Анализ нагрузочных характеристик лепесткового газодинамического подшипника на основе численного моделирования

Одной из проблем разработки и создания высокоскоростных турбомашин, роторы которых вращаются со скоростями более 20.60 тысяч оборотов в минуту, является обеспечение надежной работы их опор. Основные трудности связаны с динамическими нагрузками, действующими на опоры турбомашин при неуравновешенности (разбалансировке) ротора, а также с нагревом от горячего газа, циркулирующего в проточной части машины, и с большим градиентом распределения температур вдоль оси ротора.

Начиная с 60−70-х годов прошлого столетия, внимание разработчиков турбомашин обращается к газодинамическим опорам с деформируемыми рабочими поверхностями, среди которых наиболее приспособленными к условиям эксплуатации оказываются лепестковые газодинамические подшипники и подпятники — лепестковые газодинамические опоры.

Одна из рабочих поверхностей лепестковых опор образована упругими обол очками-лепестками толщиной 0,05. 0,2 мм, перекрывающими или не перекрывающими друг друга, закрепленными по одному краю на вкладыше, жестко связанном с корпусом машины. Лепестки изготовлены из сплава 36НХТЮ или другого с похожими свойствами. Несущая способность опоры обеспечивается эффектом клина — эффектом повышения давления в слое газа, заполняющего клиновидные зазоры между валом и лепестками при движении вала относительно корпуса.

По сравнению с газостатическими, вибронесущими и газодинамическими опорами с твердыми поверхностями лепестковые опоры обладают преимуществами:

• не требуют нагнетания газа под давлением или электрического питания вибронесущего основания;

• менее чувствительны к вибрациям основания, так как податливые упругие лепестки отслеживают поверхность вала;

• могут работать в условиях большого перепада температур по длине вала;

• работоспособны при попадании в зазор пыли или влаги;

• срок службы определяется не временем непрерывной работы, а количеством пусков-остановов, а при непрерывном режиме практически не ограничен (определяется усталостными явлениями в материале лепестков);

• трение между лепестками улучшает динамические свойства опоры;

• требования к точности изготовления и сборки ниже в сравнении с другими типами газовых опор.

Конструкции лепестковых опор обладают набором геометрических параметров, изменяя которые можно достичь достаточной несущей способности при заданных рабочих скоростях вращения ротора. Такими параметрами являются: толщина лепестка, величина монтажного зазора, угол установки лепестков в корпусе, протяженность области перекрытия лепестков и др. В областях, прилегающих к незакрепленным кромкам, лепестки могут быть профилированными, т. е. иметь в исходном недеформированном состоянии малые отклонения от основной цилиндрической формы.

Многочисленные успешные применения микротурбин на лепестковых опорах имеют место в ряде европейских стран, в США, в Южной Корее. Отечественные разработки ведутся отдельными лабораториями и научно-техническими предприятиями и продвигаются в производство крайне медленно по следующим причинам:

• недостаточная изученность свойств и технологии их изготовления;

• отсутствие лицензионного испытательного оборудования для проверки работоспособности опорного узла и качества его изготовления.

В настоящее время прогнозируется применение лепестковых опор в промышленных турбоустановках, где их применение позволяет достичь высоких скоростей вращения роторов, высокой удельной производительности турбомашин при минимальных габаритах и массе.

Область применения таких турбомашин весьма обширна: экологически чистые турбохолодильники для охлаждения больших камер хранения пищевых продуктовмалогабаритные турбохолодильники для хранения медицинских препаратов (в том числе для хранения плазмы крови) — компрессоры и воздуходувки для систем кондиционирования (в том числе в автомобильной технике) — малогабаритные автономные турбогенераторыкомпрессоры и воздуходувки для транспортировки различных смесей (в технологических процессах пищевой промышленности, в строительном производстве, в системах очистки воды и т. д.). Очевидно, что перспективы применения лепестковых опор весьма разнообразны. Практически их применение целесообразно для роторов массой до 25 кг и с рабочими скоростями вращения не менее 20 тыс. об/мин. Проектирование и изготовление опорного узла такого класса является сложной научно-производственной задачей, включающей проработку ряда специальных теоретических, технических и технологических вопросов.

