Provozní vlastnosti aerodynamických ložisek Dynamická viskozita běžných plynů je o 2 až 3 řády nižší než viskozita minerálních olejů při provozní teplotě. Proto také únosnost a třecí ztráty plynových ložisek stejných rozměrů jako hydrodynamická ložiska jsou o 2 až 3 řády nižší. Aerodynamická ložiska jsou proto určena pro lehké rotory pracující při velmi vysokých otáčkách, zatímco aerostatická ložiska lze použít pro o něco vyšší zatížení a neexistují pro ně žádné minimální otáčky (mohu být nulové). Nízká viskozita plynů má za následek také relativně nízké tlumení a proto je prakticky nemožné přejíždět ohybové kritické otáčky rotorů na plynových ložiskách. Rotor určený pro toto uložení musí být proto navržen jako tuhý. Na základě praktických zkušeností je třeba navrhnout rotor tak, aby 1. ohybové kritické otáčky měly odstup alespoň 60% od maximálních provozních otáček. Pokud tato podmínka není splněna a jestliže je zbytková nevyváženost rozložena podél rotoru nerovnoměrně, nastávající ohyb rotoru zvýší amplitudy kmitání v ložiskách na nepřípustnou úroveň. V některých případech nemusí být postačující ani splnění výše uvedené podmínky a pak je třeba provádět korekci 1. ohybového tvaru rotoru [1], aby bylo dosaženo přijatelných amplitud relativních kmitů. Vzhledem k tomu, že rozsah aplikací aerostatických ložisek relativně omezený a protože toto téma je předmětem jiných publikací, budeme se zde zabývat pouze návrhem a provozními vlastnostmi aerodynamických radiálních a axiálních ložisek. 1.0 Aerodynamická radiální ložiska Princip činnosti aerodynamických ložisek je stejný jako u ložisek hydrodynamických, přičemž jediný rozdíl je v mnohem nižší dynamické viskozitě plynů ve srovnání s kapalinami. Proto je pro aerodynamické uložení prakticky nemožné použít ložiska kruhového průřezu nebo citronová s ohledem na velmi špatné stabilitní vlastnosti těchto ložisek. Pro zajištění stability rotoru je proto nutno používat složitější geometrii ložisek. Pro méně náročná uložení lze použít ložiska s kapsami nebo spirálními drážkami. Ložisko se dvěma nebo třemi kapsami po obvodu (obr. 1) je modifikací citronového nebo tříplochého ložiska; místo kluzných ploch s předpětím, tj. s poloměrem větším než poloměr ložiska, kapsy mají ve skutečnosti negativní předpětí (poloměr křivosti menší než poloměr ložiska). Dvě nebo tři tlakové špičky generované po obvodu ložiska vracejí čep do středu ložiska, čímž zlepšují jeho stabilitu. Obr. 1 Ložisko se 2ma/3mi kapsami Obr. 2 Ložisko se spirálními drážkami Ložisko se spirálnímu drážkami (obr. 2) je opatřeno dvěma řadami drážek, které čerpají plyn do ložiska, čímž zvyšují únosnost a zlepšují stabilitu. Relativně dobré dynamické vlastnosti výše zmíněných typů aerodynamických ložisek jsou vykoupeny vysokými nároky na přesnost výroby, neboť ložisková vůle musí být velmi malá (obvykle jen několik mikrometrů). Provoz s tak malou vůlí může působit problémy kvůli teplotním dilatacím; v krajním případě může být vůle redukována do té míry, že dojde k zadření ložiska.
