Введение к работе
Актуальность темы. В различных сферах транспортного и энергетического машиностроения все более широкое применение получают высокоскоростные турбомашины с частотами 1 кГц. В первую очередь это насосные агрегаты и компрессоры авиационной и ракетно-космической техники, криогенные турбодетандеры, турбокомпрессоры водородных и автомобильных двигателей с химическими топливными элементами. Критическими элементами этих агрегатов, во многом определяющим их работоспособность, являются роторно-опорные узлы. Важнейшими задачами при их проектировании являются обеспечение необходимой несущей способности минимальных потерь на трение и прокачку, а также обеспечение требуемых динамических характеристик. Одним из возможных вариантов совершенствования опорных узлов, является использование совмещенных опор включающих подшипники качения и скольжения, которые позволяют обеспечивать безызносную работу на режимах пуска/останова, а также практически неограниченную предельную быстроходность. Несмотря на хорошие динамические качества данного вида опор роторов, существует потребность в повышении демпфирующих свойств на переходных и резонансных режимах, а также в условиях возникновения дробно-частотных колебаний. С этой точки зрения было предложено новое техническое решение, представляющее собой упругодемпферную осевую совмещенную опору (УОСО) (рис. 1).
Проведенный анализ опубликованных работ по теме исследования показал отсутствие теоретических и экспериментальных исследований посвященных УОСО. При этом следует отметить потребность в разработке инструментальных средств проектирования и методики расчета осевых опорных узлов высокоскоростных турбомашин. Упругодемпферные упорные совмещенные опоры представляют собой отдельный объект исследования, определение рабочих характеристик которых должно базироваться на основе алгоритмов, учитывающих взаимовлияние силовых и кинематических факторов ее элементов.
Таким образом, повышение динамических характеристик осевых узлов роторов за счет применения упругодемпферных осевых совмещенных опор является актуальной задачей.
Настоящая работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (Грант РФФИ «Разработка фундаментальных принципов создания мехатронного подвеса роторов электро- и турбомашин» (шифр 09-08-99020)), 2008 г.; в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (проект «Мехатронные опоры роторов агрегатов и машин новых поколений» № Гос. контракта 14.740.11.0030)
Объектом исследования являются упругодемпферные осевые совмещенные опоры, в состав которых входят подшипники скольжения, качения и упругодемпфирующие элементы.
Предметом исследования являются динамические процессы в осевых упругодемпферных совмещенных опорах и методы моделирования.
Целью исследования является совершенствование динамических характеристик роторов с совмещенными опорами гидромеханическим демпфированием осевых колебаний.
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
провести информационный поиск по отечественным и зарубежным изданиям в области упругодемпферных совмещенных подшипниковых узлов и базам данных патентов;
-
разработать математическую модель по определению динамических характеристик упругодемпферных осевых совмещенных опор;
-
разработать программное обеспечение для расчета динамических характеристик упругодемпферных осевых совмещенных опор;
-
провести комплекс вычислительных экспериментов по оценке влияния рабочих и геометрических параметров, а также жесткости и демпфирования упругодемпферного осевого узла на динамические характеристики совмещенных опор, а также сравнение с результатами расчетов опоры без демпфирующих элементов.
-
выполнить комплекс экспериментальных исследований с целью проверки адекватности разработанной математической модели и работоспособности новой конструкции упругодемпферной упорной совмещенной опоры;
-
провести сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований;
-
разработать рекомендации по проектированию упругодемпферных осевых совмещенных опор.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
-
На основе нового технического решения разработана и численно реализована математическая модель осевых колебаний ротора на упругодемпферных совмещенных опорах, включающих упорные подшипники качения, гидродинамические подшипники скольжения и, впервые включающих упругодемпферные пружинно-гидравлические элементы, основанная на совместном решении уравнений теории колебаний и гидродинамической теории смазки, позволяющая определить динамические характеристики при различных видах возбуждения.
