ПОДШИПНИКИ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Динамические характеристики роторных систем в современных быстроходных компрессорах, газовых и паровых турбинах, зубчатых передачах и других агрегатах привели к тому, что задача проектирования подшипников турбомашин превратилась в одну из самых сложных и трудных. Возросшие скорости, использование гибких валов, консольные и аэродинамические нагрузки, автоколебания, вызываемые циркуляционными силами в лабиринтных уплотнениях и масляном слое подшипников скольжения – эти и другие факторы усложнили задачу регулирования характеристик системы ротор – подшипник. Чтобы свести к минимуму неустойчивость и виброактивность этой системы, разработаны различные конструкции опорных подшипников. В данной работе предлагается краткий обзор применяемых в настоящее время в динамическом оборудовании типов и конструкций опорных подшипников, анализ их преимуществ и недостатков.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ

Подшипники скольжения (рис. 1) традиционно применяются в высокоскоростных турбокомпрессорных агрегатах, особенно когда требуется большая несущая способность. Одной из основных проблем этих подшипников является неустойчивость, причина которой - смазывающая жидкость. Явление масляной вибрации в подшипниках известно как минимум в течение последних 80 лет, и заключается в том, что подшипники скольжения, несущие быстровращающийся хорошо сбалансированный ротор, работающие в режиме жидкостной смазки, могут служить источником интенсивных колебаний ротора, вызванных анизотропией поля давления смазочного слоя.

Следует отметить, что нестабильность продолжает оставаться значительной проблемой как для конструирования, так и для эксплуатации. Поэтому традиционный цилиндрический подшипник редко работоспособен в высокоскоростных машинах. Чтобы поддержать температуру подшипника достаточно низкой, должны применяться большие зазоры, а это входит в противоречие с требованием по поддержанию приемлемого уровня вибраций ротора. Поскольку неустойчивость вызывается циркуляционными неконсервативными силами (сила, которая пропорциональна по величине и перпендикулярна по направлению вектору смещения центра вала), для предотвращения неустойчивости применяли частичную смазку и очень низкие давления смазывающей среды, чтобы предотвратить увлечение смазки вращающимся валом и ограничить окружные течения. Вследствие того, что эти методы не всегда работали, были разработаны другие подходы.

Для повышения виброустойчивости и улучшения центровки цапфы при расточке вкладышам подшипников скольжения придают такую форму, чтобы образовывалось несколько активных зон масляной пленки, каждая из которых тщательно размерена и рассчитана на допустимую локальную температуру, при этом обеспечивается достаточное демпфирование для снижения вибраций ротора. Существует два основных способа, обеспечивающих это:

• изготовление не круглого (клинового) профиля расточки подшипника;

• применение индивидуальных качающихся подушек, способных самоустанавливаться относительно положения вала.

Многоцентровые и многоклиновые подшипники – 5 наиболее распространенных профилей рассмотрены в работе [1] и приведены в табл. 1. Не существует единственного наилучшего профиля для всех случаев, и необходимо решать, какое качество (например, высокая жесткость или несущая способность) важнее в каждом случае.

Эти решения помогали, хотя и не решали проблему полностью. Более того, использование механических преград, разрывающих течение смазывающей среды, вело к значительному сопротивлению среды, и к последующим механическим потерям (на трение) в машине.

Сегодня проблема неустойчивости в машинах все также далека от решения. Напротив, службы диагностики называют неустойчивость и значительные коэффициенты усиления наиболее часто встречающимися проблемами динамики ротора, с которыми они сталкиваются.

Наиболее успешные результаты в решении этой проблемы позволили получить подшипники с самоустанавливающимися вкладышами. (Рис. 2) В этом специальном типе клиновых подшипников профили способны непрерывно устанавливать угол своего наклона в соответствии с рабочими условиями. Типичный подшипник состоит из 5 вкладышей (подушек) с центральной точкой опоры. Расход масла регулируется в таком подшипнике подающими и уплотняющими устройствами корпуса. Наличие регулирования расхода независимо от рабочего слоя смазки может быть выгодно в ряде случаев, например, при испытании опытных образцов машин.

