Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор информационных источников по теме диссертации 15
1.1 Аналитический обзор информационных источников, касающихся современных микротурбинных технологий 15
1.2 Анализ известных современных микротурбинных установок 18
1.3 Теория резонансных колебаний валов роторов микротурбин на подшипниках различных типов 26
1.3.1 Резонансные колебания валов 26
1.3.2 Особенности применения различных типов подшипников при пусковых и остановочных режимах работы микротурбин 27
1.4 Динамические узлы трения 30
1.4.1 Основные положения 30
1.4.2 Основные проблемы узлов трения в вертикальных турбомашинах с различным типом подшипников 34
1.4.3 Обобщение существующей информации по расчету узлов трения 34
1.5 Выводы по главе и постановка задачи на исследование 35
2 Особенности работы влажно-паровой микротурбинной установки 37
2.1 Концепция, особенности и назначение работы микротурбинной установки в составе микроэнергокомплекса 37
2.2 Подшипники микротурбины 41
2.3 Модификации микротурбины влажно-паровой микротурбинной установки 43
2.3.1 Микротурбина на газодинамических подшипниках 43
2.3.2 Микротурбина на керамических подшипниках 51
2.4 Конденсатор микротурбины 53
2.5 Тепловая схема работы микротурбинной установки 58
2.6 Выводы по главе 60
3 Математическое моделирование работы влажно паровой микротурбинной установки 62
3.1 Математическое моделирование динамических характеристик влажно-паровой микротурбины на газодинамических и керамических подшипниках 63
3.1.1 Исходные данные, основные допущения для математического моделирования динамических характеристик микротурбины 64
3.1.2 Определение теоретического значения частоты вращения, при которой вал-ротор всплывает в осевом подшипнике 65
3.1.3 Расчет усилий микротурбины на газодинамических подшипниках 72
3.1.4 Расчет усилий микротурбины на керамических подшипниках 80
3.1.5 Расчет динамических характеристик микротурбины на газодинамических и керамических подшипниках 84
3.1.6 Решение математической модели влажно-паровой микротурбинной установки 89
3.2 Математическое моделирование динамических характеристик конденсатора микротурбинной установки 99
3.2.1 Исходные данные, основные допущения для математического моделирования динамических характеристик конденсатора микротурбинной установки 100
3.2.2 Расчет динамических характеристик конденсатора микротурбинной установки 103
3.2.3 Решение математической модели конденсатора микротурбины 107
3.3 Выводы по главе 115
4 Разработка методики определения динамических характеристик работы влажно-паровой микротурбинной установки и разработка рекомендаций по оптимальному конструктивному составу установки 116
4.1 Программы проведения испытаний основного оборудования микротурбинной установки 118
4.1.1 Программа проведения предварительных испытаний микротурбинной установки ВПМТ-5 и ВПМТ-30 в паровом режиме 118
4.1.2 Программа проведения исследовательских испытаний микротурбины на газодинамических подшипниках электрической мощностью 5 и 30 кВт в моторном режиме 120
4.2 Проведение испытаний микротурбинной установки 122
4.2.2 Испытания микротурбины и конденсатора в паровом режиме при работе на керамических подшипниках 122
4.2.1 Испытания микротурбины электрической мощностью 5 кВт в моторном режиме при работе на керамических подшипниках 124
4.3 Оценка погрешности математического моделирования 126
4.4 Оценка затрат мощности на собственные нужды при работе различных модификаций микротурбин 127
4.5 Методика расчета вертикальных микротурбин в составе микроэнергетических комплексов 128
4.6 Рекомендации по применению разработанной методики расчета динамических характеристик микротурбинной установки 130
4.6.1 Особенности работы влажно-паровой микротурбинной установки на различных типах подшипников 130
4.6.2 Рекомендации по практическому применению методики расчета динамических характеристик влажно-паровой микротурбинной установки 131
4.6.3 Преимущества и недостатки разработанной методики расчета динамических характеристик вертикальных микротурбин 132
4.6.4 Рекомендации по оптимальному конструктивному составу вертикальных паротурбинных агрегатов 132
4.7 Выводы по главе 135
Заключение 136
Перечень сокращений и условных обозначений 139
Список использованных источников 141
- Особенности применения различных типов подшипников при пусковых и остановочных режимах работы микротурбин
- Модификации микротурбины влажно-паровой микротурбинной установки
- Исходные данные, основные допущения для математического моделирования динамических характеристик микротурбины
- Испытания микротурбины и конденсатора в паровом режиме при работе на керамических подшипниках
Введение к работе
Актуальность работы. Современная малая распределенная энергетика приобретает вс большую популярность. Она базируется на использовании газопоршневых, газотурбинных и паротурбинных установок когенерационного типа, а также использовании возобновляемых источников энергии. Малые энергоустановки, предназначенные для снабжения электрической и тепловой энергиями индивидуальных потребителей, характеризуются неравномерностью потребления и не имеют резервирования производства. Они вынуждены работать в переменных режимах производства энергии.
