PL245975B1

PL245975B1 - Active foil bearing

Info

Publication number: PL245975B1
Application number: PL432714A
Authority: PL
Inventors: Łukasz Breńkacz; Paweł Bagiński; Artur Andrearczyk
Original assignee: Instytut Masz Przeplywowych Im Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2020-01-27
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2024-11-12
Also published as: PL432714A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób zmiany geometrii łożyska foliowego w co najmniej jednym kierunku, gdzie elementem łożyska są aktuatory pomiędzy folią falistą a panwią, są regulowane niezależnie lub wspólnie w czasie pracy maszyny wirnikowej. Przedmiotem zgłoszenia jest również łożysko foliowe, które zawiera folie oraz panew, które składają się z jednej części, lub mogą być podzielone na segmenty w liczbie od dwóch do maksymalnej liczby segmentów mieszczących się na obwodzie. Przedmiot zgłoszenie przedstawiono na rysunku.The subject of the application is a method of changing the geometry of a foil bearing in at least one direction, where the bearing element is an actuator between the corrugated foil and the bushing, which are adjusted independently or jointly during the operation of the rotating machine. The subject of the application is also a foil bearing, which contains foils and a bushing, which consist of one part, or can be divided into segments in the number of two to the maximum number of segments located on the circumference. The subject of the application is shown in the drawing.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób zmiany geometrii łożyska foliowego oraz aktywne łożysko foliowe jako element podparcia wirników różnego rodzaju maszyn, w szczególności wysokoobrotowych i małogabarytowych. Aktywne łożysko foliowe charakteryzuje się możliwością zmian jego geometrii za pomocą aktuatorów (siłowników).The subject of the invention is a method of changing the geometry of a foil bearing and an active foil bearing as a support element for rotors of various types of machines, in particular high-speed and small-sized ones. The active foil bearing is characterized by the possibility of changing its geometry using actuators (actuators).

Znane są różnego rodzaju łożyska foliowe, wśród których, podobnie jak w innego rodzaju łożyskach, jedną grupę stanowią łożyska osiowe, a drugą - łożyska promieniowe. W łożyskach osiowych zespół folii przylega do tarczy oporowej będącej integralną częścią wału maszyny obrotowej, a folia falista ułożona jest prostopadle do osi wału. W łożyskach promieniowych folia falista ułożona jest równolegle do osi wału maszyny. Łożysko takie składa się z panwi zamocowanej do obudowy stanowiącej podporę oraz zespołu cienkowarstwowych folii, które znajdują się w szczelinie między wałem obrotowym i panwią. Przestrzeń pomiędzy warstwami folii i wałem wypełniona jest czynnikiem smarnym, który może stanowić gaz lub ciecz.There are various types of foil bearings known, among which, similarly to other types of bearings, one group consists of axial bearings and the other of radial bearings. In axial bearings, the foil assembly adheres to the support disc, which is an integral part of the shaft of the rotating machine, and the corrugated foil is arranged perpendicularly to the shaft axis. In radial bearings, the corrugated foil is arranged parallel to the axis of the machine shaft. Such a bearing consists of a bush attached to the housing constituting a support and a set of thin-layer foils, which are located in the gap between the rotating shaft and the bush. The space between the foil layers and the shaft is filled with a lubricant, which may be a gas or liquid.

Znane jest z europejskiego opisu patentowego EP 2375089 B1 łożysko foliowe mające cylindryczną panew, do której wprowadzony jest wał obrotowy i zespół folii pomiędzy panwią i wałem. Zespół folii składa się z trzech warstw folii ułożonych kolejno od panwi w kierunku osi wału: karbowanej folii falistej, płaskiej folii środkowej i płaskiej folii ślizgowej. Folia falista ma jeden koniec zamocowany do panwi, a drugi koniec wolny i kształt regularnej fali o amplitudzie odpowiadającej odległości między panwią i folią środkową, której grzbiety od strony panwi tworzą fałdy podpierające, a grzbiety od strony wału tworzą fałdy elastyczne. Ujawniono specjalne ukształtowanie i wzajemne usytuowanie końców folii środkowej i folii ślizgowej mocowanych do panwi i ich wolnych końców.A foil bearing is known from the European patent description EP 2375089 B1 having a cylindrical bushing into which a rotating shaft and a foil assembly are inserted between the bushing and the shaft. The foil assembly consists of three foil layers arranged successively from the bushing towards the shaft axis: a corrugated corrugated foil, a flat central foil and a flat sliding foil. The corrugated foil has one end attached to the bushing and the other free end and the shape of a regular wave with an amplitude corresponding to the distance between the bushing and the central foil, the ridges of which on the bushing side form supporting folds, and the ridges on the shaft side form elastic folds. A special shape and mutual positioning of the ends of the central foil and the sliding foil attached to the bushing and their free ends are disclosed.

