Несимметричный двунаправленный упорный подшипник с двумя активными поверхностями
Изобретение относится к подшипниковому устройству для поддержания вала, в частности короткого вала ротора газотурбинного двигателя и к газотурбинному двигателю. Кроме того, изобретение относится к способу поддержания вала, в частности короткого вала ротора газотурбинного двигателя. Подшипниковое устройство (100) для поддержания вала (103) газотурбинного двигателя содержит элемент (104) корпуса подшипника, первый несущий диск (110), который установлен на элементе (104), первые самоустанавливающиеся сегменты (111), которые расположены с возможностью наклона друг за другом вдоль периферийного направления на первом несущем диске (110), второй несущий диск (210), который установлен на элементе (104) на расстоянии от первого несущего диска (110) вдоль осевого направления (102), вторые самоустанавливающиеся сегменты (211), которые расположены с возможностью наклона друг за другом вдоль периферийного направления на втором несущем диске (210). Первые сегменты (111) расположены относительно первого упорного кольца (303), установленного на валу (103), так, что первая осевая нагрузка (301) может передаваться от первого кольца (303) на первые сегменты (111). Вторые сегменты (211) расположены относительно второго упорного кольца (304), установленного на валу (103), так, что вторая осевая нагрузка (302), которая направлена в противоположном направлении относительно первой осевой нагрузки (301), может передаваться от второго кольца (304) на вторые сегменты (211). Первое количество первых сегментов (111) больше, чем половина второго количества вторых сегментов (211), но меньше, чем второе количество вторых сегментов (211). Технический результат: обеспечение подшипника для короткого вала ротора газовой турбины, причем подшипник может принимать высокую осевую нагрузку в обоих осевых направлениях. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к подшипниковому устройству для поддержания вала, в частности короткого вала ротора, газотурбинного двигателя и к газотурбинному двигателю. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу поддержания вала, в частности короткого вала ротора, газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Вал газотурбинного двигателя в общем поддерживается гидравлическим подшипником, который гидродинамически смазывается. В частности, так называемые самоустанавливающиеся сегментные подшипники могут быть использованы для поддержания вала.
Комбинированный модуль самоустанавливающегося сегментного подшипника имеет три поверхности подшипника, одна представляет собой радиальную опору ротора для передачи радиальных усилий, и две представляют собой осевые упорные поверхности, одна из которых обозначена «активная» сторона (в общем выполненная для приема наибольшей осевой нагрузки), предназначенная для приема осевой нагрузки в рабочей точке газовой турбины, а другая представляет собой «неактивную» сторону (в общем выполненную для приема ограниченной нагрузки), необходимую в течение коротких периодов переходных проектных условий турбины.
В общем проектный замысел подшипников этого комбинированного типа подшипникового модуля в отношении «неактивной» и «активной» сторон заключается в том, что подшипник должен быть использован «направленно», когда «активная» сторона размещена относительно главного направления осевой нагрузки ротора.
Из-за требований к контрольно-измерительным приборам для некоторых газовых турбин либо в качестве результата законодательства, либо требования потребителей, которые могут включать в себя, но не ограничиваются, вибрационный мониторинг или датчики осевого смещения, может требоваться использование несимметричной конструкции (с точки зрения количества упорных сегментов и, например, смазочных сопел) подшипника, и в связи с этим будет невозможно иметь подшипниковый модуль с равной способностью воспринимать осевую нагрузку на каждой стороне модуля, также определяя «направленность» подшипника.
В течение срока эксплуатации газовой турбины (в частности, турбины с одновальной конструкцией) внешние эффекты, такие как температура/влажность среды (которые влияют на входные условия), фильтрация газовой турбины/чистота или различные состояния износа компонентов/загрязнение, могут вызывать изменение баланса результирующих осевых нагрузок газовой турбины. Незначительные изменения балансов результирующих осевых нагрузок вызывают изменение осевых нагрузок, передаваемых на эти подшипники, которые обычно будут находиться в пределах способностей воспринимать номинальные осевые нагрузки подшипниковых модулей, и не будут вызывать проблем. Однако значительные изменения баланса результирующих осевых нагрузок могут приводить к работе двигателя в противоположном направлении упора ротора относительно проектного замысла, когда «неактивная» сторона подшипникового модуля, которая по существу имеет меньшую способность воспринимать осевую нагрузку, фактически становится главной упорной стороной в рабочей точке, и приводит к неполадкам, так как осевые нагрузки превышают номинальную способность воспринимать осевую нагрузку подшипникового модуля на этой стороне.
Документ GB 309, 124 раскрывает турбины с радиальным потоком, которые расположены в двух корпусах так, что осевые нагрузки на общем валу уравновешиваются друг другом. Пар может протекать через турбины с радиальным потоком последовательно или параллельно. Обеспечено упорное кольцо, и приводная машина расположена между турбинами с радиальным потоком.
