Oryginalne rozwiązania


Oryginalne łożysko ślizgowe typu Y



Praca realizowana dla:   ALSTOM Power
Zastosowanie:Turbiny parowe 78-200MW
Miejsce realizacji:A&O EXPERT

Opis problemu:
Aktualnie najczęściej stosowanym łożyskiem poprzecznym w turbinach parowych jest łożysko cytrynowe. Czasami można spotkać również łożyska cylindryczne lub łożyska wielosegmentowe, jednak należą one do zdecydowanej mniejszości. łożyska cytrynowe powstały w wyniku ewolucji łożysk ślizgowych jako odpowiedź konstruktorów na powstawanie wirów olejowych (zastosowane po raz pierwszy przez AEG w latach 30-tych ubiegłego stulecia). Powszechnie wiadomo, że w warunkach małych obciążeń i dużych prędkości obrotowych tłumienie w układzie wirnik - łożyska może zanikać, co powoduje w efekcie wystąpienie zjawiska wiru olejowego. Wir olejowy powoduje znaczne zwiększenie wartości amplitud drgań, a w granicznym przypadku nawet zniszczenie maszyny. Drgania czopa mogą również wywoływać pęknięcia zmęczeniowe stopu łożyskowego na skutek wywoływanej cyklicznie zmiennej pulsacji ciśnienia hydrodynamicznego Zastosowane w łożyskach cytrynowych dociążenie geometryczne (ang. preload) powoduje dociśnięcie czopa dodatkowym klinem smarowym i jego lepszą stabilizację


Zwiększanie wartości preload powoduje oczywiście zwiększenie siły dociskającej czop a tym samym zmniejsza drgania i oddala prawdopodobieństwo wystąpienia wiru olejowego. Z drugiej jednak strony zwiększenie preload zawsze pogarsza charakterystyki statyczne łożyska powodując zwiększenie temperatury i zmniejszenie grubości filmu. Ciągłe zwiększanie wymagań dotyczących charakterystyk statycznych i dynamicznych łożysk cytrynowych doprowadziły w końcu do sytuacji kresu możliwości ich stosowania. Osiągnięto wartości graniczne charakterystyk tych łożysk. W związku z wyczerpaniem możliwości rozwoju łożysk cytrynowych powstała potrzeba stworzenia łożyska o nowej geometrii, które mogłoby skutecznie je zastąpić w najbardziej wytężonych węzłach łożyskowych modernizowanych i nowych turbin. W miejscach tych ze względu na wymagane parametry pracy zastosowanie łożysk cytrynowych nie jest możliwe a zastąpienie ich łożyskami wielosegmentowymi (tilting pad) z reguły nie możliwe ze względu na ograniczone miejsce w korpusie o dotychczasowej konstrukcji. Oddzielną sprawą są niedogodności stosowania tych łożysk w turbinach o dużych mocach. Analizując problemy związane z powstawaniem wiru olejowego, zatarciami łożysk i nie uzyskiwaniem trwałej wytrzymałości zmęczeniowej stopu łożyskowego, podjęto badania mające na celu opracowanie nowej geometrii łożyska o korzystniejszych właściwościach zarówno statycznych jak i dynamicznych w porównaniu do dotychczas stosowanych łożysk cytrynowych.

Nowe rozwiązanie:
Przy opracowywaniu projektu nowego łożyska założono, że musi ono być tak skonstruowane, aby można je było montować zamiast łożysk cytrynowych bez zmiany sposobu podparcia panwi, średnicy gniazda czy otworów zasilania olejem. W związku z tym już na początku prac rozwojowych wyeliminowano jako potencjalne rozwiązanie łożyska wielosegmentowe ze względu na ich znacznie większe zewnętrzne wymiary promieniowe. Przed przystąpieniem do projektowania nowego łożyska przeprowadzono symulacje komputerowe zachowania łożysk ślizgowych dotychczas stosowanych w turbinach parowych. Podczas tych symulacji uzyskano informacje dotyczące wpływu poszczególnych parametrów konstrukcyjnych na charakterystyki statyczne i dynamiczne systemu wirnik- łożyska. Analizowano wpływ wartości preload, kątów opasania, luzu, l/d, lepkości oleju, kierunków obciążenia itp. Po przeprowadzeniu wszechstronnych analiz dotyczących przyczyn i skutków awarii łożysk cytrynowych narodziła się koncepcja zupełnie nowego oryginalnego łożyska wielopowierzchniowego o stałych powierzchniach ślizgowych. łożysko to ze względu na ustawienie klinów smarowych nazwano łożyskiem Y. Ideę pomysłu przedstawiono na rysunku. Nowe łożysko składa się z trzech klinów smarowych podobnie jak powszechnie znane łożysko trójklinowe symetryczne jednak ma całkowicie odmienną geometrię powierzchni ślizgowych.