Z europejskiego zgłoszenia EP 3109494 A znane jest promieniowe łożysko foliowe mające cylindryczną folię ślizgową od strony wału obrotowego oraz folię falistą pomiędzy folią ślizgową i cylindryczną panwią łożyska. Panew zaopatrzona jest na swym wewnętrznym obwodzie w specjalne środki techniczne w postaci specjalnie ukształtowanych występów, wnęk, rowków, listew, które umożliwiają mocowanie folii falistej do panwi. Folia falista składa się z jednakowych segmentów tworzących razem kształt cylindryczny, których jedne końce są mocowane do panwi. Folia falista ma kształt naprzemiennie ułożonych płaskich dolin przylegających do panwi i zakrzywionych części wierzchołkowych wypukłych w stronę folii ślizgowej i tą wypukłością będących w kontakcie z folią ślizgową. W ten sposób odcinki płaskie tworzą części podpierające tę folię na panwi, a części wypukłe stanowią elastyczne fałdy poddawane naciskowi ze strony folii ślizgowej.From the European application EP 3109494 A a radial foil bearing is known having a cylindrical sliding foil on the side of the rotating shaft and a corrugated foil between the sliding foil and the cylindrical bearing bush. The bush is provided on its inner circumference with special technical means in the form of specially shaped projections, recesses, grooves, strips, which enable the corrugated foil to be attached to the bush. The corrugated foil consists of identical segments which together form a cylindrical shape, one end of which is attached to the bush. The corrugated foil has the shape of alternating flat valleys adjacent to the bush and curved peak parts convex towards the sliding foil and with this convexity being in contact with the sliding foil. In this way the flat sections form parts supporting this foil on the bush, and the convex parts constitute elastic folds subjected to pressure from the sliding foil.

W zgłoszeniu międzynarodowym o numerze publikacji WO 2012/127998 ujawniono łożysko foliowe wyposażone folię ślizgową otaczającą z pewnym odstępem wał obrotowy, folię falistą umieszczoną na zewnętrznym obwodzie foli ślizgowej i podpierającą tę folię ślizgową oraz cylindryczną zewnętrzną obudowę, do której wewnętrznej powierzchni zamocowane są folie. Folia falista ma dwie warstwy, z których każda ma kształt naprzemiennie ułożonych części płaskich od strony zewnętrznej obudowy i części wypukłych w stronę folii ślizgowej. Ujawniono także sposób kształtowania zespołu folii ślizgowej i podwójnej folii falistej z jednego odcinka taśmy i mocowanie tego zespołu folii do obudowy.International application with publication number WO 2012/127998 discloses a foil bearing equipped with a sliding foil surrounding a rotating shaft with a certain distance, a corrugated foil arranged on the outer circumference of the sliding foil and supporting said sliding foil, and a cylindrical outer housing to the inner surface of which the foils are attached. The corrugated foil has two layers, each of which has the shape of alternating flat parts on the outer side of the housing and convex parts towards the sliding foil. Also disclosed is a method of forming an assembly of a sliding foil and a double corrugated foil from one length of tape and attaching said assembly of foils to the housing.

W polskim opisie patentowym PL 233717 opisano łożysko foliowe podpierające wał obrotowy, które składa się z cylindrycznej panwi i zespołu folii znajdującego się w przestrzeni między zewnętrzną powierzchnią wału obrotowego i wewnętrzną powierzchnią panwi. Zespół folii zawiera folię ślizgową sąsiadującą z powierzchnią wału obrotowego i co najmniej jedną folię falistą ułożoną pomiędzy folią ślizgową i panwią. Folia falista ma naprzemiennie ułożone fałdy podpierające będące w kontakcie z wewnętrzną powierzchnią panwi i fałdy elastyczne będące w kontakcie z folią ślizgową.Polish patent description PL 233717 describes a foil bearing supporting a rotary shaft, which consists of a cylindrical bush and a foil assembly located in the space between the outer surface of the rotary shaft and the inner surface of the bush. The foil assembly includes a sliding foil adjacent to the surface of the rotary shaft and at least one corrugated foil arranged between the sliding foil and the bush. The corrugated foil has alternating supporting folds in contact with the inner surface of the bush and elastic folds in contact with the sliding foil.