Документ WO 2013/011150 A1 раскрывает роторную машину с ротором, который установлен в подшипнике. Ротор подвергается воздействию осевой нагрузки, которая действует по существу только в осевом направлении во время работы. Осевая нагрузка принимается и ослабляется первым упорным подшипником подшипника посредством скольжения. Подшипник дополнительно содержит второй упорный подшипник, который создает усилие, которое воздействует на первый упорный подшипник в направлении осевой нагрузки по меньшей мере временно в то же время, когда возникает осевая нагрузка.
Документ ЕР 1 479 875 A1 раскрывает подшипник для осевой опоры ротора газовой турбины. Подшипник имеет компонент подшипника, в котором установлена конструкция гидравлического поршня, с которой взаимодействует гидравлическая система. Ограничители и клапаны управления потоком расположены между гидравлическим поршнем и гидравлической системой и могут быть установлены в компоненте подшипника. Конструкция гидравлического поршня имеет несколько поршней, установленных в соответственных поршневых камерах, которые выполнены в виде цилиндрических каналов.
Документ US 3,784,266 раскрывает гидродинамический поворотный сегментный упорный подшипник, который содержит поддерживаемый по центру поворотный опорный сегмент, включающий в себя по меньшей мере одну вытянутую собирающую канавку для смазочной текучей среды, расположенную в опорной поверхности сегмента смежно и параллельно по меньшей мере одной из его радиальных кромок. Опорный сегмент дополнительно включает в себя по меньшей мере одно выпускное отверстие для текучей среды, расположенное через сегмент, открывающееся на одном конце в канавку, а на другом конце - в камеру упорного подшипника. Собирающая канавка отводит текучую среду с опорной поверхности в камеру подшипника и прерывает образование пленки из смазочной текучей среды на опорной поверхности, тем самым уменьшая эффективную опорную поверхность на одной стороне сегмента.
Документ GB 2 453 143 раскрывает упорный подшипник, содержащий упорное кольцо и упорный сегмент с высокой температурой плавления. Обращенные друг к другу поверхности кольца и сегмента покрыты покрытием с высокой твердостью и низким коэффициентом трения. Основание предпочтительно является стальным, а покрытие предпочтительно представляет собой керамическое покрытие, более предпочтительно покрытие из обогащенного углеродом карбида вольфрама. Изобретение, главным образом, применимо к упорному подшипнику турбонагнетателя.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении подшипника для короткого вала ротора газовой турбины, причем подшипник может принимать высокую осевую нагрузку в обоих осевых направлениях.
Эта задача решается подшипниковым устройством для поддержания вала, в частности короткого вала ротора, газотурбинного двигателя, газотурбинным двигателем и способом поддержания вала, в частности короткого вала ротора, газотурбинного двигателя согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечено подшипниковое устройство для поддержания вала, в частности короткого вала ротора, газотурбинного двигателя. Упорное подшипниковое устройство содержит элемент корпуса подшипника и первый несущий диск, который установлен на элементе корпуса подшипника. Подшипниковое устройство дополнительно содержит первые самоустанавливающиеся сегменты, которые расположены с возможностью наклона друг за другом вдоль периферийного направления на первом несущем диске. Подшипниковое устройство дополнительно содержит второй несущий диск, который установлен на элементе корпуса подшипника на расстоянии от первого несущего диска вдоль осевого направления. Подшипниковое устройство дополнительно содержит вторые самоустанавливающиеся сегменты, которые расположены с возможностью наклона друг за другом вдоль периферийного направления на втором несущем диске.
Первые самоустанавливающиеся сегменты расположены относительно первого упорного кольца, установленного на валу, так, что первая осевая нагрузка может передаваться от первого упорного кольца на первые самоустанавливающиеся сегменты. Вторые самоустанавливающиеся сегменты расположены относительно второго упорного кольца, установленного на валу, так, что вторая осевая нагрузка, которая направлена в противоположном направлении относительно первой осевой нагрузки, может передаваться от второго упорного кольца на вторые самоустанавливающиеся сегменты.
Первое количество первых самоустанавливающихся сегментов больше, чем половина второго количества вторых самоустанавливающихся сегментов, но меньше, чем второе количество вторых самоустанавливающихся сегментов.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения описан газотурбинный двигатель, содержащий корпус газовой турбины, вал, первое упорное кольцо, которое установлено на валу, второе упорное кольцо, которое установлено на валу, и вышеописанное подшипниковое устройство. Первое упорное кольцо расположено на расстоянии от второго упорного кольца вдоль осевого направления. Элемент корпуса подшипника установлен на корпусе газовой турбины.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения описан способ поддержания вала газотурбинного двигателя вышеописанным подшипниковым устройством. Первая осевая нагрузка передается от первого упорного кольца на первые самоустанавливающиеся сегменты. Вторая осевая нагрузка, которая направлена в противоположном направлении относительно первой осевой нагрузки, передается от второго упорного кольца на вторые самоустанавливающиеся сегменты.
Газотурбинный двигатель содержит расположенный выше по потоку ротационный компрессор, соединенный с расположенной ниже по потоку турбиной и камеру сгорания между ними. Вал соединяет расположенный выше по потоку ротационный компрессор с расположенной ниже по потоку турбиной. В некоторых вариантах выполнения обеспечена двухвальная конструкция, в которой два вала расположены в газотурбинном двигателе, которые соединены, например, шестерней.
