Повышение несущей способности осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой судовых турбомашин

Актуальность темы

исследования. В настоящее время турбомашины различного назначения широко распространены в судовой энергетике в качестве устройств, обеспечивающих работу как главной СЭУ, так и вспомогательных установок.

Компактные, обладающие более высокой удельной мощностью по сравнению с поршневыми установками турбомашины применяются в качестве турбинных двигателей, турбокомпрессоров наддува судовых ДВС [42,43], турбодетан-деров холодильных машин.

Постоянно растущие требования к производительности турбомашин, при сохранении их массогабаритных показателей, обеспечиваются повышением скорости вращения роторов. При этом возникает ряд проблем, в том числе связанных с обеспечением надежной работы опор валов (подшипников) и снижением потерь на трение.

Подшипники высокоскоростных установок, таких как турбомашины, в настоящее время являются одними из наименее надежных узлов, выход из строя которых приводит, во многих случаях, к отказам энергоустановок.

Причиной этого является то, что распространенные в настоящее время подшипники качения и жидкостные подшипники скольжения не обеспечивают надежной работы механизмов при высоких скоростях вращения роторов.

Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является применение подшипников с газовой смазкой.

Настоящая работа посвящена решению задач, связанных с использованием газовой смазки в судовой энергетике.

Сравнивая технические характеристики классических (жидкостных) подшипников скольжения и подшипников с газовой смазкой, можно привести следующие примеры.

Срок службы классических подшипников значительно меньше срока службы газовых опор: для масляных подшипников, используемых в турбокомпрессоpax судовых малооборотных и среднеоборотных дизелей, ресурс составляет 20−35 тыс. часов [42], в то время как воздушные подшипники ротора турбокомпрессора, используемого в авиастроении, показали среднее время между отказами более 100 тыс. часов [114].

Классические подшипники подразумевают использование смазочных материалов, что усложняет конструкцию, загрязняет рабочее тело турбомашин (это в некоторых случаях, например в холодильных машинах, недопустимо), повышает пожароопасность установки и загрязняет окружающую среду. Очевидно, что сложности, связанные с использованием смазочных материалов, практически устраняются при переходе к смазке газом.

Обладая целым рядом преимуществ, газовые подшипники обеспечивают значительное повышение скорости вращения ротора турбомашины при минимальных потерях на трение и практически полном отсутствии износа рабочих поверхностей (исключение составляют режимы запуска и остановки машины).

Газовая смазка, сравнительно молодое направление науки и техники. Предложенная ещё в середине XIX века, получила развитие только во второй половине XX столетия [91]. Это было связано, во-первых, с существенным повышением требований, предъявляемым к характеристикам узлов трения различных машин и турбоагрегатов, а во-вторых — с расширением технологических возможностей, позволяющих изготавливать детали с повышенной точностью и чистотой поверхностей, необходимых в узлах трения с газовой смазкой.

Проблемам повышения эффективности опор с газовой смазкой посвящены труды отечественных ученых: А. И. Белоусова [2], А. Н. Брагина [8], B.C. Виноградова [47], Б. С. Григорьева [14], A.B. Емельянова[23], В. П. Жедь [24], Н.Д. За-блоцкого [26,27], Г. А. Завьялова [6], С. Г. Кан [36], М. В. Коровчинского [44], A.B. Космынина [46], Я. М. Котляра [52], Л.Г.Лойцянского[26,63], A.A. Лохматова [64],.

B.А. Максимова [66], В. А. Мордвинкина [67], Ю. В. Пешти [73,74], C.B. Пинегина [75,76], Ю. А. Равиковича [4], А. И. Самсонова [81.83], Л. Г. Степанянца [92,97], И. Е. Сипенкова [72, 85−88], А. И. Снопова [89, 90], Ю. Б. Табачникова [76],.

C.Н.Шатохина [62, 100−103 ], С. А. Шейнберга [105, 106].

Немалый вклад внесли и зарубежные исследователи: Грэссем и Пауэлл [21], В. Н. Константинеску [45], Фречетте [113], Якобсон [115], Кастелли и Стивенсон [38−41], Мори [68,69] и др.

