Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Высокоскоростные турбомашини находят широкое применение в транспортном машиностроении, криогенной техшіке, энергетике, газовой и химической промышленности. Необходимьши элементами авиационной и ракетно-космической техники являются агрегаты топливоподачи двигательных установок. Одним из направлений совершенствования данного типа турбомашин является повышение частот вращения роторов. Применение подшипников качения в условиях высоких скоростей и нагрузок по условиям работы ограничено предельной быстроходностью и малой долговечностью. Возможное решение проблемы заключается в применении подшипников скольжения, смазка которых осуществляется рабочими телами машин. Использование подшипников скольжения в качестве опор высокоскоростных роторов позволяет обеспечить частоту вращения в диапазоне n = 30000... 100000 об/мин и более с высокой надежностью и ресурсом.
Применение маловязких сжимаемых криогенных жидкостей (кислород, водород, гелий и т.д.) для смазки и охлаждения подшипников скольжения порождает комплекс задач, связашгых с обеспечением устойчивости и работоспособности опор в условиях больших перепадов давлеїшй и температур, значительных скоростей и нагрузок. Кроме того, в процессе течения низкотемпературных рабочих тел по гидравлігческим трактам подшипника возможны фазовые превращения в результате вскипания и кавитации. Появление паровой фазы существенно изменяет свойства несущего смазочного слоя и влияет на динамические характеристики роторно-опорных узлов.
Закономерности работы высокоскоростных подшипников скольжения на двухфазных рабочих телах изучены недостаточно, отсутствуют исследования влияния вскипания и парожидкостного состояния смазочного материала на динамику системы "ротор - подшипник скольжения". Это обстоятельство, а также выдвигаемые практикой задачи качественного улучшения характеристик, повышения ресурса и надежности опор роторов высокоскорост-
ных турбомашин и определяютінеобходимость проведенных исследований.
Работа выполнялась по тематике, включенной в координационный план программы фундаментальных исследований АН СССР "Повышение надежности систем "машина - человек - среда" (пункт 1.3.29) 1987 г., а также в рамках хоздоговорных работ с конструкторским бюро химического машиностроения им. А.М. Исаева (г. Королев Московской области) и конструкторским бюро "Химавтоматика" (г. Воронеж).
Актуальность работы заключается в необходимости разработки и создания высокоскоростных подшипников скольжения, позволяющими значительно повысить ресурс и надежность машин, улучшить динамические характеристики и создать конструкции, соответствующие мировому уровню.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью диссертационной работы является развитие научно-технического направления, связанного с совершенствованием опор высокоскоростных роторов путем выявления закономерностей работы подшипников скольжения в условиях вскипания смазочного материала, разработки методов, программ расчета и рекомендаций по проектированию подшипников скольжения с парожидкостной смазкой.
Достижение цели предполагало решение следующих задач:
разработать теоретические основы расчета подшипников скольжения с парожидкостной смазкой с учетом нестационарного положения вала;
разработать математическую модель, методы решения и пакет программ для определения динамических характеристик подшипников;
провести комплекс вычислительных экспериментов по исследованию влияния вскипания смазочной жидкости на работоспособность и динамику подшипников скольжения;
выполнить экспериментальные исследования с целью проверки адекватности разработанной математической модели реальному объекту и поиска новых закономерностей работы подшипников скольжения при смазке кипящими жидкостями;
на основе полученной информации разработать рекомендации по проектированшо парожвдкостных подшипников сколіжения и новые конструкции опор роторов высокоскоростных турбомашин.
-
Разработаны математическая модель, методы и программы расчета полей давления и гидродинамических сил парожидкостного смазочного слоя с учетом нестационарного положения вала в подшипнике.
-
Разработана динамическая модель подшипника скольжения с па-рожидкостной смазкой, позволяющая определить траектории движения центра опорной части вала, коэффициенты жесткости и демпфирования, амплитудно-частотные характеристики и границы устойчивости вращения ротора.
-
Раскрыта и доказана сущность механизма возникновения и развития вихревых движений шейки вала в условиях вскипания смазки. Предложена методика расчета коэффициентов турбулентности для двухфазных течений смазочного материала в радиальном зазоре подшипника скольжения с учетом степени паросодержания.
-
Опытным путем обнаружено и теоретически доказано влияние критических течений смазочного материала в дроссельных устройствах подшипника на несущую способность, расход смазочного материала, колебания и устойчивость ГСДП, а также предложен способ расчета гидродинамических сил парожидкостного слоя с учетом этого эффекта.
