2. Классификация подшипников [2, с. 243-248]

В турбомашинах с дли­тельным ресурсом применяются преимущественно опорные и упорные подшипники скольжения.

Опорные подшипники фиксируют положение ротора относительно статора, воспринимают статическую нагрузку от веса ротора и паровые (аэродинамические) усилия, действующие на ротор в ступенях с парци­альным подводом пара.

При поперечных колебаниях ротора на подшипники действуют дополнительные переменные усилия.

Паровые статические усилия состоят из двух составляющих: неурав­новешенных сил в парциальных ступенях и поперечных сил, возникаю­щих в надбандажных уплотнениях вала при статическом смещении вала или колеса по отношению к центру расточки уплотнения. Усилия в пар­циальной ступени при сопловом регулировании зависят по величине и направлению от последовательности открытия клапанов и режима работы (мощности) турбины. Усилия в уплотнениях пропорциальны смещению центра вала по отношению к центру расточки уплотнения. При центральном расположении вала (колеса) эти усилия равны нулю.

Основная составляющая нагрузки подшипника определяется, как правило, весом ротора, приходящимся на подшипник. Для многоопор­ных роторов на многих подшипниках реакции в опорах являются стати­чески неопределимыми величинами и их значения в процессе эксплуа­тации меняются вследствие взаимных смещений стульев подшипников, вызываемых тепловыми удлинениями элементов корпуса и фундамента машины. При монтаже машины стремятся обеспечить такие условия работы, при которых каждый подшипник воспринимает усилие лишь от веса ротора, отсоединенного от других роторов, т.е. при опоре каж­дого ротора на собственные два подшипника.

Упорные подшипники воспринимают статические обусловленные давлением рабочей среды осевые усилия, приходящиеся на диски, рабо­чие венцы и уступы ротора. Расчет осевых усилий рассматривается в курсе паровых и газовых турбин.

Подшипники скольжения подразделяются на: подшипники с непод­вижными опорными поверхностями; подшипники с подвижными поверхностями.

В пределах каждого класса имеются многочисленные конструктив­ные исполнения, отличающиеся формой расточки вкладыша, местом подвода смазки и т.д.

На рис. 2.1 представлены наиболее распространенные схемы опор­ных подшипников.

«Половинный» подшипник (рис. 2.1, а) имеет нижний вкладыш, рас­точенный по цилиндрической поверхности радиуса R. Масло поступает в зазор между нижними вкладышем 1 и шипом 3. Зазор между валом (шипом) 3 и верхним вкладышем 2 настолько велик, что избыточное давление масла в верхней части зазора между шипом и верхним вклады­шем равно нулю,

поэтому верхний вкладыш на работу подшипника не оказывает

влияния. Масло, протекающее в верхнем зазоре, служит лишь для охлаждения вкладыша и шейки (в первую очередь вкладыша). Опорная поверхность вкладышей залита баббитом для предупреждения повреждения шейки при задевании вала о поверхность вкладыша и появления сухого трения.

Эллиптический подшипник (рис. 2.1, б) имеет форму расточки, близкую к эллиптической. Коэффициент формы эллиптического под­шипника

(2.1)

где 2∆_В — удвоенный вертикальный зазор; 2∆_Г — удвоенный горизон­тальный зазор между шипом и вкладышем подшипника.

Обычно принимают т = 0,5—0,8.

Форма расточки определяется обработкой внутренней поверхности вкладышей на расточном станке при установке в горизонтальном разъ­еме (между верхним и нижним вкладышами) прокладок, толщина кото­рых

h = 2(∆_Г - ∆_в) = 2∆_гm.

После расточки вкладышей прокладки удаляют и получающаяся при этом форма расточки, называемая «лимонной» расточкой, соответствует зазорам 2∆_В и 2∆_Г.

Подвод масла в эллиптических подшипниках осуществляется обычно в двух точках по окружности. Нижний и верхний зазоры имеют индивидуальную подачу масла. В отличие от половинного подшипника в верхнем зазоре имеется избыточное давление масла.

В эллиптических подшипниках применяются различно расположен­ные канавки во вкладышах (рис. 2.1, г—е). Их применение и местопо­ложение влияет на статические и динамические характеристики подшип­ников. Эллиптические подшипники способствуют повышению динамической устойчивости ротора вследствие увеличенной анизотро­пии — значительной разницы динамической податливости масляной пленки в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Сегментный подшипник (рис. 2.1, в) имеет опорные поверхности, выполненные в форме колодок (сегментов) 4, шарнирно опирающихся на корпус 5. Подвод масла для каждой колодки может быть индиви­дуальный.

Сегментные подшипники имеют цилиндрическую или «лимонную» расточку. В последнем случае форма расточки характеризуется коэффи­циентом m, который определяется по формуле (2.1). Сегментные под­шипники также способствуют повышению динамической устойчивости ротора: они не создают так называемых позиционных неконсерватив­ных сил (реакций), способствующих возникновению автоколебаний ротора. Кроме того, сегментные подшипники с индивидуальной пода­чей масла в колодки имеет меньшие потери на трение.