Большинство малых энергоустановок конструктивно выполняются горизонтальными. В сравнении с установками горизонтального исполнения, исследований динамических характеристик вертикальных микротурбин проводилось несоизмеримо меньше. Тем не менее, требуются тщательное исследование их рабочих режимов. Для вертикальных установок нужен особый подход к проектированию, когда необходимо учитывать особенности переменных режимов работы. Расчеты динамических характеристик горизонтальной турбины ввиду различного характера нагрузок не могут полностью соответствовать работе установки вертикального исполнения. Таким образом, выявляется потребность в исследовании и разработке методик расчета динамических характеристик пусковых и переменных режимов работы вертикальных турбомашин малой мощности.
Диссертационная работа выполнена в рамках: приоритетного направления развития науки, технологий и техники РФ в области «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика»; научного направления университета «Комплексное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение надежности, экономичности и безопасности энергетических систем», а также в рамках Соглашения № 14.579.21.0123, тема «Создание высокоэффективной паровой турбины для технологий переработки жидких и твердых органических отходов при производстве энергии для малой распределенной энергетики», уникальный идентификатор прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (проекта) RFMEFI57915X0123, в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» Министерства образования и науки Российской Федерации.
Степень разработанности темы. Начало созданию современных паровых турбин было положено выдающимися инженерами XIX века – шведом Г. Лавалем и англичанином Ч. Парсонсом. Отечественная школа турбостроения связана с именами Щегляева А.В., Жирицкого Г.С., создавших фундаментальные основы инженерного образования по турбомашинам. Большой вклад в развитие теории турбомашин внесли ученые Кириллов И.И., Уваров В.В., Дейч М.Е., Шубенко-Шубин Л.А., Шнее Я.И., Косяка Ю.Ф. и др.
Цель работы. Разработка методики расчета и определение динамических характеристик основного оборудования вертикальной влажно-паровой микро-
турбинной установки в составе микроэнергокомплекса, которые позволят повысить надежность работы вертикальных установок в переходных режимах и сократить время на проектирование и изготовление подобных турбоагрегатов.
При достижении поставленной цели решались следующие задачи:
анализ основных конструктивных особенностей элементов вертикальной влажно-паровой микротурбинной установки (ВПМТ) в составе микроэнер-гокомплекса;
разработка и решение математической модели переменных режимов работы вертикальной влажно-паровой микротурбинной установки в ее различных модификациях, включая микротурбину и конденсатор;
проведение экспериментальных исследований работы микротурбины в моторном режиме и при подаче пара;
разработка методики расчета динамических характеристик вертикальных микротурбин, работающих в составе микроэнергокомплексов, и рекомендаций по ее применению.
Научная новизна работы:
-
Впервые разработаны математические модели функционирования вертикальной влажно-паровой микротурбинной установки в составе микроэнергетического комплекса, позволяющие определять динамические характеристики в переменных режимах работы энергоустановки для различных ее модификаций.
-
Впервые построены аппроксимирующие зависимости моментов трения скольжения и качения от частоты вращения вала вертикальной турбины, позволяющие упростить моделирование пусковых режимов вертикальных турбоустановок.
-
Разработана методика расчета динамических характеристик работы микротурбинной установки на газодинамических подшипниках скольжения и керамических подшипниках качения, которая, в отличие от традиционных, предназначенных для горизонтальных турбомашин, может применяться для вертикальных высокоскоростных микротурбин. Разработанная методика позволяет осуществлять выбор конструкций отдельных элементов вертикальных энергоустановок при их работе в различных режимах.