Выражения выше по потоку и ниже по потоку относятся к направлению воздушного потока и/или потока рабочего газа через газотурбинный двигатель, если не указано иное. Выражения вперед и назад относятся к общему направлению потока газа через двигатель. Выражения осевой, радиальный и периферийный приведены со ссылкой на ось вращения вала газотурбинного двигателя.
Вал газотурбинного двигателя поддерживается с возможностью вращения вышеописанным подшипниковым устройством. В частности, вышеописанное подшипниковое устройство принимает осевую нагрузку, действующую вдоль осевого направления вала. Осевая нагрузка передается от вала на первые и вторые несущие диски соответственно посредством первых и вторых самоустанавливающихся сегментов соответственно.
Первое упорное кольцо и второе упорное кольцо прикреплены к валу и, следовательно, вращаются вместе с валом вокруг оси вращения. Соответственное упорное кольцо может содержать контактную поверхность для обеспечения скользящего контакта с соответственными самоустанавливающимися сегментами, причем контактная поверхность имеет нормаль, которая может быть приблизительно параллельна осевому направлению.
Соответственно самоустанавливающиеся сегменты содержат соответственные контактные поверхности для обеспечения скользящего контакта с соответственными упорными кольцами.
Самоустанавливающиеся сегменты расположены на соответственных несущих поверхностях соответственного несущего диска. Соответственная несущая поверхность может содержать нормаль, которая приблизительно параллельна осевому направлению. Самоустанавливающиеся сегменты расположены с возможностью поворота на соответственном несущем диске и соответственных несущих поверхностях. Дополнительно несущий диск содержит удерживающие элементы для самоустанавливающихся сегментов, причем удерживающие элементы удерживают самоустанавливающиеся сегменты таким образом, что самоустанавливающиеся сегменты не могут неуправляемо скользить вдоль периферийного или радиального направления. Удерживающие элементы могут представлять собой, например, направляющие или другие удерживающие элементы для удержания самоустанавливающихся сегментов на несущей поверхности несущего диска, не предотвращая наклон самоустанавливающегося сегмента.
Несущая поверхность может содержать, например, стальные штифты, на которых расположены самоустанавливающиеся сегменты, причем стальные штифты обеспечивают точку контакта с самоустанавливающимися сегментами так, что самоустанавливающиеся сегменты поворачиваются.
Первый несущий диск и второй несущий диск прикреплены к элементу корпуса, который является частью корпуса подшипника. Подшипниковое устройство может содержать промежуточный дисковый участок, который расположен между первым и вторым несущими дисками, например. Корпус подшипника прикреплен к основанию газовой турбины, например. Корпус подшипника образует камеру упорного подшипника, которая охватывает первые самоустанавливающиеся сегменты и первое упорное кольцо для смазывания поверхности скольжения между первыми самоустанавливающимися сегментами и первым упорным кольцом. Соответственно корпус подшипника образует дополнительную камеру упорного подшипника, которая охватывает вторые самоустанавливающиеся сегменты и второе упорное кольцо для смазывания поверхности скольжения между вторыми самоустанавливающимися сегментами и вторым упорным кольцом.
За счет вращения упорных колец относительно соответственных самоустанавливающихся сегментов и за счет способности поворачиваться самоустанавливающихся сегментов образуется клиновидная пленка из смазочной текучей среды, которая уменьшается по толщине в направлении вращения упорного кольца, и, следовательно, достигается лучшее смазывание.
Посредством настоящего изобретения обеспечено подшипниковое устройство с несимметричными конструкциями и неравными количествами сегментов подшипника. Обнаружено, что путем обеспечения первых самоустанавливающихся сегментов в первом количестве большем, чем половина второго количества вторых самоустанавливающихся сегментов, но меньшем, чем второе количество вторых самоустанавливающихся сегментов, подшипниковое устройство, которое может принимать осевую нагрузку в двунаправленном направлении усилия, предназначено для конкретной/требуемой способности воспринимать осевую нагрузку предполагаемого газотурбинного изделия.
Так как не практично и экономически неэффективно контролировать баланс осевых нагрузок турбинного двигателя в течение срока эксплуатации и далее в качестве ответной меры останавливать турбинный двигатель для технического обслуживания по замене подшипника «при условии необходимости», посредством подшипникового устройства первые самоустанавливающиеся сегменты и вторые самоустанавливающиеся сегменты имеют почти одинаковый износ так, что на одном общем этапе технического обслуживания первые и вторые самоустанавливающиеся сегменты могут быть заменены по причинам технического обслуживания.
Посредством подшипникового устройства настоящего изобретения обеспечена несимметричная конфигурация самоустанавливающихся сегментов, которая является двунаправленной с точки зрения осевой нагрузки ротора вследствие наличия двух «активных» упорных сторон (разных способностей воспринимать осевую нагрузку), вместо «активной» и «неактивной» сторон, которые бы заранее определяли направленность подшипника. Следствие наличия двух «активных» сторон (а именно первого несущего диска с первыми самоустанавливающимися сегментами и второго несущего диска со вторыми самоустанавливающимися сегментами) заключается в том, что подшипниковое устройство может выдерживать известные осевые нагрузки в обоих направлениях осевой нагрузки.
Согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения подшипниковое устройство дополнительно содержит по меньшей мере три радиальных сегмента, которые установлены на первом несущем диске и втором несущем диске на расстоянии друг от друга вдоль периферийного направления. Причем три радиальных сегмента расположены между первым несущим диском и вторым несущим диском так, что радиальное усилие может передаваться между тремя радиальными сегментами и валом, и так, что вал может вращаться относительно трех радиальных сегментов. Радиальные сегменты могут быть прикреплены с возможностью замены к первому и/или второму несущим дискам. Конкретно, радиальные сегменты могут быть прикреплены к промежуточному диску между первым и вторым несущими дисками.
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения первый несущий диск содержит первую несущую поверхность, на которой расположены первые самоустанавливающиеся сегменты. Первый несущий диск содержит по меньшей мере один разделительный элемент, который выступает из первой поверхности вдоль осевого направления. Разделительный элемент дополнительно расположен так, что разделительный элемент расположен между двумя смежными первыми самоустанавливающимися сегментами для предотвращения контакта двух смежных первых самоустанавливающихся сегментов. Разделительный элемент может быть частью вышеописанного удерживающего элемента, например.
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения по меньшей мере один разделительный элемент представляет собой заглушенное сопло, например, штифт.
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения по меньшей мере один разделительный элемент представляет собой сопло для масляной смазки для впрыска масла так, что создается смазочная масляная пленка между самоустанавливающимися сегментами и упорным кольцом. Сопло для масляной смазки соединено с системой масляной смазки, которая подает смазочный материал под высоким давлением в соответственное сопло для масляной смазки для создания масляной пленки между самоустанавливающимися сегментами и соответственными упорными кольцами.
Соответственно второй несущий диск также может содержать вторую несущую поверхность, на которой расположены вторые самоустанавливающиеся сегменты. Второй несущий диск содержит по меньшей мере один дополнительный разделительный элемент, который выступает из второй поверхности вдоль осевого направления. Дополнительный разделительный элемент дополнительно расположен так, что дополнительный разделительный элемент расположен между двумя смежными вторыми самоустанавливающимися сегментами для предотвращения контакта двух смежных вторых самоустанавливающихся сегментов. Дополнительный разделительный элемент может представлять собой заглушенное сопло, например, штифт, или сопло для масляной смазки.
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения первые самоустанавливающиеся сегменты неравномерно распределены на первой несущей поверхности вдоль периферийного направления. Неравномерное распределение первых самоустанавливающихся сегментов означает, что размер зазора между двумя смежными первыми самоустанавливающимися сегментами изменяется, и, следовательно, отличается от другого размера зазора между другими двумя смежными первыми самоустанавливающимися сегментами.
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения более 2/3 первых самоустанавливающихся сегментов расположены на первой половине первого несущего диска, и менее 1/3 первых самоустанавливающихся сегментов расположены на второй половине первого несущего диска.
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения вторые самоустанавливающиеся сегменты равномерно распределены на второй несущей поверхности второго несущего диска вдоль периферийного направления. Равномерное распределение вторых самоустанавливающихся сегментов означает, что размер зазора между двумя смежными вторыми самоустанавливающимися сегментами равен другому размеру зазора между другими двумя смежными вторыми самоустанавливающимися сегментами.
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения первое количество первых самоустанавливающихся сегментов составляет приблизительно 6-11, предпочтительно 8, а второе количество вторых самоустанавливающихся сегментов составляет 10-21, предпочтительно 12.
Подшипниковое устройство настоящего изобретения имеет оптимизированную способность воспринимать осевую нагрузку для предполагаемого использования в газовой турбине так, что подшипниковое устройство имеет уменьшенный смещенный «направленный характер» вследствие несущей способности каждой стороны (несущего диска), и в связи с этим может быть рассмотрено как имеющее две «активные» упорные стороны и, таким образом, использовано для «двунаправленного» применения.
Для этой конкретной конструкции оптимизация способности воспринимать осевую нагрузку достигается добавлением дополнительных самоустанавливающихся сегментов и, например, использованием различных конструкций сопел для масляной смазки, заглушенных и незаглушенных, для обеспечения/поддержания существующих требований к смазке подшипника газотурбинного изделия и отводу.
При наличии подшипникового модуля, работающего таким образом, эта двунаправленность позволяет использование общей конструкции между одновальными и двухвальными конфигурациями газотурбинного двигателя, и позволяет одному валу работать с любым изменением осевой нагрузки ротора либо в направлении осевой нагрузки, либо в противоположном направлении, поддерживая при этом, например, соответствие стандарту API (Американский институт нефти) в любом направлении осевой нагрузки.
