[1]Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к опорам роторов газотурбинного двигателя (ГТД) авиационного и наземного применения, воспринимающим только радиальную нагрузку. Являясь узлом энергообмена, подшипник опоры ротора ГТД работает в условиях воздействия значительных радиальных нагрузок и переменного количества подаваемого на смазку и охлаждение масла. На практике встречаются плохо прогнозируемые случаи внезапного повреждения используемых в настоящее время в опорах ротора ГТД роликовых подшипников качения. В качестве альтернативы, для использования в данных конструкциях рассматриваются сегментные подшипники скольжения из новых материалов с низким коэффициентом трения. Несмотря на подтвержденную работоспособность, сегментные подшипники имеют ряд недостатков, сдерживающих их активное применение в газотурбинных двигателях. К ним относятся - повышенное тепловыделение при увеличении скорости взаимодействия рабочих поверхностей деталей, склонность к возникновению автоколебаний.
[2]Попытка объединить достоинства подшипников качения и скольжения предпринимается в комбинированных подшипниках, которые одновременно содержат и тела качения, и тела скольжения.
[3]Известен комбинированный межвальный подшипник, содержащий наружное кольцо, внутреннее кольцо, сепаратор, тела качения, тела скольжения в виде кольцевых сегментов (RU 2079015 С1).
[4]Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
[5]Известному устройству присущи следующие недостатки:
[6]- сложность конструкции за счет наличия большого количества сегментов, в том числе наружных и внутренних, а также за счет наличия высоконагруженных осей и находящихся с ними в контакте элементов. Все это вызовет уменьшение грузоподъемности подшипника и, как следствие, ограничит возможности использования подшипников такой схемы в высоконагруженных узлах опор ГТД, а также более интенсивный износ его деталей, что снизит ресурс и надежность;
[7]- все нагрузки, передающиеся от ротора на опоры, проходят через наружные и внутренние сегменты, соединенные имеющей относительно небольшой диаметр горизонтальной осью сепаратора и воспринимающей все передаваемые нагрузки, из-за этого ось и сегменты испытывают большие контактные напряжения на взаимодействующих рабочих поверхностях, что ведет к ускоренному их износу, что снижает срок службы подшипника;
[8]- непосредственное взаимодействие поверхностей тел качения и сегментов из-за наличия трения скольжения оказывает влияние на угол атаки сегментов (в зависимости от направления вращения тел качения и расположения сегментов - увеличивает или уменьшает его), что отрицательно сказывается на формировании несущего масляного клина и снижает его несущие свойства, следствием чего является снижение грузоподъемности, что сужает область применения известного подшипника, в связи с этим нельзя использовать известный подшипник в опорах, на которые оказывается высокая нагрузка;
[9]- существенно меньшая площадь контакта между поверхностью колец и внутренними сегментами по отношению к наружным сегментам, которая обусловлена невозможностью в данной конструкции изменить это соотношение площадей, вызовет разные силы трения на внутренних и наружных сегментах, что приведет к отклонениям в работе кинематической схемы подшипника и, как следствие, к ускоренному износу подшипника, что снижает срок службы подшипника.
[10]Все вышеперечисленные недостатки устраняются предлагаемым изобретением.
[11]Техническими результатами, достигаемыми при использовании заявленного изобретения, являются:
[12]- упрощение конструкции за счет уменьшения общего количества деталей подшипника, а также уменьшение нагруженности (за счет отсутствия высоконагруженных осей и находящихся с ними в контакте элементов), что позволяет значительно повысить надежность и долговечность конструкции;
[13]- отсутствие высоконагруженной цепочки: наружный сегмент - ось - внутренний сегмент и имеющей высокие контактные напряжения в зоне взаимодействия поверхностей деталей между собой позволяет значительно увеличить надежность, ресурс и долговечность;
[14]- применение сепаратора, разделяющего элементы качения и элементы скольжения подшипника и исключающиго возможность непосредственного отрицательного воздействия элементов качения на угол атаки и параметры масляного клина элементов скольжения, позволяет повысить гидродинамическую устойчивость масляного клина, а как следствие, повысить грузоподъемность и ресурс предлагаемого подшипника;
[15]- возможность формирования различных площадей контакта между поверхностями сегментов и беговыми дорожками колец позволяет обеспечить близкие скорости контактирующих поверхностей на их наружных и внутренних поверхностях, что позволяет уменьшить износ, увеличить ресурс.