Широкое распространение опорные подшипники с самоустанавливающимися вкладышами получили в последние 30 – 40 лет, когда эксплуатационные возможности обычных подшипников с неподвижными вкладышами и традиционными расточками были исчерпаны. Преимущественная область их применения в высокоскоростных, легко нагруженных машинах, где трудно достигается устойчивость ротора с другим типом подшипника. К этой категории относятся и вертикальные машины, где нагрузка невелика и неизвестно её направление. Несмотря на сложность конструкции, правильно спроектированные и изготовленные подшипники с самоустанавливающимися вкладышами имеют ряд преимуществ. В отличие от подшипников традиционных конструкций, благодаря способности вкладышей самоустанавливаться, они не только не возбуждают и не поддерживают автоколебания быстровращающихся роторов на смазочной пленке, но и обладают высокими стабилизирующими свойствами, в ряде случаев позволяющими преодолевать неустойчивость, вызываемую внешними циркуляционными силами (например, в лабиринтных уплотнениях). Способность подушек самоустанавливаться позволяет им работать в широком диапазоне изменения рабочих условий (например, величины нагрузки и ее направления, скорости и рабочей температуры).

Однако, наряду с преимуществами, обычные радиальные подшипники с самоустанавливающимися вкладышами и обильной смазкой имеют несколько недостатков, а именно: сравнительно большие потери мощности и большие требуемые расходы смазочного масла, конструктивная сложность и, соответственно, высокая стоимость, истирание опор и недостаточная демпфирующая способность, особенно при низких скоростях.

Тот факт, что подшипники с самоустанавливающимися вкладышами не всегда обладают достаточной демпфирующей способностью, подтверждается тем, что многие компрессорные фирмы применяют такие подшипники с дополнительным демпфером различных конструкций. В частности, фирма MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES использует в своих последних разработках специальное демпферное кольцо, работающее на гидростатическом подвесе (рис. 3) [2].

Кроме того, несмотря на теоретическое отсутствие предпосылок для появления жидкостной неустойчивости в таком типе подшипников, на практике встречаются случаи, подтверждающие ее возможность. Боковые уплотнительные кольца в некоторых подшипниках с самоустанавливающимися вкладышами сами по себе порождают вихреобразования. Так называемый колодочный флаттер также ведет к неустойчивости, порождаемой смазочной жидкостью. Таким образом, радиальные подшипники с самоустанавливающимися вкладышами не могут гарантировать полного устранения неустойчивости, порождаемой смазывающей средой.

Еще одним решением, направленным на повышение демпфирующей способности и виброустойчивости подшипников с самоустанавливающимися вкладышами является предлагаемая ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа" в работе [3] конструкция опорно-упорных подшипников с коническими самоустанавливающимися подушками (рис. 4).

Эти подшипники одновременно воспринимают радиальные и осевые нагрузки, в сочетании с нерабочей стороной они обладают улучшенными демпфирующими свойствами и обеспечивают устойчивость вращения роторов. Конструктивно они более просты, чем традиционные опорно-упорные подшипники, имеют меньшие габариты, массу и потери мощности на трение.

Наряду с этим данная конструкция обладает рядом недостатков. Поскольку конические подушки воспринимают одновременно и осевые и радиальные нагрузки, они работают в условиях повышенных удельных нагрузок, что сокращает срок их службы, а радиальная составляющая несущей способности ниже, чем у традиционных подшипников. Кроме того, при увеличении осевой силы, которая, как известно, может изменяться в широких пределах, радиальная несущая способность будет уменьшаться за счет восприятия подшипником большей осевой нагрузки. Данная конструкция не всегда способна решить проблему демпфирования вибраций всего ротора, т.к. относительно улучшенное демпфирование осуществляется в опорно-упорном узле, где установлены конические подушки, а в опорном подшипнике с традиционными вкладышами демпфирование остается на прежнем, не всегда достаточном уровне. К том же, несмотря на относительное уменьшение потерь мощности на трение по сравнению с традиционными подшипниками, наличие масляной ванны не позволяет говорить о существенном их снижении.

ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ

Благодаря усовершенствованию материалов и технологий подшипники качения (рис. 5) остаются актуальными в течение последних 100 лет и занимают свою специфическую нишу. В таких подшипниках применяется смазывание дисперсными частицами (масляным туманом) и понятно, что любой другой способ смазки приведет к преждевременному разрушению узла. Кроме того, подшипники качения имеют ряд собственных ограничений, например:

• долговечность, ограниченная конструкцией;

• очень низкое демпфирование, ведущее к высоким коэффициентам усиления;

• меньшая несущая способность, чем у подшипников скольжения того же размера;

• ограничения по максимальным скоростям вращения.

По существу они не могут заменить другие подшипниковые технологии, в особенности для высокоскоростных турбомашин с большими нагрузками и роторами.

МАГНИТНЫЕ ПОДШИПНИКИ

Магнитные подшипники (рис. 6) привлекли внимание многих инженеров благодаря тому, что они позволяют активно контролировать ротор и исключить смазочную систему из конструкции машины. Тем не менее, эти подшипники обладают значительными недостатками, компенсирующими их преимущества и, следовательно, не способствующими их заметному успеху, такими как следующие:

• Необходимость вспомогательных подшипников. Подшипники качения используются в качестве вспомогательных опор (страховочных подшипников) в случае исчезновения несущего магнитного поля. Потеря управления магнитным подшипником катастрофична и выражается в повреждении как обмоток подшипника, так и внутрикорпусных устройств. Из-за этого применяются «поддерживающие системы», обязательно включающие резервные подшипники. Таким образом, машины оснащаются одновременно магнитными подшипниками и подшипниками качения, которые выполняют защитную функцию в случае отказа магнитных подшипников. Вспомогательные подшипники качения обычно могут выдержать один или два отказа магнитных подшипников, после чего их необходимо менять.

• Внутренняя неустойчивость. Использование сил магнитного притяжения для удерживания ротора заключает в себе внутреннюю неустойчивость, и для её устранения требуется весьма изощренная система управления. Это приводит к очень сложной системе, имеющей слабые механизмы устранения неисправностей и вместо этого вынужденной полагаться на вспомогательные подшипники.

• Температура. Магнитные подшипники испытывают также положительную обратную связь, когда для контроля ротора необходим дополнительный ток, а дополнительная сила тока дополнительно нагревает обмотку подшипника. Чем выше температура обмотки, тем большее сопротивление она имеет, и тем больший ток необходимо подавать в обмотку. Температура продолжает циклично увеличиваться и непосредственно в конструкции подшипника невозможно предусмотреть ничего для избежания этого эффекта или для отвода тепла с обмотки. Поэтому некоторые магнитные подшипники оснащены отдельной системой охлаждения жидкостью.

• Недостаточная жесткость. В магнитном подшипнике необходимы значительные количества электрического тока и несущей поверхности для генерации сильного противодействующего поля. Магнитные подшипники конструируются для достижения как можно лучшего преобразования тока в силу путем увеличения количества материала сердечника подшипника (для увеличения магнитной проницаемости и, как следствие, силы магнитного поля). Однако, этот дополнительный металл увеличивает массу и уменьшает резонансную частоту динамической системы ротора, что в целом нежелательно. Более того, некоторые магнитные подшипники спроектированы так, что допускают явление насыщения. Проще говоря, они работают в области, в которой дополнительный ток (пропорциональный напряженности магнитного поля) не превращается в дополнительную силу (пропорциональную плотности магнитного потока) и подшипник не может поддерживать ротор с необходимой силой.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПОДШИПНИКИ.

Гидростатические подшипники известны с 1865 г. С тех пор они нашли свое применение в различных отраслях техники, особенно в тех случаях, когда необходимо создание высокой несущей способности при малых скоростях относительного перемещения сопряженных поверхностей, в частности, прокатных станах, металлорежущих станках, радиотелескопах и т.п. В последнее время вопрос применения гидростатических подшипников начал приобретать новую актуальность в связи с появлением подшипников ServoFluid разработки фирмы Bently Nevada Corporation [4], которые, несомненно, могут быть отнесены к категории многокамерных полноохватных гидростатических подшипников.