Следует отметить, что варианты выполнения изобретения описаны со ссылкой на различные объекты изобретения. В частности, некоторые варианты выполнения описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа устройства, тогда как другие варианты выполнения описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа способа. Однако специалисту в области техники из вышеизложенного и следующего далее описания будет понятно, что, если не указано другое, в дополнение к любому сочетанию признаков, принадлежащих одному типу объекта, также любое сочетание между признаками, относящимися к различным объектам, в частности, между признаками пунктов формулы изобретения типа устройства и признаками пунктов формулы изобретения типа способа, рассматривается как раскрытое в настоящей заявке.
Краткое описание чертежей
Определенные выше аспекты и дополнительные аспекты настоящего изобретения являются очевидными из описанных далее примеров варианта выполнения и объяснены со ссылкой на примеры варианта выполнения. Далее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на примеры варианта выполнения, но изобретение ими не ограничивается.
Фиг. 1 показывает схематический вид спереди первого несущего диска подшипникового устройства согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения,
Фиг. 2 показывает схематический вид спереди второго несущего диска подшипникового устройства согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения,
Фиг. 3 показывает схематический вид сбоку подшипникового устройства согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения,
Фиг. 4 показывает вид в перспективе подшипникового устройства согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения, и
Фиг. 5 показывает газотурбинный двигатель согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения.
Подробное описание
Иллюстрации на чертежах являются схематическими. Отметим, что на разных фигурах подобные или идентичные элементы обеспечены одинаковыми ссылочными позициями.
Фиг. 1 показывает вид спереди первого несущего диска 110 подшипникового устройства 100 согласно примерному варианту выполнения настоящего изобретения, а Фиг. 2 показывает вид спереди второго несущего диска 210 подшипникового устройства 100.
На Фиг. 3 вид сбоку подшипникового устройства 100 показывает вид сбоку подшипникового устройства 100, содержащего первый несущий диск 110, показанный на Фиг. 1, и второй несущий диск 210, показанный на Фиг. 2.
Подшипниковое устройство 100 для поддержания вала 103 газотурбинного двигателя 10 содержит первый несущий диск 110, который установлен на элементе 104 корпуса подшипника. Первые самоустанавливающиеся сегменты 111 расположены с возможностью наклона друг за другом вдоль периферийного направления на первом несущем диске 110. Второй несущий диск 210 установлен на элементе корпуса подшипника на расстоянии от первого несущего диска 110 вдоль осевого направления 102. Вторые самоустанавливающиеся сегменты 211 расположены с возможностью наклона друг за другом вдоль периферийного направления на втором несущем диске 210. Первое количество первых самоустанавливающихся сегментов 111 больше, чем половина второго количества вторых самоустанавливающихся сегментов 211, но меньше, чем второе количество вторых самоустанавливающихся сегментов 211.
Вал 103 газотурбинного двигателя 10 поддерживается с возможностью вращения описанным подшипниковым устройством 100. В частности, подшипниковое устройство 100 принимает осевую нагрузку 301, 302, действующую вдоль осевого направления 102 вала 103. Осевая нагрузка 301, 302 передается от вала 103 первому и второму несущим дискам 110, 210 соответственно посредством первых и вторых самоустанавливающихся сегментов 111, 211 соответственно.
Первое упорное кольцо 303 и второе упорное кольцо 304 прикреплены к валу 103 и, следовательно, вращаются вместе с валом 103 вокруг оси вращения. Соответственное упорное кольцо 303, 304 содержит контактную поверхность для обеспечения скользящего контакта с соответственными самоустанавливающимися сегментами 111, 211, причем контактная поверхность имеет нормаль, которая приблизительно параллельна осевому направлению 102.
Соответственно самоустанавливающиеся сегменты 111, 211 содержат соответственные контактные поверхности для обеспечения скользящего контакта с соответственными упорными кольцами 303, 304.
Самоустанавливающиеся сегменты 111, 211 расположены на соответственных несущих поверхностях 112, 212 соответственного несущего диска 110, 210. Соответственная несущая поверхность 112, 212 содержит нормаль, которая приблизительно параллельна осевому направлению 102. Самоустанавливающиеся сегменты 111, 211 расположены с возможностью поворота на соответственном несущем диске 111, 211 и соответственных несущих поверхностях 112, 212. Дополнительно несущий диск 111, 211 содержит удерживающие элементы для самоустанавливающихся сегментов, причем удерживающие элементы удерживают самоустанавливающиеся сегменты 111, 211 таким образом, что самоустанавливающиеся сегменты 111, 211 не могут неуправляемо скользить вдоль периферийного 101 или радиального направления.
Первый несущий диск 110 и второй несущий диск 210 прикреплены к элементу 104 корпуса подшипника, который является частью корпуса подшипника.
Подшипниковое устройство содержит промежуточный дисковый участок 305 (см. Фиг. 3), который расположен между первым и вторым несущими дисками 110, 210, например. Корпус подшипника прикреплен к основанию газовой турбины, например. Корпус подшипника образует камеру упорного подшипника (не показана), которая охватывает первые самоустанавливающиеся сегменты 111 и первое упорное кольцо 303 для смазывания поверхности скольжения между первыми самоустанавливающимися сегментами 111 и первым упорным кольцом 303. Соответственно корпус подшипника образует дополнительную камеру упорного подшипника, которая охватывает вторые самоустанавливающиеся сегменты 211 и второе упорное кольцо 304 для смазывания поверхности скольжения между вторыми самоустанавливающимися сегментами 210 и вторым упорным кольцом 304.
