Подшипник с вкладышами, содержащими охлаждающие микроканалы, и способ
Изобретение относится к подшипникам. Подшипник имеет корпус и множество вкладышей, сопряженных с корпусом. Вкладыши образуют опорные поверхности, обращенные к пространству для размещения вала. Во вкладышах сформированы охлаждающие микроканалы, выполненные с возможностью обеспечения циркуляции смазочной текучей среды и улучшения отвода тепла. Достигается повышение эффективности охлаждения подшипников. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 12 ил.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к подшипникам для поддержки вращающихся вокруг оси валов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к радиальным или упорным подшипникам с множеством вкладышей, предпочтительно с самоустанавливающимися вкладышами, сопряженными с корпусом подшипника. Настоящее описание дополнительно относится к способу эксплуатации подшипника, а также к способу изготовления подшипника и к машине, включающей по меньшей мере один подшипник.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] В гидравлическом подшипнике вращающийся вал обычно поддерживается на тонком слое жидкой или газообразной смазочной текучей среды, которая работает между опорной поверхностью гидравлического подшипника и шейкой вала. Гидравлические подшипники можно в целом разделить на гидродинамические подшипники и гидростатические подшипники. В гидростатических подшипниках находящаяся под высоким давлением текучая среда, такая как масло, может исключать прямой контакт между поверхностью вала и поверхностью подшипника. В гидродинамических подшипниках вращающийся вал скользит с высокой скоростью относительно поверхности подшипника и при этом создает высокое давление в смазочном клине между валом и опорной поверхностью. Смазочный клин образуется вокруг вращающегося вала, а гидродинамическое смазывание достигается, когда поверхность подшипника и сопряженная с ним поверхность вала оказываются полностью разделены сформированной между ними сплошной пленкой лубриканта.
[0003] Если гидростатические подшипники обычно предполагают наличие внешнего насоса для поддержания в текучей среде статического давления, давление в гидродинамических подшипниках может поддерживаться за счет вращения вала. В гидродинамических подшипниках может создаваться большое трение при малых скоростях вращения, когда смазочный клин еще не сформировался, и поэтому они могут использоваться при высоких скоростях вращения, не предполагающих частые запуски и остановы вала. В таком случае подшипник может непрерывно работать в режиме гидродинамического смазывания.
[0004] Подшипники с самоустанавливающимися вкладышами существуют как в виде гидростатических подшипников, так и в виде гидродинамических подшипников. Кроме того, подшипники с самоустанавливающимися вкладышами существуют как в виде радиальных или опорных подшипников, так и в виде аксиальных или упорных подшипников. Радиальные подшипники включают в себя самоустанавливающиеся вкладыши, размещенные через некоторый промежуток вокруг оси вала. Самоустанавливающиеся вкладыши могут быть сопряжены с корпусом подшипника таким образом, чтобы иметь возможность наклоняться относительно соответствующей оси наклона, которая может проходить параллельно оси вала. Опорные поверхности самоустанавливающихся вкладышей могут быть обращены к пространству для размещения вала, в котором должен поддерживаться вал. При эксплуатации вращающийся вал может приносить лубрикант на опорные поверхности самоустанавливающихся вкладышей за счет вязкого трения. Давление лубриканта между опорной поверхностью и валом может приводить к небольшому наклону самоустанавливающихся вкладышей относительно оси наклона вкладышей, и между валом и опорной поверхностью может формироваться клин из находящегося под давлением лубриканта. Наклон вкладышей может изменяться в зависимости от нагрузки на подшипник и скорости вращения.
[0005] Одной из проблем, связанных с гидравлическими подшипниками, как гидродинамическими, так и гидростатическими, является повышение температуры компонентов подшипника, включая вкладыши, вызванное трением. Температуры могут достигать опасных значений, особенно в условиях работы с большими скоростями вращения и/или под большими нагрузками. Для отвода тепла от подшипника может использоваться смазочная текучая среда. Охлаждение достигается за счет того, что смазочная текучая среда, такая как масло, омывает внешние поверхности вкладышей и отводит с них тепло. Однако охлаждающее масло не может проникнуть внутрь вкладышей, и поэтому достигается лишь неэффективное охлаждение.
[0006] В патенте США № 9,874,247 описаны гидравлические подшипники, имеющие самоустанавливающиеся вкладыши, внутри которых сформирована сеть из охлаждающих каналов. Вкладыши изготавливаются с применением технологий аддитивного производства. Для каждого вкладыша имеется по меньшей мере один штуцер накачки масла для подачи под давлением масла от насоса в сеть охлаждающих каналов. Использование штуцера накачки масла усложняет конструкцию подшипника и требует охлаждающих каналов большого сечения. Большое сечение каналов требует наличия поддерживающих структур внутри каналов для защиты от сминания каналов в условиях работы под большими нагрузками. Поддерживающие структуры внутри каналов уменьшают циркуляцию охлаждающего масла по охлаждающим каналам и дополнительно усложняют конструкцию подшипника.
[0007] В документах EP3236090 и EP3236094 описан подшипник для газовой турбины, содержащий вкладыши подшипника. Каждый вкладыш подшипника включает в себя по меньшей мере одно входное отверстие для газа и множество выходных отверстий для газа, выполненных на внутренней поверхности вкладыша. Входное отверстие для газа находится в сообщении по текучей среде с множеством выходных отверстий для газа через сформированный внутри вкладыша газораспределительный лабиринт. Газ подается во вкладыши подшипника через выполненное на корпусе подшипника входное отверстие для газа, которое соединено по текучей среде с внешним источником газа. Газ, подаваемые от источника газа через выходные отверстия для газа, обеспечивает функцию поддержки нагрузки для подшипника. Таким образом, работа подшипника оказывается зависящей от наличия внешнего источника газа.
[0008] Аналогичная конструкция описана в WO2018/077884 и US2002/0051592. В обеих этих публикациях текучая среда подается через входное отверстие для текучей среды от внешнего источника текучей среды.