Принцип действия подшипника ServoFluid (рис. 7) основан на подаче смазки в подшипник под высоким давлением и осуществлении за счет этого полноохватной смазки всего подшипника. Главная особенность работы подшипника ServoFluid заключается в том, что эпюра давления в зазоре, определяющая несущую способность подшипника, формируется не в окружном направлении, как у традиционных подшипников скольжения, а в осевом. Такой характер течения смазки в зазоре позволяет избежать вихреобразования, являющегося основной причиной неустойчивости традиционных подшипников скольжения. Сочетание полноохватной смазки подшипника с подачей ее под высоким давлением делает подшипники ServoFluid значительно более стабильными, регулируемыми в широком диапазоне, имеющими более высокую жесткость и демпфирование, способными работать при эксцентриситетах ротора и углах отклонения вала близких к нулю, а также с малыми зазорами в уплотнениях.

Гидростатические подшипники имеют преимущества, которыми не обладают подшипники других типов. Несущая способность высокая при любых скоростях скольжения (в том числе и при нулевой скорости). Обеспечивается возможность "всплытия" ротора в опорах до пуска агрегата, благодаря чему отсутствует механический контакт или граничная смазка при запуске, потери на трение малы. Зачастую долговечность подшипника зависит только от долговечности системы смазки, так как нет контакта между металлическими частями подшипника при любых рабочей скорости и нагрузке. Это особенно актуально для агрегатов, работающих в режимах частых пусков – остановов.

Важным преимуществом подшипника ServoFluid является его способность работать с любыми типами смазки, в том числе, помимо традиционных масел, с водой или другой несжимаемой жидкостью, а также со сжимаемыми средами, такими, как воздух, азот или углекислый газ. Это позволяет подобрать оптимальный тип смазки с обеспечением необходимой несущей способности, исходя из ее совместимости с технологическим процессом и любой опасной или взрывоопасной средой.

Немаловажным достоинством подшипника ServoFluid является также его способность изменять динамические характеристики ротора за счет варьирования жесткости самого подшипника путем изменения давления подачи смазки или ее вязкости без остановки машины.

Однако наряду с несомненными достоинствами подшипника ServoFluid, данный подшипник имеет ряд недостатков, как и другие гидростатические подшипники. Главный из этих недостатков – необходимость применения дополнительной системы смазки высокого давления, что усложняет и удорожает конструкцию агрегата и одновременно снижает ее надежность, т.к. при введении нового элемента повышается вероятность отказа. При этом возрастают эксплуатационные расходы, поскольку при подаче смазки под высоким давлением существенно увеличивается ее расход, что приводит к повышенным энергозатратам на ее прокачку. Для подачи чистой смазки требуемой вязкости следует предусмотреть высококачественную фильтрацию и (если необходимо) охлаждение или подогрев. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо рассчитывать экономическую эффективность применения подшипников ServoFluid.

Другим недостатком данного подшипника является возможность эрозионного износа при высоком давлении подачи смазки и высокой скорости течения смазки в зазоре. Особенно актуально эта проблема может проявиться в высокооборотных машинах, где несмотря на преобладание осевой составляющей скорости потока смазочной среды, окружная составляющая существенно возрастает, и в этом случае суммарная скорость может достичь того значения, при котором начинается эрозия.

Перечисленные выше проблемы и недостатки различных типов подшипников свидетельствуют о том, что ни одна из подшипниковых технологий, разработанных в прошлом, не может претендовать на идеальность. Проблемы традиционных подшипников служат стимулом для поиска лучших технологий.

РАДИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИК С САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИМИСЯ ВКЛАДЫШАМИ НА ГИДРОСТАТИЧЕСКОМ ПОДВЕСЕ

В 1976 г. фирма “Pioneer Motor Bearing Co” разработала и успешно внедрила радиальный подшипник с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатическом подвесе [5].