Pro aplikace charakterizované velmi vysokými otáčkami nebo náročnými provozními podmínkami je nutné používat ložiska, která mají nejen výborné dynamické vlastnosti, ale také určitou možnost adaptace na změněné podmínky. Tyto požadavky splňují dva typy ložisek, a to foliová ložiska a ložiska s naklápěcími segmenty. 1.1 Foliová ložiska Kluzná plocha foliových ložisek je tvořena jedním nebo více poddajných elementů, jejichž geometrie se může měnit působením aerodynamického tlaku generovaného v plynovém filmu. Původní typy foliových radiálních ložisek ukazují obrázky 3 a 4; v obou typech ložisek s taženou fólií nebo s ohýbanými fóliemi není tvar pracovní mezery zdaleka optimální a rozběh rotoru v takovýchto ložiskách je obtížný vzhledem ke tření fólií přitlačovaných k povrchu čepu. Obr. 3 Ložisko s taženou fólií Obr. 4 Ložisko s ohýbanou fólií Fóliová ložiska prošla relativně dlouhým vývojem a jejich provozní vlastnosti se tím značně zlepšily. Nejlepším řešením se zdá být fóliové ložisko Hydresil (obr. 5 a 6), které se skládá ze dvou fólií; jedna fólie (tzv. bump foil) zhotovená ze silnějšího materiálu je zvlněná a podpírá tenčí ložiskovou fólii, která vytváří vlastní kluznou plochu. Obě fólie se během provozu deformují tlakem generovaným v plynovém filmu a vytvářejí příznivou geometrii ložiskové mezery. Pokud dochází ke zmenšování vůle v ložisku, podpěrná fólie umožní svou pružností návrat do původního stavu. Obr. 5 Ložisko Hydresil Obr. 6 Varianta ložiska Hydresil Chvění rotoru v důsledku zbytkové nevyváženosti způsobují pohyb fólií doprovázený třením mezi podpěrnou fólií a tělesem ložiska a mezi fóliemi navzájem. Tření představuje dodatečné tlumení, které se přičítá k útlumu plynového filmu. Ložisko Hydresil má proto výborné dynamické vlastnosti, zejména s ohledem na tlumení rázů přicházejících z vnějšku. Varianta
ložiska Hydresil (obr. 6) má ložiskovou fólii vinutou několikrát kolem obvodu ložiska, čímž přináší další tlumení. Je to však právě tato tenká fólie, která je slabinou ložisek Hydresil, protože se jedná o velmi zranitelný element, jak při montáži, tak v provozu. 1.2 Ložiska s naklápěcími segmenty (LNS) Ložiska s naklápěcími segmenty mají výborné dynamické vlastnosti vyplývající z velmi malých vedlejších prvků matice tuhosti. Vedlejší prvky tuhostní matice generují tangenciální síly, které nutí čep obíhat kolem středu ložiska a tím podporují nestabilitu rotoru. Na rozdíl od ložisek s pevnými plochami, která mají vedlejší prvky tuhosti stejného řádu jako prvky hlavní, LNS mají vedlejší prvky o dva až tři řády menší než prvky hlavní. To znamená, že LNS jsou ze své podstaty stabilní a že případná nestabilita rotoru může být způsobena jedině vnějšími nestabilizujícími silami, generovanými např. v labyrintových ucpávkách. Výše uvedené skutečnosti platí jak hydrodynamická, tak pro aerodynamická ložiska. Jediný rozdíl mezi oběma typy ložisek se týká počtu segmentů; zatímco hydrodynamická ložiska mají obvykle 4 nebo 5 segmentů (vodicí ložiska hydrogenerátorů mají i 12 segmentů), aerodynamická ložiska mají obecně pouze 3 segmenty. Důvodem je nízká viskozita plynů, neboť pro vytvoření dostatečně vysokého tlaku ve filmu a dostatečné únosnosti ložiska je potřebná delší kluzná plocha ve směru proudění. Dalším důvodem je velikost ložiskové vůle, která klade vysoké nároky na přesnost výroby. Aerodynamická LNS jsou proto ve většině případů konstruována tak, aby bylo možno vůli nastavit až při montáži; vyšší počet segmentů by proces nastavování vůle velmi zkomplikoval. 1.2.1 Typické příklady konstrukce LNS Typické příklady konstrukčního provedení aerodynamických LNS jsou uvedeny v obr. 7 a 8. Obr. 7 Jednoduché LNS Obr. 8 LNS se systémem autokompenzace vůle V nejjednodušším typu LNS (obr. 7) jsou segmenty 2 uloženy na polokulovém zakončení čepů 3, jejichž polohu lze nastavit pomocí dorazů 4. Kromě ložiskové vůle ta lze nastavit i polohu segmentů v ložisku (tj. posunout střed ložiska). Vzhledem k pohybu segmentů vlivem zbytkové nevyváženosti rotoru dochází k opotřebení kontaktních ploch, což omezuje trvanlivost ložiska. Ložisko nemá žádnou schopnost adaptace na změny provozních podmínek a původně nastavená vůle se tak může výrazně změnit, pokud jsou provozní teploty rotoru a ložiska odlišné. Tato nevýhoda může být korigována systémem autokompenzace ložiskové vůle, který je používán v sofistikovanějších typech LNS.