Первым примером промышленного применения газовой смазки являются конструкции шпиндельных узлов и направляющих в станкостроении [11, 24, 55, 104]. Газовая смазка позволила устранить проблемы, связанные с применением шарикоподшипников (ограничение окружной скорости режущего инструмента, загрязнение окружающей среды смазочными материалами). Значительный вклад в развитие этого направления внес коллектив под руководством С. А. Шейнберга.

Развитие авиаи кораблестроения поставило вопрос о необходимости создания прецизионных опор на газовой смазке для навигационных приборов и другой измерительной аппаратуры. Исследованиями в этом направлении занимались ученые Ленинградской школы газовой смазки под руководством Л. Г. Лойцянского [ 7, 14, 25−31, 72, 85−88, 92−97].

Подшипники с газовой смазкой применяются в различных областях науки и техники: в электронно-вычислительной, авиационной, космической ядерной и т. д. Перспективность данного направления подтверждается сообщениями о проведении исследовательских работ в этой области [108, 112, 114, 123, 124], а также увеличением типов различного оборудования, в котором используются опоры на газовой смазке www. tribology-abc.com, www.airbearings.co.uk, www.capstone.ru.

Занимаются разработкой машин и агрегатов с опорами на газовой смазке многие известные фирмы: General Electric Corp., Mechanical Technology Inc., The Garret Corporation, General Motors Corp., Societe Rateau, Softair, Rolls-Royce, Motoren und Turbinen Union, Ciysler, Westwind, Mitsubishi, Nissan Motor Co. Ltd и т. д.

Недостатком подшипников с газовой смазкой является низкая несущая способность смазочного слоя (по сравнению с жидкостными подшипниками) из-за невысокой вязкости газов, в связи с этим повышение значения этой характеристики и тем самым расширение области использования газовой смазки является одной из актуальных задач в судовой энергетике.

Постановка цели исследования. С точки зрения использования газовой смазки в турбомашинах судовой энергетики можно отметить следующие направления.

Перспективно применение подшипников с газовой смазкой в воздушных холодильных машинах, к которым в последние годы возрастает интерес в связи с ограничением использования фреонов. Турбодетандеры на газовой смазке позволяют исключить загрязнение холодного воздуха маслом, таким образом, появляется возможность направлять воздух непосредственно на охлаждаемые продукты питания.

Другим направлением стало применение газовых подшипников в качестве опор роторов турбокомпрессоров наддува судовых двигателей внутреннего сгорания, а также турбогенераторов судовых электростанций.

Несмотря на значительные преимущества, использование подшипников с газовой смазкой ограничено. Во многом это связано с существенным недостатком опор с газовой смазкой — низкой несущей способностью смазочного слоя (по сравнению с жидкостными подшипниками), являющейся следствием малой вязкости газов [81].

Исследования, направленные на устранение этого недостатка, особенно актуальны для турбомашин СЭУ, имеющих сравнительно массивные детали и оказывающие существенные нагрузки на подшипники.

Предлагаемые исследователями разнообразные технические решения (применение подшипников с пористыми вкладками [46, 47], сегментных [4,5] и лепестковых опор [81]) свидетельствуют, что в настоящее время задача повышения несущей способности остается актуальной.

Повышением несущей способности газовых опор занимаются коллективы различных организаций, в том числе МАИ (г.Москва) [4], СПбГПУ (г.Санкт-Петербург) [25,26−31], СФУ (г. Красноярск) [62, 100−103], КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре) [46−48], ДВФУ (г. Владивосток) [12, 81, 125].

Другим существенным недостатком газовых опор является повышенная склонность к возникновению неустойчивой работы. Большое количество работ посвящено проблемам динамики роторов на опорах с газовой смазкой [22, 100, 105, 106, 110, 117, 118, 120, 121].

Рассмотрим направления исследований в области газовой смазки.

Работы, проведенные коллективом под руководством С. А. Шейнберга [105, 106], ориентированы, в первую очередь, на станкостроение и приборостроение, например на разработку конструкций высокоскоростных шпиндельных узлов или гироскопов. Повышенные требования к характеристикам шпиндельных узлов высокоточных станков определяли приоритетные направления этих исследований. Указывая, что проблема малой несущей способности газовых подшипников имеет место, и приводя анализ факторов, влияющих на повышение несущей способности газовых опор [106], Шейнберг С. А. тем не менее обращает большое внимание на ряд других вопросов, связанных с использованием газовой смазки (таких, как неустойчивость скоростного вихря или автоколебаний типа «пневмомолотка»).

