливать из армированной волокном пластмассы не только установочное упорное кольцо, но также и вал. За счет этого можно дополнительно снизить вес.

Другое преимущество всей конструкции генератора обеспечивается тогда, когда гидродинамический упорный подшипник скольжения комбинируется с радиальным центрирующим подшипником. В этом случае меньшая деформация установочного упорного кольца улучшает рабочее состояние радиальной опоры.