LNS podle českého patentu (obr. 8) využívá jinou variantu ložiska, umožňující naklápění segmentu jak v obvodovém, tak v příčném směru bez nadměrného opotřebení. Segment 2 se může naklápět v obvodovém směru na čepu, uloženém ve výřezu podpěry 3, umožňující naklápění čepu v příčném směru. Protože převažující pohyb segmentu je v obvodovém směru, kdy se segment po čepu odvaluje, dochází k minimálnímu tření a opotřebení. Dva segmenty mají obvykle pevnou polohu nastavenou dorazy 5. Třetí segment, při vodorovné ose rotace obvykle horní, je opatřen systémem autokompenzace, umožňující segmentu posuv v radiálním směru v případě, že se vůle zmenšila na nebezpečně malou hodnotu. Síla, při níž se segment posune, je nastavena předpětím pružiny 7, které musí být menší než únosnost segmentu. Základní ložisková vůle a předpětí pružiny jsou nastaveny vzájemnou polohou šroubu 9 a dorazu 6. Těmito elementy lze nastavit rovněž maximální možný posuv segmentu, aby nemohlo dojít k poškození částí s malou pracovní mezerou (např. labyrintové ucpávky nebo lopatky oběžných kol). Výše popsané ložiska projevilo, kromě výborných provozních vlastností, velmi vysokou spolehlivost a dlouhou trvanlivost. Expanzní turbiny pro zkapalňování helia byly provozovány do otáček 350.000 min -1 po dobu přesahující 15.000 hodin bez jakékoli poruchy. Stejný typ byl úspěšně použit i na větších strojích, např. dmychadlech s příkonem až 9 kw a provozními otáčkami do 85.000 min -1, nebo turbodmychadle o příkonu 100kW s provozními otáčkami 18.000 min -1. Ložisko má sice výborné vlastnosti, ale jeho konstrukce je složitá a jeho výroba je relativně drahá; proto bylo hledáno jednodušší řešení s podobnými vlastnostmi. 1.2.2 LNS se segmenty podepřenými pružnými elementy Dosáhnout volného naklápění segmentu a zároveň jednoduché konstrukce není příliš snadné. Inspirace byla nalezena ve fóliových ložiskách a konečné řešení tohoto typu LNS spojuje přednosti LNS a fóliových ložisek. Princip tohoto ložiska je znázorněn v obr. 9. Obr. 9 LNS se segmenty podepřenými pružnými elementy Segmenty 2 spočívají na elastických elementech 4, které jsou zdeformovány do požadovaného tvaru šrouby 3 s maticemi 6. Rozdíl mezi vnitřním poloměrem ložiskového tělesa 1 a vnějším poloměrem segmentu zajišťuje, že se segment může volně odvalovat po vnitřním povrchu pružného elementu. Pružný element musí mít jen takové předpětí, aby únosnost segmentu byla větší než síla potřebná pro deformaci pružné podpěry. Základní vůle