[16]Указанные технические эффекты достигаются тем, что комбинированный подшипник, содержащий наружное кольцо, внутреннее кольцо, сепаратор, тела качения и тела скольжения в виде кольцевых сегментов, ограниченные от смещения относительно продольной оси комбинированного подшипника, согласно настоящему изобретению тела качения выполнены в виде роликов, сепаратор выполнен в виде цельного кольца с гнездами, при этом ролики и кольцевые сегменты установлены в гнездах сепаратора поочередно.
[17]Сепаратор разделяет элементы качения и элементы скольжения, чем достигается их полная кинематическая независимость. Отсутствие взаимовлияния позволяет избежать дополнительных возмущающих сил участвующих в процессе появления колебаний и автоколебаний различных видов, чем достигается стабильность работы и увеличение ресурса.
[18]Кольцевые сегменты самоустанавливаются в гнездах сепаратора, что позволяет им занимать пространственное положение, способствующее формированию индивидуальных параметров масляного клина. Это позволяет несколько компенсировать угловые отклонения осей ротора и статора, всегда присутствующих в имеющих малую конструкционную жесткость современных ГТД. При этом уменьшается износ из-за неравномерного (частичного) нагружения линии контакта для роликов, путем перехода к плоскости контакта сегментов.
[19]Поочередная установка тел качения и тел скольжения позволяет осуществлять переход с режимов качения при пуске и останове двигателя, когда основную нагрузку берут на себя тела качения, а сегменты, находясь на небольших углах атаки, не участвуют в работе, на режим скольжения на рабочих оборотах, когда сегменты увеличивают угол атаки и равномерно выбирают весь зазор по диаметру и воспринимают всю передаваемую нагрузку от ротора на опоры, а тела качения всплывают на масляном клине и выходят из работы. При уменьшении частоты вращения ротора процесс повторяется наоборот. Включение в работу сегментов позволяет уменьшить негативное влияние вибраций ротора на износ деталей подшипника, так площадь контакта сегментов значительно больше, чем роликов и удельное давление на поверхности будет меньше. Это позволяет избежать появление наиболее характерного повреждения для подшипников опор ГТД, работающих в больших диапазонах динамических нагрузок - осповидного выкрашивания (питттинга), являющего следствием значительного превышения контактных напряжений контактирующих поверхностей деталей подшипника.
[20]Каждый из сегментов выполнен монолитным (состоящим из одной детали). Это позволяет увеличить его жесткость и соответственно максимальное значение передаваемых нагрузок.
[21]На фигуре 1 представлен комбинированный подшипник, поперечный разрез.
[22]На фигуре 2 представлен вид А-А.
[23]На фигуре 3 представлен комбинированный подшипник, общий вид.
[24]Комбинированный подшипник содержит наружное кольцо 1, внутреннее кольцо 2, сепаратор 3, тела качения в виде роликов 4 и тела скольжения в виде кольцевых сегментов 5, ограниченные от смещения относительно продольной оси комбинированного подшипника посредством буртов 6, выполненных на внутренней поверхности наружного кольца 1 или внутреннего кольца 2. Сепаратор 3 выполнен в виде цельного кольца с гнездами, центрированного по наружному кольцу 1 или внутреннему кольцу 2. Ролики 4 и кольцевые сегменты 5 установлены в гнездах сепаратора 3 поочередно и не касаются друг друга.
[25]Площади рабочих поверхностей кольцевых сегментов одинаковы, но при необходимости могут отличаться, что позволяет регулировать скорости перемещения роликов 4 и кольцевых сегментов 5 между наружным и внутренним кольцами 1, 2.