Опорный подшипник показан на рис. 2.2. Вкладыш 1 опорного под­шипника состоит из нижней и верхней половин, стягиваемых болтами 3. Внутренняя поверхность вкладыша имеет баббитовую заливку (баббито­вый слой). Наружная поверхность вкладыша обработана по сфере для возможности поворота вкладыша при его монтажа. Вкладыш устанавли­вают на нижнее полукольцо 4, к которому его притягивают крышкой 2, прикрепленной при помощи шпилек к корпусу подшипника. В верхней половине вкладыша предусмотрена канавка для подачи масла, в нижней половине — подвод масла высокого давления для гидростатического подъема ротора и обеспечения жидкостного трения при трогании и про­кручивании ротора валоповоротом. Гидростатический подъем ротора обеспечивает сохранность баббитового слоя при толчке ротора и малых частотах вращения (при отсутствии гидростатического подъема воз­можно полусухое трение шейки во вкладыше и износ баббитового слоя).

Масло на смазку поступает от масляного насоса через одну из опор­ных колодок 5. Часть масла попадает на смазку нижней половины вкла­дыша у разъема справа, другая — на смазку верхней половины вкладыша.

Рис. 2.2. Опорный подшипник

Сегментный подшипник с индивидуальным подводом масла к каж­дой колодке изображен на рис. 2.3. Нижние рабочие сегменты 1 выпол­нены составными с внутренними каналами для охлаждения колодок маслом, верхние (установочные) сегменты 6 — цельными. Сегменты расположены в установочном полукольце 3 и крышке 5, Сегменты кре­пятся установочными штифтами 4 и специальными зацепами. Установочное полукольцо 3 через колодки 2 опирается на расточку корпуса подшипника и притягивается к к орпусу верхней крышкой 5 при помощи шпилек.

Рис. 2.3. Сегментный опорный подшипник

У порный подшипник скольжения сегментного типа с самоустанавли­вающимися несущими колодками обычно применяют в комбинации с опорным подшипником. На рис. 2.4, а представлена конструкция упорно-опорного подшипника, имеющего два ряда сегментов (самоуста­навливающихся колодок, рис. 2.4, б). Такой подшипник воспринимает осевую нагрузку в обоих направлениях. Упорные колодки 2 подшипника при помощи установочных штифтов свободно подвешены к обойме 3, которая опирается на полукольца 4, установленные на вкладыше 7. На валу турбины выполнены упорные гребни 5. При вращении между торцовой поверхностью гребня и поверхностями колодок образуется масляный клин, давление в котором и определяет несущую способность упорного подшипника.

Магнитные подшипники.[22] Принцип работы магнитного подшипника (подвеса) основан на использовании левитации, создаваемой электрическими и магнитными полями. Магнитные подшипники позволяют без физического контакта осуществлять подвес вращающегося вала и его относительное вращение без трения и износа.  

Н аибольшую популярность в настоящее время получили активные магнитные подшипники. Активный магнитный подшипник (АМП) - это управляемое мехатронное устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов, ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков перемещений ротора. Полный неконтактный подвес ротора может быть осуществлен с помощью либо двух радиальных и одного осевого АМП, либо двух конических АМП. Поэтому система магнитного подвеса ротора включает в себя как сами подшипники, встроенные в корпус машины, так и электронный блок управления, соединенный проводами с обмотками электромагнитов и датчиками. В системе управления может использоваться как аналоговая, так и более современная цифровая обработка сигналов.

Основными преимуществами АМП являются:

• относительно высокая грузоподъемность;

• высокая механическая прочность;

• возможность осуществления устойчивой неконтактной подвески тела;

• возможность изменения жесткости и демпфирования в широких пределах;

• возможность использования при высоких скоростях вращения, в вакууме, высоких и низких температурах, стерильных технологиях...

В настоящие время для АМП идет создание международного стандарта, для чего был создан специальный комитет ISO TC108/SC2/WG7.

 

АМП могут эффективно применяться в следующем оборудовании:

• турбокомпрессоры и турбовентиляторы;

• турбомолекулярные насосы;

• электрошпиндели (фрезерные, сверлильные, шлифовальные);

• турбодетандеры;

• газовые турбины и турбоэлектрические агрегаты;

• инерционные накопители энергии.

Однако АМП требуют сложную и дорогостоящую аппаратуру управления, внешнего источника электроэнергии, что снижает эффективность и надежность всей системы.Поэтому идут активные работы по созданию пассивных магнитных подшипников (ПМП), которые не требуют сложных систем регулирования: например, на основе высокоэнергетических постоянных магнитов NdFeB (неодим-жедезо-бор) [5].