[0009] В помянутых выше публикациях предшествующего уровня техники текучая среда, протекающая по сформированным в вкладышах каналам, непосредственно подается в каналы внешним источником.
[0010] В US2016/0265590 описаны подшипник и соответствующие вкладыши подшипника, причем во вкладышах подшипника имеются каналы, проходящие от первого, входного, отверстия ко второму, выходному, отверстию. Для того чтобы облегчить циркуляцию текучей среды по каналам, их входные отверстия выполнены на опорной поверхности вкладыша, т.е. на обращенной к вращающемуся валу поверхности, и образуют там капиллярный канал, в котором создается давление текучей среды. Это давление текучей среды поддерживает вращающийся вал без контакта между валом и опорной поверхностью. Таким образом циркуляция текучей среды в каналах не требует соединения с внешним источником текучей среды. Напротив, требуемый для обеспечения циркуляции текучей среды по каналам гидравлический напор обеспечивается перепадом давления между опорной поверхностью и обратной поверхностью вкладыша.
[0011] Хотя описанный в документе US2016/0265590 подшипник дает преимущество независимости от внешнего источника текучей среды, уход жидкости для смазки подшипника в каналы с опорной поверхности отрицательно сказывается на общей нагрузочной способности подшипника. Поступление текучей среды через входное отверстие канала снижает давление текучей среды в капиллярном канале между опорной поверхностью и вращающимся валом.
[0012] Соответственно будет полезным предложить гидравлический подшипник с эффективной схемой охлаждения вкладышей, а также способ для его изготовления и использования.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] В настоящем документе описан гидравлический подшипник, например гидродинамический подшипник, для поддержания вала, вращающегося вокруг оси подшипника, и включающий конструкцию корпуса и множество вкладышей, непосредственно или опосредованно соединенных, например сопряженных, с конструкцией подшипника. В некоторых вариантах осуществления вкладыши представляют собой самоустанавливающиеся вкладыши. Каждый вкладыш включает в себя опорную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с вращающимся валом, который поддерживается подшипником, и противоположную заднюю поверхность, обращенную к конструкции корпуса. Между конструкцией корпуса и пространством для размещения вала имеется объем для смазочной текучей среды. При эксплуатации объем для смазочной текучей среды заполняется циркулирующей в нем смазочной текучей средой. Для улучшения отвода тепла от подшипника каждый вкладыш включает в себя множество охлаждающих микроканалов. Каждый охлаждающий микроканал имеет входной конец и выходной конец, находящиеся в сообщении по текучей среде с объемом для смазочной текучей среды. Охлаждающие микроканалы ориентированы таким образом, что циркуляция смазочной текучей среды в объеме для смазочной текучей среды облегчает течение смазочной текучей среды через охлаждающие микроканалы.
[0014] Вход микроканалов находится на передней стороне вкладыша, а не на его опорной поверхности. Было неожиданно обнаружено, что такое расположение обеспечивает циркуляцию текучей среды через микроканалы без снижения нагрузочной способности подшипника.
[0015] Смазочная текучая среда, циркулирующая в охлаждающих микроканалах, обеспечивает эффективный отвод тепла. Внешний насос для смазочной текучей среды для прокачки смазочной текучей среды через охлаждающие микроканалы не требуется
[0016] В настоящем документе также описана роторная машина, включающая в себя: корпус; ротор, выполненный с возможностью вращения внутри корпуса и поддерживаемый по меньшей мере одним гидравлическим подшипником согласно приведенному выше определению.
[0017] В соответствии с дополнительным аспектом в настоящем документе описан способ эксплуатации гидравлического подшипника с выполненными в нем охлаждающими микроканалами согласно приведенному выше описанию. Способ включает в себя этап вращения вала в пространстве для размещения вала подшипника при одновременной подаче смазочной текучей среды между конструкцией корпуса и вращающимся валом таким образом, чтобы создать гидродинамический смазочный клин между опорной поверхностью вкладышей и поверхностью вала. Способ дополнительно включает в себя этап принудительной циркуляции смазочной текучей среды через охлаждающие микроканалы. Циркуляция смазочной текучей среды обеспечивается и поддерживается воздействием вращающегося вала.
[0018] В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящее описание относится к способу изготовления подшипника для поддержания вала, вращающегося вокруг оси, причем подшипник включает в себя множество вкладышей, при этом каждый вкладыш сопряжен с конструкцией корпуса и включает опорную поверхность. Способ включает в себя этап изготовления вкладышей с применением технологий аддитивного производства с получением множества проходящих в них охлаждающих микроканалов и имеющих входной конец и выходной конец на внешних поверхностях вкладышей.
[0019] Дополнительные аспекты, преимущества и признаки настоящего описания станут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и сопроводительных чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0020] Для более подробного понимания описанных выше признаков настоящего изобретения можно рассмотреть более конкретное описание изобретения, кратко суммированного выше, со ссылкой на варианты осуществления. Сопроводительные чертежи относятся к вариантам осуществления настоящего изобретения и описаны ниже. Некоторые варианты осуществления представлены на чертежах и более подробно разъяснены в нижеследующем описании. В графических материалах показано следующее.