[26]Пример изготовления: - наружное и внутреннее кольца 1, 2 выполнены из карбонитрида титана, кольцевые сегменты 5 из карбида кремния, сепаратор 3 из латуни БРАЖнц, ролики 4 - стальные.
[27]Принцип работы предлагаемого подшипника состоит в следующем.
[28]- Неработающий подшипник опирается на ролики, при этом углы атаки сегментов равны нулю, а между сегментами и кольцами существует зазор, выводящий их из работы.
[29]- В начальный период вращения вала нагрузка все также передается через ролики и начинает формироваться масляный клин, на котором всплывают сегменты, снижая силу трения скольжения. В это время нагруженные ролики перемещают по окружности сепаратор и неработающие сегменты.
[30]- На установившихся рабочих оборотах, сформировавшиеся масляные клинья с двух сторон сегментов, позволяют им взять всю нагрузку на себя, выбрав весь рабочий зазор подшипника, а ролики при этом, выходят из работы и всплыв на масляном клине перемещаются по окружности беговых дорожек сепаратором.
[31]- При снижении частоты вращения и останове двигателя все происходит в обратной последовательности.
[32]Расположение сегментов между рабочими поверхностями наружного и внутреннего колец подшипника обеспечивает снижение скорости перемещения взаимодействующих рабочих поверхностей сегментов и колец. Одной поверхностью сегменты контактируют с рабочей поверхностью внешнего кольца, а противоположной стороной с рабочей поверхностью внутреннего кольца. Таким образом, относительная скорость скольжения внешней поверхности сегмента и наружного кольца, а также внутренней поверхности сегмента и рабочей поверхности внутреннего кольца почти в два раза ниже, чем скорости в подшипнике скольжения, рассматриваемом как прототип. Это происходит потому, что сегменты также перемещаются со скоростью сепаратора, которая значительно ниже частоты вращения ротора.
[33]Сохранение расчетного положения каждого сегмента обеспечивается центрирующимся по наружному или внутреннему кольцу сепаратором, имеющим прямоугольные окна, в каждое из которых установлен сегмент. Сепаратор ограничивает перемещение каждого из сегментов по углу рыскания по курсу движения сегмента, а выполненные на одном из колец направляющие буртики обеспечивают отсутствие осевого перемещения сегментов, которые удерживают связанный с ним сепаратор.
[34]Наличие большого количества сегментов определяет такое же количество масляных клиньев, что способствует снижению вероятности возникновения автоколебаний подшипника на масляном клине.
[35]Конструкция компактна и легко адаптируется в опоры, ранее спроектированные для использования в их конструкции подшипников скольжения. В качестве модельного подшипника для проведения исследований работоспособности подшипников данной конструкции использовался подшипник стандартной схемы, в котором в гнезда сепаратора вместо роликов установлены сегменты.
[36]В данной схеме реализуются все преимущества подшипников скольжения и в первую очередь большая устойчивость к воздействию вибрации роторных систем, и в тоже время снижается рабочая скорость взаимодействующих рабочих поверхностей подшипника, обеспечивается стабилизация положения сегментов в подшипнике и снижение вероятности возникновения автоколебаний на масляном клине при сохранении массовых габаритных параметров конструкции.
[37]В тоже время на режимах пуска и останова, когда масляный клин существенно снижает несущую способность - в работу вступают тела качения. На рабочих режимах - основная нагрузка приходится на сегменты, а тела качения за счет действия гидродинамических сил всплывают на масляном слое над беговыми дорожками наружного и внутреннего колец.
[38]Массивный сепаратор механически полностью развязан с телами качения и сегментами. Поэтому они имеют возможность незначительных перемещений в пределах зазоров в гнездах сепаратора. Это позволяет выполнить самоустановку тел качения и сегментов и компенсировать незначительные отклонения соосности осей наружного и внутреннего колец, вызванной несоосностью элементов опоры.