За счет вращение упорных колец 303, 304 относительно соответственных самоустанавливающихся сегментов 111 211 и за счет способности поворачиваться самоустанавливающихся сегментов 111, 211 образуется клиновидная пленка из смазочной текучей среды, которая уменьшается по толщине в направлении вращения упорных колец 303, 304, и, следовательно, достигается лучшее смазывание.
Посредством настоящего изобретения обеспечено подшипниковое устройство 100 с несимметричными конструкциями и неравными количествами самоустанавливающихся сегментов 111, 211. Путем обеспечения первых самоустанавливающихся сегментов 111 в первом количестве большем, чем половина второго количества вторых самоустанавливающихся сегментов 211, но меньшем, чем второе количество вторых самоустанавливающихся сегментов 211, подшипниковое устройство 100, которое может принимать осевую нагрузку 301, 302 в двунаправленном направлении усилия, предназначено для конкретной/требуемой способности воспринимать осевую нагрузку предполагаемого газотурбинного изделия.
Первый несущий диск содержит первую несущую поверхность 112, на которой расположены первые самоустанавливающиеся сегменты 111. Первый несущий диск 110 содержит по меньшей мере один разделительный элемент (заглушенное сопло 114 или сопло 113 для масляной смазки), который выступает из первой поверхности 112 вдоль осевого направления 102. Разделительный элемент дополнительно расположен так, что разделительный элемент расположен между двумя смежными первыми самоустанавливающимися сегментами 111 для предотвращения контакта двух смежных первых самоустанавливающихся сегментов 111. По меньшей мере один разделительный элемент представляет собой заглушенное сопло 114, например, штифт, или сопло 113 для масляной смазки для впрыска масла так, что образуется смазочная масляная пленка между самоустанавливающимися сегментами 111 и первым упорным кольцом 303. Сопло 113 для масляной смазки соединено с системой масляной смазки, которая подает смазочный материал под высоким давлением в соответственное сопло 113 для масляной смазки.
Заглушенное сопло 114 расположено, в частности, после соответственных первых самоустанавливающихся сегментов 111 относительно направления вращения (обозначенного стрелкой 101), и, следовательно, на задней кромке самоустанавливающегося упорного сегмента 111, так как это не будет ухудшать характеристики смазывания.
Соответственно, как может быть видно на Фиг. 2, второй несущий диск 210 также может содержать вторую несущую поверхность 212, на которой расположены вторые самоустанавливающиеся сегменты 211. Второй несущий диск 210 содержит по меньшей мере один дополнительный разделительный элемент, который выступает из второй поверхности 212 вдоль осевого направления. Дополнительный разделительный элемент дополнительно расположен так, что дополнительный разделительный элемент расположен между двумя смежными вторыми самоустанавливающимися сегментами 211 для предотвращения контакта двух смежных вторых самоустанавливающихся сегментов 211. Дополнительный разделительный элемент может представлять собой дополнительное заглушенное сопло 214, например, штифт, или сопло 213 для масляной смазки.
Как может быть видно на Фиг. 1, первые самоустанавливающиеся сегменты 111 неравномерно распределены на первой несущей поверхности 112 вдоль периферийного направления 101. Неравномерное распределение первых самоустанавливающихся сегментов 111 означает, что размер зазора между двумя смежными первыми самоустанавливающимися сегментами 111 изменяется, и, следовательно, отличается от другого размера зазора между другими двумя смежными первыми самоустанавливающимися сегментами 111.
Согласно дополнительному примерному варианту выполнения более 2/3 первых самоустанавливающихся сегментов 111 расположены на первой половине первого несущего диска 110, и менее 1/3 первых самоустанавливающихся сегментов 111 расположены на второй половине первого несущего диска 110.
Вторые самоустанавливающиеся сегменты 210 равномерно распределены на второй несущей поверхности 212 второго несущего диска 210 вдоль периферийного направления 101.
Конкретно, согласно примерному варианту выполнения, показанному на Фиг. 1 и 2, первое количество первых самоустанавливающихся сегментов составляет 8, а второе количество вторых самоустанавливающихся сегментов 210 составляет 12.
Как показано на Фиг. 3, промежуточный дисковый участок 305 расположен между первым и вторым несущими дисками 110, 210. Впуск 306 смазочного материала может быть образован в промежуточном дисковом участке 305. Из впуска 306 смазочного материала смазочный материал может впрыскиваться и направляться в сопла 113, 213 для масляной смазки.
Кроме того, подшипниковое устройство 100 показано в рабочем состоянии, в котором первая осевая нагрузка 301 больше, чем вторая осевая нагрузка 302. В результате первые самоустанавливающиеся сегменты 111 находятся в скользящем контакте с первым упорным кольцом 303, которое вращается вместе с валом 103. В результате имеется зазор между вторыми самоустанавливающимися сегментами 211 и вторым упорным кольцом 303.
