Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Куренский Алексей Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСЕВЫХ ГИБРИДНЫХ ЛЕПЕСТКОВЫХ ПОДШИПНИКОВ С ГАЗОВОЙ СМАЗКОЙ СУДОВЫХ ТУРБОМАШИН
05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владивосток 2012
Работа выполнена в Дальневосточном федеральном университете
Научный консультант: Фершалов Юрий Яковлевич кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты:
Космынин Александр Витальевич - доктор технических наук, профессор, Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, декан факультета энергетики, транспорта и морских технологий Симашов Рафаиль Равильевич - кандидат технических наук, доцент, Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, заведующий кафедрой Судовые энергетические установки
Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет (СФУ), г. Красноярск
Защита состоится "21" декабря 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 223.005.01 при Морском государственном университете им. адм. Г.И. Невельского по адресу: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50А, ауд. 241, e-mail: office@msun.ru, факс (423) 251-76-39.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского.
Автореферат разослан "____"_______________2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Резник Александр Григорьевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Турбомашины различного назначения в настоящее время широко распространены в судовой энергетике в качестве устройств, обеспечивающих работу главных и вспомогательных судовых энергетических установок (СЭУ). Компактные, обладающие более высокой удельной мощностью, по сравнению с поршневыми установками, они получили применение в качестве турбинных двигателей, турбокомпрессоров наддува судовых ДВС и турбодетандеров холодильных машин.
Постоянный рост требований к производительности турбомашин при сохранении их массогабаритных характеристик обеспечивается повышением скорости вращения роторов. При этом возникает ряд вопросов, в частности обусловленных необходимостью надежной работы опор валов (подшипников) и снижением потерь на трение.
Подшипники турбомашин являются одними из наименее надежных узлов элементов СЭУ, выход которых из строя приводит, как правило, к отказам всей энергоустановки.
Подшипники качения или масляные скольжения при всех своих положительных качествах не обеспечивают надежность работы механизмов при высоких частотах вращения их роторов, а использование в них смазочных материалов усложняет конструкцию и загрязняет рабочее тело турбомашины (в некоторых случаях, например в холодильных машинах, это недопустимо), повышает пожароопасность установки и загрязняет окружающую среду.
Перечисленные недостатки можно исключить применяя опоры с газовой смазкой. Такие подшипники позволяют значительно повысить частоту вращения ротора турбомашины и снизить до минимума потери на трение, практически устранив износ рабочих поверхностей.
Применение подшипников с газовой смазкой перспективно в воздушных холодильных машинах, к которым в последние годы выросло внимание из-за ограничения применения фреонов. В турбодетандерах с подшипниками на газовой смазке исключается загрязнение холодного воздуха маслом, который можно направлять на охлаждение хранимых продуктов.
Недостатком газовых подшипников является низкая несущая способность смазочного слоя (по сравнению с жидкостными подшипниками) из-за невысокой вязкости газов, в связи с чем повышение значения этой характеристики и тем самым расширение области использования газовой смазки является одной из актуальных задач в судовой энергетике.
Проблемам повышения эффективности опор с газовой смазкой посвящены труды отечественных ученых А.И. Белоусова, А.Н. Брагина, В.С. Виноградова, Б.С. Григорьева, А.В. Емельянова, В.П.Жедь, Н.Д. Заблоцкого, Г.А.Завьялова, С.Г. Кан, М.В.Коровчинского, А.В. Космынина, Я.М. Котляра, Л.Г.Лойцянского, А.А. Лохматова, В.А. Максимова, В.А. Мордвинкина, Ю.В. Пешти, С.В. Пинегина, Ю.А. Равиковича, А.И. Самсонова, Л.Г. Степанянца, И.Е. Сипенкова, А.И. Снопова, Ю.Б. Табачникова, С.Н.Шатохина, С.А. Шейнберга.
Результаты их исследований показали, что при проектировании подшипника определяющим является подбор режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих максимальную несущую способность слоя при заданных условиях работы (оптимальных параметров).
Выполненные ранее исследования в этой области показывают, что даже сравнительно малые отклонения значений параметров от оптимальных величин значительно снижают несущую способность подшипника или делают его неработоспособным. В результате ограничивается область применения таких подшипников и исключается возможность их использования в современных турбомашинах.
Одно из возможных направлений повышения несущей способности газовых подшипников - применение гибридных опор, позволяющих совместить свойства газодинамических и газостатических подшипников. Полученные ранее в ДВГТУ (ДВПИ им. В. В. Куйбышева) результаты исследований таких подшипников показали эффективность их применения. При этом сохраняются недостаток информации по проектированию таких подшипников и их конструктивные недостатки, не позволяющие перейти к их промышленному использованию.
Совершенствование существующих, создание новых конструкций гибридных подшипников, разработка методик расчета и оптимизации конструктивных и режимных параметров опор такого типа позволят повысить эффективность работы газовых опор и увеличить область распространения газовой смазки в технике.
