Как выбрать радиальные подшипники наклонной площадки экспандера для обеспечения устойчивости турбодетандера на высоких скоростях

Ключевые элементы конструкции радиальных подшипников расширителя

Как геометрия наклонной площадки обеспечивает устойчивость

Отличительной особенностью радиального подшипника с наклонной подушкой является то, что каждая колодка может свободно вращаться вокруг оси. Когда ротор вращается, колодка наклоняется до тех пор, пока сужающийся зазор между колодкой и шейкой не создает поле гидродинамического давления. Это поле давления поддерживает нагрузку. Поскольку подушка может наклоняться, масляный клин остается стабильным даже при изменении направления нагрузки. В фиксированном подшипнике клин устанавливается в соответствии с геометрией отверстия, и любое изменение условий эксплуатации может сместить минимальную толщину пленки в невыгодное положение.

Устойчивость в быстроходных детандерах зависит от подавления субсинхронной вибрации. Субсинхронная вибрация возникает, когда ротор вращается с частотой ниже рабочей скорости. Подшипник с наклонными подушками снижает этот риск, поскольку колодки не создают таких сильных поперечных сил, как подшипник скольжения. Перекрестная связь – это тенденция подшипника толкать ротор вбок, когда он смещается в одном направлении. Разрывая непрерывную масляную пленку вокруг шейки, конструкция колодок ослабляет перекрестное соединение и повышает порог, при котором начинается нестабильность.

Компромиссы зазора и предварительной нагрузки

Зазор и предварительная нагрузка являются двумя наиболее чувствительными геометрическими переменными в опорном подшипнике с наклоняемой подушкой расширителя. Зазор – это диаметральный зазор между шейкой и поверхностью колодки. Предварительный натяг — это величина, на которую отверстие колодки меньше окружности зазора в сборе. Более высокий предварительный натяг делает подшипник более жестким и может улучшить стабильность, но также повышает температуру масляной пленки и увеличивает потери мощности. Более низкая предварительная нагрузка снижает температуру, но может позволить увеличить орбиту ротора.

При обслуживании расширителей окно зазора узкое. Слишком большой зазор приведет к тому, что подшипник будет иметь толстую, но плохо центрированную пленку, вызывающую завихрение. Слишком малый зазор приводит к тому, что пленка теряет поток масла, что приводит к быстрому повышению температуры. Общепринятая отраслевая рекомендация — устанавливать предварительную нагрузку от 0,3 до 0,5 для высокоскоростных подшипников расширителя, но окончательное значение необходимо сверить с динамикой ротора, температурой подачи масла и направлением нагрузки. В таблице ниже суммированы практические эффекты.

Метод смазки: затопленный или направленный

Способ смазки напрямую влияет на потери мощности и температуру колодок в высокоскоростных расширителях. При затопленной смазке корпус подшипника заполнен маслом, а колодки погружены в воду. Такой подход обеспечивает обилие масла и хорошее охлаждение, но также создает потери на перемешивание, поскольку ротор и колодки должны проталкивать большой объем масла. При направленной смазке масло распыляется или впрыскивается непосредственно во входное отверстие колодки. Подача масла дозируется, поэтому потери при взбалтывании значительно снижаются и выделяется меньше тепла. Направленная смазка часто предпочтительна для подшипников расширителей, где скорость вращения поверхности высока и важен каждый киловатт паразитных потерь.

Выбор не всегда прост. Направленная смазка требует тщательной конструкции форсунки и фильтрации масла, поскольку засоренное отверстие может привести к истощению колодки. Заливная смазка более щадящая, но менее эффективная. Многие установки расширителей используют гибридный подход: направленная смазка нагруженных колодок и контролируемая подача жидкости на разгруженную сторону для охлаждения. В таблице ниже сравниваются два метода.