-
Впервые определены значения моментов сил трения скольжения и качения при работе вертикальной микротурбины соответственно равные 0,003 и 0,055 Нм в номинальном режиме, и 0,24 и 0,001 Нм при пуске, что позволяет оценить технико-экономические показатели вертикальных микротурбин и выбрать необходимую их модификацию при заданных режимах эксплуатации.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- разработана методика расчета динамических характеристик элементов
вертикальной микротурбинной установки в переменных режимах работы, кото
рая может применяться при проектировании и изготовлении вертикальных тур
боагрегатов;
- получены режимные графики динамических характеристик работы вер-
4
тикальной микротурбинной установки, которые могут быть использованы при проектировании и эксплуатации новых аналогичных агрегатов.
Методология и методы диссертационного исследования.
В работе над диссертацией использовались, как теоретические методы с разработкой математических моделей, направленных на определение динамических характеристик вертикальной влажно-паровой микротурбинной установки, так и экспериментальные исследования процессов, происходящих в ней. Проведен анализ информации по теме работы, выявлены проблемы в рассматриваемой области, поставлена задача на исследование, а также создана экспериментальная установка, на которой проведены натурные эксперименты.
Также были применены методы дифференциального и интегрального исчисления, методы решения систем уравнений, методы решения систем дифференциальных уравнений Рунге-Кутта, преобразования Лапласа.
Положения, выносимые на защиту:
новые технические решения по применению оборудования вертикальной микротурбинной установки, в частности компактного парового конденсатора и различных модификаций микротурбины;
математические модели расчета динамических характеристик элементов вертикальной влажно-паровой микротурбинной установки;
методика расчета динамических характеристик вертикальной влажно-паровой микротурбины и ее конденсатора, подшипников различных конструкций и рекомендации по их применению.
Степень достоверности научных положений и выводов подтверждается обоснованностью принятых в работе допущений, строгостью формальных преобразований, использованием фундаментальных физических законов и уравнений, применением современных программных и компьютерных средств (Microsoft Excel, Программный комплекс МВТУ версия 3.7), согласованием результатов математического расчета с данными экспериментальных исследований.
Реализация результатов исследования.
Теоретические и методические разработки нашли практическое применение в процессах эскизного, технического и рабочего проектирования и внедрены на реальных микроэнергетических комплексах – в исследовательских лабораториях ООО «Эмтех» при проведении испытаний ВПМТ в моторном режиме, а также в филиале ПАО «ОГК-2» - Новочеркасская ГРЭС при проведении испытаний ВПМТ на влажном паре, что подтверждается актами внедрения.
Работы были успешно выполнены, рекомендованы для внедрения комиссиями предприятий, а также подтверждена научная новизна всех поднятых вопросов. Материалы работ отражены в ведущих рейтинговых выставочных мероприятиях по малой распределенной энергетике и турбомашиностроению.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс для бакалавров и магистров по направлению 140100 – «Теплоэнергетика и теплотех-5
ника» в курсах лекций «Перспективы развития энергетики», «Проблемы энерго-и ресурсосбережения», «Современные проблемы теплоэнергетики».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях: Всероссийская молодежная конференция «Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития», ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», 7 декабря 2012 г., г. Москва; Научно-техническая конференция и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями Южного федерального округа, 14-16 декабря 2014 г., г. Новочеркасск; II Международная научная конференция преподавателей, аспирантов, магистров и студентов вузов 23-24 апреля 2013 г., г. Новочеркасск; VII Молодежный инновационный конвент-2015, 19 мая 2015 г., г. Ростов-на-Дону; XXXVII сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Электроснабжение», ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, 13-16 октября 2015 г., г. Новочеркасск; Международный конгресс «Возобновляемая энергетика XXI век: энергетическая и экономическая эффективность», 27-28 октября 2015 г., г. Москва; Международная научно-техническая конференция "Пром-Инжиниринг 2016", Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, 19-20 мая 2016 г., г. Новочеркасск; VIII Молодежный инновационный конвент-2016, 31 мая 2016 г., г. Ростов-на-Дону; научные семинары кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника» ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск.