Цель и задачи работы Целью работы является повышение несущей способности осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой судовых турбомашин.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. На основании проведенного обзора существующих разработок в области подшипников с газовой смазкой определена конструкция объекта исследования;
2. Предложена математическая модель осевого гибридного лепесткового подшипника с газовой смазкой;
3. Составлена программа расчета и оптимизации объекта исследования;
4. Выполнен численный эксперимент и проанализированы его результаты;
5. Разработана и реализована конструкция экспериментального стенда, предназначенного для проведения исследований характеристик осевых подшипников с газовой смазкой;
6. Проведён физический эксперимент по исследованию характеристик осевого гибридного лепесткового подшипника (ОГЛП) и проверена адекватность результатов, получаемых с помощью предложенной математической модели, результатам физического эксперимента;
7. Предложена инженерная методика расчета и оптимизации характеристик подшипников исследованного типа.
Научную новизну работы составляют:
1. Полученные зависимости эксплуатационных характеристик смазочного слоя (поле распределения давления, жесткость и несущая способность) от параметров и режимов работы подшипника предложенной конструкции;
2. Результаты оптимизационных вычислений максимального значения несущей способности смазочного слоя исследованного подшипника в зависимости от его конструктивных и режимных параметров;
3. Закономерности совместного влияния газостатического и газодинамического эффектов на распределение давления в смазочном слое и интегральные характеристики исследованного подшипника;
4. Инженерная методика расчета и оптимизации осевых гибридных лепестковых подшипников для турбомашин судовой энергетики.
Теоретическая значимость:
1. Результаты численного и физического эксперимента расширяют представления о процессах, протекающих в смазочном слое осевых подшипников с газовой смазкой;
2. Предложен инженерный метод расчета и оптимизации ОГЛП, который может быть использован при разработке турбомашин соответствующего класса судовой энергетики.
Практическая значимость:
1. Разработан конструктивный тип ОГЛП, защищенный патентом, имеющий преимущества эксплуатационного и технологического характера по сравнению с существующими подшипниками на газовой смазке;
2. Результаты работы были положены в основу методики проектирования подшипников с газовой смазкой для ротационных горелок судовых котлов.
Методология и методы исследования Работа основана на теоретическом научном подходе математического моделирования с прямой экспериментальной проверкой. Применялся численный метод решения нелинейного дифференциального уравнения в частных производных, а также численный и физический эксперименты.
Положения, выносимые на защиту 1. Конструкция осевого гибридного лепесткового подшипника.
2. Результаты сопоставления характеристик исследуемого подшипника, полученные при проведении численного и физического экспериментов.
3. Закономерности и результаты анализа совместного влияния газодинамического и газостатического эффектов в гибридном лепестковом подшипнике.
4. Результаты оптимизационных вычислений зависимости максимальной несущей способности от значений конструктивных параметров подшипника.
5. Инженерная методика расчета и оптимизации ОГЛП.
Объект исследований: осевые гибридные лепестковые подшипники с газовой смазкой.
Предмет исследований: характеристики смазочного слоя осевого гибридного лепесткового подшипника с газовой смазкой.
Степень достоверности Достоверность результатов подтверждена: использованием основных уравнений движения вязких сжимаемых жидкостей и апробированных классических методов теории газовой смазки, математической обработкой с проверкой адекватности результатов численного и физического эксперимента.
ичный вклад автора состоит в постановке задач исследования; проведении анализа современного состояния разработок в области газовой смазки; разработке конструктивного типа объекта исследования; составлении математической модели течения газа в смазочном слое осевого гибридного лепесткового подшипника и программы оптимизационного расчета исследуемого подшипника; проведении модернизации экспериментального стенда; разработке экспериментальных образцов подшипников; выполнении физического и численного экспериментов;
обработке и анализе полученных результатов; разработке методики расчета осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой для судовых турбомашин.
Апробация работы. Материалы исследований представлялись на международной научно-технической конференции Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана (Владивосток, ДВГТРУ, 2010 г.), международной конференции Вологдинские чтения (Владивосток, ДВГТУ, 2010 г.), международной научно-технической конференции Актуальные проблемы развития судоходства в Дальневосточном регионе (Владивосток, ДВГТРУ, 2011 г.), международной научной конференции Механика и трибология транспортных систем (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2011 г.), научных семинарах кафедр Конструкция и проектирование двигателей (Москва, МАИ, 2011 г.), Судовые энергетические установки (г. Владивосток, ДВГТРУ, 2012 г.), судовой энергетики и автоматики (г. Владивосток, ДВФУ, 2012 г.).
Результаты исследования использовались при выполнении научноисследовательской работы в рамках федеральной целевой программы: Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (Государственный контракт № П 2590 от 26.11.2009 г.), в проектно-конструкторской деятельности государственного малого научно-производственного предприятия Экосистема, внедрены в учебный процесс по направлению подготовки 180100.62 Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры, профиль Судовые энергетические установки.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, включая 6 статей в рецензируемых российских научных журналах, входящих в список ВАК, 7 статей в сборниках трудов российских и международных конференций и научных трудов высших учебных заведений, получены патент РФ на полезную модель и изобретение, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы из 152 наименований. Общий объем диссертации составляет 174 стр., включая 57 рисунков, 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Структурная схема работы представлена на рис.1.
ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСЕВЫХ ГИБРИДНЫХ ЛЕПЕСТКОВЫХ ПОДШИПНИКОВ С ГАЗОВОЙ СМАЗКОЙ СУДОВЫХ ТУРБОМАШИН Состояние вопроса и постановка задач исследования Выбор метода исследования Факторы, влияющие на несущую подшипников на газовой смазке способность газовых подшипников ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1. Разработка конструктивного 3. Проведение численного 4. Проведение физического 2.Математическая модель типа объекта исследования эксперимента эксперимента Влияние выбранных факторов Обзор конструкций Описание методики проведения План математической модели на характеристики подшипника эксперимента Расчетная схема Газодинамические Газостатические Податливость рабочей Гибридные Описание конструкции подшипники подшипники поверхности подшипника подшипники экспериментальной установки Газодинамический Газостатический режим режим Проявление газодинамического и Сравнительный анализ различных Измерительные приборы и газостатического эффектов в конструкций подшипников оценка погрешности измерений Уравнение формы смазочного гибридных лепестковых подшипниках зазора и деформации лепестков Оптимальная форма Выбор объекта исследования смазочного зазора Режим работы подшипника Интегральные характеристики подшипника Основы методики проектирования осевых гибридных лепестковых Оценка адекватности Безразмерные комплексы и подшипников с газовой смазкой результатов численного и параметры физического экспериментов Определение зависимостей Программа расчета и несущей способности осевых оптимизации осевого гибридных лепестковых подшипников гибридного лепесткового с газовой смазкой подшипника Выводы и рекомендации по проектированию и расчету осевых гибридных лепестковых газовых подшипников для повышения их несущей способности Рис. 1. Структурная схема диссертации Во введении обоснована актуальность темы, показаны основные преимущества применения опор с газовой смазкой в судовых турбомашинах соответствующего класса, приведены результаты обзора и систематизации публикаций о современном состоянии исследований в области газовой смазки. Показано, что одним из основных недостатков газовых подшипников является малая несущая способность смазочного слоя.
В направлении устранения этого недостатка работают различные организации, среди которых МАИ (г. Москва), КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре), СПбГПУ (г. Санкт-Петербург), СФУ (г. Красноярск), ЮУрГУ, НПО Турбина (г. Челябинск), ДВФУ (г. Владивосток) и другие.
На основании критического анализа состояния рассматриваемого вопроса поставлены цель и задачи работы.
В первой главе по материалам обзора и оценки перспективных конструкций осевых подшипников с газовой смазкой разработана конструкция осевого гибридного лепесткового подшипника (ОГЛП), который и явился объектом исследования.
Исследования, проведенные ранее в ДВГТУ (ДВПИ им. В.В. Куйбышева), показали, что перспективным направлением повышения несущей способности опор с газовой смазкой является применение гибридных подшипников, у которых несущая способность смазочного слоя обеспечивается одновременным проявлением газодинамического и газостатического эффектов. В то же время оставался не решенным вопрос обеспечения устойчивого газодинамического эффекта в осевых подшипниках с повышенными нагрузками, свойственными турбомашинам судовой энергетики.
Разработанный и исследованный в работе подшипник (рис. 2 и рис. 3) выполнен с лепестками, которые устанавливались на упругую подложку, показанную на рис. 2 в виде гофрированной ленты.
Рис. 2. Общий вид ОГЛП Рис. 3. Схема подачи сжатого газа в смазочный зазор ОГЛП В турбомашинах могут применяться и другие конструкции упругого элемента. Лепестки располагались таким образом, чтобы подшипник имел профилированную рабочую поверхность в виде клиновидных участков, обеспечивающую газодинамический эффект.
Для получения газостатического эффекта сжатый воздух подавался в смазочный зазор через питатели, расположенные в один или несколько рядов по окружности. Питатели могут располагаться на поверхности пяты или подпятника.
Автор придерживался точки зрения, что конструкция подшипника должна обеспечивать подвод газа через вращающуюся пяту (рис. 3).
Во второй главе предложена и рассмотрена математическая модель течения газа в смазочном слое осевого гибридного лепесткового подшипника. Расчетная схема подшипника показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема ОГЛП R2 - наружный радиус подшипника; R1 - внутренний радиус подшипника; Rp1 - радиус 1-го ряда питателей; Rpn - радиус n-го ряда питателей; dp1 - диаметр питателей 1-го ряда; dpn - диаметр питателей n-го ряда; LI - протяженность I участка; LII - протяженность II участка; L - общая протяженность участка (сектора); L - некоторая промежуточная длина сектора (лепестка);
h0 - минимальное значение величины смазочного зазора; h - текущее значение смазочного зазора; - максимальная глубина I участка (без прогиба лепестка); - максимальная глубина II-го участка (без прогиба лепестка); - количество секторов (лепестков) Математическая модель была представлена в виде системы дифференциальных уравнений, обеспечивавших получение поля распределения давлений в смазочном слое, расчет соответствующих деформаций упругой подложки, учет проявления газодинамического и газостатического эффектов и деформацию упругой рабочей поверхности под давлением смазочного слоя (рис. 4 и рис. 5).