W typowym łożysku foliowym poprzecznym wykorzystuje się folię falistą o regularnym kształcie. Przykład złożonego łożyska foliowego przedstawiono na Fig. 1 wirnik (wał) posiada czopy łożyskowe, których liczba zależna jest od ilości zastosowanych łożysk poprzecznych. Złożenie łożyska foliowego wykonuje się w kilku etapach. Po określeniu średnicy czopa, luzu smarnego, ustala się kształt folii falistej i ilość segmentów folii falistej i gładkiej. Łożysko ma stałe charakterystyki sztywności i tłumienia dla stałej prędkości obrotowej, przy zmianie prędkości obrotowej wirnika ulegają one zmianie.In a typical radial foil bearing, a corrugated foil of regular shape is used. An example of a complex foil bearing is shown in Fig. 1. The rotor (shaft) has bearing journals, the number of which depends on the number of radial bearings used. The assembly of the foil bearing is performed in several stages. After determining the journal diameter, lubrication clearance, the shape of the corrugated foil and the number of corrugated and smooth foil segments are determined. The bearing has constant stiffness and damping characteristics for a constant rotational speed, when the rotor rotational speed changes, they change.

Przedmiotem wynalazku jest sposób zmiany geometrii łożyska foliowego w co najmniej jednym kierunku, gdzie elementem łożyska są aktuatory znajdujące się pomiędzy folią falistą a panwią, które są regulowane niezależnie lub wspólnie w czasie pracy maszyny wirnikowej.The subject of the invention is a method of changing the geometry of a foil bearing in at least one direction, wherein the bearing element comprises actuators located between the corrugated foil and the bushing, which are adjusted independently or jointly during operation of the rotating machine.

Sposób, gdzie, za pomocą aktuatorów zmienia się wielkość i kształt szczeliny smarnej.A method in which the size and shape of the lubrication gap is changed using actuators.

Sposób, gdzie podczas pracy łożyska możliwa jest zmiana parametrów łożyska takich jak współczynniki sztywności i tłumienia filmu gazowego oraz folii.A method whereby during bearing operation it is possible to change bearing parameters such as stiffness and damping coefficients of the gas film and foil.

Sposób, gdzie regulacje aktuatorów można stosować pojedynczo (tylko w jednym stopniu swobody), lub łączyć pomiędzy sobą.A method where actuator controls can be used individually (only in one degree of freedom) or combined with each other.

Przedmiotem wynalazku jest również łożysko foliowe, które zawiera folie oraz panew, która składa się z jednej części, lub może być podzielona na segmenty w liczbie od dwóch do maksymalnej liczby segmentów mieszczących się na obwodzie.The subject of the invention is also a foil bearing which comprises a foil and a bearing shell which consists of one part or can be divided into segments in a number of two to a maximum number of segments located on the circumference.

Łożysko, gdzie segmenty panwi, promień zakrzywienia oraz kąt nachylenia mogą być ruchome.A bearing where the bushing segments, radius of curvature and angle of inclination can be moved.

Łożysko, gdzie folie składają się z jednej części, lub mogą być podzielone na segmenty w liczbie od dwóch do maksymalnej liczby segmentów mieszczących się na obwodzie.A bearing where the foils consist of a single piece, or may be divided into segments ranging from two to a maximum number of segments that fit around the circumference.

Łożysko, gdzie folie stanowią zespół folii, lub mogą być zastąpione innym elementem zapewniający odpowiednie podparcie wału.A bearing where the foils constitute a foil assembly, or can be replaced by another element providing adequate shaft support.