Вопросам разработки опор с газовой смазкой шпиндельных узлов и направляющих посвящены работы коллективов Красноярского политехнического института (Сибирский федеральный университет) [62, 71, 101−103] и Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета [46−51, 55]. Здесь проводятся исследования как статических, так и динамических характеристик газовых опор. В работе [46] рассматривается способ повышения несущей способности газостатических подшипников металлообрабатывающего оборудования с помощью специального конструктивного решения — вкладышей с пористой структурой. В таком подшипнике давление наддува эффективно распределяется по рабочему зазору. Авторы отмечают, что подшипники с пористыми вкладышами имеют ограниченное применение из-за отсутствия пригодного пористого материала.

Разрабатывая опоры с газовой смазкой для приборостроения, исследователи школы газовой смазки J1. Г. Лойцянского решали вопросы, связанные с точностью работы измерительных приборов, изучали, например, проявление моментов увода, создаваемых аэрогидродинамическими силами [25, 26−31].

В работе [22] приводятся основы расчета газодинамических подшипников приборов и быстроходных машин малой мощности. Значительное внимание уделяется вопросам динамики роторов на газовых опорах, а также приводится анализ уравнений статической задачи газовой смазки и определяются факторы, влияющие на несущую способность смазочного слоя подшипников со спиральными канавками. Отметим, что автор рассматривает такой метод повышения несущей способности подшипника, при котором определяется профиль рабочей поверхности, обеспечивающий максимальное значение этой величины.

Обширный анализ уравнений газовой смазки приводится в монографии [45]. Рассматриваются различные типы газовых подшипников, определяются факторы, влияющие на характеристики опоры. Значительное влияние уделяется влиянию конструктивных параметров рабочей поверхности подшипника на его несущую способность.

Перспективно применение гибридных опор, совмещающих положительные свойства нескольких типов подшипников. Например, газодинамических и газостатических опор [4, 12, 105], магнитных и газовых подшипников [55].

В работе [4] приводятся результаты исследований подшипников с газовой смазкой ротора турбогенератора. Повышение несущей способности достигается применением гибридных подшипников с самоустанавливающимися вкладышами, которые обеспечивают возможность устойчивой работы подшипника при малых значениях смазочного слоя и более эффективном проявлении газодинамического эффекта.

Анализ результатов исследований газовых подшипников показывает, что, несмотря на значительные успехи в этой области, вопросы, связанные с основными недостатками газовых подшипников (малой несущей и демпфирующей способностями смазочного газового слоя, неустойчивостью работы), остаются актуальными. При этом в зависимости от области применения подшипников наиболее актуальным становится устранение того или иного недостатка. Например, вопрос малой несущей способности подшипников с газовой смазкой в станкостроительной области может стоять не так остро и решен несколько иначе, чем в судовой энергетике. При использовании газовой смазки в металлообрабатывающем оборудовании часто существует возможность установки подшипников с наддувом, имеющих практически неограниченную несущую способность, но требующих внешнего источника сжатого газа (компрессора), применение которого в лимитированных условиях энергоустановок судов и кораблей может явиться нецелесообразным. С другой стороны, вопросы, связанные с динамикой роторов, стоят более остро в станкостроении, пневмошлифовальной технике и гироскопических устройствах, чем в судовой энергетике.

Можно сделать вывод, что именно малая несущая способность газовых опор является основным фактором, ограничивающим широкое распространение газовой смазки в судовых установках.

Настоящая работа является продолжением исследований в области газовой смазки, проводимых в течение сорока лет в Дальневосточном федеральном университете (ДВПИ им. В. В. Куйбышева, ДВГТУ). В последние годы здесь было уделено значительное внимание проблеме повышения эффективности осевых газовых опор [12, 81], так как анализ научно-технической литературы показывает, что по сравнению с радиальными опорами осевые подшипники менее изучены. Поэтому в данной работе рассматриваются осевые опоры.

Целью настоящей работы является повышение несущей способности осевых подшипников с газовой смазкой.