Опора имела несколько секторов (лепестков), каждый из которых включал участки I и II (рис. 4). Рассматривался один сектор, но при этом считалось, что на других секторах наблюдалась аналогичная картина.
Рабочая поверхность подшипника условно разбивалась сеткой, образованной двумя группами линий: первая группа включала прямые линии, проходящие по радиусам, вторая - линии, проходящие по окружностям (рис. 5).
Расчет выполнялся в точках (узлах), образованных пересечением этих лиPi,k ний. В каждом узле сетки действует определенное давление (нижние индексы указывают координаты точки) и существует определенное значение смазочного hi,k зазора.
граница участков т.(in; 0) 2-й ряд питателей т.(i;k) участок I участок II т.(0; 0) т.(0; kI) т.(0; k) r т.(in, k) 1-й ряд питателей Рис. 5. Схема сеточной области клиновидно-равномерного сектора i - номера линий сетки, проходящих по окружностям; k - номера линий сетки, проходящих по радиусам; iп - наибольший номер линий сетки, проходящих по окружностям (количество интервалов, образованных линиями сетки, проходящих по окружностям); k I - номер линии сетки, на которой заканчивается участок I и начинается участок II; k - наибольший номер линий сетки, проходящих по радиусу (количество интервалов, образованных линиями сетки, проходящими по радиусу; r - шаг линий сетки, проходящих по радиусу; - угол между двумя соседними линиями сетки, проходящими по радиусу) Уравнение, учитывающее газодинамический эффект (1), получено на основании общего уравнения движения вязких сжимаемых жидкостей в тонком слое переменной величины (уравнение Рейнольдса для газовой смазки):
2 r r i,k Pi,k P P ) P P ) i1,k i1,k i,k1 i,k2 2 2 2 2r r ( 2r r ( i,k i,k 2 r r 3 r i,k i,k P P ) P P ) i1,k i1,k i1,k i1,k 2 2 2 2 8h i,k 4r r ( r r ( i,k i,k 3 r (h h ) P P )(h h ) i1,k i1,k i,k1 i,k1 i,k1 i,k2 8h i,k r r ( i,k 2 3R2 r r h P P 2P h h , i,k i,k i,k1 i,k1 i,k i,k1 i,k 2 2 2 h0PS r r 2h P i,k i,k i,k (1) где r - радиальная координата; - угловая координата; - динамическая вязкость ri,k газа; - угловая скорость; - текущий радиус в точке i, k; r r / R - относиi,k i,k тельный текущий радиус;
h hi,k / h0 - относительный зазор; r r / R2 - отноi,k сительный шаг линий сетки, проходящих по окружностям; PS - давление наддува (давление воздуха, сжатого внешним источником и подаваемого на смазку подшипника через питатели).
Для решения уравнения (1) введены граничные условия - давления на границах рассматриваемого сектора рабочей поверхности подшипника:
при 1 и ; (2) P P Pa2 PS R R1 R2 1 R R2 R2 а L 0 L L P Pа при и , (3) Pа где - давление окружающей среды.
Давление на кромках питателей, являющееся граничным условием и учитывающее газостатический эффект, определяется уравнением 2 1 8r RP P P P P M.
i,k i1,k i1,k i2,k i2,k 3 (4) 3 SPSh hi,k Уравнения деформации упругой рабочей поверхности должны определять h форму смазочного зазора ( i,k ), сформировавшуюся после появления прогиба рабочей поверхности под действием давления смазочного газа.
Расчетная схема упругой подложки приведена на (рис. 6).
Давление Pi,k в каждом узле сетки действует на некоторую четырехугольную Si,k пластину площадью (например пластину AБВГ, см. рис. 6), вершины которой лежат в центрах прилегающих ячеек расчетной сетки. Каждая такая пластина Сi,k опирается на упругую конструкцию, имеющую податливость.
Величина смазочного зазора hi,k в рассматриваемой точке с координатами i и k при деформации лепестка yi,k определяется выражением Т hi,k hi,k yi,k.
(5) Т Уравнение 5 в безразмерном виде выглядит как, (6) h h yi,k i,k i,k Т где h - величина смазочного зазора в заданной точке при отсутствии деформаi,k Т Т ции; и yi,k yi,k / h0Ц безразмерные величины.
h hi,k / hi,k Pin,Pin,k Сin,A Pi,k P1,Б Сin,k Ci,k P0,Г C1,В C0,Рис. 6. Расчетная схема упругой подложки Деформация подложки в точке с координатами i и k определяется yi,k Сi,kPi,k Pa Si,k Pа а, в безразмерном виде: где и - yi,k С P Pa S, i,k i,k i,k P абсолютное и безразмерное давление окружающей среды (давление под упругой подложкой); и Ci,k C Ci,kPSR2 / h0 - абсолютная и безразмерная податливости i,k упругой подложки в точке с координатами i, k.
h Полученные значения i,k использованы при расчете поля распределения давлений по уравнениям (1 - 4), которые позволили определить интегральные характеристики подшипника (несущая способность смазочного слоя, расход газа, подаваемого на смазку, и жесткость смазочного слоя).
