Подшипники паровых и газовых турбин

Введение
Актуальность. При работе газотурбинной установки на вал воздействуют радиальные и осевые усилия. Для того чтобы передать усилия с вала на корпус, применяются подшипники. В зависимости от числа роторов в валопроводе и способа их соединения турбоагрегат может иметь от трех до четырнадцати опорных подшипников и один или два (чаще всего один) упорных. Опорные подшипники воспринимают и передают на детали статора радиальные нагрузки от собственных веса валопровода, от его неуравновешенных центробежных сил и расцентровок, от аэродинамических сил, возникающих в проточной части турбины и уплотнениях. Упорный подшипник воспринимает результирующее осевое усилие, действующее на валопровод турбины, и некоторые другие нагрузки.
В связи с широким распространением паровых и газотурбинных установок на практике, в настоящее время особую актуальность обрели вопросы, связанные с обеспечением высокого уровня надежности, безотказности и ресурса работы. Все это напрямую связано с составом данных установок и, особенно, с применяемыми в них подшипниками.
Цель данной работы заключается в изучении конструкции подшипников, применяемых в паровых и газовых турбогенераторов. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- изучен имеющийся материал по тематике исследования;
- рассмотрены типы подшипников, применяемые в паровых турбинах;
- рассмотрены типы подшипников, применяемые в газовых турбинах;
В ходе выполнения данных задач применялись такие методы исследования, как анализ, синтез, описание и обобщение.
В качестве объекта исследования выступают турбинные установки, а предметом исследования являются подшипники, применяемые в паровых и газовых турбинах.
1 Подшипники, применяемые в паровых турбинах
Подшипники паровой турбины являются промежуточным звеном между ее ротором и статором. Подшипники, служащие опорой для ротора, называются опорными (см. рисунок 1).
1 - шейка вала; 2 вкладыш подшипника; 3 - переливная трубка; 4 - аварийный бак; 5 - патрубок подвода масла; 6 - верхняя колодка; 7 – картер; 8 - нижние опорные колодки; 9 - подвод масла; 10 - баббитовая заливка
Рисунок 1 – Опорный подшипник [1]
Опорные подшипники предназначены для центрования ротора в радиальном направлении, восприятия веса ротора и сил, возникающих при его вращении. Опорные подшипники главных турбин работают с большими окружными скоростями, достигающими 50-65 м/сек при удельных нагрузках до 1,0-1,2 Мн/м2.
Для надежной работы к подшипникам должно непрерывно подводиться масло под давлением 0,06-0,2 Мн/м2, которое одновременно охлаждает подшипник (см. рисунок 2).
а - положение неподвижной шейки вала во вкладыше; б - распределение усилий от давления в масляном слое вкладыша с цилиндрической расточкой; 1 - центр шейки; 2 - центр вкладыша; 3 - клиновидный зазор
Рисунок 2 – Принцип работы опорного подшипника [1]
Подвод масла целесообразен с двух сторон в районе горизонтального разъема, где давление масляного слоя минимальное и масло затягивается шейкой в нижний вкладыш подшипника. По длине вкладыша масло всегда вводится посредине и растекается в обоих направлениях: отвод осуществляется с обоих концов нижнего вкладыша в сливную полость.
Опорные подшипники турбин имеют цилиндрические и шаровые опоры, в зависимости от которых они делятся соответственно на жесткие и амоустанавливающиеся (см. рисунок 3). На рисунке 4 показаны основные типы опорных подшипников.
Рисунок 3 – Внешний вид вкладыша опорного подшипника жесткого типа [2]
а - одноклиновой; б – двухклиновой; в - многоклиновой
Рисунок 4 - Основные типы опорных подшипников [2]
На рисунке 5 показан жесткий подшипник, состоящий из следующих основных частей: корпуса или стула, крышки, нижнего и верхнего вкладышей, имеющих баббитовую заливку. Для лучшего удержания баббита во вкладышах выточены продольные и поперечные канавки в форме ласточкина хвоста