Анализ нагрузочных характеристик (зависимостей результирующей реакции опоры и минимальной толщины смазочного слоя в подшипнике от смещения вала из центрального положения) лепестковых газодинамических подшипников (ЛГП) является важным этапом проектирования опор. Экспериментальное получение таких данных связано со значительными затратами ресурсов. Современные вычислительные методы и компьютерные технологии позволяют эффективно выполнить моделирование опор и их характеристик.

Теоретическим исследованиям (математическому моделированию) лепестковых газодинамических опор посвящены работы Оу, Роде [33, 66, 67], Хешмета, Уоловитта, Пинкуса [55, 56], опубликованные в Трудах американского общества инженеров-механиков, работы Ю. В. Пешти [35] и П. Н. Звонарева [17], работы сотрудников ЧПИ (с 1997 г. — ЮУрГУ) Г. А. Левиной, А. К. Бояршиновой, В. В. Смирнова [22, 23, 25, 26, 28, 49], работы сотрудников МАИ Ю. И. Ермилова и Ю. А. Равиковича [15, 16], работы исследователей из ДВГТУ под руководством проф. А. И. Самсонова [43, 44], а также работы Н. Е. Захаровой [38], С. И. Сигачева [47].

Важной задачей является выбор программных средств для численного моделирования. Современные компьютерные технологии предоставляют несколько подходов. Существует возможность работы с хорошо зарекомендовавшими себя прикладными пакетами инженерных программ, содержащих готовые модели материалов, сред, нагрузок, иных факторов. Кроме того, существует большое разнообразие расчетных программ с открытым кодом, в которые можно добавить собственные оригинальные модели и алгоритмы расчета. Третий подход заключается в создании собственной программы или комплекса программ. Каждый вариант имеет свои преимущества и недостатки. В настоящем исследовании автор использует последний подход. В большинстве научно-исследовательских проектов целесообразным является разработка собственных специализированных программных продуктов.

Существуют специализированные программы для моделирования различных типов газовых опор, но их коды, как правило, закрыты для редактирования, что ограничивает возможность расчетов разнообразных конструкций. Не последнюю роль играет и коммерческая сторона вопроса о покупке лицензий.

Программы с открытым кодом требуют существенных затрат времени исследователя на их освоение и затем добавление необходимых опций. Кроме того, особенности математических моделей ЛТП часто приводят к необходимости совместного использования различных программ. При таком подходе возникают проблемы синхронизации их работы, согласования форматов входных и выходных данных и другие трудности при программировании.

В настоящей диссертационной работе автор использует последний из перечисленных подходов. Это обусловлено тем, что особенности задачи о реакциях ЛТП — связанность задачи газовой смазки и задачи о деформациях упругих элементов опор, а также заранее не определимые области контактирования упругих элементов — существенно ограничивают возможности применения известных инженерных пакетов.

Необходимость создания специализированных программных продуктов для моделирования опор с газовой смазкой отмечается в монографии известных специалистов ленинградско-петербургской школы газовой смазки: «Методы математического моделирования, связанные с разработкой предметно ориентированного программного обеспечения, являлись ранее и в значительной мере являются сегодня единственно возможными» [37]. Заметим, что такой подход имеет потенциал реализации на суперкомпьютерных вычислительных системах.

С учетом приведенных обстоятельств задача математического моделирования ЛГП с использованием современных программных сред и технологий представляется актуальной.

Автором разработано программное обеспечение для моделирования нагрузочных характеристик ЛГП в среде программирования Delphi. Алгоритм программы основан на методе решения упругогидродинамической (УГД) задачи для ЛГП, представленном в работах [22, 23, 25, 26, 28, 49]. Метод включает решение задачи о равновесной конфигурации упругого пакета лепестков на основе расширенного вариационного принципа Лагранжа и решение уравнения Рейнольдса теории газовой смазки.