Несущая способность определялась интегрированием элементарных сил, in k действующих на рабочую поверхность подшипника: W PS.
i0 kКоэффициент несущей способности определялся выражением W W / (R2 R1 )PS.
По математической модели была составлена программа Оптимизационный расчет основных характеристик осевых лепестковых гибридных и газодинамических подшипников с газовой смазкой.
Программа разделена на два основных функциональных блока. Первый - позволяет рассчитывать поле распределения давлений, деформации подложки и интегральные характеристики подшипника при определенных входных (исходных) параметрах. В основу блока положена представленная выше математическая модель (см. уравнения 1- 6). Второй блок служит для оптимизационных вычислений параметров подшипника.
С помощью предложенной программы выполнен численный эксперимент.
Третья глава посвящена выполнению численного эксперимента, послужившего основой для разработки рекомендаций по проектированию ОГЛП турбомашин судовой энергетики.
Численный эксперимент выполнялся для определения зависимостей интегральных характеристик подшипника от конструктивных характеристик и режимных параметров. Для определения показателей, общих для подшипников этого типа, интегральные характеристики и давление в смазочном слое чаще представлены в безразмерном виде, характеристики и параметры подшипника - безразмерными комплексами (таблица 1), совокупность которых достаточна для моделирования.
Таблица 1 - Безразмерные комплексы и характеристики подшипника Уравнение или обозначе№ Название ние KKрNpn KPss(K2 ) 1 Конструктивный параметр Apn SPSh3R 2 Параметр сжимаемости h0PS Относительное давление на краях 3 P Pa2 PS а подшипника 4 Относительный внутренний радиус R R1 RR Rpn R5 Относительный радиус линии наддува pn d dpn h6 Относительный диаметр питателя pn 7 Количество лепестков (секторов) 8 Относительная протяженность I участка L LI L I Относительная максимальная глубина I 9 1 hучастка Относительная максимальная глубина II 10 2 hучастка Относительная податливость упругой подC yi,k G 11 i,k ложки При проектировании лепестковых подшипников необходимо определение упругих свойств подложки с учетом ее взаимодействия со смазочным слоем. Изучение этих свойств во многом сводится к исследованию поля распределения давлений в слое.
Примеры распределений давления в смазочном слое, полученные при выполнении численного эксперимента, приведены на рис. 7.
а б Рис. 7. Распределение давления в смазочном слое ОГЛП а - при h0 = 15мкм, б - при h0 = 8 мкм; R1 = 0,022 м; R2 = 0,0545 м; Rip = 0,038 м; d = 8 x 10-4м;
1 = 3 x 10-5 м; 2 = 0 м Поле распределения давлений, изображенное на рис. 7, а ( = 15мкм), хаhрактерно для газостатического режима работы, так как газодинамический эффект значительно проявляется при толщине смазочного зазора менее 10 мкм. Пик давления наблюдался на средней линии, между внутренним и внешним радиусами, и обусловлен наличием наддува.
При = 8 мкм характерна закономерность с резким ростом давления на hклиновидном участке и с максимумом на границе I-го и II-го участков (рис. 7, б, зона А, k = 80). Здесь проявляется действие газодинамического эффекта. Максимумы давлений остаются на линии наддува, что свидетельствует о дополнительном влиянии газостатического эффекта в гибридном подшипнике.
Смазочный слой, действующий на упругую подложку, представляет упругую среду, давление и жесткость которой меняется по всей рабочей поверхности подшипника. Из этого следует, что упругая подложка должна иметь переменную по рабочей поверхности, податливость, соответствующую значениям податливости смазочного слоя.
Для подтверждения этого утверждения на рисунке 8 представлены расчетные формы рабочей поверхности одного лепестка подшипника в недеформированном и деформированном состояниях. При использовании упругой подложки с одинаковой податливостью в каждой точке расчетной сетки рабочая поверхность принимает вогнутую форму (рис. 8, б). Такое решение приводит к образованию зоны увеличенной толщины смазочного зазора в средней части лепестка по сравнению с периферией, что снижает несущую способность подшипника.
Использование подложки с переменной податливостью по рабочей поверхности подшипника более эффективно. Форма рабочей поверхности подшипника в этом случае может не иметь вогнутой формы и быть подобна поверхности в недеформированном состоянии (рис. 8, а).
а б Рис. 8. Рабочая поверхность осевого подшипника с газовой смазкой а - плоская (недеформированная); б - вогнутая (деформированная) Далее рассматривался вопрос влияния газодинамического и газостатического эффектов на характеристики ОГЛП.
Степень влияния газодинамического эффекта оценивалась величиной пара Apn d метра, газостатического - параметрами и pn (рис. 10).