. В современных подшипниках канавки заменяют спиральной нарезкой. Масло подводится в кольцевую полость и далее через холодильники к середине шейки, откуда растекается в обоих направлениях по шейке и затем стекает с концов вкладыша в сливную полость. Подшипник снабжен маслоотбойным устройством, состоящим из втулки, на концах которой расположены кольцо и выступ, и двух вкладышей, которые заводятся в крышку и стул подшипника. Просочившиеся брызги масла отводятся через отверстия в сливную полость стула. Буртики предназначены для удержания шейки ротора в случае выплавления баббита, чем будет предотвращено повреждение уплотнений и лопаточного аппарата.
1 – отверстие; 2 – кольцо; 3 – нижний вкладыш; 4 – стул; 5 – кольцевая полость; 6 – баббитовая заливка; 7 – буртики; 8 – крышки; 9 – верхней вкладыш; 10 – вкладыши; 11 выступ; 12 – втулка
Рисунок 5 – Конструкция жесткого подшипника [3]
На рисунке 6 показан самоустанавливающийся подшипник судовой турбины для сухогрузного судна. Нижняя половина обоймы прикреплена к корпусу подшипника, а верхняя - к крышке. Внутренняя поверхность обоймы сферическая. На четырех сухарях, прикрепленных к обойме винтами и имеющих также сферическую поверхность, лежат нижний и верхний вкладыши. Сферическая обойма и сухари позволяют подшипнику самоустанавливаться. Рабочая поверхность вкладышей залита тонким слоем баббита. Масло поступает под давлением по направлению вращения ротора через каналы в щель (ее назначение - обеспечить подачу масла но всей длине вкладыша); выточка во вкладышах образует специальные масляные карманы, называемые холодильниками. По каналу масло подводится к контрольному прибору подшипника. Наборные прокладки облегчают центрование подшипника по шейке ротора. Подшипник снабжен маслоотбойным щитком.
1 – нижняя часть обоймы; 2 – канал; 3 – сухари; 4 – шель; 5 – верхняя часть обоймы; 6 – нижний вкладыш; 7 – верхний вкладыш; 8 – наборные прокладки; 9 – канал; 10 – выточка; 11 – маслоотбойный щиток
Рисунок 6 – Самоустанавливающийся опорный подшипник [3]
Жесткие подшипники просты по конструкции, но быстро изнашиваются. Прогиб вала (см. рисунок 7, а) приводит к увеличению давления на концевые участки вкладышей и быстрому их износу. Самоустанавливающиеся подшипники более сложны по конструкции, по обладают возможностью самоцентрирования, что увеличивает срок их службы. Вкладыши этих подшипников (см. рисунок 7, б) имеют сферическую опорную поверхность и устанавливаются в сферической расточке корпуса подшипника. При прогибах вала подшипники занимают положение, которое им обеспечивает нормальную работу.

а б
а – жесткие подшипники; б – самоустанавливающиеся подшипники
Рисунок 7 – Установка вкладышей подшипников [3]
Упорный подшипник воспринимает на себя осевые усилия, возникающие во время работы ротора, и удерживает его в осевом направлении (см. рисунок 8).
В современных судовых турбинах применяют одно гребенчатые упорные подшипники гидродинамического типа, допускающие удельное давление до 2,7 Мн/м2. Как и опорные, упорные подшипники делятся на жесткие и самоустанавливающиеся.
Схемы образования масляного клина и действие сил на упорную подушку показаны на рисунке 9, а-в.
1, 5 – корпус вкладыша; 2 – рабочий сегмент; 3 – гребень; 4- установочный сегмент; 5 – направление вектора окружной скорости точки гребня, контактирующей с сегментом; 7 – ось турбины
Рисунок 8 – Принцип работы упорного подшипника [2]
а – исходное положение; б – поступление масла; в – состояние равновесия; 1 – гребень; 2 – упорные подушки; 3 – неподвижная обойма
Рисунок 9 - Схемы образования масляного клина [3]
При неподвижном роторе рабочая поверхность упорных подушек параллельна плоскости упорного гребня. При пуске турбины масло входит в зазор между подушкой и гребнем