Решение комплексной задачи расчета характеристик радиальных лепестковых газодинамических подшипников

Актуальность темы

.

В настоящее время существует устойчивая тенденция по применению высокоскоростных роторных машин с электрои турбинным приводом в транспортном и энергетическом машиностроении, ракетно-космической и криогенной технике. Наиболее нагруженными и ответственными элементами турбомашин, определяющими работоспособность и ресурс изделий, являются роторно-опорные узлы. Сравнительно недавно, при конструировании опор высокоскоростных роторов, предпочтение отдавалось подшипникам качения, что объяснялось удобством их монтажа, смазки и обслуживания, а также отсутствием износа опорных поверхностей ротора и постоянством коэффициента трения при изменении скоростей и нагрузок. Увеличение частот вращения выявило ряд существенных недостатков, Л сдерживающих их дальнейшее применение в качестве—-опор высокоскоростных роторов. Более перспективным, с точки зрения быстроходности и надежности, является использование различных видов подшипников скольжения. При определенных режимах эксплуатации подвижных сопряжений, например, при высоких скоростях или температурах, практически исключается использование жидких или пластичных смазочных материалов. В этих условиях широко применяют подшипники с газовой смазкой с применением твердых смазочных материалов, наносимых на рабочие поверхности деталей в виде покрытий.

Можно привести множество примеров успешного испытания опор с газовой смазкой в промышленности. Гироскопы, турбодетандеры, турбокомпрессоры, шпиндельные узлы металлорежущих станков, различное медицинское оборудование, испытательные стенды. Успешное внедрение опор с газовой смазкой в различных отраслях промышленности объясняется прежде всего свойствами газового смазочного материала, выгодно отличающими его от жидкостного. Минимальные потери на трение, незначительное выделение температуры, являющееся следствием малой вязкости газов, позволяет достигать очень больших частот вращения, а также ввиду отсутствия скачков сил трения при относительном перемещении узлов, разделенных смазочным газовым слоем, становится возможным осуществлять также перемещения с минимальной скоростью скольжения. Подшипники с газовой смазкой, не теряя своих эксплуатационных качеств, могут работать в широком диапазоне температур и давления, а также в зоне повышенной радиации (газы не подвержены фазовым изменениям). Кроме того, у правильно рассчитанных и с необходимой точностью изготовленных узлов на опорах с газовой смазкой изнашивание рабочих поверхностей практически отсутствует. Газ, выходящий под повышенным давлением из зазоров опор, не загрязняет окружающую среду и предохраняет рабочие поверхности от попадания пыли, масла и т. п. Для смазывания опор некоторого класса машин, например, турбокомпрессоров, может быть использована любая газовая среда: воздух, водяной пар, гелий и др., т. е. та среда, в которой работают эти машины. ч.

Применение газодинамических подшипников в турбомашинах имеет ряд преимуществ.

Повышенная надежность. Машины с газодинамическими подшипниками являются более надежными, так как в них меньше частей, необходимых для опор роторов и не требуется системы смазки подшипников. При рабо. те машины слой газа между подшипником и валом защищает их от износа. Поверхность подшипника контактирует с валом только при запуске и останове машины. В это время ограниченно изнашивается только покрытие подшипника.

Неразрушаюгций отказ. В связи с малыми зазорами и допусками, присущими конструкциям с газодинамическими подшипниками, в случае отказа перемещение вала ограничено величиной газодинамического зазора. В результате, в большинстве случаев повреждения ограничиваются контактными поверхностями подшипников и вала. Вал может продолжать использоваться в работе в том же виде и дальше или быть отремонтирован. t.

Повреждения другой матчасти, если они имеются, минимальны и устраняются при ремонте.

Работа на высокой скорости. Роторы компрессоров и турбин имеют лучшую газодинамическую эффективность при более высоких скоростях. Газодинамические подшипники позволяют этим машинам работать на повышенных скоростях без всяких ограничений, присущих подшипникам качения. Фактически, благодаря действию газодинамической силы, они при увеличении скорости способны выдерживать увеличенную нагрузку.

Способность работать при низких и высоких температурах. Многие смазочные масла не могут работать при очень высоких температурах без потери их свойств. При низких температурах смазочные масла становятся слишком вязкими, чтобы работать эффективно. Газодинамические подшипники эффективно работают как при очень высоких, так и при криогенных температурах.

Эксплуатация в рабочих средах. Газодинамические подшипники работают не только на воздухе, но и на других средах, таких как гелий, ксенон, хладагенты, жидкий кислород и жидкий азот. При работе в испарительных циклах для охлаждения и поддержки ротора в газодинамических подшипниках может быть использован хладагент, а не смазочные масла, которые могут засорять систему и снижать эффективность.