Распределение давления в смазочном слое при различных значениях параметра сжимаемости показало (рис. 9), что закономерности, свойственные газодинамическим подшипникам, качественно сохраняются для ОГЛП и с увеличением значения рост давления в начале смазочного слоя (участок I) замедляется. Кроме того, при начальном повышении параметра происходило резкое повышение давления в смазочном слое и несущей способности. При дальнейшем увеличении интенсивность возрастания давления и несущей способности монотонно снижалась. Такое положение сохранялось во всем диапазоне работы подшипника.
При совместном действии газодинамического и газостатического эффектов характеристики подшипника подчинялись следующей закономерности: при высоких значениях Аpn увеличение параметра сжимаемости сказывается на несущей способности подшипника более эффективно (рис. 10).
На основании выполненных исследований решались вопросы определения оптимальной формы смазочного зазора. В результате получены зависимости коэффициента несущей способности от количества лепестков , относительной L длины I участка I и относительной глубины I участка.
Рис. 9. Влияние на распределение относительного Рис. 10. Зависимость коэффициента давления в смазочном слое на средней линии несущей способности от при различных значений параметра различных А 1 - А = 0,413; 2 - А = 0,177;
1 - = 272;2 - = 233; 3 - = 155; 4 - = 78;
3 - А = 0,118; 4 - А = 0,059.
5 - = 39; 6 - = 13.
R Безразмерные параметры: 1 = 0,4;
P Безразмерные параметры: a = 0,25; A=36,8 х 10-3;
R p1 = 0,7; d = 100; = 2; = 3,75;
p1 R R 1 = 0,4; p1 = 0,7; d = 100; = 3,75; = 0;
p1 1 L C = 0; = 0,786; = 12 I C L = 0,786; = 2; = 1I В четвертой главе представлены результаты проверки адекватности результатов, получаемых по предложенной математической модели результатам физического эксперимента.
Приведено описание экспериментальной установки, предназначенной для исследования характеристик осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой (рис. 11). Установка состояла из металлического корпуса 27, внутри которого располагался ротор 3, опирающийся на два радиальных подшипника 26, к которым через шланги 5 и 10 подавался воздух. Привод ротора осуществлялся колесом турбины 24.
Осевое усилие создавалось нагрузочным устройством, состоящим из втулки 1, закрепленной в хвостовой части установки. Во втулке 1 располагался вал ротора. Воздух, подведенный через шланг 2 в камеру нагрузочного устройства, давил на торец вала, игравший роль поршня. Давление в камере измеряли образцовым манометром 4. Изменение нагрузки осуществляли игольчатым клапаном, регулировавшим расход воздуха в камере нагрузочного устройства.
Рис. 11. Схема экспериментальной установки 1 - втулка нагрузочного устройства; 2 - шланг подачи сжатого воздуха в нагрузочное устройство; 3 - ротор; 4 - манометр измерения давления в камере нагрузочного устройства;
5, 10 - шланги подачи сжатого воздуха к радиальным подшипникам; 6, 9 - манометры для измерения давления воздуха, подаваемого в радиальные подшипники; 7 - шланг подачи сжатого воздуха к осевому подшипнику; 8 - манометр для измерения давления воздуха, подаваемого в осевой подшипник;11 - манометр для измерения давления воздуха, подаваемого на турбину;
12 - штуцер подачи воздуха на турбину; 13 - корпус осевого подшипника; 14 - ступенчатый диск (опора) осевого подшипника; 15 - болт для измерения частоты вращения ротора; 16 - индикатор перемещений вала; 17 - датчик частотомера; 18 - планка для закрепления измерительных приборов; 19 - фундамент; 20 - резиновые опоры; 21 - прижимной диск; 22 - пакет лепестков и упругой подложки осевого подшипника; 23 - упорный диск (пята); 24 - колесо турбины; 25 - опора; 26 - радиальные подшипники ротора; 27 - корпус установки Подвод сжатого воздуха в смазочный зазор осуществляли со стороны пяты.
Через шланг 7 воздух подавался в камеру, расположенную в корпусе установки между двумя радиальными подшипниками 26. Из камеры воздух по отверстиям поступал внутрь ротора и по каналам направлялся к питателям на рабочей поверхности пяты. Конструкция ротора изображена на рис. 12.
Рис. 12. Конструкция ротора Рис. 13. Конструкция ОГЛП 1 - болт для измерения частоты вращения; 1 - ступенчатый диск (опора); 2 - регулиро2 - пята; 3 - питатели; 4 - крышка пяты; вочный лепесток; 3 - упругая подложка;
5 - колесо турбины; 6 - вал; 7 - отверстия 4 - лепесток 2-го слоя; 5 - лепесток 1-го для подачи воздуха в вал; 8 - центральное слоя; 6 - корпус подшипника; 7 - прижимосевое отверстие; 9 - заглушка; 10 - отвер- ное кольцо стия для подачи воздуха в пяту; 11 - ради- альные каналы На валу выполнены радиальные отверстия 7 (рис. 12), в теле вала просверлено глухое осевое отверстие 8, закрываемое в хвостовой части заглушкой 9, по которому воздух поступает к пяте. Через радиальные отверстия 10 воздух перетекает в каналы внутри пяты. Диск последней выполнен сборным, внутри него образуются каналы 11, по которым воздух проходит и равномерно распределяется по питателям 3, имеющим выход в смазочный зазор осевого подшипника.