Фиг. 4 показывает вид в перспективе подшипникового устройства 100, которое показано на Фиг. 1-3.
На Фиг. 4 показаны три радиальных сегмента 401, которые установлены на первом несущем диске 110, промежуточном диске 305 и/или втором несущем диске 210. Радиальные сегменты 401 расположены на расстоянии друг от друга вдоль периферийного направления. Три радиальных сегмента 401 расположены между первым несущим диском 110 и вторым несущим диском 210 так, что радиальное усилие может передаваться между тремя радиальными сегментами 401 (и, следовательно, подшипниковым устройством 100) и валом 103, причем вал 103 может вращаться относительно трех радиальных сегментов 401. Радиальные сегменты 401 могут быть прикреплены с возможностью замены.
Фиг. 5 показывает газотурбинный двигатель 10, содержащий подшипниковое устройство 100, как показано на Фиг. 1-4.
Газотурбинный двигатель 10 показан на виде в разрезе. Газотурбинный двигатель 10 содержит, последовательно по потоку впуск 12, секцию 14 компрессора, секцию 16 сгорания и секцию 18 турбины, которые в общем расположены последовательно по потоку и в общем в направлении продольной оси или оси 20 вращения. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит вал 103, который вращается вокруг оси 20 вращения, и который продолжается продольно через газотурбинный двигатель 10. Вал 103 соединяет с возможностью приведения в движение секцию 18 турбины с секцией 12 компрессора.
При работе газотурбинного двигателя 10 воздух 24, который принимается через впуск 12 воздуха, сжимается секцией 12 компрессора и поступает в секцию сгорания или секцию 16 горелки. Секция 16 горелки содержит воздушный короб 26 горелки, одну или более камер 28 сгорания, образованных двустенной оболочкой 27, и по меньшей мере одну горелку 30, прикрепленную к каждой камере 28 сгорания. Камеры 28 сгорания и горелки 30 расположены внутри воздушного короба 26 горелки. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 12, входит в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в воздушный короб 26 горелки, откуда часть воздуха входит в горелку 30 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Топливно-воздушная смесь далее сгорает, и газообразный продукт 34 сгорания или рабочий газ вследствие сгорания направляется через переходный канал 35 в секцию 18 турбины.
Секция 18 турбины содержит несколько поддерживающих лопатки дисков 36, прикрепленных к валу 22. В данном примере каждый из двух дисков 36, поддерживает кольцеобразный набор турбинных лопаток 38. Однако количество поддерживающих лопатки дисков может быть различным, т.е. только один диск или более двух дисков. В дополнение, направляющие лопатки 40, которые прикреплены к статору 42 газотурбинного двигателя 10, расположены между турбинными лопатками 38. Между выходом из камеры 28 сгорания и ведущими турбинными лопатками 38 обеспечены впускные направляющие лопатки 44.
Газообразные продукты сгорания из камеры 28 сгорания входят в секцию 18 турбины и приводят в движение турбинные лопатки 38, которые в свою очередь вращают вал 103. Направляющие лопатки 40, 44 служат для оптимизации угла газообразных продуктов сгорания или рабочего газа на турбинных лопатках 38. Секция 12 компрессора содержит осевую последовательность ступеней 46 направляющих лопаток 46 и ступеней 48 лопаток ротора.
Вал 103 поддерживается по меньшей мере двумя подшипниковыми устройствами 100, которые показаны на Фиг. 1-4.
Следует отметить, что выражение «содержащий» не исключает другие элементы или этапы. Также элементы, описанные в связи с различными вариантами выполнения, могут быть объединены. Также следует отметить, что ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем охраны формулы изобретения.
