Bland roterande maskiner vars axiella belastningar bestämmer maskinens överlevnad - driver ångturbiner skalet, fartyg skjuter upp tusentals ton dragkraft från propelleraxlar, vertikala hydraulgeneratorer bär hela rotorns vikt och det hydrauliska trycket i turbinens hjul måste - överstiga en uppsättning gaskraftslager. Det måste vara en sammansättning av precisionstillverkning, monterad på en styv piedestal, som måste förankras vid basen, flytta olja, ta bort värme och hålla sig inom mikron av normal strukturell böjning.
Ett axiallager för piedestaldyna är en sådan enhet. Dess strukturella egenskaper kommer inte från någon enskild komponent, utan från hur alla dess komponenter - bashuset, kuddhållaren, tiltfodret, balanskopplingen, oljepassagerna, tätningen och sensorn - upprätthåller integriteten hos oljefilmen under hela operationen som ett system. Dessa strukturella lager beskrivs i följande kapitel.
Piedestalhuset: Grund och kuvert
Den mest uppenbara delen av ett axiallager är själva basen -, en stor gjuten eller svetsad struktur som kan utföra flera strukturella uppgifter samtidigt. För det första ger det den styva grunden för kuddhållarens montering och bult. För det andra bildar den en nedre oljetank i en själv-smörjande anordning eller upprätthåller en oljeinloppspassage i ett forcerat matningssystem. För det tredje har den axelhål med inbyggda- tätningshus. För det fjärde är en bultfläns som fäster hela lagret vid verktygsmaskinens bas eller bottenplatta.
Basen delas nästan alltid horisontellt på axelns mittlinje, så det finns en övre halva och en nedre halva förbundna med precisionsbultar och pluggstift. Denna delade design är inte bara för att underlätta produktionen - det är också för operativa ändamål. Den övre halvan kan kontrolleras för kuddar, Babbitt ytinspektion och spelrumsmätning utan att flytta skaftet eller ta bort den nedre halvan från dess fundamentfästen. Fogens yta är bearbetad för metall-till-metall-kontakt och vid behov jämnas hela längden av skarven till inom 0,025 mm. Detta säkerställer att lagerhålet förblir rundat och inriktat när halvorna sätts ihop.
Gjutjärn är ett vanligt material för underlag eftersom det dämpar vibrationer väl och behåller sin form efter att spänningen har tagits bort. Men svetsade stålpiedestaler blir allt vanligare i stora specialdesigner, där lättare vikt och snabbare leverans är viktigare. Studien i Journal of Vibration Engineering and Diagnostics visade att gjutjärnspiedestalen dämpade vibrationerna i strukturen väl i intervallet 100 till 500 Hz, vilket matchar många vanliga vibrationskällor i ångturbiner i ving- och kugghjulsingrepp. Detta fynd gör att gjutjärn kan förbli användbart samtidigt som svetsmetoderna förbättras.
Arkitektur för padsbärare och tilting pad
Inuti piedestalen är padsbärarringen monteringsramen för de aktiva lagerdelarna. Det är ett fint utformat ringstycke -, antingen solid eller delad för att matcha den horisontella anslutningen av basen - som placerar varje lutningsplatta i rätt vinkel. Det ger också en reaktionsyta som drivs av packningen och dess bärande länk.
Varje tiltdyna är en fläktformad sektion med tre funktionella områden på ytan: en inloppsvinkel eller kon i framkanten, tryck från ett sammanflöde av hydrodynamiska kilar i mitten och ett tunt-filmtryckfall i bakkanten. Kuddkroppen är vanligtvis av stål och arbetsytan är fodrad med vit metallegering - oftast tenn-baserad Babbitt som följer ASTM B23-reglerna - med en färdig tjocklek på 0,75 mm till 2,00 mm. Denna tjocklek beror på storleken på packningen och specifik belastning. Babbitt-till-stålbindningar görs genom centrifugalgjutning, statisk gjutning för-förbehandlad med tenn, eller kontinuerlig bandgjutning för tunn användning och sedan pressad.