На Фиг. 1 представлен вид в горизонтальной проекции упорного подшипника в соответствии с настоящим описанием вдоль линии I-I на Фиг. 2;
На Фиг. 2 представлен вид сбоку упорного подшипника, изображенного на Фиг. 1, вдоль линии II-II на Фиг. 1;
На Фиг. 3 представлен вид сверху некоторых самоустанавливающихся вкладышей упорного подшипника, изображенного на Фиг. 1, показанных отдельно;
На Фиг. 4 представлен вид сбоку вдоль линии IV-IV на Фиг. 3;
На Фиг. 5 представлен вид сбоку вдоль линии V-V на Фиг. 3;
На Фиг. 6 представлен вид сбоку вдоль линии VI-VI на Фиг. 3;
На Фиг. 7 представлен вид сбоку вдоль линии VII-VII на Фиг. 3;
На Фиг. 8 представлен вид в разрезе вдоль линии V-V на Фиг. 3;
На Фиг. 9 схематически представлен вид в разрезе радиального подшипника в соответствии с настоящим описанием вдоль линии IX-IX на Фиг. 10;
На Фиг. 10 схематически представлен вид в разрезе радиального подшипника линии X-X на Фиг. 9;
На Фиг. 11 схематически представлен вид турбомашины, включающей в себя упорный подшипник и радиальный подшипник в соответствии с настоящим описанием; и
На Фиг. 12 представлена блок-схема способа эксплуатации подшипника в соответствии с настоящим описанием.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0021] В настоящем документе описан новый гидравлический подшипник с улучшенной схемой охлаждения для отвода тепла от вкладышей подшипника. Вкладыши сопряжены с конструкцией корпуса и каждый имеет опорную поверхность, обращенную к валу, который поддерживается с возможностью вращения подшипником. Нагрузка поддерживается тонким слоем находящей под давлением смазочной жидкости или газа между опорной поверхностью вкладышей и поверхностью вала. Смазочная текучая среда циркулирует во внутреннем объеме подшипника, в котором находятся вкладыши. Каждый вкладыш имеет множество охлаждающих микроканалов. Каждый охлаждающий микроканал имеет входной конец и выходной конец. Входной и выходной концы охлаждающих микроканалов выходят во внутренний объем подшипника, в котором циркулирует смазочная текучая среда, так что во время работы подшипника смазочная текучая среда принудительно циркулирует через охлаждающие микроканалы, обеспечивая эффективный отвод тепла от вкладышей. Преимуществом является изготовление вкладышей с применением технологий аддитивного производства для создания охлаждающих микроканалов требуемых размеров и формы. Более конкретно, входное отверстие микроканалов расположены на задней боковой поверхности соответствующего вкладыша, так что циркуляция текучей среды через микроканалы не снижает давление текучей среды в капиллярном канале между вращающимся валом и опорной поверхностью вкладыша.
[0022] Было неожиданно замечено, что при формировании охлаждающих микроканалов в соответствии с приведенным в настоящем документе описанием подшипник можно эффективно охлаждать даже при использовании для изготовления вкладышей материалов с более низкими характеристиками. Согласно текущему уровню техники, для улучшения отвода тепла используются металлы с высокой теплопроводностью, такие как медь-хром. Такие материалы с высокими характеристиками являются дорогостоящими. Используя охлаждающие микроканалы в соответствии с приведенным в настоящем документе описанием, температуру вкладышей в процессе эксплуатации подшипника можно снизить при использовании материалов с более низкими характеристиками и соответственно с меньшей стоимостью, таких как сталь.
[0023] Обращаясь к чертежам, на Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 представлен первый вариант осуществления гидравлического подшипника в соответствии с настоящим описанием. В данном варианте осуществления подшипник выполнен в виде упорного подшипника 1. На Фиг. 1 показан вид в горизонтальной проекции подшипника 1, а на Фиг. 2 представлен вид подшипника 1 сбоку снаружи.
[0024] Подшипник 1 включает в себя конструкцию корпуса 3, включающую в себя кольцо, проходящее вокруг оси A-A подшипника 1. Ось подшипника A-A совпадает с осью вращения вала, поддерживаемого подшипником 1.
[0025] Множество вкладышей 5 сопряжены с конструкцией корпуса 3. В представленных вариантах осуществления вкладыши 5 представляют собой самоустанавливающиеся вкладыши и могут быть сопряжены с конструкцией корпуса 3 любым из нескольких возможных известных способов. В некоторых вариантах осуществления (не показаны) самоустанавливающиеся вкладыши 5 могут быть выполнены заедино с конструкцией корпуса 3 с применением технологий аддитивного производства, обеспечивая наличие гибкой сетки для соединения вкладышей с конструкцией корпуса 3, как описано, например, в WO2018/077884.
[0026] На Фиг. 3 представлен вид в горизонтальной проекции трех самоустанавливающихся вкладышей, показанных отдельно на виде сверху в горизонтальной проекции. Один из вкладышей показан с частично удаленным верхним слоем. На Фиг. 4, 5, 6, 7 и 8 показаны виды сбоку и вид в разрезе самоустанавливающегося вкладыша. На этих фигурах показаны детали схемы охлаждения для отвода тепла от вкладыша 5.
[0027] Каждый вкладыш 5 включает в себя по существу плоскую опорную поверхность 5.1 и заднюю поверхность 5.2, на которой предусмотрены соединительные устройства 5.3 для соединения вкладыша 5 с конструкцией корпуса 3. Каждый вкладыш 5 дополнительно включает в себя четыре боковые поверхности, более подробно показанные на Фиг. 4, 5, 6 и 7. Более конкретно, каждый вкладыш 5 включает в себя по существу плоскую переднюю боковую поверхность 5.4, проходящую в радиальном направлении, и по существу плоскую заднюю боковую поверхность 5.5, проходящую в радиальном направлении. Определения «передний» и «задний» относятся к направлению вращения вала S (Фиг.11, описанная далее), поддерживаемого подшипником, и к направлению течения смазочной текучей среды в подшипнике 1. Направление вращения на чертежах указано стрелкой F. Более конкретно, передняя боковая поверхность находится ранее задней боковой поверхности в отношении течения смазочной текучей среды. Каждый вкладыш 5 дополнительно включает в себя по существу цилиндрическую наружную кольцевую боковую поверхность 5.6 и по существу цилиндрическую внутреннюю кольцевую боковую поверхность 5.7. Передняя боковая поверхность 5.4 и задняя боковая поверхность 5.5 проходят между внутренней кольцевой поверхностью 5.7 и наружной кольцевой поверхностью 5.6.