Nowe aktywne łożysko foliowe będące przedmiotem niniejszego wynalazku, charakteryzuje się możliwościami zmian geometrii łożyska w trakcie pracy wirnika. Proponowane zmiany kształtu łożyska zmniejszają moment startowy podczas rozruchu poprzez zmniejszenie tarcia podczas rozbiegu i wybiegu. Możliwe są również zmiany charakterystyk dynamicznych wirnika (amplitudy drgań) osadzonego na łożyskach foliowych o zmiennym kształcie. Możliwa jest zmiana kilku zaproponowanych paramentów np. zmiana grubości warstw podpierających, czyli zmiana filmu smarnego lub zespołu folii. Można optymalizować (dostosować) dynamicznie łożysko do warunków pracy np. w szerokich zakresach prędkości obrotowych uwzględniających przejście przez, niekorzystne dla wirnika, prędkości rezonansowe. Poprzez zmianę geometrii panwi łożyska (całego łożyska) w trakcie pracy można płynnie zmniejszyć amplitudę drgań wirnika podczas przechodzenia przez prędkości rezonansowe. Można również optymalizować amplitudę drgań (stabilność wirnika) przy różnych prędkościach w tym przy prędkości nominalnej. Przy odpowiednim monitorowaniu parametrów możliwe jest również reagowanie (poprzez zmiany geometrii łożyska) na zmiany pochodzące z czynników zewnętrznych np. na zwiększenie się temperatury łożyska, niewyważenia wirnika lub jego amplitudy drgań.The new active foil bearing, which is the subject of this invention, is characterized by the possibility of changing the bearing geometry during rotor operation. The proposed changes in the bearing shape reduce the starting torque during start-up by reducing friction during run-up and run-down. It is also possible to change the dynamic characteristics of the rotor (vibration amplitude) mounted on foil bearings of variable shape. It is possible to change several proposed parameters, e.g. changing the thickness of the supporting layers, i.e. changing the lubricant film or foil assembly. The bearing can be dynamically optimized (adapted) to the operating conditions, e.g. in wide ranges of rotational speeds taking into account passing through resonance speeds that are unfavorable for the rotor. By changing the geometry of the bearing bush (the entire bearing) during operation, the amplitude of rotor vibrations can be smoothly reduced when passing through resonance speeds. It is also possible to optimize the vibration amplitude (rotor stability) at different speeds, including the nominal speed. With proper monitoring of parameters it is also possible to respond (by changing the bearing geometry) to changes resulting from external factors, e.g. an increase in bearing temperature, rotor unbalance or its vibration amplitude.

W konwencjonalnych łożyskach foliowych zmiana kształtu panwi nie jest możliwa. Przy dużej prędkości obrotowej, jeśli dojdzie do ciągłego kontaktu między wałem a folią gładką nastąpi przetarcie tej folii, a nawet przetopienie się części materiału, który ma właściwości ślizgowe, co prowadzi do szybkiego zużycia się łożyska. Stosowanie adaptacyjnych zmian geometrii łożyska oraz jego kształtu zapobiega m.in. przecieraniu się folii w razie kontaktu wału z folią ślizgową, co zwiększy bezpieczeństwo pracy. Ponadto przy awaryjnym odstawieniu maszyny wirnikowej podpartej na łożyskach foliowych o sterowanej geometrii, istnieje możliwość zaciśnięcia czopów łożyskowych co spowoduje bardzo szybkie zatrzymanie wirnika tej maszyny.In conventional foil bearings, changing the shape of the bush is not possible. At high rotational speed, if there is continuous contact between the shaft and the smooth foil, the foil will be rubbed off, or even some of the material with sliding properties will melt, which leads to rapid wear of the bearing. The use of adaptive changes in the bearing geometry and its shape prevents, among other things, rubbing of the foil in the event of contact between the shaft and the sliding foil, which will increase work safety. In addition, in the event of an emergency shutdown of a rotating machine supported on foil bearings with controlled geometry, it is possible to clamp the bearing journals, which will cause the rotor of this machine to stop very quickly.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest:The advantage of the solution according to the invention is:

• Minimalizacja drgań przy prędkości nominalnej - poprawa właściwości dynamicznych oraz mniejszy hałas.• Minimizing vibrations at nominal speed - improved dynamic properties and less noise.

• Minimalizacja drgań przy prędkościach rezonansowych wirnika.• Minimizing vibrations at rotor resonant speeds.

• Minimalizacja drgań w szerokim zakresie prędkości obrotowych wirnika.• Minimizing vibrations over a wide range of rotor speeds.

• Kompensacja wpływu temperatury na właściwości dynamiczne.• Compensation for the influence of temperature on dynamic properties.

• Minimalizacja strat tarcia w szerokim zakresie pracy wirnika.• Minimization of friction losses in a wide range of rotor operation.

• Poprawa sprawności maszyn wirnikowych.• Improving the efficiency of rotating machinery.

• Poprawa bezpieczeństwa pracy.• Improving work safety.

• Zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych poprzez zminimalizowanie zużycia folii ślizgowej • Wydłużenie okresu pracy i zmniejszenie liczby koniecznych przeglądów.• Reduction of operating costs by minimizing the wear of the sliding foil. • Extension of the operating period and reduction of the number of necessary inspections.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: Fig. 1 - przedstawia aktywne łożysko foliowe W widoku jednej części C1, a,The subject of the invention is shown in an example of its implementation in the drawing, in which: Fig. 1 - shows an active foil bearing. In the view of one part C1, a,

Fig. 2 - przedstawia aktywne łożysko foliowe W widok 3 segmentów,Fig. 2 - shows the active foil bearing in 3-segment view,

Fig. 3 - przedstawia schemat wykresu łożyska prędkości obrotowej do amplitudy drgań, Fig. 4 - przedstawia schemat wykresu łożyska - zmniejszenie trajektorii drgań czopów łożyskowych.Fig. 3 - shows a diagram of the bearing rotational speed to vibration amplitude graph, Fig. 4 - shows a diagram of the bearing graph - reduction of the vibration trajectory of the bearing journals.

Fig. 5 i Fig. 6 - przedstawia schemat wykresu łożyska - zmniejszenie momentu tarcia w łożysku.Fig. 5 and Fig. 6 - shows a schematic diagram of the bearing - reduction of the friction torque in the bearing.

Możliwy do uzyskania efekt działania aktywnego łożyska foliowego widoczny na Fig. 3 to zmniejszenie amplitudy drgań oraz eliminacja drgań rezonansowych widocznych poprzez większą amplitudę drgań w klasycznych łożyskach foliowych.The possible effect of the active foil bearing visible in Fig. 3 is the reduction of the vibration amplitude and the elimination of resonance vibrations visible through the larger vibration amplitude in classic foil bearings.

Możliwy do uzyskania efekt zmniejszenia trajektorii drgań czopów łożyskowych przy tej samej prędkości obrotowej przed i po zastosowaniu sterowania aktywnego i klasycznego łożyska foliowego przedstawiono na Fig 4. Przy mniejszej amplitudzie drgań dla danej prędkości obrotowej straty nadłopatkowe mogą być mniejsze, co korzystnie wpłynie nie tylko na właściwości dynamiczne, ale również na inne parametry pracy takie jak sprawność, maksymalna dopuszczalna temperatura pracy łożysk itd. Z punktu widzenia obliczeń dynamicznych łożysk na zmiany trajektorii czopa łożyskowego wpływają bezpośrednio współczynniki sztywności i tłumienia filmu gazowego oraz folii. Współczynniki sztywności rozumiane jako wielkość odkształcenia w odpowiedzi na siły. Współczynniki tłumienia rozumiane jako straty energii układu drgającego.The possible effect of reducing the vibration trajectory of bearing journals at the same rotational speed before and after the application of active control and classic foil bearing is shown in Fig. 4. At a smaller vibration amplitude for a given rotational speed, the over-blade losses can be smaller, which will have a beneficial effect not only on the dynamic properties, but also on other operating parameters such as efficiency, maximum permissible bearing operating temperature, etc. From the point of view of dynamic bearing calculations, the changes in the bearing journal trajectory are directly influenced by the stiffness and damping coefficients of the gas film and foil. Stiffness coefficients understood as the amount of deformation in response to forces. Damping coefficients understood as energy losses of the vibrating system.

Możliwy do uzyskania efekt działania aktywnego łożyska foliowego widoczny na Fig. 5 to zmniejszenie momentu tarcia podczas rozruchu i pracy maszyny wirnikowej. Szczególnie duże zmiany są podczas startu takiego łożyska, ponieważ gdy wirnik nie osiągnie jeszcze prędkości obrotowej przy której wytworzy się film smarny to folie mogą być zaciśnięte na czopie wirnika. Aktywne łożyska foliowe nie wymagają tak dużego momentu rozruchowego jak w przypadku klasycznych łożysk foliowych.The effect of the active foil bearing, visible in Fig. 5, that can be achieved is a reduction of the friction torque during the start-up and operation of the rotating machine. The changes are particularly large during the start-up of such a bearing, because when the rotor has not yet reached the rotational speed at which a lubricating film is formed, the foils can be clamped on the rotor journal. Active foil bearings do not require as high a starting torque as in the case of classic foil bearings.

poz. 1 - Przedstawia klasyczne łożysko foliowe (stan techniki).item 1 - Shows a classic foil bearing (state of the art).

gdzie:Where:

- oznacza panew.- means pan.