Klasyczne łożysko trójpowierzchniowe łożysko Y


Najważniejszą różnicą pomiędzy klasycznymi łożyskami trójklinowymi a łożyskiem Y jest indywidualne, całkowicie niezależne ustawienie klinów smarowych. Każdy z klinów posiada inną wartość dociążenia geometrycznego. Dodatkowo środki obrotu poszczególnych klinów nie są rozmieszczone symetrycznie, co 120 stopni, ale mogą się znajdować w dowolnym położeniu. W dotychczas stosowanych łożyskach trójklinowych parametrami konstrukcyjnymi były: luz łożyskowy, wartość preload opisana średnicą położenia środków klinów (jednakowa dla wszystkich klinów), kąt opasania klinów i szerokość łożyska. W łożysku Y każdy klin jest ustawiony niezależnie (ma inną wartość preload), a dodatkowo może być niezależnie obrócony względem swojego środka obrotu. Całkowita niezależność ustawienia poszczególnych klinów powoduje, że mamy do dyspozycji nieporównywalnie więcej kombinacji ustawienia klinów w porównaniu do łożyska cytrynowego lub klasycznego trójklinowego symetrycznego. Kolejną charakterystyczną cechą łożyska Y jest umiejscowienie płaszczyzn podziału klinów symetrycznie w poziomie (tak jak cytrynowe) i symetrycznie w pionie dla górnych dwóch klinów.

Zalety nowego łożyska Y
  • łożysko Y posiada korzystniejsze własności statyczne (większa nośność, grubszy film i niższa temperatura) przy jednoczesnym poprawieniu własności dynamicznych w stosunku do łożysk cytrynowych o tej samej średnicy czopa. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu trzech klinów smarowych. Zwiększenie liczby klinów z 2 do trzech pozwala na zmniejszenie wartości preload a mimo to uzyskuje się poprawę charakterystyk dynamicznych.
  • Wprowadzenie trzech zupełnie niezależnie ustawionych klinów o różnym preload pozwala na niemal dowolne kształtowanie powierzchni ślizgowej. Zupełna dowolność kształtowania geometrii klinów smarowych pozwala na dostrojenie charakterystyk statycznych i dynamicznych łożyska do konkretnych zapotrzebowań. W bardzo szerokim zakresie można zmieniać sztywności filmu olejowego w kierunku poziomym i pionowym oraz poszczególne oddziaływanie klinów smarowych na czop.



  • Zastosowanie trzech klinów smarowych zdecydowanie zwiększyło odporność łożyska Y na zmianę kierunku działania obciążenia. W przypadku łożysk cytrynowych mocno soczewkowaty kształt luzu łożyskowego powoduje, że odchylenie kierunku działania obciążenia od pionowego powoduje gwałtowny wzrost temperatury i spadek nośności
  • Jedną z ważnych zalet nowego rozwiązanie jest możliwość stosowania w miejsce dotychczasowych łożysk cytrynowych. Jest to szczególnie istotne podczas modernizacji istniejących turbin. Również sposób montażu łożysk praktycznie nie uległ zmianie ze względu na zastosowanie klasycznej poziomej płaszczyzny podziału, jak w łożyskach cytrynowych
Aplikacje przemysłowe
Pierwsze łożysko Y zostało zastosowane w nowej turbinie ALSTOM Power w 1999 roku zdecydowanie poprawiając stan dynamiczny maszyny. Dotychczas łożysko Y zastosowano w trzech typach turbin od 70 do 230MW (średnica czopa od 350 do 400mm). Zastąpiły one łożyska cytrynowe, które nie wykazywały wystarczającej trwałości lub generowały zbyt wyskoki poziom drgań. Obecnie na ukończeniu są prace nad nowym łożyskiem, o jeszcze korzystniejszych właściwościach dynamicznych (zbliżonych do łożysk tilting pad) i łatwiejszej technologii wytwarzania. Nowe łożyska będzie można stosować dla czopów o zakresach średnic już od 70 mm, do około 500 mm.