Личный вклад автора состоит в:
проведении системного анализа научно-технических источников, существующей в настоящее время информации об энергетических комплексах и турбоустановках;
разработке и решении математических моделей вертикальных влажно-паровых микротурбинных установок;
разработке методики расчета динамических характеристик работы микротурбинной установки;
модернизации тепловой схемы микроэнергетического комплекса и проведении экспериментальных исследований работы вертикальной микротурбинной установки;
разработке программы экспериментальных исследований вертикальных влажно-паровых микротурбинных установок;
разработке рекомендаций по применению методики расчета динамических характеристик вертикальных влажно-паровых микротурбинных установок.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 12 в журналах перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография, 3 публикации в журналах, индексируемых в международной базе Scopus, 3 в материалах международных и отечественных конференций. По теме работы получено два патента на изобретение и пять патентов на полезную модель.
Объем работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 177 страниц, 54 иллюстрации, 15 таблиц. Список используемых источников включает 107 наименований. Приложения содержатся на 25 страницах.
Особенности применения различных типов подшипников при пусковых и остановочных режимах работы микротурбин
В последнее время в информационных источниках, как в периодической печати и материалах конференций, так и в интернет-источниках все чаще встречаются работы, описывающие устройства и агрегаты, являющиеся элементами малой распределенной энергетики или работающие в составе таких энергетических систем [1-7]. В мировой практике для индивидуального энергоснабжения используются микроэнергетические установки, обеспечивающие потребителей электрической и тепловой энергией. В работах [4, 8, 10, 11] показано, что при производстве электроэнергии и тепла для потребителей наиболее предпочтительными по эксплуатационным и экономическим характеристикам являются паротурбинные энергоустановки. В условиях современных тенденций к автономности в ближайшей перспективе серьезное внимание будет уделяться сооружению относительно дешевых автономных энергетических установок (АЭУ) малой мощности, различного назначения. Аналогичные процессы происходят не только в России, но и в других странах [1]. Особенно часто стали применяться когенерационные газотурбинные, газопоршневые и влажно-паровые микроэнергоустановки [8].
Микроэнергоустановка – это автономная тепловая электростанция малой мощности. Диапазон электрической мощности микротурбин от нескольких киловатт до 1 МВт [12]. Они могут применяться в следующих областях народного хозяйства: - малые города, коттеджные поселки и деревни, у которых до сих пор не решен вопрос централизованного энергоснабжения; - крупные животноводческие фермы, предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции, лесозаготовительной промышленности и др.; - газораспределительные станции, магистральные газопроводы, нефтепроводы; - предприятия по переработке бытовых отходов; - развивающиеся районы нашей страны, где отсутствуют в настоящее время энергоисточники и линии электропередач; - энергодефицитные районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Нечер ноземья; - резервирование линий электропередач, а также восполнение дефицита электроэнергии, вызванного стихийными бедствиями и другими чрезвычайными ситуациями; - мобильные источники электрической и тепловой энергии для нужд МЧС [13-16]. Эффективность и экологичность использования автономных микротурбин малой мощности определяется: - низкой себестоимостью производства электроэнергии и тепла при использовании, по современным меркам, совершенного оборудования; - высокой надежностью энергоснабжения; - существенным сокращением сроков их сооружения; - независимостью режима работы от загруженности энергосистемы; - уменьшением отчуждения территории под крупное энергетическое строительство; - повышением экологичности производства электроэнергии и тепла, снижением затрат на охрану окружающей среды; - применением перспективных современных технологий и технических решений при создании новой техники. Особенности эксплуатации автономных установок: - микроэнергоустановки работают на объекте в единичном экземпляре, т.е. они не имеют резервирования; - не требуется высокая квалификация обслуживающего персонала; - требуется надежность работы агрегатов, простота монтажа, ремонта, а также высокая степень автоматизации, включая компьютерное управление. Микротурбины надежно работают с топливом широкого спектра, это: - природный газ с любым давлением; - биогаз; - попутный нефтяной газ с высоким содержанием серы; - дизельное топливо; - сжиженный газ – пропан; - другие виды топлива [12].
