лепестковый газодинамический подшипник

Формула изобретения

1. Лепестковый газодинамический подшипник, включающий корпус подшипника с цапфой, расположенный в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и цапфой верхний лепесток, представляющий собой податливую ленту, простирающийся в окружном направлении вокруг цапфы и прилегающий своей внутренней поверхностью к цапфе, отличающийся тем, что в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и цапфой расположены в окружном направлении прилегающие к внутренней поверхности корпуса подшипника две или более упругодемпферные секции, состоящие из пружинных элементов (например, гофрированных лент), прилегающих наружными сторонами к внутренней поверхности корпуса подшипника, и гладких податливых лепестков, расположенных в кольцевом пространстве между наружной поверхностью верхнего лепестка и внутренними поверхностями пружинных элементов, так что пружинные элементы находятся между внутренней поверхностью корпуса подшипника и лепестками секций, причем хотя бы одна секция содержит два или более лепестков.

2. Лепестковый газодинамический подшипник по п.1, отличающийся тем, что верхний лепесток закреплен на корпусе подшипника по одному краю, расположенному в осевом направлении, при этом направление вращения ротора происходит от свободного края лепестка к закрепленному.

3. Лепестковый газодинамический подшипник по п.2, отличающийся тем, что верхний лепесток имеет гладкую цилиндрическую форму.

4. Лепестковый газодинамический подшипник по п.3, отличающийся тем, что упругодемпферные секции имеют по одному упругому элементу.

5. Лепестковый газодинамический подшипник по п.4, отличающийся тем, что лепестки упругодемпферных секций закреплены по одному краю, расположенному в осевом направлении, на корпусе подшипника.

6. Лепестковый газодинамический подшипник по п.5, отличающийся тем, что хотя бы в одной из упругодемпферных секций любые два смежных лепестка, соприкасающихся друг с другом своей наружной и внутренней поверхностями, закреплены на корпусе подшипника с разных краев пружинного элемента.

Описание изобретения к патенту

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.

Известен лепестковый газодинамический подшипник (патент США №4415280, кл. 384/103, 1983), включающий корпус подшипника, расположенную внутри корпуса подшипника цапфу вала, расположенный в зазоре между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса подшипника и цапфой податливый гладкий верхний лепесток, прикрепленный одним концом к корпусу подшипника и простирающийся в окружном направлении вокруг цапфы ротора. Между внутренней поверхностью корпуса подшипника и верхним лепестком также расположен имеющий форму гофрированной ленты пружинный элемент. Между наружной поверхностью верхнего лепестка и внутренней поверхностью пружинного элемента расположен податливый гладкий подкладной лепесток, закрепленный по одному краю, расположенному в осевом направлении, и простирающийся от закрепленного края вокруг цапфы на угол несколько меньше 360 градусов так, что направления вращения от закрепленного края к свободному краю для верхнего лепестка и среднего лепестка противоположны.

При радиальных колебаниях в подшипнике возникает фрикционное демпфирование колебаний из-за скольжения друг по другу контактирующих поверхностей - лепестков, гофрированной ленты и корпуса подшипника.

Помимо фрикционного демпфирования в местах контактов гофрированной ленты с корпусом подшипника и с прилегающим к ней подкладным лепестком возникает также фрикционное демпфирование в местах контактов между верхним и подкладным лепестками. Вызывающие это демпфирование силы трения между верхним и подкладным лепестком передаются по этим лепесткам к местам их закрепления в корпусе подшипника.

При небольших частотах вращения давление смазочного слоя между верхним лепестком и цапфой в зонах возле закрепления лепестков небольшое из-за достаточно большой толщины смазочного слоя. По этой причине смещение цапфы в направлении от места крепления лепестков вначале не вызывает взаимного проскальзывания лепестков и демпфирования, поскольку лепестки в зонах большой толщины смазочного слоя вначале начинают двигаться к валу. Только когда верхний лепесток почти полностью прижимается к валу, дальнейшее движение цапфы в том же направлении вызывает проскальзывание лепестков и демпфирование.

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 колебания ротора в подшипниках, связанные с относительно небольшой жесткостью радиальных подшипников. Низкая величина демпфирования при прохождении ротором резонансных частот вызывает увеличение амплитуды радиальных колебаний ротора и приводит к необходимости увеличения радиальных зазоров в проточных частях центробежного компрессора или турбины, что снижает эффективность турбомашины.

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, расположенный в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и цапфой верхний лепесток, представляющий собой податливую ленту, простирающийся в окружном направлении вокруг цапфы и прилегающий своей внутренней поверхностью к цапфе, и расположенные в окружном направлении, в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и цапфой, прилегающие к внутренней поверхности корпуса подшипника две или более упругодемпферные 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, так что пружинный элемент находится между внутренней поверхностью корпуса подшипника и лепестками секции, закрепленными одним краем, расположенным в осевом направлении, на корпусе подшипника, причем хотя бы в одной из упругодемпферных секций любые два смежных лепестка, соприкасающихся друг с другом своей наружной и внутренней поверхностью, закреплены на корпусе подшипника с разных краев пружинного элемента.