Stödpunkten som stöder varje dyna kräver särskild uppmärksamhet eftersom det är den del som lutar dynan. Vid två-service av ett substrataxiallager är svängtappen i mitten av substratet, vilket skapar en symmetrisk tryckprofil oavsett hur axeln roterar. För envägsmaskiner, som är vanligare, rör sig pivotarna mot bakkanten, vanligtvis med 55 % till 60 % av längden på dynans båge mätt från framkanten. Detta ökar lastkapaciteten med cirka 15 % till 20 %, med samma kuddarea och hastighet som den centrala pivotdesignen. Själva pivotdelen kan vara en kula av hård stål, en cylindrisk vippstång eller en trådkontaktås. Valet beror på laststorlek och i vilken utsträckning packningen behöver lutas.
The Equalizing Linkage: Designa lastdelning
Även med exakt bearbetning är ingen tryckkrage helt platt och inget bashus är helt styvt. Om det inte finns någon lösning kommer den närmaste punkten på packningen att få mer dragkraft och misslyckas i förtid. Utjämningslänkningen - även känd som ett platt disksystem - är en strukturell lösning på detta problem.
Konceptet är mekaniskt enkelt. Varje dyna är placerad på en övre horisontell platta, som sedan trycker en nedre horisontell platta genom kontakt med en hård rocker. Närliggande topp- och bottenplåtar är förbundna med anslutningsstift som skickar rörelse från den ena till den andra. När en packning slås ner av en lokal krage, lutar dess övre platta och stiftet tvingar en närliggande nedre platta att luta åt andra hållet. Detta ökar dess matchande kuddar något och ökar belastningen. Denna kedjelutning rör sig genom hela monteringen, med alla packningar som uppnår lastbalans på flera axlar i varv.
Turbine Machinery Research Alliance vid Texas A&M Universitys Turbomachinery Research Consortium har publicerat ett antal studier om rörelsen hos utjämningsmekanismer. Deras arbete visar att friktion i vippkontakt kan bromsa balansen genom att rotera flera axlar under snabba lastförändringar. Fyndet har verkliga-implikationer: Det betyder att ett plattformsaxiallager som plötsligt ändrar last - som en fartygspropeller som slår i ett hackigt hav eller en turbin som gör ett nödstopp - kan få en kort plattformsöverbelastning innan balanseringsmekanismen kommer ikapp.
Petroleumsystemintegration i strukturer
Sockeln är inte bara en behållare för olja - den hjälper också till att transportera olja. Vid utformningen av tvångsmatning kommer olja in genom ett flänsförsett inlopp på piedestalens vägg och skickas sedan till varje basmatningspunkt genom att hälla eller borra en inre kanal i baskroppen. I änden av varje kanal finns ett munstycke eller ett hål som sprutar in kylfilterolja i ett avsmalnande gap på framsidan av den matchande dynan.
Oljedräneringsbanor är också noggrant utformade. Efter att oljan rengjort området genom packningen, kommer den uppvärmda oljan in i den nedre sockelsumpen och rinner sedan in i dräneringsfogen, som vanligtvis är på den lägsta punkten av skalet. Dräneringsledningen måste vara tillräckligt stor för att klara av allt oljeflöde så att vattennivån i poolen inte stiger till axeltätningsområdet -, en vanlig orsak till basoljeläckage som kan misstas för att tätningen inte fungerar.
För hög-hastighet eller tung användning kan piedestalen ha en vatten-kyld jacka. Dessa passager gjuts in i basväggen eller täcks av bult-paneler som för växtens kylvatten genom piedestalen. Detta drar värme direkt från oljan genom basväggen, snarare än att enbart förlita sig på extern oljekylare. APiedestal Pad axiallagerkörs hela tiden vid en specifik belastning över 2,0 MPa kan oljetemperaturen stiga med 25 grader till 35 grader över kuddarna, och kylning av piedestaljacket kan sänka detta med 8 grader till 12 grader. Detta hjälper till att bibehålla tjockleken på oljan och styrkan på filmen i bakkanten, där det är som farligast.