Во многих источниках описываются такие преимущества микротурбин, как возможность работы в течение длительного времени при низких нагрузках; низкий уровень выбросов, вибраций, шума; работа без смазок и моторного масла (в случае установки воздушных подшипников); низкая стоимость эксплуатационных расходов; длительный ресурс до капитального ремонта; возможность работы на различных видах топлива; высокая надежность.
В статье «Микротурбинная установка для эффективного энергоснабжения автономных индивидуальных потребителей» [8] необходимость использования микротурбинных технологий обосновывается в контексте их оптимальной энергетической эффективности. В работе [8] проводится сравнение микротурбинных установок различных типов, а именно – газопоршневая, газотурбинная и паросиловая энергоустановки. Все эти установки сравниваются по электрическим и тепловым показателям (КПД) для энергообеспечения жилого дома площадью 200 м2 повышенного класса энергоэффективности (А и В++) из чего можно сделать вывод, что паросиловая энергетическая установка более приспособлена для комбинированного производства электроэнергии и тепла при автономном энергообеспечении индивидуального децентрализованного потребителя, чем газопоршневые и газотурбинные агрегаты. В соответствии с этим были разработаны микротурбинные установки с электрической мощностью 5 и 30 кВт, [8] работающие на влажном паре со следующими параметрами: давление пара 0,6 МПа, температура пара 160 С, удельный расход пара на турбину в зависимости от мощности турбины от 0,03 до 0,1514 кг/с. Такие микроэнергоустановки предназначены для эффективного энергоснабжения жилого дома площадью 200 – 400 м2 [8].
Модификации микротурбины влажно-паровой микротурбинной установки
Ввиду относительной дороговизны газодинамических подшипников было принято решение о конструировании модификации влажно-паровой микротурбины на керамических подшипниках качения. Данный тип подшипников является наиболее распространенным в машиностроении и, следовательно, более доступен.
На рисунке 2.12 представлен чертеж микротурбины ВПМТ на подшипниках качения, которые обозначены позициями №10 (один подшипник) и № 11 (два подшипника).
В модификации микротурбины на подшипниках качения применены керамические радиально-осевые подшипники одинаковой конструкции и модели. Один опорный подшипник, воспринимающий радиальную нагрузку, расположен в верхней части вала, два подшипника воспринимающие радиальную и частично осевую нагрузку расположены в нижней части вала со стороны рабочего колеса. В качестве подшипников качения выбраны шарикоподшипники модели GMN HYKH 61904 2RZCTAABEC7, способные стабильно работать при оборотах вала-ротора до 47 000 об/мин (согласно паспорта). Внутренний диаметр данного подшипника – 20 мм, наружный диаметр – 37 мм, ширина – 9 мм. С обеих сторон подшипника имеются контактные уплотнения типа RZ. Фото и конструкция одного керамического подшипника представлено на рисунке
Принцип работы подшипника прост: по дорожкам качения наружного и внутреннего колец, которые имеют форму желоба, движутся тела качения в виде керамических шариков, удерживаемые сепаратором.
Подшипники качения имеют преимущества перед некоторыми видами подшипников: низкий расход смазочных материалов (масло уже находится в подшипнике), минимальная потеря энергии на трение, в результате чего уменьшается износ устройства, взаимозаменяемость подшипника, простота в обслуживании и замене, малые осевые габариты, относительно низкая стоимость.
Система охлаждения в данной модификации микротурбины применяется в основном водяная – на рисунке 2.12 показаны места ввода и отвода охлаждающей воды. В данной модификации на вал-ротор после сдвоенных упорных подшипников установлен вентилятор, дополнительно охлаждающий микротурбину принудительной вентиляцией внутреннего пространства. Из рисунка 2.12 видно, что система охлаждения модификации микротурбины на керамических подшипниках несколько упрощена по сравнению с системой охлаждения микротурбины на газодинамических подшипниках. В данной модификации микротурбины требуется 3 подшипника, к тому же керамические подшипники имеют меньшую стоимость (в три раза дешевле, чем газодинамические).
