Исключительные преимущества подшипников с газовой смазкой

Под исключительными преимуществами, строго говоря, понимают такие, которые может обеспечить только газовая смазка и которых не удается получить с помощью других видов смазок. В данном случае достоинства газовой смазки вытекают из двух основных различий в свойствах газов и жидкостей:

1) газы химически стабильны в значительно более широком интервале температур, чем жидкости;
2) газы по существу менее вязки, чем жидкости.

Но даже в тех случаях, когда к решению задачи можно подойти, используя исключительные свойства газовой смазки, часто предпочтительнее разработать не имеющее газовых подшипников устройство, основанное на принципиально ином подходе к построению подвеса, поэтому практически невозможно установить резкую грань между исключительными преимуществами и теми, которые проявляются в определенных условиях.

Тем не менее можно полагать, что такое представление о преимуществах помогает избежать ошибок, поскольку оно сосредоточивает внимание на тех возможных применениях газовой смазки, где она дает результат, неосуществимый с помощью других видов смазок.

Работоспособность в широком интервале температур. Вероятно, наиболее исключительным свойством газов, применяемых в качестве смазок, является их потенциальная способность к работе в крайне широком интервале температур. Действительно, при высоких температурах качественные характеристики опор определяются прочностью узлов и деталей машин, а не смазкой, если для этой цели используются простые газы, хотя нижний предел температурной шкалы может определяться конденсацией в смазке.

С другой стороны, когда смазкой служат сложные газы, то интервал температур ограничивается точкой химического разложения. Например, при высоких температурах не возникает трудностей в работе подшипников малогабаритных паровых турбин или циркуляционных насосов на перегретом паре, а при низких – в качестве смазки можно использовать газы при температуре близкой к точке превращения газа в жидкость, как это делается в турбодетандерах для ожижения газов. В обоих случаях применение газовой смазки позволяет значительно упростить конструкцию подшипника.

Следует отметить, что, в то время как качество жидкостных подшипников ухудшается с повышением температуры из-за снижения вязкости смазки, несущая способность опор с газовой смазкой, как правило, повышается за счет увеличения вязкости газов. Решение задачи о снижении температур подшипника крыльчатки насоса, создающего циркуляцию газа в системе охлаждения реактора (см. подразд. 1.4.3, фиг. 1.10), упрощается за счет того, что в рабочем режиме подшипник нагрет несколько больше, чем остальная часть машины.

К настоящему времени число примеров применения подшипников с газовой смазкой в условиях высоких температур не слишком велико. Используя керамические обмотки, Харрис (из Харуэлла) добился успешной работы электродвигателей при температурах вплоть до 500° С в течение длительных периодов времени, но требования к этим машинам были столь высоки, что двигатели не дошли до стадии серийного производства. Сотрудник лаборатории Трибонетикс (США) Мэкс опубликовал отчеты об экспериментальном исследовании керамических подшипников с внешним наддувом, которые работали при температурах до 800° С и скоростях до 65 000 об/мин.

Применение газовых подшипников в условиях низких температур в основном связано с различными типами ожижителей газов или холодильников. В прототипе расширительной турбины Сиксмита, показанной на фиг. 1.3, использована способность газового подшипника крыльчатки работать при температурах, близких к температуре ожижения.

Рис. 1.3. Первоначальный вариант турбины Сиксмита

В усовершенствованной модели, показанной на фиг. 1.4, между крыльчаткой и ее подшипником устроен тепловой барьер, препятствующий проникновению тепла в контур циркуляции охлаждаемого газа.

Рис. 1.4. Усовершенствованный вариант турбины Сиксмита: 1 — упорный подшипник; 2 — радиальный подшипник; 3 — тормоз ротора; 4 — блок сопел; 5 — диффузор; 6 — ротор турбины диаметром 22 мм; 7 — вход турбины; 8 — выход турбины; 9 — вход тормозящего газа; 10 — выход тормозящего газа; 11 — датчик скорости

Рис. 1.5. Турбина, работающая при температуре жидкого гелия. Длина турбины 50 мм

Малогабаритный высокоскоростной турбодетандер, разработанный Британской кислородной компанией (фиг. 1.5) для ожижения гелия, примечателен тем, что вращается с угловой скоростью 350 000 об/мин. В этом устройстве используются работающие в интервале температур 50—13°К подшипники с гелиевой смазкой. Вырабатываемый жидкий гелий имеет стабильную заданную температуру между 3 и 4°К, поддерживаемую с точностью в пределах 0,05°.