ložiska je nastavena maticemi 6 tak, aby se čep mohl pohybovat v jednom směru v rozmezí daném výrobní vůlí a předpětím ložiska. Na rozdíl od fóliových ložisek je ložisková mezera určena rozdílem mezi poloměry čepu a segmentu a její tvar tak může být optimalizován. Tření mezi pružnými podpěrami a ložiskovým tělesem přispívá tlumení plynového filmu, podobně jako u fóliových ložisek. Celkový útlum je dále zvýšen také účinky vytlačování plynu (squeeze effect) z mezery mezi pružným elementem a tělesem ložiska. Ložisko s výše popsanou konstrukcí bylo úspěšně otestováno s rotorem o hmotnosti 0,3 kg do otáček přesahujících 180.000 min -1. 1.2.3 Výpočet statických a dynamických charakteristik LNS Pro výpočet provozních charakteristik LNS neexistuje žádná jednoduchá formule; řešení Reynoldsovy rovnice popisující proudění v ložiskové mezeře je nutno provést numericky. Únosnost, třecí ztráty a minimální tloušťka filmu jsou základní statické charakteristiky ložiska potřebné pro jeho návrh. Stejnou, nebo ještě větší důležitost však mají koeficienty tuhosti a útlumu, potřebné pro výpočet dynamiky rotoru. Pro hydrodynamická LNS je postačující spočítat 4 koeficienty tuhosti a 4 útlumu, zatímco pro aerodynamická ložiska může být zapotřebí 8 koeficientů tuhosti a 8 koeficientů útlumu, z nichž 4 zahrnují translační pohyb čepu a 4 naklápění čepu v ložisku. Reynoldsova rovnice pro radiální ložisko se stlačitelným médiem má tvar 2. Λ.. kde... bezrozměrná souřadnice ve směru obvodu ložiska. bezrozměrná souřadnice ve směru šířky ložiska, L šířka ložiska, bezrozměrná tloušťka filmu, c radiální vůle,, (1) Λ.., p a tlak v okolí ložiska. Rovnice (1) je zřejmě nelineární v P a pro její řešení je třeba použít nějaký způsob linearizace. Vhodnou metodou je použití substituce., čímž dostaneme.. Přestože rovnice (2) je ještě stále nelineární, lze ji řešit numericky iteračními metodami. Diskretizací rovnice (2) na pravoúhlé síti N x M bodů, tj. nahrazením derivací konečnými diferencemi,,,,,,, (3),,,, dostaneme,,,,,,,,, (2) (4) Pro ustálené řešení rovnice (4) je RHS = 0. Okrajové podmínky jsou následující,... tlak na okraji ložiska je roven tlaku v okolí, tj. 1,
, 0 0 rozložení tlaku je symetrické vzhledem ke střední rovině ložiska, (většinou stačí počítat pouze na polovině ložiska),, tlak na vstupní a výstupní hraně kluzné plochy je roven tlaku v okolí. S použitím okrajových podmínek pro rovnici (4) dostaneme maticovou rovnici..., (5) kde [A], [B], [C] čtvercové matice řádu M (M počet bodů sítě ve směru ζ,) {Q} sloupcové vektory závisle proměnné řádu M, {R} sloupcové vektory pravé strany řádu M. Okrajové podmínky jsou Q 1,j =H j 2, Q M+1,j =Q M-1,j, (6) Q i,1 =H 1 2 and Q i,n =H N 2. Jednotlivé prvky matic [A], [B], [C] a vektoru {R} jsou dány vztahy,, 2,, 1,,,,,, pro 2,, for 2,,,, 0, for 2, 1,,,,, 0 pro 1 l i-2, i+2 l M,,,,, 0,,, 0 for i l,,,, pro 2,,, pro 2,,,,, 0,,, 0 for i l,,,, 0. Rovnici (5) lze řešit tzv. sloupcovou metodou, která je velmi efektivní rychlá pro malé hodnoty M. Řešení rovnice (5) se předpokládá ve tvaru (6) kde [E j ] obecně