На чертеже представлен поперечный разрез предлагаемого лепесткового газодинамического подшипника.

Подшипниковый узел с лепестковым газодинамическим подшипником 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, расположен верхний лепесток 15, обращенный своей внутренней поверхностью 20 к цапфе 1. Верхний лепесток 15 представляет собой податливую гладкую ленту. Край 17 верхнего лепестка закреплен в осевом направлении на корпусе подшипника, например, при помощи сварки. Верхний лепесток простирается в окружном направлении вокруг цапфы на угол несколько меньше 360 градусов, так что незакрепленный край лепестка образует с закрепленной частью верхнего лепестка небольшой зазор.

Между наружной стороной 22 верхнего лепестка и внутренней поверхностью корпуса подшипника расположены в окружном направлении несколько (две или более) упругодемпферных секций. Показанный на чертеже подшипник имеет пять таких секций. Каждая упругодемпферная секция состоит из пружинного элемента (например, упругой гофрированной ленты) 25 и гладких податливых лепестков 27, 30 и 33. Лепесток 27 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности пружинного элемента. Лепесток 33 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности лепестка 27. Лепесток 30 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности лепестка 33. Количество лепестков в упругодемпферной секции может составлять два или более. Лепестки 27, 30 и 33 закреплены на корпусе подшипника по одному краю, расположенному 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 лепестков. Например, вышележащий лепесток 33 прикреплен своей крепежной частью 37 к корпусу подшипника через крепежную часть 35 нижележащего лепестка 27.

На чертеже 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 элемента.

Лепестковый подшипник работает следующим образом. При вращении вала поверхность цапфы 10 увлекает окружающий воздух из зоны с большой толщиной воздушного зазора между цапфой и верхним лепестком в зону с малой толщиной воздушного зазора. При этом за счет действующих в воздухе сил вязкого трения по мере уменьшения толщины воздушного зазора в нем 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 внутренней поверхностью 20 верхнего лепестка, то есть наличие на всем протяжении между этими поверхностями газового слоя.

На чертеже 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 толщины смазочного слоя, и основная часть избыточного давления смазочного слоя передается на корпус подшипника через нижнюю упругодемпферную секцию: через верхний лепесток, лепестки 22, 30, 27 и пружинный элемент 25.

При возникновении колебаний вала в лепестковом подшипнике происходит фрикционное демпфирование этих колебаний вследствие скольжения друг по другу 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.

Причиной, снижающей в этих условиях фрикционное демпфирование в боковых зонах контакта между верхним лепестком и лепестками боковых упругодемпферных секций со стороны закрепленного края верхнего лепестка, является следующее. При движении цапфы вниз смещается вниз под действием давления смазочного слоя и нижняя часть верхнего лепестка, и сила трения между верхним лепестком 15 и лепестком 22 в нижней части подшипника вызывает натяжение верхнего лепестка приблизительно в зоне, простирающейся от крепежной части 17 до зоны контакта с лепестком 22 нижней секции. Под действием этого натяжения верхний лепесток отходит от боковых упругодемпферных секций и приближается к цапфе, поскольку избыточное давление в этой зоне смазочного слоя мало. При таком движении фрикционного демпфирования не происходит. При движении цапфы вверх верхний лепесток, наоборот, возвращается к боковым упругодемпферным секциям, что также не вызывает фрикционного демпфирования.

При движении цапфы вниз и смещении вниз лепестков нижней упругодемпферной 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), а точки, лежащие на поверхностях лепестков 22 и 27, вместе с этими лепестками смещаются против часовой стрелки. Такое смещение контактирующих лепестков в различных направлениях вызывает возникновение сил трения между лепестками 22 и 30 и между лепестками 30 и 27. Поскольку под верхним лепестком находятся пять (несколько) упругодемпферных секций, их угловая длина выбрана такой, что практически вся нижняя упругодемпферная секция находится в зоне высокого избыточного давления смазочного слоя, и толщина смазочного слоя в этой зоне мала. Поэтому лепестки секции под действием сил трения не могут выпрямляться, 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 упругодемпферных секциях, которые деформируются в результате движений цапфы.

Величина фрикционного демпфирования между лепестками упругодемпферной секции растет с увеличением количества трущихся пар поверхностей лепестков. При наличии в упругодемпферной секции только двух лепестков будет только одна пара трущихся поверхностей. При трех лепестках в секции, имеющихся в подшипнике, показанном на чертеже, количество трущихся пар поверхностей две, и фрикционное демпфирование в этом случае будет больше, чем при двух лепестках в секции.