[0028] Опорные поверхности 5.1 вкладышей 5 ориентированы в направлении пространства для размещения вала, в котором находится вал S (Фиг. 11, описанная ниже) или его часть. Между валом S и конструкцией подшипника 3 сформирован объем для смазочной текучей среды V. Объем для смазочной текучей среды V заполнен смазочной текучей средой, такой как, например, масло. При эксплуатации вал S вращается с большой скоростью вокруг оси A-A подшипника 1 и увлекает поток смазочной текучей среды по зазору между валом S и опорными поверхностями 5.1 вкладышей 5, так что прямой контакт между внешней поверхностью вала S и вкладышами 5 отсутствует. Смазочная текучая среда течет в направлении, указанном стрелкой F, в объеме для смазочной текучей среды V под действием вязкого трения со стороны вращающегося вала S.
[0029] В гидродинамическом подшипнике, как представлено в настоящем документе, смазочная текучая среда постоянно подается в подшипник 1 внешним насосом, который не показан, так что происходит постоянный отвод и замена смазочной текучей среды. Непрерывной поток смазочной текучей среды обеспечивает эффект охлаждения.
[0030] В некоторых вариантах осуществления подшипник 1 может представлять собой гидростатический подшипник, в котором смазочная текучая среда постоянно подается в подшипник под высоким давлением для создания эффекта несущего подшипника.
[0031] Каждый вкладыш 5 может быть составлен из центрального слоя 7 и слоя покрытия 9, который образует опорную поверхность 5.1. В некоторых вариантах осуществления слой покрытия 9 может быть изготовлен из белого антифрикционного сплава или баббита и образует опорную поверхность 5.1 с малым трением. Как известно специалистам в данной области, баббит представляет собой любой из нескольких металлических сплавов, используемых для изготовления опорной поверхности гидравлического подшипника.
[0032] Центральный слой 7 может быть изготовлен из одного металла, например стали или алюминия, или может быть изготовлен из различных металлических материалов, таких как хром и медь. В некоторых вариантах осуществления различные материалы могут быть расположены последовательно с образованием многослойной структуры из материалов с различными коэффициентами теплопроводности, тем самым достигая оптимального отвода тепла.
[0033] При изготовлении вкладышей 5 с применением технологий аддитивного производства, таких как селективное лазерное плавление или лазерное спекание, центральный слой 7 можно сформировать из подслоев различных материалов, начиная с нижнего подслоя, образующего заднюю поверхность 5.2, и заканчивая последним подслоем, образующим границу раздела со слоем покрытия 9.
[0034] В каждом вкладыше 5 выполнено множество охлаждающих микроканалов 11. Каждый охлаждающий микроканал 11 имеет первый конец и второй конец, выходящие на две из боковых поверхностей соответствующего вкладыша 5. Более конкретно, как лучше показано на Фиг. 3, 4, 5, 6, 7 и 8, некоторые из охлаждающих микроканалов 11 имеют входной конец на передней боковой поверхности 5.4 и выходной конец на задней боковой поверхности 5.5. Некоторые охлаждающие микроканалы 11 имеют входной конец на передней боковой поверхности 5.4 и выходной конец на наружной кольцевой боковой поверхности 5.6. Дополнительные охлаждающие микроканалы имеют входной конец на внутренней кольцевой боковой поверхности 5.7 и выходной конец на задней боковой поверхности 5.5.
[0035] В целом входные концы охлаждающих микроканалов 11 размещены ранее их выходных концов в отношении течения смазочной текучей среды в объеме для смазочной текучей среды V, и тем самым в отношении направления вращения вала S. Кроме того, охлаждающие микроканалы 11 несколько наклонены в направлении наружу, так что входной конец каждого из охлаждающих микроканалов 11 находится на первом расстоянии от оси A-A подшипника 1, а выходной конец каждого из охлаждающих микроканалов 11 находится на втором расстоянии от оси A-A, причем второе расстояние больше первого расстояния.
[0036] В некоторых вариантах осуществления охлаждающие микроканалы 11 могут быть прямыми, как показано, например, на Фиг. 3. В некоторых вариантах осуществления охлаждающие микроканалы 11 могут иметь криволинейную формы в горизонтальной проекции. Например, каждый охлаждающий микроканал 11 может иметь форму части спирали, уложенной в плоскости, ортогональной оси A-A подшипника 1. В целом для охлаждающих микроканалов 11 предпочтительно иметь форму, которая обеспечивает, улучшает или облегчает принудительную циркуляцию по ним смазочной текучей среды в результате совместного воздействия вращающегося вала, поддерживаемого подшипником 1, и вкладышей 5 подшипника 1. Например, охлаждающие микроканалы 11 могут иметь форму дуги окружности, гиперболическую, параболическую или трехмерную форму.
[0037] В некоторых вариантах осуществления, как показано, например, на Фиг. 6 и 7, охлаждающие микроканалы 11 расположены в виде матрицы. В вариантах осуществления, представленных на сопроводительных чертежах, охлаждающие микроканалы 11 расположены в виде массива типа сетки с квадратными ячейками. В других вариантах осуществления охлаждающие микроканалы 11 могут быть расположены в виде массива типа сетки с ромбовидными ячейками. В целом охлаждающие микроканалы 11 располагают рядами-строками матрицы на постепенно увеличивающемся расстоянии от опорной поверхности 5.1 соответствующего вкладыша 5, как можно видеть, например, на Фиг. 6 и 7. Кроме того, охлаждающие микроканалы 11 могут также быть расположены рядами-столбцами матрицы на постепенно увеличивающемся расстоянии от оси подшипника A-A.
[0038] Такое матричное расположение охлаждающих микроканалов 11 приводит к эффективному охлаждению всего объема вкладыша 5.