komplexní čtvercová matice řádu M, {F j } obecně komplexní vektor řádu M. {Q j } obecně komplexní vektor závisle proměnné řádu M. V případě ustáleného řešení jsou matice [E j ] a vektory {F j },{Q j } reálné. Substitucí do vztahu (5) dostaneme rekurentní vztahy, (7) (8) Okrajová podmínka tlak okolí na vstupní hraně kluzné plochy - je splněna podmínkami [E 1 ]=0, {F j }=Q 1. Jako první krok jsou vypočteny matice [E 1 ] a vektory {F j } pro 2, 1, poté následuje výpočet vektorů{q j } pro 1,2. Výše popsaná procedura obvykle velmi rychle konverguje. Pro LNS je postačující hustota sítě 7x15 bodů. Současná generace PC umožňuje
použít mnohem vyšší počet bodů sítě, ale rozdíl ve výsledcích na síti s dvojnásobným počtem bodů je menší než 5%. Výpočet statických a dynamických charakteristik pro jedno zatížení a několik hodnot otáček trvá několik sekund. Pro LNS se segmenty podepřenými na pružných elementech je nutno vypočítat také tuhost a útlum podepření segmentu. Prvním krokem však musí být stanovení optimální tloušťky podpěrného elementu. 1.2.4 Některé výsledky výpočtu LNS Výsledky numerického řešení jsou demonstrovány na příkladu aerodynamického LNS o průměru 30 mm, které bylo použito u turbodmychadla o příkonu 6,3 kw pro výzkumné středisko CERN [2] (Obr. 10). ( 38) ( 52) Obr. 10 Turbodmychadlo s aerodynamickým uložením Rotor s maximálními provozními otáčkami 77.000 min -1 je uložen ve dvou LNS, jejichž konstrukce je popsána v odst. 1.2.1. Ložiska mají 3 segmenty s úhlovým rozpětím 110, poměrem l/d = 0,93, výrobní radiální vůli 0,045 mm a předpětí 0,5. Obr. 11 ukazuje závislost relativní výstřednosti ložiska a třecích ztrát na otáčkách. relativní výstřednost (1) 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Relativní výstřednost čepu v ložisku Fig. 11 Závislost relativní výstřednosti a třecích ztrát na otáčkách vers. speed Je zřejmé, že s rostoucími otáčkami se relativní výstřednost zmenšuje, protože únosnost segmnetu roste, zatímco třecí ztráty progresivně rostou s otáčkami. Závislost hlavních prvků tuhosti a útlumu ložiska na otáčkách ilustrují digramy na obr. Fig. 12. třecí ztráty (W) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Třecí ztráty ložiska
Závislost tuhosti na otáčkách Závislost útlumu na otáčkách 4,0E+06 1,6E+03 3,5E+06 1,4E+03 3,0E+06 1,2E+03 2,5E+06 1,0E+03 tuhost (N/m) 2,0E+06 1,5E+06 1,0E+06 útlum (N.s/m) 8,0E+02 6,0E+02 4,0E+02 5,0E+05 2,0E+02 0,0E+00 0,0E+00 Kxx Kyy Bxx Byy Fig. 12 Závislost tuhosti a útlumu LNS na otáčkách Na rozdíl od hydrodynamických LNS, aerodynamická LNS mají prvek tuhosti K xx menší než prvek K yy (souřadnice x je ve směru statického zatížení, souřadnice y je kolmá na x ve směru rotace). To je důsledek relativně velkého úhlového rozpětí segmentů, takže spodní segmenty