Использование масляных подшипников в турбодвигателях является неэффективным методом смазки. Дело в том, что при высоких температурах масло теряет свои свойства и не выполняет функций по снижению трения и защите деталей.
Около 50 лет назад был предложен способ смазывания высокоскоростных агрегатов с помощью воздуха. Для этого используются лепестковые безмасляные подшипники.
Они располагаются между ротором и корпусом микротурбин. При высоких скоростях вращения они образуют газовый зазор, предотвращающий трение и износ деталей. Это позволяет повышать производительность устройств путем увеличения верхних пределов рабочих температур и скоростей вращения, а также уменьшения габаритов установок.
Лепестковый подшипник устроен достаточно просто. Его несущую поверхность образуют несколько металлических пластин. Размер и количество деталей подбирается исходя из условий эксплуатации и необходимой геометрии воздушной подушки.
Лепестки подшипника контактируют с поверхностью вала только в моменты пуска и останова микротурбины. Для предотвращения их повреждений на низких скоростях применяют специальные антифрикционные материалы. Они образуют износостойкий слой твердой смазки, который защищает детали не менее 30 тысяч циклов запуска.
Их наносят на рабочую поверхность пластин. Защитный слой не должен превышать 25 микрометров. Например, используют покрытие MODENGY 2560 для работы при нагреве до 500 °С или MODENGY 1014 и MODENGY 1007 при более низких температурах. Инженеры занимаются разработкой покрытий для лепестковых подшипников, работающих при температуре свыше 500 °С.
Рис. 1. Внешний вид лепестков подшипников до и после нанесения антифрикционного покрытия
По мере увеличения скорости вращения турбины тонкие лепестки деформируются под воздействием давления. Это позволяет добиться равномерности газовой прослойки, которая полностью исключает контакт вала, корпуса и подшипника.
Лепестковый подшипник: достоинства и недостатки
Одним из главных преимуществ применения лепестковых подшипников является возможность полного отказа от масляной системы. Это позволяет уменьшить габариты установок почти в два раза за счет отказа от масляных насосов, фильтров, баков и других элементов оборудования. К тому же значительно повышается экологичность и пожаробезопасность агрегата.
Лепестковый подшипник также характеризуется:
- Устойчивостью к нагреву и температурным перепадам
- Стабилизирующими свойствами и вибростойкостью, способностью предотвращать вихревую неустойчивость ротора
- Длительным сроком службы – средний период работы подшипника составляет примерно 300 тысяч часов
- Низкими затратами на обслуживание – однократного нанесения антифрикционных материалов хватает на весь период эксплуатации подшипника
- Сниженным расходом топлива
- Низкая грузоподъемность газовых опор
- Высокое трение при запуске
- Малое демпфирование
- Точные допуски и необходимость детальной проработки каждого элемента
Лепестковые подшипники применяются не только в микротурбинах. Их используют в турбохолодильниках, системах кондиционирования самолетов, высокоскоростных безмасляных компрессорах систем очистки воды. По мере повышения точности изготовления и надежности работы ими смогут оснащаться авиационные турбины.