[0039] Как показано на Фиг. 4, 5, 6, 7 и 8, охлаждающие микроканалы 11 располагают слоями. Более конкретно, охлаждающие микроканалы 11 могут быть расположены в виде множества слоев, которые параллельны друг другу и размещены один рядом с другим вдоль аксиального направления, т. е. в направлении, параллельном оси подшипника 1. охлаждающие микроканалы 11 могут дополнительно быть расположены в виде множества слоев, которые размещены рядом друг с другом в радиальном направлении, т. е. слоями, которые расположены на постепенно увеличивающемся радиальном расстоянии от оси A-A подшипника 1.
[0040] В некоторых вариантах осуществления в некоторых или всех вкладышах 5 могут быть предусмотрены посадочные места 13 для датчика температуры; см., в частности, Фиг. 5. Форма охлаждающих микроканалов 11 может быть выбрана так, чтобы они обходили вокруг посадочного места 13 без его пересечения, так чтобы поток охлаждающего лубриканта не искажал температуру, измеряемую датчиками температуры, установленными в посадочных местах 13.
[0041] Охлаждающие микроканалы 11 могут иметь круглую или предпочтительно удлиненную форму поперечного сечения, например эллиптическое поперечное сечение, как показано на Фиг. 6 и 7. В поперечном сечении охлаждающих микроканалов 11 имеется основная ось и малая ось. В особенно предпочтительных вариантах осуществления основная ось параллельна оси A-A подшипника 1, а малая ось ортогональна оси A-A подшипника 1. Такая форма увеличивает механическое сопротивление вкладыша 5 раздавливанию, а также облегчает изготовление вкладыша с применением технологий аддитивного производства, поскольку направление роста вкладыша оказывается параллельно оси A-A подшипника 1.
[0042] Размер поперечного сечения охлаждающих микроканалов 11 по большому измерению может быть малым, например в диапазоне от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 3,00 мм, предпочтительно от приблизительно 1,00 мм до приблизительно 2,50 мм. Если охлаждающий микроканал 11 имеет эллиптическое поперечное сечение, как в описываемых в настоящем документе примерах вариантов осуществления, его размер поперечного сечения по большому измерению представляет собой основную ось эллиптического поперечного сечения. Если охлаждающие микроканалы имеют круглое поперечное сечение, размером поперечного сечения по большому измерению является диаметр поперечного сечения. Диаметр может находиться в пределах указанного выше диапазона.
[0043] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления площадь поперечного сечения охлаждающих микроканалов 11 может находиться в диапазоне от приблизительно 0,2 до приблизительно 7 мм2 и предпочтительно составляет от приблизительно 0,8 до приблизительно 5 мм2.
[0044] Длина каждого охлаждающего микроканала 11 зависит от размеров вкладыша 5 и от ориентации охлаждающего микроканала 11, поскольку каждый охлаждающий микроканал проходит от одной боковой поверхности до другой боковой поверхности вкладыша, как показано в описываемых в настоящем документе примерах вариантов осуществления.
[0045] Как показано на Фиг. 4, 5, 6 и 7, охлаждающие микроканалы 11 организованы в соответствии с некоторым трехмерным мотивом, т. е. по рядам-строкам и рядам-столбцам, распределенным по радиальному направлению и по аксиальному направлению относительно оси подшипника. Шаг между соседними охлаждающими микроканалами 11 в радиальном направлении и в аксиальном направлении можно выбирать исходя из ряда соображений, среди которых - форма и размеры поперечного сечения охлаждающих микроканалов, из природы материала, используемого для изготовления вкладышей, типа используемой для аддитивного производства технологии.
[0046] Как отмечалось выше, вкладыши 5 можно изготавливать с применением технологий аддитивного производства, например используя селективное лазерное плавление или селективное лазерное спекание. Аддитивное производство позволяет получить охлаждающие микроканалы 11 требуемых формы и размеров по всей толщине вкладыша 5, так чтобы охлаждающий лубрикант мог протекать через по существу весь центральный слой 7 вкладыша 5. Охлаждение возможно и вблизи слоя покрытия 9, таким образом предотвращается или уменьшается тепловое повреждение баббита или белого антифрикционного сплава, образующего покрытие.
[0047] При эксплуатации смазочная текучая среда, которая заполняет объем для смазочной текучей среды V, принудительно прогоняется через охлаждающие микроканалы 11, заходя в них через их входные концы и выходя из них через их выходные концы. Поскольку внешним насосом для смазочной текучей среды поддерживается непрерывная циркуляция смазочной текучей среды через подшипник 1, тепло постоянно отводится смазочной текучей средой, покидающей подшипник 1, которая заменяется свежей холодной смазочной текучей средой, подаваемой из внешнего контура циркуляции и охлаждения, не показанного на чертежах и известного специалистам в данной области. Эффективное охлаждение вкладышей 5 достигается с использованием очень простой механической структуры.
[0048] Хотя на Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 представлен упорный подшипник 1 в соответствии с настоящим описанием, в других вариантах осуществления подшипник может быть выполнен в виде радиального подшипника или опорного подшипника.
[0049] Пример варианта осуществления радиального подшипника в соответствии с настоящим описанием схематически показан на Фиг. 9 и 10. Радиальный подшипник 101 включает в себя конструкцию корпуса 103, окружающую ось A-A подшипника 101. Радиальные вкладыши 105 установлены на конструкции корпуса 103 и обращены к оси A-A. Вкладыши 105 предпочтительно представляют собой самоустанавливающиеся вкладыши. Каждый вкладыш имеет опорную поверхность 105.1 и заднюю поверхность 105.2. Устройства 105.3, находящиеся на задней поверхности 105.2, обеспечивают соединение с конструкцией корпуса 103. Опорная поверхность 105.1 имеет приблизительно цилиндрическую форму для создания зазора между опорной поверхностью 105.2 и поверхностью вала (не показано на Фиг. 9 и 10), поддерживаемого с возможностью вращения в подшипнике 101.