Постановка задач исследования. Факторы, влияющие на несущую способность, можно разделить на две основные группы. К первой группе можно отнести изменение конструктивных параметров, определяющих форму и величину смазочного слоя, а ко второй — изменение режимных параметров: относительной скорости движения рабочих поверхностей, давления газа подаваемого на смазку, давления на краях подшипника.

Рассмотрим более подробно методы, с помощью которых можно повысить несущую способность подшипников с газовой смазкой.

Эффективным методом повышения несущей способности, который рассматривается в настоящей работе, является внедрение относительно новых типов газовых опор, конструктивные особенности которых предполагают повышение несущей способности по сравнению с существующими подшипниками. Например, доказана эффективность использования подшипников с пористыми вкладками [46], самоустанавливающимися сегментами [4] и консольно-закрепленными подушками [111].

Разнообразны предложения по организации способов подачи сжатого газа в смазочный зазор в подшипниках с наддувом (газостатических) [12, 45, 67, 81, 82, 91, 105, 147, 148].

Другим не менее эффективным методом повышения несущей способности является оптимизация формы смазочного слоя.

В настоящей работе критерием оптимальности определён максимум несущей способности смазочного слоя подшипника. Соответственно под оптимальными значениями параметров будем понимать такие значения, которые обеспечивают при заданных ограничениях максимальную несущую способность.

Следует отметить, что при использовании газовой смазки форма смазочного зазора во многом определяет величину несущей способности подшипника, при этом параметры, определяющие эту форму, имеют, в большинстве своём, оптимальные значения.

Проведенные исследования [12, 45, 81, 85] показывают, что даже сравнительно небольшие отклонения значений параметров от оптимальных величин приводят к значительному снижению несущей способности подшипника или к его полной неработоспособности. Значения интегральных характеристик (в том числе и несущей способности), получаемые расчетным путем, часто отличаются от реальных характеристик созданной опоры. В итоге подшипники во многих случаях имеют недостаточную несущую способность для поддержания роторов турбома-шин. Вследствие этого особенно важно при проектировании уметь подбирать режимные и конструктивные параметры подшипника, обеспечивающие максимально высокую несущую способность слоя, т. е. проводить оптимизацию проектируемой опоры.

Данное обстоятельство значительно ограничивает область распространения рассматриваемых подшипников и не позволяет использовать в современных тур-бомашинах преимущества смазки газом.

Приведем следующий пример. При проектировании осевого газодинамического подшипника турбокомпрессора наддува судового двигателя внутреннего сгорания очевидно, что проектировщик будет иметь некоторые входные данные, определяющие параметры проектируемой опоры.

Например, частота вращения вала ротора будет определять относительную скорость рабочих поверхностей опоры и тем самым влиять на несущую способность газодинамического подшипника.

Внутренний и наружный радиусы подшипника будут ограничиваться размерами самой турбомашины, соображениями технологичности при изготовлении и ремонте, а также прочности деталей. При этом определение параметров профиля рабочих поверхностей и тем самым формы смазочного зазора остается задачей проектировщика.

Таким образом, проектирование опоры при заданных ограничениях будет сводиться к выбору конструктивного типа подшипника и оптимизации тех конструктивных параметров, значения которых могут изменяться в определенном диапазоне.

В настоящей работе для достижения поставленной цели (повышения несущей способности подшипников с газовой смазкой) применяются оба вышеперечисленных метода, т. е. осуществляется разработка новой конструкции подшипника с газовой смазкой и проводится оптимизация разработанной конструкции.

Осуществление второго метода повышения несущей способности (оптимизации конструкции подшипника) достигается путем разработки инженерных методик расчета, позволяющих на этапе проектирования адекватно оценить характеристики подшипника и рассчитать оптимальные параметры.

Совершенствование существующих, создание новых конструкций гибридных подшипников при одновременной разработке методик расчета и оптимизации конструктивных и режимных параметров опор такого типа повысит эффективность работы газовых опор и увеличит область распространения газовой смазки в технике.

Учитывая вышеизложенное, сформулируем первую задачу.

1-я задача. На основании проведенного обзора существующих разработок в области подшипников с газовой смазкой определить конструкцию объекта исследования.