zasahují až do horní části ložiska. Totéž platí také o hlavních prvcích útlumu B xx, B yy. Pro rotor s vertikální osou rotace jsou oba hlavní prvky tuhosti a útlumu stejné, tj. K xx = K yy, B xx = B yy. Zatímco tuhost roste téměř stále s otáčkami, útlum s rostoucími otáčkami progresivně klesá. Pro případ bez uvažování hmotnosti segmentů jsou vedlejší prvky tuhosti (K xy, K yx ) a útlumu (B xy, B yx ) nulové. Obr. 13 ukazuje průběh aerodynamického tlaku na kluzné ploše segmentu pro dvě hodnoty otáček; graf zahrnuje spodní i horní segment. Průběh tlaku ve střední rovině segmentu Únosnost segmentu p/pa (1) 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 únosnost (N) 25 20 15 10 5 1,0 0 5 10 15 20 0 číslo bodu sítě hor. segment - 20.000 spod. segment - 20.000 hor. segment - 80.000 spod. segment - 80.000 spodní segment horní segment Obr. 13 Průběh aerodynamického tlaku ve směru obvodu; únosnost segmentu v závislosti na otáčkách
Jak je zřejmé z obr. 13, aerodynamický tlak generovaný v plynovém filmu závisí na otáčkách. V důsledku stlačitelnosti plynu však není závislost na otáčkách tak strmá, jako v hydrodynamických ložiskách. Pro 4krát vyšší otáčky se tlak zvýší jen o cca 50%. Únosnost segmentu roste téměř lineárně s otáčkami, a to jak pro spodní, tak pro horní segment. V obr. 14 jsou uvedeny diagramy závislosti koeficientů tuhosti a útlumu segmentu na otáčkách. tuhost (N/m) 3,5E+06 3,0E+06 2,5E+06 2,0E+06 1,5E+06 1,0E+06 5,0E+05 Prvky tuhostní matice segmentu pro translační pohyb čepu útlum (N.s/m) 1,4E+03 1,2E+03 1,0E+03 8,0E+02 6,0E+02 4,0E+02 2,0E+02 0,0E+00 Prvky útlumové matice segmentu pro translační pohyb čepu 0,0E+00-2,0E+02 Kxx Kyx Kxy Kyy Bxx Bxy Byx Byy Obr. 14 Prvky tuhosti a útlumu segmentu (pro translační pohyb čepu) Ze srovnání obr. 12 a 14 je zřejmé, že závislost tuhosti a útlumu ložiska je podobná hlavním prvků tuhosti a útlumu segmentu K xx, B xx. Hlavní prvky K yy, B yy, stejně jako vedlejší prvky K xy, K yx, B xy, B yx jsou relativně malé. Prvky tuhosti a útlumu K ij, B ij platí pro translační pohyb čepu. Pro analýzu pohybu segmentu jsou důležité prvky tuhosti a útlumu G ij, D ij, které platí pro naklápění čepu v ložisku. Obr. 15 uvádí koeficienty tuhosti a útlumu G ij, D ij pro stejné ložisko, jako obr. 14. tuhost (N.m/rad) 1,4E+02 1,2E+02 1,0E+02 8,0E+01 6,0E+01 4,0E+01 2,0E+01 0,0E+00 Prvky tuhostní matice segmentu pro naklápění čepu Kxx Kyx Kxy Kyy útlum (N.m.s/rad) Prvky útlumové matice segmentu pro naklápění čepu 5,0E-02 4,0E-02 3,0E-02 2,0E-02 1,0E-02 0,0E+00-1,0E-02 Bxx Bxy Byx Byy Obr. 15 Prvky tuhosti a útlumu segmentu (pro naklápění čepu) Je vidět, že závislost na otáčkách je podobná, ale prvky tuhosti a útlumu pro naklápění čepu jsou o několik řádů menší než prvky pro translační pohyb čepu.