[0050] Каждый вкладыш 105 дополнительно включает в себя переднюю боковую поверхность 105.4 и заднюю боковую поверхность 105.5. Передняя боковая поверхность 105.4 находится ранее задней боковой поверхности 105.5 в отношении направления вращения F вала, не показанного на Фиг. 9 и 10, установленного для вращения в пространстве для размещения вала 102. Передняя боковая поверхность 105.4 и задняя боковая поверхность 105.5 могут быть плоскими и могут проходить радиально относительно оси A-A подшипника 101, т. е. каждая из них может лежать в геометрической плоскости, содержащей ось A-A.
[0051] Как показано на виде в разрезе на Фиг. 9, каждый вкладыш 105 включает центральный слой 107 и слой покрытия 109. Слой покрытия 109 образует опорную поверхность 105.1 вкладыша 105.
[0052] В центральном слое 107 каждого вкладыша 105 выполнено множество охлаждающих микроканалов 111.
[0053] Охлаждающие микроканалы 111 могут быть расположены в виде матрицы, и могут быть расположены рядами-строками матрицы, параллельными оси A-A подшипника 101, и дополнительно могут быть расположены рядами-столбцами матрицы ортогонально оси A-A подшипника 101.
[0054] В некоторых вариантах осуществления, как показано на Фиг. 9, охлаждающие микроканалы 111 могут иметь входной конец на передней боковой поверхности 105.4 и выходной конец на задней боковой поверхности 105.5. Охлаждающие микроканалы 111 могут иметь дугообразную форму, обходящую вокруг оси A-A подшипника 101. В других вариантах осуществления, не показанных на чертежах, по меньшей мере часть охлаждающих микроканалов 111 может иметь входной конец на передней боковой поверхности 105.4 и выходной конец на задней поверхности 105.2 вкладыша 105.
[0055] В целом ориентация охлаждающих микроканалов 111 такова, что смазочная текучая среда, циркулирующая в объеме для смазочной текучей среды между конструкцией корпуса 103 и валом S (не показано на Фиг. 9 и 10), принудительно прокачивается через охлаждающие микроканалы 111, поступая через их входные концы и выходя через их выходные концы.
[0056] Вкладыши 105 можно изготовить с применением технологий аддитивного производства, как описано выше в связи с вкладышами 5. Направление роста при этом может быть параллельно направлению оси A-A подшипника 101. Таким образом, охлаждающие микроканалы 111 могут иметь поперечное сечение круглой или эллиптической формы, при этом основная ось параллельна направлению оси A-A.
[0057] В некоторых вариантах осуществления в одном, нескольких или во всех вкладышах 105 может быть предусмотрено посадочное место для датчика температуры (не показано) аналогично описанному выше упорному подшипнику 1. Форма охлаждающих микроканалов 111 может быть выбрана так, чтобы они обходили вокруг посадочного места для датчика температуры без его пересечения, так чтобы поток охлаждающего лубриканта не искажал температуру, измеряемую датчиками температуры.
[0058] На Фиг. 11 схематически представлен вид турбомашины 201, включающей в себя корпус 203 и ротор 205, размещенный с возможностью вращения в корпусе 203 для вращения внутри него. Вал S ротора 205 поддерживается подшипниками, по меньшей мере один из которых имеет конструкции в соответствии с настоящим описанием. В варианте осуществления, представленном на Фиг. 11, показаны два опорных или радиальных подшипника 101 и один упорный подшипник 1.
[0059] В процессе работы вращение вала S в подшипниках 1, 101 вызывает циркуляцию смазочной текучей среды через охлаждающие микроканалы 11 и 111, тем самым обеспечивая отвод тепла от вкладышей 5, 105. На Фиг. 12 представлена блок-схема способа эксплуатации подшипников 1 и 101 турбомашины 201.
[0060] В описанных выше вариантах осуществления обсуждались охлаждающие микроканалы, имеющие гладкую внутреннюю поверхность и круглое или эллиптическое поперечное сечение. Для повышения тепловой эффективности подшипника с точки зрения отвода тепла можно использовать и другие формы поперечного сечения. Благодаря применению технологий аддитивного производства для изготовления вкладышей подшипника охлаждающим микроканалам можно придать практически любую форму. Например, охлаждающие микроканалы с многолепестковым сечением могут дать выигрыш в терминах увеличения площади поверхности теплообмена и снижения перепада давления. Сечение охлаждающих микроканалов может быть постоянным или может варьироваться при движении по каналу. Например, некруглое сечение может поворачиваться вокруг оси охлаждающего микроканала.
[0061] Хотя вышеизложенное относится к вариантам осуществления настоящего изобретения, другие и дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть разработаны без отступления от основного объема изобретения, а объем изобретения определяется последующими пунктами формулы изобретения.
[0062] Различные варианты осуществления настоящего изобретения содержатся в одном или более из следующих пунктов, которые могут комбинироваться любым удобным образом, за исключением явно оговоренных в них ограничений:
Пункт 1) Подшипник для поддержания вала, вращающегося вокруг оси подшипника, причем подшипник содержит конструкцию корпуса и множество вкладышей; при этом каждый вкладыш сопряжен с конструкцией корпуса подшипника и содержит опорную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с вращающимся валом, который поддерживается подшипником; причем между конструкцией корпуса и пространством для размещения вала имеется объем для смазочной текучей среды; при эксплуатации объем для смазочной текучей среды заполняется циркулирующей в нем смазочной текучей средой; при этом каждый вкладыш содержит множество охлаждающих микроканалов; причем каждый охлаждающий микроканал имеет входной конец и выходной конец, находящиеся в сообщении по текучей среде с объемом для смазочной текучей среды; и при этом указанные охлаждающие микроканалы ориентированы таким образом, что циркуляция смазочной текучей среды в объеме для смазочной текучей среды облегчает течение смазочной текучей среды через охлаждающие микроканалы.
Пункт 2) Подшипник, содержащий корпус и множество вкладышей; причем каждый вкладыш содержит опорную поверхность, переднюю боковую поверхность и заднюю боковую поверхность; при этом каждый вкладыш дополнительно содержит множество охлаждающих микроканалов; и при этом каждый охлаждающий микроканал имеет входной конец, выведенный на переднюю боковую поверхность, и выходной конец, выведенный на заднюю боковую поверхность вкладыша.