Определяя конструктивный тип объекта исследования, следует учитывать, что рассматриваемые подшипники предполагается использовать в элементах судовых энергетических установок (СЭУ). Это турбомашины различного назначения, такие как турбокомпрессоры наддува судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) или турбодетандеры холодильных машин промысловых судов. В этом случае нагрузка на опоры относительно высокая (по сравнению с нагрузками на газовые опоры из других отраслей промышленности, например приборостроения).

Очевидно, что с увеличением нагрузки возрастают и геометрические характеристики подшипника, а технологические задачи изготовления и монтажа деталей усложняются. Поэтому применение подшипников, широко распространенных в приборостроении [25, 128, 129] или измерительной технике, в судовой энергетике может оказаться затруднительным.

Следует учитывать, что СЭУ работает в более тяжелых условиях по сравнению со стационарными объектами. Например, качка судна приводит к дополнительным нагрузкам на подшипники турбомашин (в основном вследствие гироскопического эффекта, когда при изменении положения судна в пространстве ротор турбины стремится сохранить свое положение).

Получение новых зависимостей характеристик разработанной конструкции подшипника с газовой смазкой от его режимных и конструктивных параметров, проведение оптимизационных исследований и создание инженерной методики расчета такого подшипника подразумевают проведение эксперимента (вычислительного и/или физического).

Инструментом таких исследований могут являться математические модели (для проведения вычислительного эксперимента), а также экспериментальные установки (для проведения физического эксперимента).

Учитывая значительную трудоемкость изменения геометрии рабочей поверхности подшипника в широком диапазоне для получения зависимостей характеристик объекта исследования от его конструктивных параметров при проведении физического эксперимента, в настоящей работе основным методом проведения исследования определен вычислительный эксперимент, позволяющий расширить область исследуемых величин.

Поскольку в настоящей работе разрабатывалась новая конструкция подшипника, то существующие методики расчета опор с газовой смазкой, а также опубликованные результаты теоретических и экспериментальных исследований не могли быть использованы при определении характеристик разработанной конструкции подшипника. В то же время предлагаемый в научно-технической литературе математический аппарат расчета различных опор с газовой смазкой хорошо развит и позволяет на его основе разрабатывать математические модели новых конструкций газовых опор.

Сформулируем вторую задачу, решаемую в настоящей работе.

2-я задача. Разработать математическую модель осевого гибридного лепесткового подшипника с газовой смазкой.

Остановимся более подробно на существующих математических методах расчета газовых опор. Решение задач газовой смазки во многом сводится к расчету течения вязких сжимаемых жидкостей в тонком слое переменной величины [22, 45, 81, 82, 98, 105, 123]. Результатом такого расчета становятся характеристики смазочного слоя, анализ которых позволяет сделать выводы о соответствии проектируемой опоры предъявляемым к ней требованиям. Такими характеристиками могут являться распределение давления в смазочном слое, несущая способность слоя, его жесткость, мощность трения, расход газа подаваемого, на смазку [81], эгаоры деформации податливых рабочих поверхностей (в случае применения лепестковых опор).

Во многих случаях разработчики стремились решить задачу аналитически [3, 9, 46−48, 52, 53, 78, 106]. Для этого принимались различные допущения, например, рассматривалась плоская задача [45, 105], или предельный случай, при котором относительная скорость рабочих поверхностей стремится к бесконечности [52, 106].

Существует метод, предложенный Я. М. Котляром [78], при котором проводится аналогия между течением газа в смазочном слое подшипника и плоским потенциальным течением несжимаемой жидкости. При этом используется математический аппарат теории функций комплексного переменного.

Множество упрощений аналитических решений приводят к значительным расхождениям теоретических и практических результатов, поэтому аналитические методы рассматриваются как приближенные, используемые для качественной оценки характеристик исследуемых подшипников.

Численные методы решения с использованием ЭВМ позволяют получить с более высокой точностью (по сравнению с аналитическими методами) технические характеристики рассчитываемой опоры [10, 38−41, 54, 109]. Поэтому в настоящей работе определено, что разрабатываемая математическая модель будет основана на численном решении задачи течения газа в смазочном слое.

Формируется третья задача настоящей работы.