- oznacza folię falistą zapewniającą odpowiednie warunki podparcia łożyska, czyli sztywność i tłumienie.- means a corrugated foil providing appropriate bearing support conditions, i.e. stiffness and damping.

- oznacza folię gładką zapewniającą mały współczynnik tarcia pomiędzy wałem.- denotes a smooth foil ensuring a low coefficient of friction between the shaft.

- oznacza wał.- means shaft.

D - oznacza średnicę zewnętrzną panwi d - oznacza średnicę wewnętrzną folii gładkiejD - means the outer diameter of the bush d - means the inner diameter of the smooth foil

Aktywne łożysko foliowe może składać się z jednej części (tuleja) lub też z wielu segmentów. W tym wypadku pokazano wydzielony jeden segment. Przy takiej długości segmentu na obwodzie łożyska zmieszczą się trzy segmenty przedstawione na następnym rysunku.An active foil bearing can consist of a single part (sleeve) or of multiple segments. In this case, a single segment is shown. With this segment length, three segments will fit around the bearing circumference, as shown in the next figure.

Oznaczenia figurFigure symbols

Strzałki oznaczają stopnie swobody.The arrows indicate degrees of freedom.

- oznacza panew umożliwiająca zmianę promienia krzywizny np. na skutek segmentowej bu- dowy.- denotes a bearing shell that allows the radius of curvature to be changed, e.g. due to its segmented structure.

- oznacza folię falistą zapewniająca odpowiednie warunki podparcia łożyska, czyli sztywność i tłumienie.- means a corrugated foil providing appropriate bearing support conditions, i.e. stiffness and damping.

- oznacza folię gładką zapewniająca mały współczynnik tarcia pomiędzy wałem.- means a smooth foil ensuring a low coefficient of friction between the shaft.

- oznacza wał.- means shaft.

- oznacza aktuatory umożliwiające zmiany geometrii poprzez liniowe lub obrotowe przemieszczanie elementów łożyska. Mogą to być różnego rodzaju materiały inteligentne np. materiały piezoelektryczne, materiały z pamięcią kształtu, i różne mechanizmy takie jak silniki krokowe, serwo-mechanizmy itp.- means actuators that enable changes in geometry through linear or rotational movement of bearing elements. These can be various types of intelligent materials, e.g. piezoelectric materials, shape memory materials, and various mechanisms such as stepper motors, servo mechanisms, etc.

- oznacza aktuatory umożliwiające zmiany geometrii poprzez liniowe lub obrotowe przemieszczanie elementów łożyska. Możliwa jest zmiana w kierunku promieniowym, prostopadle do niego lub poprzez zmianę kąta obrotu. Mogą to być różnego rodzaju materiały inteligentne np. materiały piezoelektryczne, materiały z pamięcią kształtu oraz mechanizmy takie jak silniki krokowe, serwo-mechanizmy i itp.- means actuators that enable changes in geometry through linear or rotational movement of bearing elements. It is possible to change in the radial direction, perpendicular to it or by changing the angle of rotation. These can be various types of intelligent materials, e.g. piezoelectric materials, shape memory materials and mechanisms such as stepper motors, servo mechanisms and etc.

W łożysku może występować zmiana średnicy 0D lub 0d, która powoduje, że łożysko może zmieniać średnicę, ale również nie musi być kołowo-cylindryczne, tylko może mieć inny kształt np. elipsy lub „cytryny”. Zmiany w kierunku prostopadłym do promienia umożliwiają przesunięcie panwi (offset).There may be a change in the diameter 0D or 0d in the bearing, which causes the bearing to change diameter, but it also does not have to be circular-cylindrical, it can only have a different shape, e.g. ellipse or "lemon". Changes in the direction perpendicular to the radius allow the bush to move (offset).

