лепестковый 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 лепестковый газодинамический подшипник (патент сша JNs 4415280, кл. 384/103, 1983), включающий корпус подшипника, расположенную внутри корпуса подшипника цапфу вала, расположенный в зазоре между внутренней цилинд- рической 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 верхне- го 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 противопо- ложны.

при радиальных колебаниях в подшипнике возникают 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 проскальзыва- ния 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 низ- ю ких 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 15 частях центробежного компрессора или турбины, что снижает эффективность тур- бомашины.

раскрытие изобретения

целью предлагаемого технического решения является повышение демпфирующей способности подшипника при небольших частотах вращения ротора.

20 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

25 окружном направлении, в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и цапфой, прилегающие к внутренней поверхности корпуса подшипника 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, расположен-

30 ных с внутренней стороны пружинного элемента, так что пружинный элемент находится между внутренней поверхностью корпуса подшипника и лепестками секции,

закрепленных одним краем, расположенном в осевом направлении, на корпусе подшипника, причем 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 эле- мента.

краткое описание чертежей

на фиг. 1. представлен поперечный разрез предлагаемого лепесткового газодинамического подшипника.

варианты осуществления изобретения 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 лепестка небольшой зазор. между наружной стороной 22 верхнего лепестка и внутренней поверхностью корпуса подшипника расположены в окружном направлении несколько (две или более) упруго-демпферных секции. показанный на фиг. 1 подшипник имеет пять таких секций. 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 поверхностью к внутренней поверхности пружинного элемента. лепесток 30 прилегает своей наружной поверхностью к внутренней поверхности лепестка 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 закрепле- ны на корпусе подшипника по одному краю, расположенному в направлении вдоль оси подшипника, рядом с пружинным элементом секции. одним из возможных спо-

собов 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, вышеле- жащий 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 лепест- ков 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 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 толщины смазочного слоя, и основная часть избыточного давления смазочного слоя передается на корпус подшипника через верхний лепесток 15 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 деталей подшипника: лепестков, пружинных элементов и корпуса и диссипация энергии колебаний вала.

- - -г -г v

5

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 упруго- демпферных секций со стороны закрепленного края верхнего лепестка, является следующее. при движении цапфы вниз смещается также вниз под действием давления смазочного слоя нижняя часть верхнего лепестка, и сила трения между верхним лепестком 15 и лепестком 33 в нижней части подшипника вызывает натяжение верх- него лепестка приблизительно в зоне, простирающейся от его крепежной части 17 до зоны контакта с лепестком 33 нижней секции. под действием этого натяжения верхний лепесток отходит от боковых упруго-демпферных 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 упру го- демпферным секциям, что также не вызывает фрикционного демпфирования.

при движении цапфы вниз и смещении вниз 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), а 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 верхним лепестком находятся пять (несколько) упруго демпферных секций, их угловая длина такова, что практически вся нижняя упруго-демпферная 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 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.