Список ссылочных позиций
| 10 газотурбинный двигатель | 210 второй несущий диск |
| 12 впуск | 211 второй самоустанавливающийся сегмент |
| 14 секция компрессора | 212 вторая несущая поверхность |
| 16 секция сгорания | 213 дополнительное сопло для масляной смазки |
| 18 секция турбины | 214 дополнительное заглушенное сопло |
| 20 ось вращения | 301 первая осевая нагрузка |
| 24 воздух | 302 вторая осевая нагрузка |
| 26 воздушный короб горелки | 303 первое упорное кольцо |
| 28 камера сгорания | 304 второе упорное кольцо |
| 30 горелка | 305 промежуточный диск |
| 32 диффузор | 306 впуск смазочного материала |
| 34 газообразные продукты сгорания | 401 радиальный сегмент |
| 35 переходный канал | |
| 36 диск | |
| 38 лопатка турбины | |
| 40 направляющие лопатки | |
| 42 статор | |
| 44 направляющие лопатки | |
| 46 ступень направляющих лопаток | |
| 48 ступень лопаток ротора | |
| 100 подшипниковое устройство | |
| 101 периферийное направление | |
| 102 осевое направление | |
| 103 короткий вал ротора | |
| 104 элемент корпуса подшипника | |
| 110 первый несущий диск | |
| 111 первый самоустанавливающийся сегмент | |
| 112 первая несущая поверхность | |
| 113 сопло для масляной смазки | |
| 114 заглушенное сопло | |
| 115 первая половина | |
| 116 вторая половина |
1. Подшипниковое устройство (100) для поддержания вала (103) газотурбинного двигателя (10), причем подшипниковое устройство содержит:
элемент (104) корпуса подшипника,
первый несущий диск (110), который установлен на элементе (104) корпуса подшипника,
первые самоустанавливающиеся сегменты (111), которые расположены с возможностью наклона друг за другом вдоль периферийного направления (101) на первом несущем диске (110),
второй несущий диск (210), который установлен на элементе (104) корпуса подшипника на расстоянии от первого несущего диска (110) вдоль осевого направления (102),
вторые самоустанавливающиеся сегменты (211), которые расположены с возможностью наклона друг за другом вдоль периферийного направления (101) на втором несущем диске (210),
причем первые самоустанавливающиеся сегменты (111) расположены относительно первого упорного кольца (303), установленного на валу (103), так, что первая осевая нагрузка (301) может передаваться от первого упорного кольца (303) на первые самоустанавливающиеся сегменты (111), и
причем вторые самоустанавливающиеся сегменты (211) расположены относительно второго упорного кольца (304), установленного на валу (103), так, что вторая осевая нагрузка (302), которая направлена в противоположном направлении относительно первой осевой нагрузки (301), может передаваться от второго упорного кольца (304) на вторые самоустанавливающиеся сегменты (211), и
причем первое количество первых самоустанавливающихся сегментов (111) больше, чем половина второго количества вторых самоустанавливающихся сегментов (211), но меньше, чем второе количество вторых самоустанавливающихся сегментов (211).
2. Подшипниковое устройство (100) по п. 1, дополнительно содержащее
по меньшей мере три радиальных сегмента (401), которые установлены на первом несущем диске (110) и втором несущем диске (210) на расстоянии друг от друга вдоль периферийного направления (101),
причем три радиальных сегмента (401) расположены между первым несущим диском (110) и вторым несущим диском (210) так, что радиальное усилие может передаваться между тремя радиальными сегментами (401) и валом (103), и так, что вал (103) может вращаться относительно трех радиальных сегментов (401).
3. Подшипниковое устройство (100) по п. 1 или 2, в котором первый несущий диск (110) содержит первую несущую поверхность (112), на которой расположены первые самоустанавливающиеся сегменты (111),
в котором первый несущий диск (110) содержит по меньшей мере один разделительный элемент, который выступает из первой поверхности вдоль осевого направления (102), и
в котором разделительный элемент расположен между двумя смежными первыми самоустанавливающимися сегментами (111) для предотвращения контакта двух смежных первых самоустанавливающихся сегментов (111).
4. Подшипниковое устройство (100) по п. 3,
в котором по меньшей мере один разделительный элемент представляет собой заглушенное сопло (114).
5. Подшипниковое устройство (100) по п. 3,
в котором по меньшей мере один разделительный элемент представляет собой сопло (113) для масляной смазки для впрыска масла так, что создается смазочная масляная пленка между самоустанавливающимися сегментами и упорным кольцом.
6. Подшипниковое устройство (100) по п. 1 или 2,
в котором первые самоустанавливающиеся сегменты (111) неравномерно распределены на первой несущей поверхности (112) вдоль периферийного направления (101).
7. Подшипниковое устройство (100) по п. 6,
в котором более 2/3 первых самоустанавливающихся сегментов (111) расположены на первой половине (115) первого несущего диска (110), и менее 1/3 первых самоустанавливающихся сегментов (111) расположены на второй половине (116) первого несущего диска (110).
8. Подшипниковое устройство (100) по п. 1 или 2,
в котором вторые самоустанавливающиеся сегменты (211) равномерно распределены на второй несущей поверхности (212) второго несущего диска (210) вдоль периферийного направления (101).
9. Подшипниковое устройство (100) по п. 1 или 2,
в котором первое количество первых самоустанавливающихся сегментов (111) составляет 6-11, а второе количество вторых самоустанавливающихся сегментов (211) составляет 12-21.
10. Газотурбинный двигатель (10), содержащий
корпус газовой турбины,
вал (103),
первое упорное кольцо (303), которое установлено на валу (103),
второе упорное кольцо (304), которое установлено на валу (103),
причем первое упорное кольцо (303) расположено на расстоянии от второго упорного кольца (304) вдоль осевого направления (102), и
подшипниковое устройство (100) по любому из пп. 1-9,
причем элемент (104) корпуса подшипника установлен на корпусе газовой турбины.
11. Способ поддержания вала (103) газотурбинного двигателя (10) подшипниковым устройством (100) по любому из пп. 1-9, причем способ содержит этапы, на которых
передают первую осевую нагрузку (301) от первого упорного кольца (303) на первые самоустанавливающиеся сегменты (111) и
передают вторую осевую нагрузку (302), которая направлена в противоположном направлении относительно первой осевой нагрузки (301), от второго упорного кольца (304) на вторые самоустанавливающиеся сегменты (211).