Конструкция ОГЛП (рис. 13) включала металлический ступенчатый диск 1, запрессованный в корпус подшипника 6, и уложенную на его поверхности упругую подложку 3 с лепестками 4 и 5. Пакет лепестков с подложкой закрепляется кольцом 7.
Для регулирования максимальной глубины I участка использовались лепестки 2, укладывавшиеся на поверхность диска 1 в вырезы упругой подложки.
Упругим элементом (подложкой) служила листовая резина толщиной 1 мм.
Экспериментальные исследования позволили получить зависимость несущей способности подшипника от давления наддува (PS), частоты вращения ротора (n) и толщины смазочного зазора (h0). За целевую функцию была принята несущая способность подшипника (W). Проверка на коррелированность показала, что переменные h0, PS и n слабо коррелированы между собой.
Адекватность проверялась сопоставлением значений расчетного критерия Фишера (F = 1,406) с табличным при 5% - ном уровне значимости (FТ = 1,903). Так как F < FТ, то результаты, получаемые с помощью предложенной математической модели, можно считать адекватными физическому эксперименту.
Некоторые результаты физического и соответствующие им результаты численного эксперимента представлены на рис. 14 и 15.
Рис. 14. Зависимость несущей способности Рис. 15. Зависимость несущей способности от величины смазочного зазора подшипника от частоты вращения ротора 1 - численный эксперимент; 1Т - физиче- 1 - численный эксперимент; 1Т - физический эксперимент (при PS = 200 кПа, ский эксперимент (при PS = 150 кПа, n = 4х104 мин-1); 2 - численный экспери- h0 = 5х10-6 м); 2 - численный эксперимент, мент, 2Т - физический эксперимент (при 2Т - физический эксперимент (при PS = 200 кПа, n = 0 мин-1) PS = 150 кПа, h0 = 20х10-6 м) ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:
1. Разработана и защищена патентом конструкция осевого гибридного лепесткового подшипника, особенности устройства которой обеспечивают повышение несущей способности смазочного слоя.
2. Разработаны математическая модель и программа расчета характеристик ОГЛП, которые позволили провести численный эксперимент и легли в основу предложенной инженерной методики. Программа позволяет проводить сравнение характеристик различных типов осевых газовых подшипников (гибридных лепестковых и с жесткими рабочими поверхностями, газодинамических и газостатических) и осуществлять оптимизацию по максимуму несущей способности опоры.
3. Получены зависимости распределения давления в смазочном слое от параметров и режимов работы ОГЛП и определен характер распределения податливостей смазочного слоя исследуемого подшипника.
4. Определены основные требования, которые должны предъявляться к упругой рабочей поверхности исследуемого подшипника. Установлено, что для увеличения несущей способности осевого лепесткового подшипника с газовой смазкой целесообразно применять конструкцию упругой подложки с переменной податливостью по радиусу.
5. Получены закономерности и произведена оценка совместного влияния газодинамического и газостатического эффектов в гибридном лепестковом подшипнике. Влияние газостатического эффекта на повышение несущей способности в смазочном слое зависит от степени проявления газодинамического эффекта.
6. При проведении оптимизационных вычислений определены зависимости максимальной несущей способности от значений конструктивных параметров подшипника. Выявлен ряд закономерностей, свойственных опорам исследуемого типа:
L - параметры,,, имеют оптимальное значение;
I R pn - функция отклика (коэффициент несущей способности смазочного слоя) L имеет только один экстремум, т.е. параметры,, I, имеют только одно R pn оптимальное значение;
- параметр должен быть равен 0, т.е. форма смазочного зазора должна быть клиновидно-равномерной;
- оптимальные значения находятся в диапазоне 2 14;
1опт - в отличие от гибридного подшипника с жесткой рабочей поверхностью r r (имеющего при 1 = 0,2 = 2, при 1 = 0,6 = 5), оптимальное количество секто r r ров (лепестков) исследуемого подшипника выше (при 1 = 0,2 = 3, при 1 = 0, = 6).
7. Разработан и изготовлен опытный образец осевого гибридного лепесткового подшипника, проведена модернизация экспериментальной установки, осуществлен физический эксперимент. Сопоставление результатов, получаемых с помощью разработанной математической модели, с результатами физического эксперимента доказало их адекватность.
8. Разработаны рекомендации по проектированию ОГЛП, которые в совокупности с математической моделью и программой составляют инженерную методику расчета и оптимизации опор данного типа.