Przykład:Example:

a) Fig. 3 przedstawia zmiany sześciu stopni swobody oznaczonych strzałkami na rysunku, które będą wpływały na właściwości dynamiczne łożysk. Łożysko foliowe ze zmienną geometrią nazywane będzie aktywnym łożyskiem foliowym. Zespół folii sprężystych ma niską sztywność i dobre właściwości tłumiące. Zmiana geometrii łożyska umożliwia dostosowanie parametrów łożyska do warunków pracy.a) Fig. 3 shows the changes of the six degrees of freedom marked with arrows in the figure, which will affect the dynamic properties of the bearings. The foil bearing with variable geometry will be called an active foil bearing. The set of elastic foils has low stiffness and good damping properties. Changing the bearing geometry allows the bearing parameters to be adjusted to the operating conditions.

b) Na Fig. 2 przedstawiono jedną z trzech części aktywnego łożyska foliowego (C=1). Na kolejnym rysunki (fig. 3) widoczne jest całe złożenie.b) Fig. 2 shows one of the three parts of the active foil bearing (C=1). The next drawing (Fig. 3) shows the entire assembly.

c) Na fig. 3 przedstawiono zmiany kształtu łożyska, które mogą być dostosowane do parametrów pracy. Poprzez parametry pracy można rozumieć np. monitorowaną w łożysku amplitudę drgań lub temperaturę. Zmiana kształtu może występować w oznaczonych przez stopnie swobody kierunkach. Zastosowanie łożyska o takich właściwościach charakteryzują się zmniejszeniem zużycia powierzchni folii gładkiej i bardziej równomiernym podparciem czopa wału. Ponadto zmiana parametru d umożliwi regulacje luzu smarnego podczas pracy wirnika podpartego na aktywnych łożyskach foliowych przy zmiennych warunkach pracy wirnika. d) Fig. 3 ilustruje zmiany odległości segmentów łożyska foliowego za pomocą parametru d lub D. Parametry te mogą mieć wartość zapewniającą całkowite zaciśnięcie łożyska oraz z drugiej strony zapewnienie bardzo dużego luzu podczas pracy łożyska. Stosowanie tego rozwiązania charakteryzuje się zmniejszeniem zużycia powierzchni folii falistej oraz czopa.c) Fig. 3 shows changes in the shape of the bearing, which can be adjusted to the operating parameters. The operating parameters can be understood as, for example, the amplitude of vibrations or temperature monitored in the bearing. The change in shape can occur in the directions indicated by the degrees of freedom. The use of a bearing with such properties is characterized by reduced wear of the smooth foil surface and more uniform support of the shaft journal. In addition, changing the parameter d will allow the adjustment of the lubrication clearance during the operation of the rotor supported on active foil bearings under variable rotor operating conditions. d) Fig. 3 illustrates changes in the distance of the foil bearing segments using the parameter d or D. These parameters can have a value ensuring complete clamping of the bearing and, on the other hand, ensuring a very large clearance during the operation of the bearing. The use of this solution is characterized by reduced wear of the corrugated foil surface and the journal.

e) Parametr określający ilość segmentów oznaczono symbolem C i może on wynosić od 1 do maksymalnej ilości, która zmieści się na obwodzie panwi łożyska. Na rysunku przedstawiono łożysko z parametrem wynoszącym C = 3. Nie zależnie od wartości C w panwi zamocowane są folie bądź segmenty folii. Po złożeniu wszystkich elementów, łożysko osadzane jest na czopie. Obudowa łożyska, podobnie jak segmenty folii może być podzielona na części, ale może być też jednym elementem.e) The parameter defining the number of segments is marked with the symbol C and can range from 1 to the maximum number that will fit on the circumference of the bearing bush. The drawing shows a bearing with the parameter C = 3. Regardless of the value of C, foils or foil segments are mounted in the bush. After assembling all the elements, the bearing is mounted on the journal. The bearing housing, like the foil segments, can be divided into parts, but it can also be one element.

f) Jako efekt zmian geometrii aktywnego łożyska foliowego są zmiany parametru sterującego 0D lub 0d na skutek przemieszczeń wzdłuż opisywanych stopni swobody. W efekcie tych zmian można uzyskać różne średnice łożyska oraz kształt łożyska inny niż kołowo-cylindryczny. Łożysko tego typu charakteryzuje się zmniejszeniem zużycia powierzchni styku folii oraz lepszymi właściwościami anty wibracyjnymi, jak to pokazano np. na fig. 4.f) As a result of changes in the geometry of the active foil bearing, there are changes in the control parameter 0D or 0d due to displacements along the described degrees of freedom. As a result of these changes, it is possible to obtain different bearing diameters and a bearing shape other than circular-cylindrical. This type of bearing is characterized by reduced wear of the foil contact surface and better anti-vibration properties, as shown e.g. in Fig. 4.