Пункт 3) Подшипник по п. 1 или 2, причем подшипник выполнен в виде упорного подшипника; при этом опорная поверхность каждого вкладыша по существу плоская; и при этом каждый вкладыш имеет внутреннюю кольцевую боковую поверхность, наружную кольцевую боковую поверхность, радиальную переднюю боковую поверхность и радиальную заднюю боковую поверхность.
Пункт 4) Подшипник по п. 1 или 3, в котором входной конец по меньшей мере одного охлаждающего микроканала расположен вдоль передней боковой поверхности, а выходной конец указанного по меньшей мере одного охлаждающего микроканала размещен вдоль задней боковой поверхности.
Пункт 5) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором входной конец по меньшей мере одного охлаждающего микроканала расположен вдоль передней боковой поверхности, а выходной конец указанного по меньшей мере одного охлаждающего микроканала размещен вдоль наружной кольцевой боковой поверхности.
Пункт 6) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором входной конец по меньшей мере одного охлаждающего микроканала расположен вдоль внутренней кольцевой боковой поверхности, а выходной конец указанного по меньшей мере одного охлаждающего микроканала размещен вдоль задней боковой поверхности.
Пункт 7) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором входной конец каждого охлаждающего микроканала расположен на первом радиальном расстоянии от оси подшипника и выходной конец каждого охлаждающего микроканала расположен на втором радиальном расстоянии от оси подшипника, причем первое расстояние меньше второго расстояния, так что каждый охлаждающий микроканал проходит радиально от оси подшипника от входного конца к выходному концу, так что смазочная текучая среда входит в каждый охлаждающий микроканал на его входном конце и выходит на выходном конце соответствующего охлаждающего микроканала, двигаясь в радиальном направлении наружу.
Пункт 8) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором в поперечном сечении каждого вкладыша, в плоскости, содержащей ось подшипника, охлаждающие микроканалы распределены в виде матрицы, содержащей ряды-строки охлаждающих микроканалов, проходящие в радиальном направлении, причем множество указанных рядов-строк наложены друг на друга в аксиальном направлении.
Пункт 9) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором охлаждающие микроканалы распределены в виде множества параллельных слоев, размещенных один рядом с другим в радиальном направлении, причем последовательные слои охлаждающих микроканалов расположены на постепенно увеличивающемся расстоянии от оси подшипника.
Пункт 10) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором охлаждающие микроканалы распределены в виде множества параллельных слоев, размещенных один рядом с другим вдоль направления, параллельного оси подшипника.
Пункт 11) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, причем подшипник выполнен в виде радиального подшипника; при этом конструкция корпуса окружает пространство для размещения вала; причем опорная поверхность каждого вкладыша по существу цилиндрическая и окружает пространство для размещения вала; и при этом каждый вкладыш имеет переднюю боковую поверхность и заднюю боковую поверхность, проходящие параллельно оси подшипника.
Пункт 12) Подшипник по п. 11, в котором по меньшей мере один охлаждающий микроканал проходит от передней боковой поверхности к задней боковой поверхности.
Пункт 13) Подшипник по п. 11 или 12, в котором по меньшей мере один охлаждающий микроканал проходит от передней боковой поверхности к задней поверхности вкладыша.
Пункт 14) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором в поперечном сечении каждого вкладыша, в плоскости, содержащей ось подшипника, охлаждающие микроканалы распределены в виде матрицы, содержащей ряды-строки охлаждающих микроканалов, проходящие в примерно радиальном направлении, причем множество указанных рядов-строк расположены последовательно в аксиальном направлении.
Пункт 15) Подшипник по п. 14, в котором матрица соответствует сеткам с прямоугольными или ромбовидными ячейками, причем охлаждающие микроканалы расположены в узлах указанных сеток.
Пункт 16) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором указанные вкладыши изготавливают с применением технологий аддитивного производства.
Пункт 17) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором указанные охлаждающие микроканалы имеют в поперечном сечении эллиптическую форму с основной осью и малой осью, и при этом основная ось параллельна оси подшипника.
Пункт 18) Подшипник по одному или более из предшествующих пунктов, в котором каждый вкладыш имеет центральный слой и слой покрытия, причем слоя покрытия предпочтительно изготовлен из баббита или белого антифрикционного сплава; и при этом охлаждающие микроканалы выполнены в центральном слое.
Пункт 19) Роторная машина, содержащая: корпус; ротор, размещенный для вращения в корпусе и поддерживаемый по меньшей мере одним подшипником в соответствии с любым из предшествующих пунктов и предпочтительно по меньшей мере двумя радиальными подшипниками и одним упорным подшипником в соответствии с любым из предшествующих пунктов.
1. Подшипник для поддержания вала, вращающегося вокруг оси подшипника, содержащий:
конструкцию корпуса;
множество вкладышей; причем каждый вкладыш сопряжен с конструкцией корпуса и содержит: опорную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с вращающимся валом, который поддерживается подшипником; противоположную заднюю поверхность, обращенную к конструкции корпуса подшипника; радиальную переднюю боковую поверхность и радиальную заднюю боковую поверхность, при этом радиальная передняя боковая поверхность и радиальная задняя боковая поверхности проходят радиально по отношению к оси подшипника;
пространство для размещения вала;
объем для смазочной текучей среды между конструкцией корпуса и пространством для размещения вала; причем при эксплуатации объем для смазочной текучей среды заполняется циркулирующей в нем смазочной текучей средой;
в котором: каждый вкладыш содержит множество охлаждающих микроканалов; каждый охлаждающий микроканал имеет входной конец и выходной конец, находящиеся в сообщении по текучей среде с указанным объемом для смазочной текучей среды, и ориентирован таким образом, что циркуляция смазочной текучей среды в объеме для смазочной текучей среды облегчает течение смазочной текучей среды через охлаждающие микроканалы; и входной конец по меньшей мере одного из указанных охлаждающих микроканалов расположен вдоль радиальной передней боковой поверхности соответствующего вкладыша, а выходной конец - вдоль задней боковой поверхности.