Указанный подшипник (рис. 8) выполнен в виде ряда подушек, ограниченных только стопорами, предотвращающими вращение подушек вместе с шипом вала. Смазка вкладышей подшипника осуществляется направленной подачей масла из маслосистемы компрессора через канал в корпусе подшипника и распределительные каналы, предусмотренные на входной кромке каждого вкладыша. На спинке каждого вкладыша выполнен карман, соединённый отверстием с рабочей поверхностью вкладыша. В процессе работы на рабочей стороне вкладыша создается гидродинамическое давление, в результате чего часть смазки через отверстие попадает в карман на спинке вкладыша, где создается гидростатическое давление, за счет чего вкладыш всплывает, а давление смазки дросселируется по спинке вкладыша. В определенном режиме работы наступает равновесное состояние, при котором расход смазки, отбираемый от гидродинамического клина, равен расходу смазки, дросселирующейся из гидростатического кармана.

Вкладыши в подшипниках с гидростатической пленкой тоньше, чем вкладыши в большинстве радиальных сегментных подшипников. Получаемое в результате уменьшение инерции вкладышей сводит к минимуму вибрацию последних. Распределение гидростатического давления на спинке вкладыша противодействует распределенной нагрузке гидродинамического давления, что ведет к снижению механической деформации за счёт уменьшения изгибающих моментов на подушке. Благодаря присутствию гидростатической пленки уменьшаются градиенты распределения температуры по вкладышу, в результате чего сводится к минимуму возможная температурная деформация вкладыша.

Отсутствие каких бы то ни было механических контактов вкладышей не только позволяет упростить конструкцию, но и избавляет от проблем, связанных с истиранием опор. Дополнительная степень свободы у вкладышей подшипников на гидростатической пленке обеспечивает подвижность каждого вкладыша как в поперечном направлении, так и вдоль оси подшипника до тех пор, пока для заданного режима работы не наступит равновесие сил между ним и гидродинамической пленкой смазки, а изолирующее и демпфирующее влияние гидростатической пленки благоприятствует процессу затухания вибраций и звуковых колебаний.

Можно уверенно говорить о том, что данная конструкция сохраняет все положительные качества гидродинамических подшипников с самоустанавливающимися вкладышами и гидростатических подшипников, и практически лишена их недостатков. Здесь в одной конструкции аккумулированы все лучшие достижения инженерной мысли, направленные на обеспечение устойчивости работы подшипниковых узлов и эффективного демпфирования колебаний вала, и в то же время устранены противоречия и недостатки, свойственные предыдущим конструкциям. Так как такая конструкция подшипника формирует в процессе работы гидростатический подвес, основанный на самогенерируемом гидростатическом слое смазки, то благодаря этому отпадает главный недостаток, присущий гидростатическим подшипникам - необходимость в маслосистеме высокого давления, поскольку для образования гидростатического подвеса используется часть смазки, идущей на формирование гидродинамического клина.

Конструкция данного подшипника лишена также и основного недостатка традиционных подшипников скольжения и обладает необходимой устойчивостью, т.к. его вкладыши, опираясь на гидростатический подвес, могут свободно самоустанавливаться как в окружном, так и в осевом направлении оптимальным образом, и поэтому не возбуждают автоколебания. Кроме того, в данной конструкции устранены также факторы, приводящие к неустойчивости в обычных подшипниках с самоустанавливающимися вкладышами. За счет подвода смазки индивидуально к каждому вкладышу отпадает необходимость в масляной ванне, и следовательно, в уплотнительных кольцах. Гидростатический слой смазки, охватывая всю тыльную сторону вкладыша, обладает вязкостно-демпфирующими свойствами и препятствует "колодочному флаттеру". Кроме того, количество и геометрия вкладышей подобрана таким образом, что в процессе работы на рабочей стороне каждого из вкладышей формируется положительная эпюра давлений, что также препятствует вихреобразованию. Помимо устранения факторов, вызывающих неустойчивость, индивидуальный подвод смазки к вкладышам способствует существенному (на 40 – 60 %) снижению расхода смазки и потерь мощности на трение.