Цели исследования: развитие метода численного моделирования нагрузочных характеристик ЛГП и анализ несущей способности при различных конструктивных параметрах в стационарных условиях.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать дополнения к опубликованному в предшествующих работах численному методу решения УГД задачи на плоской модели ЛГП, обеспечивающие расширение области применимости метода в пространстве конструктивных параметров подшипника и повышение точности результатов.

2. Создать программное обеспечение для численного решения задачи упругости и УГД задачи для лепесткового газодинамического подшипника в среде программирования Delphi.

3. Выполнить верификацию математической модели и созданной вычислительной программы по экспериментальным и расчетным данным других авторов, а также по решению задачи упругости в пакете Ашуз.

4. Выполнить сравнительный анализ нагрузочных характеристик ЛТП при различных конструктивных параметрах на основе численного моделирования в созданной программе.

5. Разработать математическую модель двухопорного подвеса на ЛТП, учитывающую пространственное перемещение оси вала в подвесе.

Методика исследования. Применение численных методов нелинейного программирования и решения краевых задач газовой смазки, компьютерное моделирование, вычислительный эксперимент.

Научная новизна исследования состоит в следующем.

1. Развитие метода численного решения упругогидродинамической задачи на плоской модели ЛГП: предложен способ выбора параметров вычислительной схемы, обеспечивающих сходимость и повышение точности решения.

2. Построена математическая модель двухопорного подвеса на ЛГП с учетом пространственных перемещений оси вала, позволяющая оценить угловую жесткость и влияние угловых перемещений на несущую способность подвеса.

3. На основании анализа результатов численного моделирования ЛГП в расширенной, по сравнению с работами других авторов, области пространства параметров определены свойства лепестковой опоры: предельная несущая способность при допустимых минимальных зазорах и заданной скорости вращения, скорость «всплытия» вала на газовом слое, зависимости момента сил вязкого трения от скорости вращения и смещения вала.

Достоверность результатов работы обоснована корректной постановкой задачи, применением хорошо обусловленных численных методов, подтверждается качественным и количественным совпадением полученных результатов с экспериментальными и численными данными, полученными другими авторами.

Практическая значимость работы.

1. Создано программное обеспечение для расчета нагрузочных характеристик ЛГП, позволяющее оценить влияние конструктивных параметров на несущую способность при заданных условиях работы (скорость вращения вала, температура и давление окружающей среды). Программа обладает удобным для работы интерфейсом и готова для передачи пользователю.

2. Сформулированы рекомендации по выбору значений конструктивных параметров лепестковых подшипников на основе сравнительного анализа нагрузочных характеристик ЛГП с типоразмерами, характерными для турбомашин малой и средней мощности.

3. Выполнена численная оценка угловой жесткости двухопорного подвеса на ЛГП и влияния осевых перемещений оси вала на несущую способность.

Объект исследования — реакции и нагрузочные характеристики ЛГП роторов турбомашин малой и средней мощности.

Предмет исследования — упругие и упругогидродинамические взаимодействия в ЛГП, нагрузочные характеристики и несущая способность ЛГП в стационарных условиях работы опорного узла.

Реализация. При участии автора создано программное обеспечение «Упругогидродинамический расчет нагрузочных характеристик лепесткового газодинамического подшипника, у.1.0» (далее — «Модель ЛГП-1») и «Расчет статических нагрузочных характеристик лепесткового газодинамического осевого подшипника, у.1.0». Программы использованы при проектировании опорных узлов турбохолодильника «ХОУ-4» и турбогенератора «МДГ-20» предприятиями ООО «Корхолод», г. Коркино, Челябинская область, и.

000 НТЦ «Микротурбинные технологии», г. Санкт-Петербург.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на.

1 -ой и 2-ой конференциях аспирантов и докторантов ЮУрГУ (Челябинск, 2009,.

2010), Седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, СамГТУ, 2010 г.), Всероссийской выставке инноваций «Время вперед» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010), Четвертом Всероссийском Форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2010), 63-ей и 64-ой научных конференциях профессорско-преподавательского состава ЮУрГУ, (Челябинск, 2011,2012).