3-я задача. Составить программу расчета и оптимизации объекта исследования.

На основе математической модели необходимо составить программу расчета на ЭВМ. Данную программу следует понимать как основной инструмент при проведении исследований характеристик подшипника, разработке инженерной методики расчета и оптимизации его параметров.

Математическая модель и составленная на её основе программа позволят перейти к решению следующей задачи.

4-я задача. Выполнить численный эксперимент и проанализировать его результаты.

В настоящей работе планируется получить зависимости характеристик подшипника от его режимных и конструктивных параметров. Анализ данных зависимостей позволит определить основные направления повышения несущей способности и эффективности работы исследуемых опор в целом.

При проведении численного эксперимента появляется необходимость установления адекватности результатов, получаемых с помощью математической модели, сравнением с результатами других исследователей или проведением физического эксперимента.

Сравнение полученных результатов с результатами других авторов затруднительно, поскольку разрабатывается новый конструктивный тип подшипника. Поэтому для подтверждения адекватности результатов численного эксперимента необходимо провести физический эксперимент и сравнительный анализ полученных результатов.

5-я задача. Разработать и реализовать конструкцию экспериментального стенда, предназначенного для проведения исследований характеристик осевых подшипников с газовой смазкой.

6-я задача. Провести физический эксперимент по исследованию характеристик осевого гибридного лепесткового подшипника (ОГЛП) и проверить адекватность результатов, получаемых с помощью предложенной математической модели результатам физического эксперимента.

Сравнение результатов численного и физического экспериментов часто применяется при проведении исследований в области газовой смазки [4, 12, 67, 81].

Разработанная на основе математической модели программа расчета может быть использована не только при проведении научных исследований, но и при промышленном проектировании опор с газовой смазкой для турбомашин судовой энергетики.

Одним из основных аспектов практической значимости настоящей работы является инженерная методика расчета и оптимизации характеристик подшипника, в основу которой положены полученные математическая модель и программа.

Другой составляющей методики стали рекомендации по проектированию, сделанные на основе анализа результатов экспериментов (численного и физического).

Методика позволяет адекватно оценить характеристики подшипника и рассчитать оптимальные параметры.

Итак, сформулируем еще одну задачу, решаемую в настоящей работе.

7-я задача. Разработка инженерной методика расчета и оптимизации характеристик подшипников исследуемого типа.

Подводя итог приведенным в настоящем разделе доводам, сделаем вывод, что для достижения поставленной цели необходимо было решить несколько задач, результатами чего стали новая конструкция подшипника с газовой смазкой с повышенной несущей способностью, зависимости характеристик этого подшипника от режимных и конструктивных параметров, инженерная методика расчета и оптимизации характеристик подшипников исследуемого 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 и практическая значимость:

— результаты численного и физического экспериментов расширяют представления о процессах, протекающих в смазочном слое осевых подшипников с газовой смазкой;

— предложен инженерный метод расчета и оптимизации ОГЛП, который может быть использован при разработке турбомашин судовой энергетики;

— разработан конструктивный тип ОГЛП, защищенный патентом, имеющий преимущества эксплуатационного и технологического характера по сравнению с существующими подшипниками на газовой смазке;

— использование ОГЛП позволит повысить производительность и мощность турбомашин, работающих в элементах судовой энергетической установки;

— 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:

— конструкция осевого гибридного лепесткового подшипника;

— результаты сопоставления характеристик исследуемого подшипника, полученные при проведении численного и физического экспериментов;

— закономерности и результаты анализа совместного влияния газодинамического и газостатического эффектов в гибридном лепестковом подшипнике;

— результаты оптимизационных вычислений зависимости максимальной несущей способности от значений конструктивных параметров подшипника;

— 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 экспериментов.

Апробация работы. Материалы исследований представлялись на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана» (г. Владивосток, ДВГТРУ, 2010 г.), международной конференции «Вологдинские чтения» (г. Владивосток, ДВГТУ, 2010 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития судоходства в Дальневосточном регионе» (г. Владивосток, ДВГТРУ, 2011 г.), международной научной конференции «Механика и трибология транспортных систем» (г. Ростов-на-Дону, РГУПС, 2011 г.), научных семинарах кафедр «Конструкция и проектирование двигателей» (г. 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 научно-исследовательской работы в рамках федеральной целевой программы: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Государственный контракт № П2590 от 26.11.2009 г.), в проектно-конструкторской деятельности государственного малого научно-производственного предприятия «Экосистема», внедрены в учебный процесс по направлению подготовки 180 100.62 «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. Структурная схема диссертации представлена ниже.

ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОСЕВЫХ ГИБРИДНЫХ ЛЕПЕСТКОВЫХ ПОДШИПНИКОВ С ГАЗОВОЙ СМАЗКОЙ СУДОВЫХ ТУРБОМАШИН.

Состояние вопроса и постановка задач исследования.

1 м.

Выбор метода исследования подшипников на газовой смазке Факторы, влияющие на несущую способность газовых подшипников X.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

.

1. Разработка конструктивного типа объекта исследования.

2.Математическая модель.

Обзор конструкций.

I азодинамическш подшипники.

Газостатические подшипники Г.

Гибридные подшипники раВнительныи анализ различных конструкций подшипников.

Выбор объекта исследовани План математической модёлЦ Ш?

I Расчетная схенщ.

Газодинамический режим Т.

Газостатический режим.

Уравнение формы смазочного зазора и деформации лепесткоВ 1.

Интегральные характеристики подшипника.

Безразмерные комплексы и параметры.

Программа расчета и оптимизации осевого гибридного лепесткового подшипника.

3. Проведение численного эксперимента 3 1.

4. Проведение физического эксперимента.

Влияние выбранных факторов на характеристики подшипника 1.

Описание методики проведения эксперимента иоаатливость раоочеи поверхности подшипника.

Описание конструкции экспериментальной установки.

Проявление газодинамического и газостатического эффектов в гибридных лепестковых подшипниках.

Измерительные приборы и оценка погрешности измерений.

Оптимальная форма смазочного зазора.

Основы методики проектирования осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой.

— Определение зависимостей— несущей способности осевых гибридных лепестковых подшипников' с газовой смазкой.

Режим работы подшипника иценка адекватности результатов численного и физического экспериментов.

Выводы и рекомендации по проектированию и расчету осевых гибридных лепестковых газовых подшипников для повышения их несущей способности.

Структурная схема диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы из 152 наименований, приложения. Общий объем диссертации составляет 168 стр., включая 57 рисунков, 6 таблиц, 1 приложение.

4.8 Выводы.

1. В разделе 4.5.1 установлена неколлинеарность факторов, выбранных для экспериментальных исследований.

2. В разделе 4.5.2 показано, что регрессионная модель второго порядка дает результаты, адекватные экспериментальным результатам.

3. Сопоставление результатов в разделе 4.5.3, получаемых с помощью разработанной математической модели, доказало их адекватность результатам физического эксперимента.

4. На основании анализа результатов численного эксперимента с учетом особенностей работы, выявленных при проведении физического эксперимента, составлена методика проектирования ОГЛП, основными инструментами которой являются программа расчета и предложенная математическая модель.

Заключение

.

Выполненные в работе исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана и защищена патентом конструкция осевого гибридного лепесткового подшипника, особенности устройства которого обеспечивают повышение несущей способности смазочного слоя. Подшипник данной конструкции стал объектом исследования при проведении физического и численного эксперимента.

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:

— параметры Крп, У, 1л, 81 имеют оптимальное значение;

— функция отклика (коэффициент несущей способности смазочного слоя) имеет только один экстремум, т. е. параметры Ярп, V]/, 1л, 81 имеют только одно оптимальное значение;

— параметр 82 должен быть равен 0, т. е. форма смазочного зазора должна быть клиновидно-равномерной;

— оптимальные значения 810 т находятся в диапазоне 2 14;

— в отличие от гибридного подшипника с жесткой рабочей поверхностью имеющего при п =0,2 = 2, при п = 0,6 = 5), оптимальное количество секторов (лепестков) исследуемого подшипника выше (при п =0,2- У = 3, при п = 0,6- 1|/=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 условных обозначений.

Я2 — наружный радиус подшипника.