Следует отметить, что источником повышенной вибрации далеко не всегда являются силы масляного слоя опорных подшипников. Это могут быть аэродинамические силы в проточной части компрессора, возбуждающие силы лабиринтных уплотнений, неуравновешенность ротора, несоосность валов, вибрации, передаваемые по валопроводу и т.д. Помимо того, что радиальные подшипники с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатическом подвесе обладают высокой устойчивостью, т.к. не содержат источников, способных вызвать "масляную вибрацию" или автоколебания вала, гидростатический подвес позволяет вкладышам отслеживать колебания вала и демпфировать их за счет сил вязкости гидростатического слоя, чего нет в подшипниках традиционных конструкций. Благодаря этому данные подшипники обладают повышенной демпфирующей способностью, позволяющей (что уже неоднократно подтверждено на практике) за счет эффективного демпфирования колебаний вала снижать уровень вибраций в несколько раз независимо от их источника, что также является их преимуществом перед подшипниками остальных типов. Сравнительные диаграммы жесткости и демпфирования подшипников различных типов приведены на рис. 9.

К числу недостатков указанного подшипника можно отнести лишь наличие контакта между валом и вкладышем в момент пуска (пока вкладыш не всплывет, подшипник работает как трехцентровый), а также чувствительность к заливке баббитом. Поэтому, как указывалось выше, для агрегатов, работающих в режиме частых пусков-остановов, более целесообразно применение гидростатических подшипников.

Благодаря высоким эксплуатационным качествам, конструкция радиального подшипника с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатическом подвесе широко и успешно применяется фирмой «ТРИЗ» при решении самых различных задач эксплуатации динамического оборудования [6]. При этом, в свою очередь, фирма «ТРИЗ» вносит свой вклад в исследование [7], развитие и совершенствование конструкции подшипника [6], [8], в том числе применяя данный принцип и для упорных подшипников [9].

В частности, были приняты меры для снижения температуры несущей гидродинамической пленки (Рис.10). Для этого распределительная канавка у входной кромки выполнена со щелевым каналом, направленным от канавки к торцу подушки против направления вращения вала, а у выходной кромки выполнен паз для отвода нагретой смазки. Для эффективного снятия с вала горячей смазки в пазу установлен гребешок (скребок), выполненный из износостойкого противозадирного материала. Причем в конструкции гребешка предусмотрена такая его форма, которая обеспечивает перемещение гребешка вокруг продольной его оси для компенсации его износа при съеме горячего масла. Для снижения температуры гидродинамической пленки в наиболее нагруженной части вкладыша в теле последней у выходной кромки выполнен ряд отверстий, оси которых параллельны продольной оси подшипника, а также организован через отверстия проток масла для дополнительного охлаждения наиболее термонагруженной зоны вкладыша.

При проектировании подшипника для турбогенератора ТГ-30, вес ротора которого составляет 17000 кгс, проблема заключалась в обеспечении несущей способности подшипника. Для этого были приняты конструктивные меры по наполнению эпюры несущего гидродинамического слоя, в частности выполнены уплотнительные пояски по наружным боковым кромкам рабочих подушек. В дополнение к пояскам наиболее нагруженная подушка была выполнена с большим углом охвата, чем две остальные, и на выходе из нее вместо традиционного скребка была установлена вставка из противозадирного материала (рис. 11), объединяющая в себе функции скребка и уплотнения, работающего за счет взаимодействия с эпюрой давления гидродинамического слоя. Это также наполняло эпюру и способствовало повышению несущей способности.

Похожее решение было применено в совместной разработке ООО «ВНИИгаз» и фирмы «САНА» при проектировании упорного подшипника с повышенной несущей способностью [10]. Конструкция подшипника (рис. 12) позволяет ограничивать слив с трех из четырех сторон колодок при помощи уплотнительных поясков. За счет изменения эпюры давления в несущем слое достигается, по словам авторов, повышение несущей способности в несколько раз. Недостатком данной конструкции является неподвижность несущих клиньев, а отсюда – проблемы, связанные с устойчивостью, ограниченностью диапазона изменения рабочих параметров и т.п. Кроме того, снижение расхода смазки неизбежно приводит к повышению температуры в масляном слое, т.к. потери мощности остаются на прежнем уровне, а унос тепла смазкой уменьшается. Это особенно актуально для крупногабаритных и высокоскоростных подшипников. Снижение вязкости смазки в несущем слое, вызванное более высокой, чем у традиционных подшипников, температурой слоя, может существенно снизить суммарный выигрыш от наполнения эпюры давления. Поэтому разработчики данного подшипника могут не достичь желаемого результата при работе подшипника на конкретном агрегате в реальных условиях эксплуатации, в отличие от стендовых испытаний.