2. Подшипник по п. 1, выполненный в виде упорного подшипника; причем опорная поверхность каждого вкладыша по существу плоская; и при этом каждый вкладыш имеет внутреннюю кольцевую боковую поверхность и наружную кольцевую боковую поверхность.
3. Подшипник по п. 1 или 2, в котором выходной конец указанного по меньшей мере одного охлаждающего микроканала размещен вдоль наружной кольцевой боковой поверхности.
4. Подшипник по любому из пп. 2 или 3, в котором входной конец по меньшей мере одного охлаждающего микроканала расположен вдоль внутренней кольцевой боковой поверхности, а выходной конец указанного по меньшей мере одного охлаждающего микроканала размещен вдоль задней боковой поверхности.
5. Подшипник по любому из пп. 2-4, в котором входной конец каждого охлаждающего микроканала расположен на первом радиальном расстоянии от оси подшипника, а выходной конец каждого охлаждающего микроканала расположен на втором радиальном расстоянии от оси подшипника, причем первое расстояние меньше второго расстояния, так что каждый охлаждающий микроканал проходит радиально от оси подшипника от входного конца к выходному концу, так что смазочная текучая среда входит в каждый охлаждающий микроканал на входном конце и выходит на выходном конце соответствующего охлаждающего микроканала, двигаясь в радиальном направлении наружу.
6. Подшипник по любому из пп. 2-5, в котором указанные охлаждающие микроканалы имеют одну из прямолинейной формы и спиральной формы.
7. Подшипник по любому из пп. 2-6, в котором в поперечном сечении каждого вкладыша, в плоскости, содержащей ось подшипника, охлаждающие микроканалы распределены в виде матрицы, содержащей ряды-строки охлаждающих микроканалов, проходящие в радиальном направлении, причем множество указанных рядов-строк наложены друг на друга в аксиальном направлении.
8. Подшипник по п. 7, в котором матрица соответствует сеткам с прямоугольными или ромбовидными ячейками, причем охлаждающие микроканалы расположены в узлах сеток.
9. Подшипник по п. 1, выполненный в виде радиального подшипника; причем конструкция корпуса окружает пространство для размещения вала; при этом опорная поверхность каждого вкладыша по существу цилиндрическая и окружает пространство для размещения вала; и причем передняя боковая поверхность и задняя боковая поверхность каждого вкладыша проходят параллельно оси подшипника.
10. Подшипник по п. 9, в котором указанный по меньшей мере один охлаждающий микроканал проходит от передней боковой поверхности к задней боковой поверхности или задней поверхности вкладыша.
11. Подшипник по п. 9 или 10, в котором указанный по меньшей мере один охлаждающий микроканал проходит от передней боковой поверхности к задней поверхности вкладыша, дополнительно содержащий по меньшей мере один дополнительный микроканал, проходящий от передней боковой поверхности к задней боковой поверхности.
12. Подшипник по любому из предшествующих пунктов, в котором в поперечном сечении каждого вкладыша, в плоскости, содержащей ось подшипника, охлаждающие микроканалы распределены в виде матрицы, содержащей ряды-строки охлаждающих микроканалов, проходящие в примерно радиальном направлении, причем множество указанных рядов-строк расположены последовательно в аксиальном направлении.
13. Подшипник по п. 12, в котором матрица соответствует сеткам с прямоугольными или ромбовидными ячейками, причем охлаждающие микроканалы расположены в узлах сеток.
14. Подшипник по любому из предшествующих пунктов, в котором указанные вкладыши изготавливают с применением аддитивных технологий.
15. Подшипник по любому из предшествующих пунктов, в котором указанные охлаждающие микроканалы имеют в поперечном сечении эллиптическую форму с основной осью и малой осью, и при этом основная ось параллельна оси подшипника.
16. Подшипник по любому из предшествующих пунктов, в котором каждый вкладыш имеет центральный слой и слой покрытия, причем слой покрытия предпочтительно изготовлен из баббита или белого антифрикционного сплава; и при этом охлаждающие микроканалы выполнены в центральном слое.
17. Роторная машина, содержащая: корпус; ротор, размещенный для вращения в корпусе и поддерживаемый по меньшей мере одним подшипником в соответствии с любым из предшествующих пунктов.
18. Способ эксплуатации подшипника по любому из пп. 1-16, в котором вал поддерживается с возможностью вращения в пространстве для размещения вала подшипника, включающий:
вращение вала в пространстве для размещения вала при одновременной подаче смазочной текучей среды между конструкцией корпуса и вращающимся валом таким образом, чтобы создать гидродинамический смазочный клин между опорной поверхностью вкладышей и поверхностью вала; и
принудительную циркуляцию смазочной текучей среды через охлаждающие микроканалы.
19. Способ изготовления подшипника для поддержания вала, содержащего множество вкладышей, каждый из которых сопряжен с конструкцией корпуса и содержит опорную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с вращающимся валом, который поддерживается подшипником; противоположную заднюю поверхность, обращенную к конструкции корпуса подшипника; радиальную переднюю боковую поверхность и радиальную заднюю боковую поверхность, при этом радиальная передняя боковая поверхность и радиальная задняя боковая поверхность проходят радиально по отношению к оси подшипника, причем способ включает этап изготовления указанных вкладышей с применением аддитивных технологий с получением множества проходящих в них охлаждающих микроканалов и имеющих входной конец и выходной конец на внешних поверхностях вкладышей, при этом входной конец по меньшей мере одного из указанных охлаждающих микроканалов располагают вдоль радиальной передней боковой поверхности соответствующего вкладыша, а выходной конец - вдоль задней боковой поверхности.