2. Aerodynamická axiální ložiska Existuje velký počet typů aerodynamických axiálních ložisek. Některé příklady jsou uvedeny v obr. 16 až 19. Obr. 16 Stupňovité axiální ložisko Obr. 17 Ložisko s naklápěcími segmenty Obr. 18 Ložisko s klínovými plochami Obr. 19 Ložisko s kapsami Všechny výše uvedené typy ložisek lze použít pro méně náročné provozní podmínky, protože s výjimkou ložisek s naklápěcími segmenty nemají žádnou možnost přizpůsobení provozním podmínkám. Pro všechny tyto typy ložisek také platí, že jejich únosnost dosahuje jen průměrných hodnot a není tedy pro některé aplikace dostatečná. Proto se stejně jako v případě radiálních ložisek soustředíme na dva typy ložisek jeden s nejlepšími možnostmi adaptace na změny provozních podmínek a druhý s maximální únosností. 2.2 Fóliová axiální ložiska Původní aerodynamické fóliové ložisko (FL) se skládalo z tenkých fólií, které byly uchyceny k pružné membráně opatřené žebry podpírajícími fólie (obr. 20). Přestože toto ložisko vykazovalo určité schopnosti adaptace na provozní podmínky, jeho funkční vlastnosti bylo možno dále zlepšovat. Fóliové axiální ložisko vyvinuté MTI (obr. 21) je stejně jako fóliové radiální ložisko opatřeno dvěma druhy fólií silnější podpěrnou zvlněnou fólií a tenčí fólií, která tvoří kluznou plochu ložiska. Tato konstrukce umožňuje, aby geometrie ložiskové mezery mohla přizpůsobit generovanému aerodynamickému tlaku a provozním podmínkám (otáčky, zatížení). Pružnost podpěrné fólie umožňuje rovněž tlumení vibrací, kterým může být stroj vystaven. Fóliové axiální ložisko Hydresil je proto vhodné pro obtížné provozní podmínky,
jeho únosnost je však relativně nízká v důsledku rozdělení kluzné plochy na několik segmentů. Na okrajích kluzné plochy tlak klesá na úroveň tlaku v okolí, takže maximální únosnost lze dosáhnout při mezidruhovém tvaru kluzné plochy ložiska. Obr. 20 Originální fóliové axiální ložisko Obr. 21 Fóliové axiální ložisko Hydresil. Obr. 22 Fotografie podpěrné fólie a částečně demontovaného ložiska [6] Obr. 22 ukazuje tvar podpěrné fólie a celé ložisko s jednou vyjmutou fólií. Podpěrná fólie může mít různou tloušťku a rozličné tvary a rozteče zvlnění, čímž lze ladit vlastnosti ložiska podle provozních podmínek. 2.2 Axiální ložisko se spirálními drážkami Nejvyšší únosnost lze dosáhnout u axiálních ložisek se spirálními drážkami obr. 23. Obr. 23 Axiální ložisko se spirálními drážkami s otvorem pro hřídel a s uzavřeným středem
Zejména ložisko s uzavřeným středem (tzv. blocked centre - obr. 23 vpravo) zajišťuje extrémně vysokou únosnost, protože plyn čerpaný dovnitř spirálními drážkami nemůže ze středu ložiska unikat. Obr. 24 ilustruje únosnost jednotlivých typů ložisek, která je charakterizována koeficientem únosnosti θ. Únosnost ložiska pak lze vypočítat podle formule kde (N), µ... dynamická viskozita plynu (Pa.s), ω... úhlová rychlost rotace (s -1 ), R 2... vnější poloměr ložiska (m), h min... minimální tloušťka filmu (m). 1 2 3 4 5 6 7 8 Obr. 24 Únosnost aerodynamických axiálních ložisek [3] Obr. 24 zahrnuje tyto typy ložisek a jejich koeficienty únosnosti θ: 1 ložisko s klínovými plochami (Michellovo), θ = 0,042, 2 stupňovité ložisko, θ = 0,047, 3 ložisko se spirálními drážkami (uzavřený střed), θ = 0,366, 4 - ložisko se spirálními drážkami čerpajícími dovnitř (s průchozím otvorem), θ = 0,125, 5 - ložisko se spirálními drážkami čerpajícími ven (s průchozím otvorem), θ = 0,085, 6 ložisko s diagonálními drážkami (herringbone grooved), θ = 0,106, 7 - ložisko se spirálními drážkami čerpajícími dovnitř (bez těsnicího kruhu), θ = 0,045, 8 polokulové ložisko se spirálními drážkami, θ = 1,106. Nehledě na extrémní únosnost polokulového ložiska, které je velmi obtížně vyrobitelné, maximální únosnost lze dosáhnout u