Относительно новым и перспективным видом газодинамических опорявляются лепестковые подшипники. Их упругие элементы создают максимальную площадь несущей поверхности, а также служат для подавления неустойчивости. Изучение процессов, происходящих в роторно-опорных узлах, путем проведения полномасштабных натурных экспериментов представляется нецелесообразным вследствие высокой стоимости и трудоемкости таких исследований, поэтому для исследования данных процессов необходимо применять математическое моделирование. Для автоматизации процесса проектирования с учетом современного развития компьютерных технологий целесообразным является создание программных комплексов для расчета радиальных лепестковых газодинамических подшипников. !

Настоящая диссертационная работа выполнялась в рамках хозяйственных договоров и договоров о научно-техническом сотрудничестве: о Разработка газодинамических подшипников для воздушного турбокомпрессора (договор с ОАО «Конструкторское бюро химической автоматики» № 735/4−04, 2004 — 2005 г.). о Теоретические основы расчета комбинированных опор роторов высокоскоростных турбокомпрессоров водородных топливных элементов (грант Российского фонда фундаментальных исследований, программа «Инициативные фундаментальные исследования», тема № 06−08−96 505, 2006 г.). о Разработка опор скольжения роторов электрои турбонасосных агрегатов (договор с ФГУП «Турбонасос» № 1162/300−04, 2004 — 2007 гг.).

Объектом исследования являются опоры роторов агрегатов с электрои турбоприводом, включающие радиальные лепестковые газодинамические подшипники.

Предметом исследования являются характеристики радиальных лепестковых газодинамических подшипников: грузоподъемность, потери мощности на трение и расход смазочного материала.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка практического инструментария для инженерных расчетов и проектирования радиальных лепестковых газодинамических подшипников на основании расчета характеристик данных опор.

Достижение цели обеспечено решением следующих задач:

1) разработать математическую модель для определения деформаций упругих элементов радиального лепесткового газодинамического подшипника;

2) разработать упруготермогазодинамическую математическую модель радиального лепесткового газодинамического подшипника для расчета характеристик ЛГДП в неизотермической постановке и с учетом совместных деформаций упругих элементов;

3) провести сравнение результатов численного решения с экспериментальными исследования и результатами других авторов;

4) установить влияние геометрических и рабочих параметров радиальных лепестковых газодинамических подшипников на грузоподъемность, потери мощности на трение и расход смазочного материала;

5) создать программное обеспечение для расчета характеристик радиальных лепестковых газодинамических подшипников, на основе решения комплексной задачи.

Теоретическая база и методы исследования. Содержание '^работы в целом опирается на научные труды отечественных и зарубежных ученых в области теории упругости, гидродинамической теории смазки и вычислительной механики.

Расчет подшипника основан на совместном решении задачи газодинамики (уравнение Рейнольдса), теплофизики (уравнение баланса энергий и аппроксимационные зависимости теплофизических свойств воздуха) и теории упругости (уравнения Лямэ в перемещения для незамкнутой оболочки). В алгоритме численного решения уравнений используются методы конечных разностей, для аппроксимации табличных данных теплофизических свойств воздуха — метод наименьших квадратов.

Программа расчета написана на языке программирования С++. Для вспомогательных расчетов и представления их результатов в графическом виде использовалась система научных и инженерных расчетов Matlab (Mathworks).

Научная новизна и выносимые на защиту положения:

1) разработана упруготермогазодинамическая математическая модель радиального лепесткового газодинамического подшипника для I / f 9 расчета грузоподъемности, потерь мощности на трение и расхода смазочного материала в неизотермической постановке с учетом переменных теплофизических свойств и механических взаимодействий упругих элементов;

2) разработана, на основе моментной теории цилиндрических оболочек, математическая модель расчета деформаций упругих элементов ЛГДП, включающего незамкнутую тонкостенную цилиндрическую поверхность опирающуюся на круговой гофрированный элемент с учетом условия совместности деформаций, эффекта кулоновского трения в зоне взаимодействия лепестка и гофра и нелинейности давления смазочного слоя;

3) сравнительный анализ, проведенный для теоретических и экспериментальных данных прогибов опорных поверхностей: показал удовлетворительное согласование (87%) теоретических и экспериментальных исследований, что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели, подтверждает корректность постановки задачи, теоретических допущений и ограничений;

4) установлено влияние рабочих и геометрических параметров на такие характеристики ЛГДП как: грузоподъемность, расход смазочного материала и потери мощности на трение: уменьшение толщины лепестка, толщины и количества гофров приводит к снижению грузоподъемности, но также уменьшаются потери на трение и расход смазочного материала;

5) на основе решения комплексной задачи, разработан инженерный инструментарий проектирования, в виде конечного программного продукта, для расчета характеристик радиальных лепестковых газодинамических подшипников.

Достоверностьполученныхрезультатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, допущений и ограничений, применением апробированных аналитических и численных методов анализа, а также подтверждается качественным и количественным согласованием теоретических результатов с экспериментальными данными других авторов.

Научная значимость и практическая ценность заключается в том, что разработанные методики расчета радиальных лепестковых газодинамических подшипников и программное обеспечение позволяет определять такие характеристики опор как: грузоподъемность, расход смазочного материала и потери мощности на трение, исходя из предложенных геометрических и рабочих параметров.

Аппробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на: IV международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, 1 периодического и вибрационного действия», г. Орел 2006 г.- международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки -120 лет», г. Орел 2006 г.- семинарах проблемной научно-исследовательской лаборатории. Диссертационная работа была рассмотрена и одобрена на научно-техническом семинаре кафедры 203 «Конструкции и проектирование двигателей летательных аппаратов» Московского авиационного института, а также на заседании кафедры «Динамика и прочность машин» Орловского государственного технического университета. .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, включая 12 статей в научных сборниках, 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка литературы, приложений, 201 страницы текста, 119 рисунков, 12 таблиц. Библиография включает 72 наименований ссылочной литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время существует устойчивая тенденция по применению высокоскоростных роторных машин с электрои турбинным приводом в транспортном и энергетическом машиностроении, ракетно-космической и криогенной технике. Потребности этих отраслей связаны с использованием роторов, установленных на подшипники скольжения, так как наиболее нагруженными и ответственными элементами турбомашин, определяющими работоспособность и ресурс изделий, являются роторно-опорные узлы. Все чаще отечественные и зарубежные конструкторы при проектировании высокоскоростных турбомашин обращаются к подшипникам с упругими поверхностями, наиболее перспективными из которых являются лепестковые газодинамические подшипники.

Целью работы является разработка практического инструментария для инженерных расчетов и проектирования радиальных лепестковых газодинамических подшипников на основании расчета характеристик данных опор. В диссертационной работе представлено решение актуальной научно-технической задача расчета характеристик радиальных лепестковых газодинамических подшипников на основе упруготермогазодинамической математической модели, позволяющей учесть совместные деформации упругих элементов, переменные теплофизические свойства смазочных материалов, турбулентность потока газовой смазки, эффекты кулоновского трения в зоне взаимодействия лепестка и гофра.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать по диссертационной работе следующие основные выводы:

1. Разработана, на основе моментной теории цилиндрических оболочек, математическая модель расчета деформаций упругих элементов ЛГДП, включающего незамкнутую тонкостенную цилиндрическую поверхность опирающуюся на круговой гофрированный элемент с учетом условия совместности деформаций, эффекта кулоновского трения в зоне взаимодействия лепестка и гофра и нелинейности давления смазочного слоя;

2. Разработана упруготермогазодинамическая математическая модель радиального лепесткового газодинамического подшипника для расчета грузоподъемности, потерь мощности на трение и расхода смазочного материала в неизотермической постановке с учетом переменных теп-лофизических свойств и механических взаимодействий упругих элементов;

3. Сравнительный анализ, проведенный для теоретических и экспериментальных данных прогибов опорных поверхностей, показал удовлетворительное согласование (87%) теоретических и экспериментальных исследований, что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели, подтверждает корректность постановки задачи, теоретических допущений и ограничений.

4. Установлено влияние рабочих и геометрических параметров на такие характеристики ЛГДП как: грузоподъемность, расход смазочного материала и потери мощности на трение: геометрические параметры лепесткового подшипника влияют на величину прогиба лепестка между двумя соседними гофрами, при этом увеличение длинны подшипника на 35% уменьшает прогиб лепестка между соседними гофрами на 25%. А увеличение толщины лепестка на 50% приводит к уменьшению прогиба в 3 раза. Увеличение толщины кругового гофрированного элемента на 50% уменьшает прогиб упругих элементов в 2,2 раза, это приводит к росту грузоподъемности, потерь мощности на трение и расхода смазочного материала.

5. На основе решения комплексной задачи, разработан инженерный инструментарий проектирования, в виде конечного программного продукта, для расчета характеристик радиальных лепестковых газодинамических подшипников.