-
Разработаны и запатентованы конструкции высокоскоростных опорных узлов, позволяющие повысить надежности и ресурс, улучшить динамические характеристики быстроходных турбомашин.
Автор выносит на защиту следующие научные положения:
-
Теоретические основы расчета и динамическую модель подшипни-ков скольжения с парожидкостной смазкой.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований в
виде закономерностей работы подшипников скольжения в условиях вскипания и двухфазного состояния смазочного материала; конструкции и рекомендации по проектированию опор скольжения высокоскоростных роторов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теоретические зависимости, используемые в математической модели парожидкостного подшипника скольжения, базируются на фундаментальных законах, определяющих физические процессы сохранения, превращения и взаимосвязи,
Законы сохранения представлены уравнениями неразрывности, уравнениями Навье-Стокса (частный случай закона сохранения импульса) и уравнением баланса энергий. Уравнения неразрывности и Навье-Стокса в результате соответствующих преобразований приводятся к уравнению Рейнольдса, записанному для двухмерного турбулентного течения вязкой сжимаемой двухфазной среды. Законы превращения в данной модели учитывают возможность и описывают механизм перехода из жидкого агрегатного состояния в газообразное в результате вскипания или паровой кавитации. Законы взаимосвязи представлены уравнениями состояния, а также информацией о зависимости термодинамических свойств от давления и температуры.
Расчет стационарных и динамических характеристик подшипников скольжения с парожидкостнои смазкой основывается на определении полей давления в несущем слое. Оценка динамических свойств проводится на основании анализа траекторий движения центра опорной части ротора и коэффициентов жесткости и демпфирования смазочного слоя. Численная реализация задачи осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Модельный физический эксперимент проводился с использованием современной измерительной аппаратуры на специальном стенде.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением рациональных математиче-
ских методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также положительным опытом внедрения полученных результатов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты позволяют провести анализ возможностей рационального применения парожидкостных подшипников. Разработанный пакет прикладных программ дает возможность определить стационарные и динамические характеристики различных типов радиальных подшипников скольжения. Предложенная динамическая модель и методика расчета позволяют получить амплитудно-частотные характеристики, определить границы устойчивости и прогнозировать возникновение самовозбуждаюгцихся колебаний системы "ротор-подшипник скольжения". Разработаны и запатентованы принципиально новые конструкции высоко-скоростных опорных узлов турбомашин, повышающие ресурс и улучшающие динамические свойства. Результаты работы внедрены и используются при проектировании криогенных кислородных и водородных турбонасосных агрегатов длительного ресурса конструкторским бюро химического машиностроения им. А.М. Исаева, конструкторским бюро «Химавтоматика» и научно-производственным объединением «Энергомаш».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Обеспечение надежности узлов трения машин", г. Ворошиловград, 1988 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы триботехнологин", г. Николаев, 1988 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса" г. Сумы, 1989г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Новые технологии и робототехнические комплексы при производстве авиационной техники" г. Харьков, 1990 г.; Научных чтениях по космонавтике., г. Москва,
МГУ, 1990г., Республиканской НТК "Конверсия производства ДВС, " г. Харьков, 1991г.; Республиканской НТК "Повышение надежности машин и сооружений", г. Киев, 1991.; международном семинаре "Проблемы и перспективы развития горной техники", г. Москва, 1994г., научном семинаре кафедры «Конструкции и проектирование двигателей летательных аппаратов»; 10-й научной конференции "Hydraulik und Pneumatik" г. Дрезден (Германия), 1995г., выездном заседании Головного Совета "Машиностроение" "Перспективные технолопш, машины и аппараты в машино- и приборостроении", г. Орел, 1995г., международном научно-практическом симпозиуме "Трибология и транспорт", г. Рыбинск, РГАТА, 1995 г.; научном семинаре по механике деформированного твердого тела Тульского государственного университета под руководством профессора Л.А. Толоконникова; научном семинаре кафедры «Теоретическая механика» Курского государственного технического университета; научно-техническом семинаре по теории турбо-насосных агрегатов ЖРД под руководством профессора Б.В. Овсянникова, 1998г., а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Харьковского авиационного института и Орловского государственного технического университета.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликована монография, 27 статей в журналах и сборниках, 12 тезисов докладов, выполнено 15 научно-технических отчетов, получено 5 патентов на изобретения.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов-глав, заключения, списка литературы и приложений. Рукопись имеет 355 страниц текста, включая 120 рисунков и 10 таблиц. Библиография включает 170 наименований.