Przedstawione przykłady nie obejmują wszystkich możliwych wariantów realizacji aktywnych łożysk foliowych według wynalazku. Zespół folii znajdujący się między czopem i panwią łożyska może zawierać więcej niż dwie sąsiadujące ze sobą warstwy folii. Warstwy folii mogą być zastąpione innym materiałem podatnym spełniającym podobne funkcje lub umożliwiającym zmiany geometrii łożyska. Ponadto folia falista, gładka lub panew mogą być podzielone na segmenty. Segmenty mogą być sterowane niezależnie lub wspólnie, przez co możliwe jest uzyskanie kształtu łożyska innego niż cylindryczny - np. w kształcie cytryny lub kilku fragmentów okręgów/elips. W trakcie eksploatacji aktywnego łożyska foliowego możliwa jest zmiana nie tylko średnicy łożyska, ale również jego kształtu np. z cylindrycznego na eliptyczny.The examples presented do not include all possible variants of the implementation of active foil bearings according to the invention. The foil assembly located between the journal and the bearing bush may contain more than two adjacent foil layers. The foil layers may be replaced with another flexible material fulfilling similar functions or enabling changes in the bearing geometry. In addition, the corrugated foil, smooth foil or bush may be divided into segments. The segments may be controlled independently or jointly, which makes it possible to obtain a bearing shape other than cylindrical - e.g. in the shape of a lemon or several fragments of circles/ellipses. During the operation of the active foil bearing, it is possible to change not only the bearing diameter, but also its shape, e.g. from cylindrical to elliptical.

W aktywnych łożyskach foliowych według wynalazku ujawniona zasada działania łożyska polega na zmianach geometrii łożyska dostosowanych do panujących warunków pracy wirnika osadzonego na takich łożyskach. Zmiany opisanych powyżej parametrów będą wpływały na różne charakterystyki łożyska, przede wszystkim na jego sztywność i tłumienie. Wartości te mają wpływ na właściwości dynamiczne oraz charakterystyki eksploatacyjne wirnika pracującego na takich łożyskach. W efekcie może być zmieniana i optymalizowana dynamika wirnika, moment rozruchowy, temperatura pracy. Proponowana konstrukcja łożyska wpływa jednocześnie na zwiększenie żywotności zespołu folii w łożysku. Zmiany geometrii łożyska mogą być zadawane w oparciu o dane z góry wartości, lub mogą być dobrane na podstawie odpowiednio dobranych algorytmów optymalizacji.In active foil bearings according to the invention, the disclosed principle of operation of the bearing consists in changes in the bearing geometry adapted to the prevailing operating conditions of the rotor mounted on such bearings. Changes in the parameters described above will affect various characteristics of the bearing, primarily its stiffness and damping. These values affect the dynamic properties and operating characteristics of the rotor operating on such bearings. As a result, the rotor dynamics, starting torque, and operating temperature can be changed and optimized. The proposed bearing design simultaneously increases the service life of the foil assembly in the bearing. Changes in the bearing geometry can be set based on previously given values, or can be selected based on appropriately selected optimization algorithms.

Claims

Patent Claims

1. A method of changing the geometry of a foil bearing in at least one direction, characterized in that the bearing element comprises actuators (5), (6) located between the corrugated foil (2) and the bushing (1), which are adjusted independently or jointly during operation of the rotating machine.

2. A method according to claim 1, characterized in that the size and shape of the lubrication gap are changed by means of actuators (5), (6).

3. A method according to claim 1, characterized in that during the operation of the bearing it is possible to change the bearing parameters such as the stiffness and damping coefficients of the gas film and the foil (2), (3).

4. The method according to claim 1, characterized in that the actuators (5), (6) can be adjusted individually (only in one degree of freedom) or combined with each other.

5. A foil bearing characterized in that it comprises a foil (2), (3) and a bearing shell (1) which consists of one part or can be divided into segments in the number of two to a maximum number of segments located on the circumference.

PL 245975 Β1

6. A bearing according to claim 5, characterized in that the bush segments, the radius of curvature and the angle of inclination can be moved.

7. A bearing according to claim 5, characterized in that the foils (2), (3) consist of one part or can be divided into segments in a number of two to a maximum number of segments located on the circumference.

8. A bearing according to claim 5, characterized in that the foils (2), (3) constitute a foil assembly or can be replaced by another element ensuring appropriate support of the shaft.