В этом свете конструкция подшипника на гидростатическом подвесе, приведенная на рис. 11, обладает преимуществом за счет того, что вставка из противозадирного материала на выходе из рабочего слоя объединяет в себе одновременно функции уплотнения и скребка, т.е., помимо ограничения расхода смазки в этом направлении, способствующего наполнению эпюры, она также снимает горячий слой смазки с вала, и, благодаря этому, в следующий вкладыш поступает холодное масло за счет индивидуального подвода. Поэтому средняя температура смазки в слое существенно не повышается, и не происходит резкого снижения вязкости, что способствует высокой несущей способности данного подшипника. Это подтверждено опытом его эксплуатации на турбогенераторе ТГ-30. В то же время, в конструкции подшипника на рис. 12 ничто не препятствует переносу горячей пленки смазки в следующий клин, а проток холодной смазки через клин ограничен. Кроме того, по признанию авторов статьи [10], фактическая несущая способность их подшипника оказалась ниже расчетной на 20 % в основном за счет деформаций подшипника. В то же время гидростатический слой с тыльной стороны вкладыша подшипника на рис. 11 создает противодавление, препятствующее деформации вкладыша и тем самым предотвращает снижение несущей способности. Следует также обратить внимание на такой факт: потери мощности на трение в подшипнике турбогенератора ТГ-30 составили 16 кВт. В то же время, если проектировать на эти же параметры полноохватный гидростатический подшипник, то понадобится маслосистема высокого давления, обеспечивающая давление смазки в подшипнике 4,2 МПа, а потери мощности в подшипнике за счет дополнительных потерь на прокачку масла возрастут до 40 кВт, то есть увеличатся в 2,5 раза.

Технические решения ООО «ТРИЗ», направленные на совершенствование конструкции подшипников с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатическом подвесе, защищены Авторскими свидетельствами СССР [11], [12], патентами Украины [13] и Российской Федерации [14].

Подводя итог сказанному, следует подчеркнуть, что фирмой «ТРИЗ» накоплен опыт проектирования, изготовления и эксплуатации радиальных подшипников с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатическом подвесе для различных типоразмеров, рабочих параметров и условий работы на центробежных компрессорных и насосных агрегатах, турбинах и электродвигателях большой мощности. Диапазон поставленных в настоящее время фирмой “ТРИЗ” радиальных трехсегментных подшипников с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатическом подвесе по диметрам шеек валов составляет от 45 до 280 мм, по частотам вращения от 3000 до 15600 об/мин, по нагрузкам на подшипник от 60 кгс до 9500 кгс. Конструкция подшипников прошла успешную проверку эксплуатацией, обеспечивая эффективное демпфирование и снижение уровня вибраций во всем спектре частот. Даже в тех случаях, когда штатные подшипники изначально обеспечивают нормальное вибрационное состояние агрегата, применение трехсегментных подшипников с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатическом подвесе позволит без проблем пройти межремонтный цикл, смягчить отрицательные последствия аварийных ситуаций, повысить ресурс работы агрегата в целом. Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что среди подшипников скольжения трехсегментные подшипники с самоустанавливающимися вкладышами на гидростатическом подвесе не имеют альтернативы благодаря следующим преимуществам:

• высокие демпфирующие свойства и виброустойчивость;

• повышенная надежность за счет отсутствия механических контактов и связанных с ними проблем;

• способность обеспечивать устойчивую работу в широком диапазоне частот вращения ротора;

• работоспособность вблизи помпажной зоны и критических частот вращения;

• работоспособность в широком диапазоне значений зазоров между валом и подшипником без ущерба для демпфирования, что позволяет уменьшать зазоры в уплотнениях и, тем самым, повышать экономичность агрегата;

• простота и компактность конструкции, возможность ее установки взамен любых других типов подшипников скольжения;

• ремонтопригодность – возможность при помощи технологической оправки расточить вкладыши под фактический размер шейки ремонтного вала с требуемым зазором;

• низкие потери мощности на трение и расход смазки.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004