В диссертации также решалась задача по разработке методики расчета динамических характеристик основного оборудования энергоустановки при децентрализованном электро- и теплоснабжении. Одним из основных элементов теплоснабжения является конденсатор микротурбины, который осуществляет отвод теплоты конденсации влажного пара, поступающего в него из турбины, а также снабжает потребителя тепловой энергией. Все известные конструкции конденсаторов разработаны для турбоагрегатов большой мощности. Наиболее эффективными из существующих конденсаторов являются поверхностные конденсаторы, использующие, как охлаждающую, техническую воду ближайших водоемов для конденсации пара и создания требуемого вакуума в крупногабаритных высоконагруженных конденсационных установках паровых турбин электрической мощностью от 3-5 МВт до 800-1200 МВт. Однако такие конструкции конденсаторов невозможно применять на турбоагрегатах малой мощности, в связи с тем, что они рассчитаны на большие расходы пара и технической воды и имеют крупногабаритные размеры с поперечным движением теплоносителей.
В связи с этим была предложена и запатентована конструкция конденсатора для вертикальных влажно-паровых микротурбин тепловой мощностью до 400 кВт [65, 83-85]. Конструктивно конденсатор отличается от аналогов тем, что он выполнен вертикальным.
Конденсатор паровой микротурбины является рекуперативным теплообменником, выполненным из медных трубок. В конденсаторе один из теплоносителей – пар, который поступает после паровой турбины, протекая в межтрубном пространстве конденсатора, меняет свое агрегатное состояние. При этом охлаждающая вода из системы теплоснабжения с температурой t1 проходит по медным трубкам теплообменных элементов, где нагревается до температуры t2 теплотой, образующейся в процессе конденсации пара на внешних поверхностях теплооб-менных элементов. После нагрева вода направляется в систему теплоснабжения [85] с уже более высокой температурой достаточной для отопления и горячего водоснабжения автономных потребителей. Высокая эффективность работы конденсатора обеспечивается в том числе, благодаря внутреннему тонкостенному корпусу, встроенному в основной корпус конденсатора, который создает условия для полного омывания паром трубок конденсатора.
Поверхности охлаждения набираются из свитых в двухплоскостные горизонтальные спирали гладких труб наружным диаметром 15 мм, присоединенных к вертикальным раздающим (входным) и собирающим (выходным) трубным кол 55 лекторам, расположенных попарно в корпусе конденсатора. Над спиралями труб поверхности теплообмена располагается кольцевая распределительная решетка, позволяющая создавать равномерное поле подачи пара, выходящего из микротурбины [85].
Элементами конденсатора являются: основной и внутренний корпусы, кольцевая распределительная решетка, трубные поверхности охлаждения конденсата и коллекторы подвода и отвода охлаждающей воды. Конденсатор имеет вертикальное исполнение и обладает простотой сборки. Он легко крепится к микротурбине фланцевыми соединениями.
На рисунке 2.14 представлено фото конденсатора в основном корпусе (а) и без корпуса (б), на рисунке 2.15 представлен эскизный чертеж конденсатора с указанием его основных элементов.
Исходные данные, основные допущения для математического моделирования динамических характеристик микротурбины
Анализируя график, представленный на рисунке 3.4 можно сделать вывод о том, что до момента всплытия вала-ротора в микротурбине на газодинамических подшипник скольжения действуют значительные нагрузки, вызванные трением поверхности лепестков подшипника о вал-ротор микротурбины. Эти нагрузки имеют самое высокое значение в начальный момент движения вала-ротора, то есть при пуске микротурбины. В дальнейшем, площадь соприкосновения трущихся частей уменьшается и, следовательно, уменьшается момент сопротивления трению. При всплытии вала-ротора в осевом подшипнике моменты сил трения настолько сильно падают, что практически не изменяются в дальнейшем с возрастанием числа оборотов установки
Энергетические потери в подшипниках качения складываются в основном из потерь на трение, возникающих вследствие проскальзывания в местах контакта тел качения с кольцами и сепаратором, несовершенной упругости материала тел качения и колец и механических потерь в смазочном материале. Переходя в теплоту, эти потери вызывают повышение температуры подшипниковых узлов. Они не являются постоянными во времени и определяются конструкцией подшипника, режимами его работы и смазки.
В одной из модификаций микротурбина оснащена керамическими однорядными подшипниками качения, которые не «всплывают» на воздушной подушке. В таблице 3.3 представлены технические характеристики радиально-осевых керамических подшипников [93].
