Введение к работе
Актуальность темы исследования. Турбомашины различного назначения в настоящее время широко распространены в судовой энергетике в качестве устройств, обеспечивающих работу главных и вспомогательных судовых энергетических установок (СЭУ). Компактные, обладающие более высокой удельной мощностью, по сравнению с поршневыми установками, они получили применение в качестве турбинных двигателей, турбокомпрессоров наддува судовых ДВС и турбодетандеров холодильных машин.
Постоянный рост требований к производительности турбомашин при сохранении их массогабаритных характеристик обеспечивается повышением скорости вращения роторов. При этом возникает ряд вопросов, в частности обусловленных необходимостью надежной работы опор валов (подшипников) и снижением потерь на трение.
Подшипники турбомашин являются одними из наименее надежных узлов элементов СЭУ, выход которых из строя приводит, как правило, к отказам всей энергоустановки.
Подшипники качения или масляные скольжения при всех своих положительных качествах не обеспечивают надежность работы механизмов при высоких частотах вращения их роторов, а использование в них смазочных материалов усложняет конструкцию и загрязняет рабочее тело турбомашины (в некоторых случаях, например в холодильных машинах, это недопустимо), повышает пожа-роопасность установки и загрязняет окружающую среду.
Перечисленные недостатки можно исключить применяя опоры с газовой смазкой. Такие подшипники позволяют значительно повысить частоту вращения ротора турбомашины и снизить до минимума потери на трение, практически устранив износ рабочих поверхностей.
Применение подшипников с газовой смазкой перспективно в воздушных холодильных машинах, к которым в последние годы выросло внимание из-за ограничения применения фреонов. В турбодетандерах с подшипниками на газовой смазке исключается загрязнение холодного воздуха маслом, который можно направлять на охлаждение хранимых продуктов.
Недостатком газовых подшипников является низкая несущая способность смазочного слоя (по сравнению с жидкостными подшипниками) из-за невысокой вязкости газов, в связи с чем повышение значения этой характеристики и тем самым расширение области использования газовой смазки является одной из актуальных задач в судовой энергетике.
Проблемам повышения эффективности опор с газовой смазкой посвящены труды отечественных ученых А.И. Белоусова, А.Н. Брагина, B.C. Виноградова, Б.С. Григорьева, А.В. Емельянова, В.П.Жедь, Н.Д. Заблоцкого, Г.А.Завьялова, С.Г. Кан, М.В.Коровчинского, А.В. Космынина, Я.М. Котляра, Л.Г.Лойцянского, А.А. Лохматова, В.А. Максимова, В.А. Мордвинкина, Ю.В. Пешти, СВ. Пинеги-на, Ю.А. Равиковича, А.И. Самсонова, Л.Г. Степанянца, И.Е. Сипенкова, А.И. Снопова, Ю.Б. Табачникова, С.Н.Шатохина, С.А. Шейнберга.
Результаты их исследований показали, что при проектировании подшипника определяющим является подбор режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих максимальную несущую способность слоя при заданных условиях работы (оптимальных параметров).
Выполненные ранее исследования в этой области показывают, что даже сравнительно малые отклонения значений параметров от оптимальных величин значительно снижают несущую способность подшипника или делают его неработоспособным. В результате ограничивается область применения таких подшипников и исключается возможность их использования в современных турбомашинах.
Одно из возможных направлений повышения несущей способности газовых подшипников - применение гибридных опор, позволяющих совместить свойства газодинамических и газостатических подшипников. Полученные ранее в ДВГТУ (ДВПИ им. В. В. Куйбышева) результаты исследований таких подшипников показали эффективность их применения. При этом сохраняются недостаток информации по проектированию таких подшипников и их конструктивные недостатки, не позволяющие перейти к их промышленному использованию.
Совершенствование существующих, создание новых конструкций гибридных подшипников, разработка методик расчета и оптимизации конструктивных и режимных параметров опор такого типа позволят повысить эффективность работы газовых опор и увеличить область распространения газовой смазки в технике.
Цель и задачи работы
Целью работы является повышение несущей способности осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой судовых турбомашин.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
-
На основании проведенного обзора существующих разработок в области подшипников с газовой смазкой определена конструкция объекта исследования;
-
Предложена математическая модель осевого гибридного лепесткового подшипника с газовой смазкой;
-
Составлена программа расчета и оптимизации объекта исследования;
-
Выполнен численный эксперимент и проанализированы его результаты;
5. Разработана и реализована конструкция экспериментального стенда,
предназначенного для проведения исследований характеристик осевых подшип
ников с газовой смазкой;
-
Проведён физический эксперимент по исследованию характеристик осевого гибридного лепесткового подшипника (ОГЛП) и проверена адекватность результатов, получаемых с помощью предложенной математической модели, результатам физического эксперимента;
-
Предложена инженерная методика расчета и оптимизации характеристик подшипников исследованного 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;
-
Результаты оптимизационных вычислений максимального значения несущей способности смазочного слоя исследованного подшипника в зависимости от его конструктивных и режимных параметров;
-
Закономерности совместного влияния газостатического и газодинамического эффектов на распределение давления в смазочном слое и интегральные характеристики исследованного подшипника;
-
Инженерная методика расчета и оптимизации осевых гибридных лепестковых подшипников для турбомашин судовой энергетики.
Теоретическая значимость:
-
Результаты численного и физического эксперимента 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 соответствующего класса судовой энергетики.
Практическая значимость:
-
Разработан конструктивный тип ОГЛП, защищенный патентом, имеющий преимущества эксплуатационного и технологического характера по сравнению с существующими подшипниками на газовой смазке;
-
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.
4. Результаты оптимизационных вычислений зависимости максимальной
несущей способности от значений конструктивных параметров подшипника.
5. 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 эксперимента.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования; проведении анализа современного состояния разработок в области газовой смазки; разработке конструктивного типа объекта исследования; составлении математической модели течения газа в смазочном слое осевого гибридного лепесткового подшипника и программы оптимизационного расчета исследуемого подшипника; проведении модернизации экспериментального стенда; разработке экспериментальных образцов подшипников; выполнении физического и численного экспериментов; обработке и анализе полученных результатов; разработке методики расчета осевых гибридных лепестковых подшипников с газовой смазкой для судовых турбомашин.
Апробация работы. Материалы исследований представлялись на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана» (Владивосток, ДВГТРУ, 2010 г.), международной конференции «Вологдинские чтения» (Владивосток, ДВГТУ, 2010 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития судоходства в Дальневосточном регионе» (Владивосток, ДВГТРУ, 2011 г.), международной научной конференции «Механика и трибология транспортных систем» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2011 г.), научных семинарах кафедр «Конструкция и проектирование двигателей» (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 № П 2590 от 26.11.2009 г.), в проектно-конструкторской деятельности государственного малого научно-производственного предприятия «Экосистема», внедрены в учебный процесс по направлению подготовки 180100.62 «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
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы из 152 наименований. Общий объем диссертации составляет 174 стр., включая 57 рисунков, 6 таблиц.