— внутренний радиус подшипника Яр1 — радиус 1-го ряда питателей Яр2 — радиус 2-го ряда питателей Ырп — радиус п-го ряда питателей с1р1 — диаметр питателей 1-го ряда с1р2 — диаметр питателей 2-го ряда ё — диаметр питателей п-го ряда Ь1 — протяженность I участка Ь&bdquo- - протяженность II участка.

— общая протяженность участка (сектора).

Ь — некоторая промежуточная длина сектора (лепестка) Ц — минимальное значение величины смазочного зазора Ь — текущее значение смазочного зазора- 5, — максимальная глубина I участка (без прогиба лепестка) 8 2 — максимальная глубина П-го участка (без прогиба лепестка) |/ - количество секторов (лепестков) г — радиальная координата- 0 — угловая координата Ь — толщина смазочного зазора Р — давление газа в смазочном слое ц — динамическая вязкость газа со — угловая скорость.

Ра — давление окружающей среды (давление на краях подшипника) Р — относительное давление.

— давление наддува (давление воздуха перед питателем) Ьотносительная величина смазочного зазора Ь = Ь/Ь0- г — относительный радиус г = г/К2;

Ярп — относительный радиус п-го ряда питателей (радиус п-й линии наддува).

1рп — относительный диаметр питателя п-го ряда.

Относительная протяженность I участка.

Относительная протяженность II участка Ьп =ЬП/ЬХ;

Относительная промежуточная длина сектора ь = ь/ь,.

Относительная максимальная глубина I участка 61 = б^Ьо.

Относительная максимальная глубина II участка 62 = 62/Ь0.

Ил — относительный внутренний радиус 1 — номера линий сетки, проходящих по окружностям к — номера линий сетки, проходящих по радиусам п — наибольший номер линий сетки проходящих по окружностям (количество интервалов образованных линиями сетки проходящих по окружностям) к1- номер линии сетки на которой заканчивается участок I и начинается участок II — наибольший номер линии сетки проходящей по радиусу (количество интервалов образованных линиями сетки проходящими по радиусу) Дг — шаг линий сетки проходящих по окружностям.

АЭ — угол между двумя соседними линиями сетки, проходящими по радиусу Аг = (я 2 — Я,)/1п — шаг линий сетки.

Аг = Аг / Я2 — относительный шаг линий проходящих по окружностям Ав = 2п/\1 кх-угол между двумя соседними линиями, проходящими по радиусу.

Р, к — давление, действующее в точке 1, к.

Ь1к.- зазор в точке 1, к.

Ь1,к = Ь1к /И0- относительный зазор в точке 1, к.

Ор — эмпирический коэффициент расхода N — количество питателей к — показатель адиабаты газа.

8 Г — площадь горла питателя (наиболее узкое сечение потока газа) Ырп — количество питателей п — го ряда.

— значение смазочного зазора без учета деформации гт ш, к — значение смазочного зазора без учета деформации (в безразмерном виде) у, к — величина прогиба в данной точке.

Ь, к — значение смазочного зазора с учетом деформации.

Ы, к — значение смазочного зазора с учетом деформации (в безразмерном виде).

У, к — величина прогиба в безразмерном виде.

АР, к — давление, вызывающее деформацию упругой подложки.

АО, к — изменение действующей силы, вызывающее деформацию (прогиб) упругой подложки Ау, к — изменение прогиба упругой подложки.

С, к — податливость упругой подложки в точке с координатами 0, к).

С, к — относительная податливость упругой подложки в точке с координатами ¡-, к XV1 -абсолютная несущая способность подшипника W2 — сила соответствующая давлению окружающей среды W — действительная несущая способность подшипника.

С слоя х — общая податливость смазочного слоя.

С слоя. , к — податливость смазочного слоя в точке с координатами 1, к слоя.

С, к — податливость смазочного слоя в точке с координатами ¿-, к в безразмерном виде) М — критический расход газа, подаваемого на смазку Мц, — критический расход газа, подаваемого на смазку.

М — безразмерный расхода газа, подаваемого на смазку, А — газостатический параметр X — параметр сжимаемости.

Ра — относительное давление на краях подшипника (при равенстве давлений на внутреннем и наружном радиусах подшипника).

Ра1 — относительное давление на внутреннем радиусе подшипника.

Ра2 — относительное давление на наружном радиусе подшипника.