Предварительные результаты работы вошли в итоговый отчет по НИОКР, выполненной с участием автора в рамках программы «Старт-08». Работа отмечена дипломами ежегодных городских конкурсов г. Челябинска «Лучшая инновационная идея года» (2010 г.) и «Перспективный проект» (2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК, 1 отчет по НИОКР, депонированный во ВНТИЦ, получен 1 патент РФ на полезную модель и 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, тезисы докладов на 4 конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, изложена на 143 страницах машинописного текста, включая, 75 иллюстраций, 27 таблиц, 81 формулу, и список литературы, содержащий 71 наименование.

Выводы по главе.

Представлена пространственная геометрическая модель ЛТП, учитывающая угловое перемещение оси вала в подвесе, а также поступательное смещение вала из центрального положения. Определена функция зазора между лепестками и поверхностью вала в произвольном положении.

В авторскую программу «Модель ЛГП-1» включен разработанный дополнительный модуль для решения статической задачи упругости на пространственной модели ЛТП. Получены численные решения задачи упругости на пространственной модели ЛТП при произвольном положении вала в подвесе. Проведено сопоставление с результатами, полученными на плоской модели ЛТП.

Определено влияние углового перемещения оси вала в подвесе на упругие результирующие реакции ЛТП. При небольших относительных радиальных смещениях вала из центрального положения (е=0.0,2) проявляется линейная зависимость результирующей упругой реакции от величины углового перемещения оси. При увеличении относительного эксцентриситета зависимость силы от величины угла ослабевает, при этом результирующая реакция достигает своего максимального значения. При дальнейшем увеличении относительного радиального смещения пакет лепестков оказывается плотно сжатым, и контактные реакции при увеличении углового перемещения оси возникают только на части поверхности упругого пакета. Результирующая реакция при этом снижается.

Результирующие контактные реакции пакета лепестков при поступательном смещении вала и при угловом перемещении оси приблизительно равны друг другу, если равны значения относительного эксцентриситета в и относительного углового перемещения оси вала е.

Зависимость восстанавливающего момента, действующего на вал, от углового перемещения вала в подвесе при центральном положении вала является линейной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена актуальной научно-технической задаче совершенствования методов расчета и анализа нагрузочных характеристик лепестковых газодинамических подшипников. Выполненное исследование позволяет отметить основные результаты.

Диссертационная работа посвящена актуальной научно-технической задаче анализа нагрузочных характеристик лепестковых газодинамических подшипников и совершенствования методов их численного моделирования. Основные результаты выполненного исследования заключаются в следующем.

1. Выполнены дополнения к опубликованному в предшествующих работах методу решения упругогидродинамической задачи для ЛГП на плоской модели, связанные с выбором параметров вычислительной схемы, что обеспечивает сходимость вычислительных процедур и повышение точности численных результатов в широкой области конструктивных параметров.

2. Разработана пространственная модель двухопорного подвеса на ЛГП, учитывающая поступательное смещение геометрического центра вала и угловое перемещение оси вала в подвесе, на основании которой выполнена оценка влияния углового перемещения оси вала в подвесе на несущую способность и оценка угловой жесткости подвеса.

3. Создана программа для расчета нагрузочных характеристик лепестковых подшипников «Модель ЛГП-1», реализующая численное решение упругогидродинамической задачи на плоской модели. Программа зарегистрирована в государственном Реестре программ для ЭВМ и может служить инструментом для исследования свойств и проектирования лепестковых подшипников.

4. Выполнена верификация программы «Модель ЛГП-1», подтверждающая достоверность расчетов, путем сравнения численных результатов с решениями, полученными в пакете АтуБ, а также с экспериментальными и теоретическими данными других авторов. Расхождение результатов по нагрузочным характеристикам, предельной несущей способности и скорости всплытия составляет 15−20%.

5. На основании расчетов в программе «Модель ЛГП-1» исследованы свойства лепестковых подшипников — предельная несущая способность при допустимых минимальных зазорах и заданной скорости вращения, скорость «всплытия» вала на газовом слое, зависимости момента сил вязкого трения от скорости вращения и смещения вала. Сформулированы рекомендации по выбору основных конструктивных параметров ЛГП.