Введение к работе
Актуальность. Развитие современного машиностроения связано с ростом скорости роторов, так как это приводит к повышению производительности машин, уменьшению их габаритов, массы. Но при этом растет виброактивность машин. Снижение виброактивности, повышение надежности машин эффективно достигается применением подшипников с газовой смазкой. При этом устраняется масляная система, снижается пожароопасность и возможность загрязнения окружающей среды. По оценкам исследователей, до 1/3 мировых энергетических ресурсов расходуется на преодоление трения в той или иной форме. Подшипники с газовой смазкой позволяют минимизировать потери на трение, так как вязкость газов примерно в тысячу раз меньше вязкости масел.
Турбомашины с подшипниками на газовой смазке выпускаются серийно в различных отраслях техники, в первую очередь, в авиакосмической, станкостроительной. По результатам эксплуатации технический ресурс подшипников с газовой смазкой достигает 100 тысяч часов работы. Однако несмотря на очевидные достоинства опор с газовой смазкой распространение их в энергетическом машиностроении осуществляется относительно медленно из-за специфики конструкции и технологических процессов изготовления, недостаточного уровня знаний в области проектирования, изготовления и эксплуатации опор с газовой смазкой. Использование турбомашин с подшипниками на газовой смазке в специальных энергетических установках, в бортовом оборудовании самолетов, космических аппаратов, кораблей и др. обусловило конфиденциальный характер исследований и опытно-конструкторских работ. Лишь немногие из полученных результатов описаны в технической литературе.
На основании опубликованных работ инженеру весьма сложно спроектировать подшипники с газовой смазкой с необходимыми характеристиками для реальней машины. Большое количество работ, выполненных на достаточно высоком научном уровне, посвящено отдельным вопросам газовой смазки и не охватывают всех аспектов, связанных с созданием турбомашин с подшипниками на газовой смазке. В работах, посвященных газовой смазке, недостаточно рекомендаций по проектированию подшипников для турбомашин, математические выкладки во многих случаях не доведены до конкретных результатов и не проверены экспериментально. К тому же недостаточно работ, посвященных численным методам расчета подшипников с газовой смазкой, которые в связи с повсеместным распространением компьютеров и увеличением скорости счета становятся наиболее перспективными и удобными для пользователя. В то же время программы расчета характеристик подшипников с газовой
смазкой, доведенные до конкретных числовых результатов, становятся "товаром" и воспользоваться ими сложно.
Кроме многих достоинств подшипники с газовой смазкой имеют существенный недостаток - низкую несущую способность. 30-летний опыт исследований и проектирования подшипников с газовой смазкой в Дальневосточном государственном техническом университете показывает, что несущая способность подшипников с газовой смазкой достаточна для многих высокооборотных турбомашин, но в узком диапазоне режимных и геометрических параметров. Поэтому для получения необходимых характеристик весьма важно уметь точно рассчитывать и конструировать подшипники с газовой смазкой.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности высокооборотных турбомашин за счет применения подшипников с газовой смазкой на основании решения следующих задач:
определения типов подшипников с газовой смазкой, перспективных для турбомашин;
разработки научных основ проектирования подшипников с газовой смазкой на базе создания математических моделей, алгоритмов и программ для расчета интегральных характеристик (несущей способности, жесткости, расхода газа, момента и мощности трения); определения оптимальных величин геометрических и режимных параметров подшипников;
экспериментальной проверки адекватности моделей и реальных характеристик подшипников, корректировки моделей;
создания турбомашин с подшипниками на газовой смазке, разработки рекомендаций по проектированию подшипников;
проверки работоспособности турбомашин с подшипниками на газовой смазке, накопления опыта изготовления и эксплуатации таких машин.
Научная новизна. Диссертационная работа содержит совокупность основных положений, выводов, предложений и рекомендаций, полученных в результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований подшипников с газовой смазкой различных типов и турбомашин с опорами на газовой смазке. Научную новизну составили:
разработанные алгоритмы расчета интегральных характеристик основных типов подшипников с газовой смазкой для турбомашин на персональном компьютере и зависимости этих характеристик от полученных безразмерных комплексов, которые удобно применять при проектировании;
метод выбора оптимальных сочетаний конструктивных и режимных (газодинамических) параметров подшипников турбомашин, позволяющий проектировать подшипники с заданными
свойствами при минимальных их габаритах;
рекомендации по проектированию подшипников с газовой смазкой, в том числе с наддувом влажного пара и лепестковых газодинамических, для турбомашин;
выполненный, впервые в стране, комплекс исследований подшипников с газовой смазкой для турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания;
разработанные на уровне изобретений новые технические решения подшипников с газовой смазкой, повышающие эксплуатационную надежность турбомашин, уменьшающие их габарит и массу.
Практическая ценность работы в новых инженерных методах расчета и моделирования, позволяющих в общей постановке решать задачи исследования и проектирования опор с газовой смазкой для турбомашин. Найденные оптимальные режимные и конструктивные параметры подшипников с газовой смазкой позволили создать ряд турбомашин с такими опорами, среди которых: несколько типоразмеров ручных турбомашин, применяемых в качестве пневмоинструмента, турбокомпрессоры наддува двигателей внутреннего сгорания, судовая воздушная холодильная машина на базе турбодетандера, стенд для испытаний абразивных кругов на разрыв. Накоплен уникальный опыт проектирования, изготовления и эксплуатации турбомашин с подшипниками на газовой смазке. Результаты работы использованы для подготовки специалистов, владеющих знаниями методов проектирования и эксплуатации подшипников с газовой смазкой, и учебного пособия "Подшипники с газовой смазкой для турбомашин" для студентов направления 552600 -Кораблестроение и океанотехника.
На защиту выносятся:
математические модели и алгоритмы расчета основных интегральных характеристик перспективных для применения в турбомашинах подшипников с газовой смазкой;
результаты вычислительного и физического эксперимента, полученные зависимости основных интегральных характеристик подшипников с газовой смазкой от геометрических и режимных параметров;
методика проектирования подшипников с газовой смазкой;
рекомендации по конструкции подшипников с газовой смазкой для турбомашин, числу и креплению лепестков, форме смазочного слоя;
результаты практического использования разработанных моделей, рекомендаций и методик, представленные в виде эксплуатационных характеристик турбомашин с подшипниками на газовой смазке.
Реализация. Внедрены программы расчета и методики проектирования подшипников с газовой смазкой для турбомашин. Спроектированы подшипники с наддувом газа для газогенераторов с керамическими роторами, проектируемых институтом технологии энергетического машиностроения г.Санкт-Петербург. Разработана гамма ручных турбомашин с подшипниками на воздушной смазке, применяемых в качестве пневмоинструмента на различных предприятиях страны. Применение подшипников с воздушной смазкой позволило существенно снизить шум и вибрацию машин, повысить чистоту обрабатываемой поверхности, повысить срок службы абразивного круга. Машины отмечены несколькими серебряными и бронзовыми медалями ВДНХ СССР. Разработан турбокомпрессор наддува двигателей внутреннего сгорания с лепестковыми газодинамическими подшипниками. Спроектирована и изготовлена серия турбодетандеров с подшипниками на газовой смазке системы местного кондиционирования воздуха. Результаты работы также используются при чтении некоторых разделов ряда дисциплин и выполнении расчетов в курсовых и дипломных проектах.
Апробация работы. Научные положения, результаты исследований и конструктивных разработок докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и семинарах: " Тенденции развития судовых турбинных установок," г. Ленинград, 1975г.; "Газовые опоры и применение их в промышленности," г. Москва, 1977г.; "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив", г. Москва, 1980г.; "Исследование и применение опор скольжения с газовой смазкой" г. Винница, 1983г; "Перспективы развития комбинированных ДВС и двигателей новых схем и на новых тогшивах". г. Москва, 1987г. ; "Создание компрессоров и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса" г. Сумы, 1989г.; "Газовал смазка в машинах и приборах", г. Москва, 1989г.; "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и установок" г. Ленинград, 1990г.; "Проектирование и технология изготовления газовых опор экологически чистых машин" г. Ростов на Дону, 1991г.; "Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения" г.Санкт-Петербург, 1992г; "Международная конференция по судостроению" ЦНИИ им. А. Н. Крылова, г.Санкт-Петербург, 1994 г; "Учет особенностей Дальневосточного бассейна при проектировании и модернизации судов" г.Владивосток, 1995г.; "Проблемы транспорта Дальнего Востока", г.Владивосток, 1995г.; "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов" г. Владивосток, 1996г.; "ХУШ International Symposium on Ship Power Plants", г. Гдыня, 1966г.; "3 rd International Marine Conference",
Shanghai, China 1966г.; а также на научно-технических конференциях ДВГТУ. Турбомашини с подшипниками на газовой смазке, разработанные на основе результатов, полученных в работе, неоднократно экспонировались и отмечались наградами на различных выставках в стране и за рубежом.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 42 научных работах, учебном пособии, научно-технических отчетах; получено шесть авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (316 наименований) и приложений. Изложена на 273 страницах и включает 116 рисунков и 18 таблиц.