Тип подшипника Модель подшипника Внутренний диаметр, мм Внешнийдиаметр,мм Ширина, мм Статическая грузоподъемность, Н Упорный KH61904CTAP 4 /ABEC7 20 37 9 2750 Радиально-упорный KH61904CTAP4 /ABEC14 20 37 18 5500 Конструкция вала также отличается от ранее описанной модификации отсутствием кольцевой пяты. Согласно [46] момент трения качения определяется как: М = М0 + М! (3.26) где М0 - момент трения, зависящий от типа подшипника, от условий смазки и ее вязкости [Нмм]; Мj - момент трения, зависящий от нагрузки на подшипник [Нмм]. Момент М0 при ш 2000 определяется по формуле: M0=107/0v2/V/3Z)03, (3.27) где D0 = 28,5 мм - средний диаметр подшипника [D0 = {d + D)/2}= (20+37)/2=28,5; fo =1 (для однорядных) и 2 (для двухрядных) - коэффициент, зависящий от типа подшипника и условий смазки (табл. 21); п - частота вращения подшипника, 035000 мин1; v - кинематическая вязкость смазки (при пластичной смазке - вязкость базового масла), 20мм2/с. Согласно таблицы 21 [46] значения /0 при смазывании масляным туманом: - для шариковых осевых однорядных подшипников/0 = 1.0; М0 = 10"7 f0v2/3n2/3D30 = 107 1 202/3 28,53 п2/3 - для шариковых радиально-осевых, двухрядных подшипников/0 =2. М0 = 10"7 f0v2/3n2/3D30 = 10"7 2 202/3 28,53 п2/3 Значения М0 для обоих типов применяемых подшипников представлены в Приложении А - Результаты расчета моментов сил трения микротурбины на газодинамических и керамических подшипниках.
Момент Mi определяется по формуле: M1=f1g1PD0 (3.28) где f} - коэффициент, зависящий от типа подшипника и степени его на-гружения (таблица 22, [46]); g7 - коэффициент, зависящий от соотношения радиальной и осевой нагрузок, воспринимаемых подшипником, определяется по формулам, приведенным в таблице 22 [46]; Fa С0 следует принимать gjP = (3Fa.)= 144,3 H; С0 - статическая грузоподъемность подшипника, Н; для упорных подшипников С0=2750 Н; для двурядных радиально-осевых подшипников С0=5500 Н; Fr - радиальная нагрузка =0 Н; Fa — осевая нагрузка = 48,1 Н.
Согласно таблице 21 [46] значения/} при смазывании масляным туманом: - для шариковых осевых однорядных подшипников: ( Р V.55 ( 48, V0.55 Л =0,0009-— = 0,0009- —Ч = 9,7-10 5 {С0) \2750J М1 = /&РП0 = 9,7 10 5 144,3 28,5 = 0,399 Я мм - для шариковых радиально-осевых двухрядных подшипников: г [ 48, 1 _4 0.33 0.33 0,0010- =1,88-10 5500j с f1 =0,0009 М1 = /1 Р/)0=1,88-10"4-57,34-28,5 = 0,31Я-мм Графическое отображение рассчитанного момента сил трения микротурбины на керамических подшипниках качения представлено на рисунке 3.5. Таблица результатов расчета моментов сил трения керамических подшипников, применяемых в микротурбине, представлена в Приложении А - Результаты расчета моментов сил трения микротурбины на газодинамических и керамических подшипниках.