ložiska se spirálními drážkami bez průchozího otvoru, tj. typu s uzavřeným středem. Naneštěstí oba typy ložisek bez průchozího otvoru mohou být použity jen ve velmi omezeném počtu aplikací, protože axiální síla obvykle směřuje ke kompresorovému nebo turbinovému kolu a proto musí být axiální ložisko konstruováno s průchozím otvorem Jak je zřejmé z obr. 24, nejvyšší únosnost z ložisek s průchozím otvorem má ložisko se spirálními drážkami čerpajícími dovnitř, které je proto nejrozšířenějším typem aerodynamického ložiska Ložisko tohoto typu, s vnitřním/vnějším průměrem 13,6/25 mm,
dosahovalo při otáčkách 290.000 min -1 únosnosti 55 N, což odpovídá měrnému zatížení 0,16 MPa. Pro zajištění ještě vyšší únosnosti bylo nutné vzájemně zabíhat kluzné plochy ložiska a běhounu. Po ukončení tohoto procesu však již nebylo možné stroj rozebírat, aby nebyla porušena perfektní rovnoběžnost kluzných ploch. Aerodynamická axiální ložiska pracují s extrémně tenkým plynovým filmem, v některých případech s tloušťkou filmu pod 1 µm; proto je nezbytná nejvyšší možná přesnost výroby. Pro ložiska větších rozměrů je obtížné dosáhnout potřebnou přesnost ustavení kluzných ploch ložiska a běhounu. V takových případech je nutné axiální ložisko uchytit poddajně, což je ve většině případů zajištěno kardanovým závěsem. Příklad kardanového závěsu pro axiální ložisko průměru 250 mm, navrženého pro turbodmychadlo s provozními otáčkami 18.000 min -1 je uveden v obr. 25. Obr. 25 Turbodmychadlo s aerodynamickým uložením a detail kardanového závěsu axiálního ložiska Závěr Aerodynamická ložiska jsou určena pro specifické provozní podmínky, zejména pro vysoké otáčky a malá zatížení. Příslušný stroj je třeba konstruovat již zpočátku pro aerodynamické uložení, protože rekonstrukce z jiného typu uložení je sice možná (např. turbodmychadlo v obr. 24 mělo původně keramická valivá ložiska), ale sotva tak může vzniknout optimální řešení. Aerodynamická ložiska s naklápěcími segmenty a axiální ložiska se spirálními drážkami prokázaly vysokou spolehlivost a dlouhodobou trvanlivost při provozu heliových expanzních turbin [např. 4] nebo cirkulátorů plynu [2, 5]. Nová generace fóliových ložisek (typu Hydresil) se jeví rovněž velmi slibně i pro velmi náročné aplikace, jako jsou automobilová turbodmychadla, generátory elektrického proudu nebo zařízení zajišťující chlazení, topení a udržování tlaku v kabinách letadel [např. 7]. Při režimech rozběhu a doběhu dochází v aerodynamických ložiskách ke kontaktům kluzných ploch; velmi důležitou roli proto hrají i materiálové vlastnosti, které se uplatní i při krátkodobém náhodném kontaktu kluzných ploch při provozních otáčkách. Výzkum vhodných kluzných materiálů pro segmenty, fólie a výstelky axiálních ložisek se spirálními drážkami je stejně důležitou částí jejich vývoje jako výpočet a konstrukce, ale je již mimo rozsah tohoto příspěvku.
Reference [1] Šimek, J.: Vyvažování 1. ohybového tvaru rychloběžných rotorů www.techlab.cz, sekce Kluzná ložiska a uložení rotorů - Užitečné informace [2] Šimek, J.: Konstrukce aerodynamického uložení Ar cirkulátoru o výkonu 6,3 kw. Technická zpráva TECHLAB č. 05-407. [3] Wiemer, A.: Luftlagerung. VEB Verlag Technik, Berlin, 1969 [4] Šimek, J. - Kozánek, J. - Šafr, M.: Some interesting features of gas bearings. 7th IFToMM-Conference on Rotor Dynamics, Vienna, Austria, 2006. [5] Šimek, J. - Svoboda, R.: Konstrukce aerodynamického uložení rotor cirkulátoru argonu pro výzkumné středisko CERN. Technická zpráva TECHLAB č. 00-402. [6] Dykas, B. Bruckner, R. Prahl, J: Design fabrication and performance of foil gas thrust bearings for microturbomachinery applications. NASA/TM-2008-215062. [7] Agrawal, L.: Foil air/gas bearing technology an overview. ASME publication 97-GT-347.