Axeltätningar och piedestalintegritet
En labyrint eller flytande ringtätning är installerad i huset där axeln går in i eller ut ur piedestalen för att förhindra oljeläckage. Dessa tätningar tillåter också små radiella och axiella rörelser under drift. Tätningshusen är bearbetade direkt på piedestaländväggarna och de har en registerdiameter som fokuserar dem på axeln. Labyrinttätningen använder en uppsättning cirkulära tänder och matchande spår för att skapa en lång, slingrande läckagebana. Flytande ringtätningar använder en segmenterad kol- eller Babbitt-ring som åker på en tunn oljefilm på ytan av axeln, som tätar tätare men också skapar mer friktionsmotstånd.
Utrustning och tillståndsövervakning
I strukturen för varje modernt propellerlager finns det en inbyggd-metod för att kontrollera dess tillstånd. Termoelementet eller motståndstemperaturdetektorn förs in i utvalda dynor genom hål som borrats i dynans hållare och dynans vägg, och sensorspetsarna placeras inom 1-2 mm från Babbitts löpyta. Dessa sensorer kan ge den tidigaste praktiska varningen om ett filmbrott - ett problem som kallas "avtorkning" som inträffar innan ett lager fel.
Axiella positionssonder är monterade genom stödväggen, riktade mot tryckhalsen, mäter spelrummet och spårar lång slitage på Babbitt. Den stadiga ökningen av axiell rörelse under konstant belastning gör att Babbitten blir tunnare och tunnare med tiden. Om det upptäcks tidigt kan planerade stillestånd och byte av packningar utföras snarare än akuta reparationer.
Foundation Interface och kalibrering
Bultflänsen vid basen av basen är en strukturell anslutning som ansluter basen eller botten av maskinen. Denna fläns är bearbetad platt och har ofta domkraftsskruvhål för vertikal justering under kalibrering. Bultmönstret är utformat för att bibehålla piedestalens vertikala vikt och de horisontella reaktionskrafterna som uppstår när trycket från den snurrande kragen passerar genom dynan och in i basstrukturen.
Kontrollera inriktningen mellan piedestalen och axeln innan du installerar, kontrollera sedan då och då med precisionsvisare eller laserinriktningsverktyg. Sockeln måste rikta in packningsytan i rät vinkel mot axeln, och toleransen är vanligtvis en bråkdel av tjockleken på den minsta oljefilmen - ofta 0,025 mm eller bättre i packningens mittradie. För att nå denna tolerans krävs inte bara noggrann bearbetning av piedestalen, utan också ett fundament som inte sjunker eller böjs under belastning, ett krav som återkopplas till den civila designen av maskinstödstrukturer.
Abstrakt
De strukturella egenskaperna hos drivande lager med kuddar utgör ett anslutningssystem. Basen är styv och inriktad. Bärringen placerar dynan i rätt läge. Packningen producerar en hydrodynamisk film genom dess stödpunkt och Babbitt-yta. Utjämningslänken fördelar belastningen. De interna oljekanalerna och kylhylsan styr temperaturen. Tätningar lämnar oljan inuti. Inbyggda-sensorer ger en jämn ström av hälsodata för operatörerna. Varje komponent hjälper lagren att upprätthålla en mikrometers-tunn film av olja under tonvis belastning -, en strukturell prestation som möjliggör kilowattturbiner, framdrivningssystem för djup-och industriella kompressorer som stöder modern kraftgenerering och tung tillverkning.
Hänvisning
Texas A&M Turbomachinery Research Consortium. Statisk kraftanalys och beräkningsmodell av själv-utjämnande axiallager för tiltdyna. TRC-B&C-01-19, 2020.
ASTM International. ASTM B23-20: Standardspecifikation för legeringar av vitmetalllagerlegeringar (känd kommersiellt "Babbitt-metall"). 2020.
Springer Nature. "Experimentell mätning av oljefilmens tjockleksfördelning i tilting-dynaxiallager med hjälp av ultraljudsmetoder." Journal of Vibration Engineering and Diagnostics, vol . 9, 2021.
American Society of Mechanical Engineers (ASME). Beräkning och analys av dragkraftens utjämningsbeteende för tiltdynan. ASME Turbo Expo Essays, GT2019-90504.