-
Выявлено теоретически и экспериментально подтверждено влияние упругодемпферных элементов на динамические характеристики совмещенных осевых опор роторов, в частности:
установлено уменьшение количества циклов и времени процесса затухания осевых колебаний при импульсном силовом воздействии в сравнении с опорой без упругодемпферного элемента более чем в 2 раза;
отмечено увеличение в 1,5 раза количества циклов затухающих колебаний в упругодемпферной осевой совмещенной опоре при импульсном силовом воздействии на режиме частичного разделения нагрузок в сравнении с опорой без демпфирующих элементов;
установлен эффект повышения амплитуд осевых колебаний при увеличении угловой скорости ротора при гармоническом силовом возбуждении на режиме полной разгрузки УПК.
-
Разработана расширенная классификация осевых подшипников, отличающаяся наличием нового направления, а именно осевых упругодемпферных совмещенных опор, включающих подшипники качения и скольжения.
-
С использованием разработанной математической модели, и инструментальных средств проектирования в виде прикладной программы ЭВМ предложена методика расчета упругодемпферных осевых совмещенных опор, отличительной особенностью которой является возможность проведения проектного и проверочного расчетов основных характеристик опор при турбулентных течениях смазочного материала.
Методы исследования. Расчет упорного подшипника качения заключался в аналитическом решении контактной задачи теории упругости. Определение характеристик упорного подшипника жидкостного трения основывалось на решении модифицированного уравнения Рейнольдса, численное решение которого проводилось методом конечных элементов. Расчет характеристик УОСО проводился на основе совместного решения уравнений контактной задачи упругости и гидродинамической теории смазки, а также теории колебаний. Анализ динамических характеристик УОСО проводился на основе сравнения коэффициентов жесткости и демпфирования.
Вычислительный эксперимент для оценки влияния рабочих и геометрических параметров упорного узла проводился с использованием программы, разработанной в среде инженерных приложений MatLab.
Экспериментальные исследования проводились на модернизированной лабораторной установке с использованием современной информационно-измерительной системы на базе комплектующих фирмы National Instruments и среды визуального программирования LabView.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки и формализации задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением апробированных методов решения и анализа, что подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрением результатов в промышленность.
Практическая значимость работы и внедрение результатов заключается в том, что разработанные математическая модель, алгоритм и программа расчета позволяют определять динамические характеристики упругодемпферных осевых совмещенных опор, с учетом процессов, происходящих в ее элементах. Разработанные конструкции позволяют повысить работоспособность агрегата в целом за счет снижения общего уровня вибраций в опорных узлах.
Результаты работы используются в ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г.Воронеж) при выполнении проектировочных расчетов осевых подшипниковых узлов роторных систем высокоскоростных турбомашин, а также в ОАО "ГМС Насосы" (г.Ливны) при проектировании упорных подшипниковых узлов судовых насосов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия» (г. Орел, 2006); Международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет» (г. Орел, 2006); Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (г. Курск, 2008); Международной научно-технической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instroments» (г. Москва, 2008); Международной научной конференции «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур» (г. Харьков, 2008); Научно-практической конференции «Образование, наука, производство и управление» (г. Харьков, 2008); Научно-практической конференции «ИНЖИНИРИНГ-2009» (г. Орел, 2009); Международной научно-технической конференции «Динамика и прочность машин, зданий, сооружений» (г. Полтава, 2009); I Международной молодежной научной конференции «Молодежь и XXI век» (г. Курск, 2009); Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология 2009» (г. Воронеж, 2009); Международной научно-практической конференции «Образование, наука, производство и управление» (г. Старый Оскол, 2009); VI Всероссийской дистанционной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г. Самара, 2010); IX Международной научно-технической конференции «Вибрация-2010. Управляемые вибрационные технологии и машины» (г. Курск, 2010); IV Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г.Орел, 2010); Российской научно-технической конференции, посвященной 50-летию образования кафедры «Ракетные двигатели» (г.Воронеж, 2010); 10-й Юбилейной Международной научно-практической конференции «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика» (г.Ялта, 2010); Кафедре «Конструкция двигателей летательных аппаратов» ГОУ ВПО государственного технического университета «Московский авиационный институт» (г. Москва, 2011);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, включая 13 статей в научных сборниках и журналах, их них 4 в журналах рецензируемых ВАК, тезисы 3 докладов, 1 патент РФ на изобретение и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений, имеет 171 страницу основного текста, 88 рисунков, 3 таблицы. Список использованных источников включает 140 наименований.