Испытания микротурбины и конденсатора в паровом режиме при работе на керамических подшипниках
Алгоритм проведения данного типа испытаний микротурбины на газодинамических подшипниках аналогичен алгоритму проведения испытаний на керамических подшипниках. Для проведения испытаний необходимо произвести следующие действия. 1) Необходимо произвести запуск испытательного стенда. На экране монитора персональной ЭВМ должна появиться форма «Главная страница» (рисунок 4.2). Рисунок 4.2 – Общий вид стартовой страницы ПТК МЭК 2) Открыть ручные краны на входах и выходах охлаждающей воды в НОК и в конденсатор, и с помощью дистанционного управления открыть 119 клапан РО6 на 12-15%, при этом НОК автоматически включится. Открыть клапан РО6 и установить с помощью него расход охлаждающей воды на конденсатор равный 0,5 от номинального расхода. 3) При первом пуске произвести тарировку регулирующего клапана РО3, т.е. определить соответствие степени открытия клапана и перепада дав ления в системе охлаждения электрогенератора, для чего установить пооче рёдно положение клапана (степень открытия в процентах) равным 25%, 50%, 75%, 100% и отметить соответствующие давления и перепад давлений на ЭГ. 4) В случае, когда индикатор дренажа из конденсатора показывает, что вода в конденсаторе отсутствует, необходимо закрыть вентиль дренажа из конденсатора и открыть ручные вентили на входе и выходе из конденсатного насоса (ПКН). 5) Открыть клапан РО5 на 2-5% и дождаться момента, когда в «воздушник» на паропроводе начнёт поступать пар без включений капель воды. Закрыть вентиль «воздушника». Дождаться момента, когда в дренаж на паропроводе начнет поступать пар без включений капель воды, убедиться в том, что температура пара в паропроводе равна температуре насыщения, закрыть дренаж из паропровода. 6) Открыть вентиль на трубопроводе подачи пара на ПКН и убедиться в том, дренаж из конденсатоотводчика прекратился, затем открыть вентиль на входе пара в ПКН. 7) Открыть вентили на выходе вакуумопровода из конденсатора и на выхлопе в атмосферу из ВН, вентили на выходе вакуумопровода из зоны подшипников, на трубопроводе подвода воды в ВН и на дренаже с выхода ВН, а также закрыть вентиль на «воздушнике» из вакуумопровода. Установить верхний и нижний пределы для регулятора 4, включить этот регулятор и убедиться в том, что ВН автоматически включится, а по достижении нижнего предела вакуума также автоматически отключится. 8) Открыть ручные вентили на входе и выходе охлаждающей воды в ЭГ. Открыть дистанционно клапан РО-3 на 50%. 120 Далее описывается непосредственно алгоритм проведения испытания. 9) Произвести первоначальный «толчок» турбины, для чего дистанци онно открыть клапан РО5 на 100% и клапан РО1 на 20%. Если расход пара на турбину превысит 0,25 от номинального расхода, то прикрывая клапан РО5 добиться расхода пара равного 0,25Gном и определить скорость нарастания числа оборотов ротора турбины. Зафиксировать и оставить неизменным по ложение клапана РО5 на все время последующих испытаний. 10) При скорости нарастания числа оборотов ротора турбины не более 5 000 об/мин за 1 мин, произвести разгон турбины до 35 000 об/мин. 4.1.2 Программа проведения исследовательских испытаний микротурбины на газодинамических подшипниках электрической мощностью 5 и 30 кВт в моторном режиме В моторном режиме вал-ротор турбогенератора приводится в движение электрическим напряжением, приложенным к клеммам электрогенератора. Микротурбина работает в моторном режиме, не выдавая, а потребляя электрическую нагрузку (на привод вала-ротора). Данный режим испытаний проводится до сбора экспериментального стенда влажно-паровой микротурбинной установки, только на одной микротурбине.
Проведение испытаний микротурбины в моторном режиме проводится следующим образом. К клеммам звена постоянного тока УПСРЭ необходимо подвести постоянное электрическое напряжение в 200 В. С ПК необходимо подать команду запуска вращения микротурбины в двигательном режиме. При этом вал-ротор микротурбины на газодинамических подшипниках должен начать раскручиваться. Поскольку пуск производится без подключения ПТК МЭК активная мощность (Вт) в звене постоянного тока и частота вращения (об/мин) должны считываться косвенно (по силе тока и напряжению) через осциллограф Fluke 190-104. Должно быть проведено не менее трех экспериментов. Полученные данные необходимо занести в таблицы по форме таблицы 4.2. Далее на основе полученных осциллограмм по формуле 4.1 не 121 обходимо рассчитать средний суммарный электромагнитный момент трёх фаз двигателя на валу, Нм. Во избежание высокой погрешности измерений замер параметров производился в установившемся режиме. После проведения необходимых замеров с ПК необходимо подать команду на останов микротурбины, после чего вал-ротор останавливается в естественном режиме. В таблице 4.1 приведен список оборудования, которое необходимо для проведения исследовательских испытаний микротурбины в моторном режиме.