Автор выражает благодарность заслуженному работнику высшей школы РФ, доктору технических наук, профессору В.Т. Луценко за ценные советы, замечания и помощь в редактировании диссертации и автореферата и работникам ЗАО ДВЗ Звезда за помощь в изготовлении оригинальных элементов экспериментальной установки.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Рецензируемые научные журналы и издания перечня ВАК 1. Грибиниченко, М.В. К вопросу расчета смазочного слоя осевых лепестковых газодинамических подшипников / М.В. Грибиниченко, А.В. Куренский, А.А.
Самсонов // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2010. - № 4. - С. 45-47.
2. Грибиниченко, М.В. Обобщенная математическая модель осевых подшипников с газовой смазкой элементов судовых энергетических установок / М.В.
Грибиниченко, А.В. Куренский, Ю.Я. Фершалов // Морские интеллектуальные технологии. - 2011. - № 1 (спецвыпуск). - С. 21-23.
3. Куренский, А.В. Осевые гибридные лепестковые подшипники с газовой смазкой для судовых турбомашин /А.В. Куренский, М.В. Грибиниченко // Судостроение. - 2011. - № 5. - С. 27-29.
4. Грибиниченко, М.В. Численный эксперимент при исследовании свойств смазочного слоя осевых подшипников с газовой смазкой / М.В. Грибиниченко, А.В. Куренский, А.А. Самсонов, Ю.Я. Фершалов // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2011. - № 12. - С. 18-20.
5. Грибиниченко, М.В. Методика расчета осевых гибридных подшипников с газовой смазкой для турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания / М.В. Грибиниченко, А.И. Самсонов, А.В. Куренский // Проблемы энергетики. - 2011. - № 9 - 10. - С. 129-136.
6. Куренский, А.В. Результаты численного эксперимента осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой / А.В. Куренский, М.В. Грибиниченко, Ю.Я. Фершалов // Научное обозрение. - 2011. - № 5. - С. 303-311.
Авторские свидетельства и патенты 7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617354. Куренский А.В., Грибиниченко М.В. Оптимизационный расчет основных характеристик осевых лепестковых гибридных и газодинамических подшипников с газовой смазкой. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.11.2010.
8. Патент РФ на полезную модель № 101512. Куренский А.В., Грибиниченко М.В., Самсонов А.И., Самсонов А.А. Упорный подшипниковый узел. Зарегистрировано в гос. реестре полезных моделей РФ 20.01.2011.
9. Патент РФ на изобретение № 2449184. Куренский А.В., Грибиниченко М.В., Самсонов А.И., Самсонов А.А. Упорный подшипниковый узел. Зарегистрировано в гос. реестре изобретений 27.04.2012, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Сборники научных трудов высших учебных заведений, материалы международных и российских конференций 10. Грибиниченко, М.В. Некоторые вопросы проектирования подшипников с газовой смазкой для турбокомпрессоров наддува судовых ДВС / М.В. Грибиниченко, А.В. Куренский // Cб. материалов междунар. науч.- техн. конф. Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана. Ч. 2. - Владивосток: ДВГТРУ, 2010. - С. 312-314.
11. Грибиниченко, М.В. Основы проектирования осевых лепестковых газодинамических подшипников / М.В. Грибиниченко, А.В. Куренский // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта Вып. 48. - Владивосток: ДВГТУ, 2010. - С. 115-123.
12. Куренский, А.В. Определение деформации податливой поверхности осевых гибридных подшипников с газовой смазкой / А.В. Куренский, М.В. Грибиниченко, Я.О. Бойко // Сб. материалов науч. конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВГТУ, 2010. - С. 150-152.
13. Куренский, А.В. Применение опор с газовой смазкой в судовой энергетике / А.В. Куренский, М.В. Грибиниченко, Ю.Я. Фершалов // Сб. материалов междунар. науч.-техн. конф. Актуальные проблемы развития судоходства. - Владивосток: ДВГТРУ, 2011. - С. 101-104.
14. Куренский, А.В. Современные тенденции применения газовой смазки в технике / А.В. Куренский, Ю.Я. Фершалов, М.В. Грибиниченко // Сб. докл. междунар. науч. конф.Механика и трибология транспортных систем. - Ростов н / Д:
РГУПС, 2011. - С. 283-286.
15. Куренский, А.В. Расчет характеристик смазочного слоя осевых подшипников с газовой смазкой / А.В. Куренский, Я.О. Бойко // Сб. материалов науч.
конф. Вологдинские чтения. - Владивосток: ДВФУ, 2012. - С. 134-136.
16. Куренский, А.В. Перспективы использования подшипников с газовой смазкой в двигателях внутреннего сгорания / А.В. Куренский, Ю.Я. Фершалов, Я.О. Бойко // Актуальные проблемы создания, проектирования и эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания. Вып. 5. - Хабаровск: ТОГУ, 2012.
Ц С. 133-137.
Куренский Алексей Владимирович Повышение несущей способности осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой судовых турбомашин АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 16.11.2012 г.
Формат 60x84 1/16. Усл. П.л. 1. Уч. - изд. Л. 1,27. Тираж 100 экз.
Заказ № 7Отпечатано в типографии ИД ДВФУ 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям