Подшипники с газовой смазкой для турбомашин

 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. И. Самсонов 
 
 
 
 
 
ПОДШИПНИКИ С ГАЗОВОЙ СМАЗКОЙ  
ДЛЯ ТУРБОМАШИН 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва     Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 
 

УДК 621.431.74 
ББК 39.455.5 
С17 
 
Р е ц е н з е н т ы :   
доктор технических наук, профессор, начальник кафедры судовых  
котельных, турбинных установок и вспомогательного энергетического  
оборудования Морского государственного университета  
имени Г. И. Невельского Л. И. Сень;  
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой судовых  
энергетических установок Дальневосточного государственного  
рыбохозяйственного университета С. В. Чехранов 
 
 
 
Самсонов, А. И.  
С17   
Подшипники с газовой смазкой для турбомашин : монография / 
А. И. Самсонов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 264 с. : 
ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1158-5 
 
Приведены общие сведения о подшипниках с газовой смазкой, рассмотрены их достоинства и недостатки, перспективы применения в турбомашинах. 
Составлены математические модели для наиболее распространённых и перспективных типов подшипников для турбомашин. Представлены результаты 
численных расчётов основных интегральных характеристик (несущей способности, жёсткости, расхода газа на смазку, момента и мощности трения) подшипников с газовой смазкой. Показаны результаты исследований, опыт проектирования и эксплуатации подшипников с газовой смазкой и турбомашин с такими подшипниками на кафедре судовых двигателей внутреннего сгорания  
и установок Дальневосточного государственного технического университета 
им. В. В. Куйбышева. 
Для инженеров-механиков, владеющих методикой проектирования, производства и эксплуатации современных узлов трения. Может быть полезно специалистам, занимающимся разработкой турбомашин. 
 
УДК 621.431.74 
ББК 39.455.5 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1158-5 
” Самсонов А. И., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
2 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Развитие современного машиностроения связано с ростом скорости роторов, так как это приводит к повышению производительности машин, уменьшению их габаритов, массы. Но при этом растет виброактивность машин. Снижение виброактивности, повышение надежности машин эффективно достигается 
применением подшипников с газовой смазкой. При этом устраняется масляная 
система, снижается пожароопасность и возможность загрязнения окружающей 
среды. По оценкам исследователей [126], до 1/3 мировых энергетических ресурсов расходуется на преодоление трения в той или иной форме. Подшипники 
с газовой смазкой позволяют минимизировать потери на трение, так как вязкость газов примерно в 1000 раз меньше вязкости масел. 
Турбомашины с подшипниками на газовой смазке выпускаются серийно 
в различных отраслях техники, в первую очередь, в авиакосмической, станкостроительной [25, 56, 227]. По результатам эксплуатации число отказов подшипников с газовой смазкой составляет 0,2-0,3 на миллион часов работы [334], 
технический ресурс достигает 100 000 часов. 
Однако, несмотря на очевидные достоинства опор с газовой смазкой распространение их в энергетическом машиностроении идет относительно медленно из-за специфики конструкции и технологических процессов изготовления, недостаточного уровня знаний в области проектирования, изготовления и 
эксплуатации опор с газовой смазкой. Использование турбомашин с подшипниками на газовой смазке в специальных энергетических установках, в бортовом оборудовании самолетов, космических аппаратах и др. обусловило конфиденциальный характер исследований и опытно-конструкторских работ. Лишь 
немногие из полученных результатов описаны в технической литературе. На 
основании опубликованных работ инженеру весьма сложно спроектировать 
подшипники с газовой смазкой с необходимыми характеристиками для реальной машины. Выходившие в нашей стране небольшими тиражами книги [53, 
80, 107, 134, 140, 142, 143, 249, 256], посвященные газовой смазке, к настоящему времени стали библиографической редкостью. 
К тому же в них недостаточное внимание уделяется численным методам 
расчета подшипников с газовой смазкой, которые в связи с повсеместным распространением компьютеров и увеличением скорости счета становятся наиболее перспективными и удобными для пользователя. В то же время программы 
расчета характеристик подшипников с газовой смазкой, доведенные до конкретных числовых результатов, становятся «товаром» и использовать их инженеры и студенты, как правило, не могут. 
Монография предназначена для подготовки инженеров-механиков, владеющих методикой проектирования, производства и эксплуатации современных узлов трения, а также может быть полезна специалистам занимающимся 
разработкой турбомашин. В её основе 30-летний опыт исследований и проектирования подшипников с газовой смазкой в Дальневосточном государственном 
техническом университете. 
3 
 

 
ГЛАВА 1. ГАЗОВАЯ СМАЗКА В ТЕХНИКЕ 
 
1.1. Развитие газовой смазки 
 
 
История развития газовой смазки начинается с 1854 г., когда Густав 
Адольф Хирн в работе, опубликованной в Париже, предложил использовать в 
качестве смазки подшипников воздух [285]. В 1883 г. наш соотечественник 
П.Н. Петров показал, что главное влияние на трение в подшипнике оказывает 
не материал смазываемых поверхностей, а слой смазки [132]. Силу трения в 
цилиндрическом подшипнике при концентрическом положении шипа можно 
определить по формуле 
2
 
р
2
т
LR
F
c
PZ
S
 
,  
(1.1) 
где ȝ - динамическая вязкость смазки; Ȧ - угловая скорость шипа; R - радиус 
подшипника; L - длина подшипника; с - зазор в подшипнике.  
 
 
Момент трения в осевом кольцевом подшипнике при отсутствии перекоса 
определяется по формуле 
 
4
4
2
1
(
)
2
T
R
R
h
SPZ
 

,  
(1.2) 
где R2 - наружный диаметр подпятника; R1- внутренний диаметр подпятника; 
h - фактическая толщина смазочного слоя.  
 
Эти формулы справедливы и для газов [80]. Вязкость газов, как это видно 
из рис. 1.1, примерно в 1000 раз меньше вязкости жидкостей, применяемых для 
смазки. Следовательно, в подшипниках, смазываемых газом, потери на трение, 
которые становятся весьма существенными с ростом частоты вращения роторов, будут значительно меньше.  
В 1897 г. A. Кингcбюри (США) впервые сконструировал подшипник с 
воздушной смазкой [293]. Первое теоретическое исследование о влиянии сжимаемости газа на характеристики подпятников и радиальных подшипников бесконечной длины, смазываемых газом, опубликовал в 1913 г. В. И. Гаррисон 
[282]. В нашей стране С. А. Шейнбергом были продолжены теоретические исследования Гаррисона и в 1949 г. сконструированы и испытаны образцы подшипников, смазываемых воздухом [248, 251]. 
 
Газовая смазка только в последние годы стала находить практическое 
применение в технике и формироваться в самостоятельную научнотехническую дисциплину. Это связано, с одной стороны, с тем, что технологические возможности машиностроения достигли уровня, позволяющего экономично изготавливать детали подшипников с необходимой степенью точности 
чистотой поверхности, с другой - с бурным развитием новых областей техники, 
особенно ядерной, космической, криогенной, в которых предъявляются повышенные требования к опорам. 
4 
 

Удовлетворить этим требованиям в случае применения традиционных 
подшипников качения или скольжения с жидкостными смазками сложно по 
техническим и экономическим соображениям. Поэтому внимание конструкторов обращается в сторону газовой смазки. Газы обладают некоторыми, только 
им присущими достоинствами. Малая вязкость газов позволяет осуществлять 
высокие скорости вращения при незначительных потерях на трение и малом 
повышении температуры смазки и опор. С повышением температуры вязкость 
жидкостей резко падает, а вязкость газов несколько увеличивается. 
 
 
Рис. 1.1. Зависимость динамической вязкости ȝ от температуры  
для различных газов и жидкостей 
 
5 
 

 
Вязкость газов в пределах диапазона давлений в подшипнике практически не зависит от давления (рис. 1.2). Газы сохраняют стабильность физикохимических свойств в широком интервале температур и под действием радиации. В отличие от жидкостной смазки газы являются некавитирующей средой. 
Благодаря сжимаемости газа, колебания, генерируемые ротором, при работе гасятся и ослабленными передаются на опоры и корпус машины. 
Применение газовых подшипников позволяет использовать в качестве 
смазки рабочее вещество турбомашин, что особенно важно для установок, работающих по закрытому циклу. При этом по сравнению с обычной масляной 
смазкой достигается ряд преимуществ, а именно: 
x уменьшается загрязнение рабочего вещества и окружающей среды; 
x происходит уменьшение температурных градиентов в машине, так как 
подшипники работают при температуре, близкой к температуре турбины;  
x устраняются уплотнения подшипников, которые, как правило, являются одним из не надежных узлов машины, вследствие чего увеличивается надежность машин, уменьшаются осевые размеры ротора, 
упрощается конструкция машины; 
x уменьшается пожарная опасность, габарит, масса и стоимость машины. 
 
Рис. 1.2. Зависимость вязкости воздуха от температуры 
при различных давлениях 
 
В табл. 1.1 приведены типы машин и отрасли промышленности, для которых важны те или иные свойства подшипников с газовой смазкой [221]. 
6 
 

Т а б л и ц а  1.1 
Турбомашины с подшипниками на газовой смазке 
 
Виды машин 
Преимущества 
Промышленность 
Другие 
Турбины 
Генераторы 
Эл. двигатели 
Турбоком- 
прессоры  
Отсутствие 
загрязнения 
рабочего тела 
Х 
 
Х 
Х 
Х 
Х 
Х 
Х 
Х 
X 
Судостроительная, 
Авиационнокосмическая, 
Химическая, 
Пищевая, 
Медицинская, 
Атомная, 
Фармацевтическая, 
Энергетическая, 
Холодильная 
- 
 
Детандеры, 
Центрифуги, 
Дрели, 
Насосы, 
Центрифуги 
- 
- 
Детандеры 
Х 
 
Х 
Х 
- 
Х 
Х 
- 
Х 
- 
Х 
 
Х 
- 
- 
- 
Х 
- 
Х 
- 
Х 
 
- 
Х 
- 
- 
Х 
Х 
- 
- 
Способность 
работать при 
низких и 
высоких 
температурах 
Авиационно- 
космическая, 
Атомная, 
Холодильная, 
Коммунальных 
сооружений 
 
Х 
Х 
Х 
- 
Х 
 
Х 
Х 
- 
- 
Х 
 
Х 
Х 
- 
- 
Х 
 
Детандеры 
Насосы 
- 
- 
Детандеры 
 
- 
Х 
- 
- 
- 
- 
 
- 
Стойкость 
против 
радиации 
Атомная, 
Космическая, 
Коммунальных 
сооружений 
Х 
Х 
- 
Х 
Х 
Х 
- 
Х 
Х 
Х 
- 
Х 
Х 
Х 
- 
- 
Высокая 
надёжность и 
долговечность 
Судостроительная, 
Авиационнокосмическая, 
Легкая, 
Атомная, 
Текстильная 
Х 
 
Х 
Х 
Х 
Х 
Х 
 
Х 
Х 
Х 
- 
Х 
 
Х 
Х 
Х 
- 
Х 
 
Х 
Х 
Х 
- 
- 
-
Воздуходувки 
- 
Шпиндели 
- 
Высокое 
число 
оборотов 
Авиационно- 
космическая, 
Атомная, 
Холодильная 
 
Х 
Х 
Х 
 
Х 
Х 
Х 
 
Х 
Х 
Х 
 
Х 
Х 
Х 
 
- 
Центрифуги, 
Детандеры 
Знак «х» обозначает, что данное свойство является важным для машины 
 
Проектированием и производством турбомашин с опорами на газовой 
смазке занимаются такие известные фирмы, как General Electric, Mechanical 
Technology Jnc, The Garret Corporation, General Motors Corp, Societe Rateau,  
Softair, Rolls-Roycc, Ltd, Motoren und Turbinen Union, Crysler, Westwind. 
 
7 
 

1.2. Газодинамические подшипники 
 
Подшипники с газовой смазкой по принципу создания несущей способности разделяются на две основные группы: газодинамические - с внутренним 
нагнетанием давления и на подшипники с внешним наддувом газа (часто называемые газостатическими) - с внешним нагнетанием давления. 
В газодинамических подшипниках повышенное давление в смазочном 
слое и несущая способность возникают благодаря вязкости газа и его движению в тонком слое переменной толщины, которое происходит при относительной скорости поверхностей, образующих этот слой. Здесь не требуется специальной подачи смазки. Поэтому такие подшипники иногда называют самоподдерживающимися. 
Газодинамические подшипники можно разделить на две разновидности: с 
продольным и поперечным перемещением поверхностей смазочного слоя. 
Подшипники, в которых несущая способность создается за счет поперечного 
перемещения поверхностей, называют вибронесущими. Вибронесущие подшипники находят применение в акселерометрах, реверсивных машинах малой 
мощности. Они имеют небольшую несущую способность, которая создается 
высокочастотными колебаниями с незначительной амплитудой по направлению 
нормали к их несущей поверхности (рис. 1.3).  
 
 
Рис. 1.3. Вибронесущий подшипник: стрелками показано направление 
поперечных перемещений подшипника или цапфы 
 
По конструктивному выполнению газодинамические подшипники можно 
классифицировать следующим образом: 
x по геометрическим признакам - цилиндрические, плоские, конические, сферические, полусферические; 
x по воспринимаемой нагрузке - радиальные, радиально-осевые, осевые; 
x по характеру выполнения несущих поверхностей - цельные и разрезные (сегментные), гладкие и с рельефом, одноцентровые, с жесткими 
рабочими поверхностями и с упругими; 
x по характеру крепления подшипников в корпусе - с жестким и с эластичным креплением, с креплением типа кардана. 
8 
 

Газодинамические подшипники с жесткими рабочими поверхностями 
(рис. 1.4) находят применение в основном в гироскопах и других приборах, где 
есть высокие скорости при малых нагрузках на подшипники. 
 
 
Рис. 1.4. Газодинамические подшипники с жёсткими рабочими поверхностями:  
а - гладкий цилиндрический; б - конусный; в - катушечный; г - сферический;  
д - полусферический; е - осевой со спиральными канавками; ж - радиальный  
с шевронными канавками; з - многоклиновой; и - многоцентровой;  
к - сегментный 
 
 Несущая способность за счет газодинамического эффекта возникает при 
зазорах между цапфой и втулкой подшипника меньше 10-15 мкм, поэтому 
применение таких газодинамических подшипников в турбомашинах, станках 
практически невозможно из-за возможных деформаций и температурных расширений, возникающих при эксплуатации. 
Разработка на ЭВМ лентопротяжных механизмов и устройств для магнитной записи на гибких лентах стимулировала появление ленточных газовых 
подшипников с внешним и внутренним нагнетанием газа. Податливость ленты 
позволяет легко отслеживать форму и колебания цапфы, поэтому в таких подшипниках можно обеспечить требуемые для получения газодинамического эффекта малые зазоры между цапфой и лентой при значительно менее жестких 
9 
 

требованиях к точности изготовления деталей, точности сборки и возможным 
деформациям машины во время эксплуатации. 
Схематическое изображение ленточного подшипника показано на рис. 1.5, а. 
Здесь упругая лента тремя участками охватывает цапфу. Такие подшипники, где лента крепится с двух сторон, в турбомашинах распространения не 
получили, вследствие вытягивания лент и неспособности их к компенсации перекосов. Более перспективными для турбомашин являются подшипники с лентой, закрепленной одним концом, которые принято называть лепестковыми газодинамическими подшипниками (ЛГП). 
Первая конструкция ЛГП запатентована в 1963 г. Д. Марлеем, сотрудником фирмы The Garret Corporation, США, (рис. 1.5, б). Корпус подшипника - 
цилиндрическая втулка 1 с двумя подшипниками, расположенными у ее торцов. 
Лепестки 2, изготовленные из металлической ленты с антифрикционным покрытием, винтами 3 жестко закреплены на лысках корпуса. Свободные кон- 
цы лепестков проходят через пазы корпуса в его расточку, упруго охватывая 
цапфу 4. Начальный натяг лепестков на цапфу возникает вследствие того, что 
радиус лепестков до их установки в зазор между втулкой и цапфой превышает 
радиус цапфы. Стремясь распрямиться, деформированный при сборке лепесток 
прижимается к цапфе средней частью, образуя по обе стороны от зоны контакта 
конфузорные и диффузорные участки. 
 
 
 
Рис. 1.5. Упругогазодинамические подшипники: а - ленточный: 1 - цапфа,  
2 - лента; б - лепестковый: 1 - втулка, 2 - лепесток, 3 - винт, 4 - цапфа 
 
При вращении вала в клиновом зазоре между поверхностью цапфы и лепестками на конфузорном участке создаются зоны повышенного давления и вал 
«всплывает» на газовом слое. Вследствие силы тяжести нагрузка на нижние лепестки больше, чем на верхние. Цапфа в подшипнике располагается с эксцентриситетом, прогиб нижних лепестков больше, угол конфузорности зазора на 
этих лепестках меньше, зазоры между цапфой и нижними лепестками минимальны, а давление, уравновешивающее нагрузку, максимально. 
10