01 марта 2016г.
Турбомашины нашли самое широкое применение в различных отраслях техники [5]: в авиации в качестве двигателей главных и вспомогательных установок; в железнодорожном и автомобильном транспорте для наддува двигателей внутреннего сгорания; в морском и речном судостроении, особенно в военно – морском флоте, в качестве главных двигателей военных кораблей и подводных лодок, а так же подводных аппаратов, двигателей генераторов, насосных и компрессорных станций и турбодетандеров.
Постоянно растущие требования к производительности турбомашин, при сохранении их массогабаритных показателей, обеспечиваются повышением скорости вращения роторов. При этом возникает ряд проблем, в том числе связанных с обеспечением надежной работы опор валов (подшипников) и снижением потерь на трение.
Подшипники высокоскоростных установок, таких как турбомашины, в настоящее время являются одними из наименее надежных узлов, выход из строя которых приводит, во многих случаях, к отказам энергоустановок.
Причиной этого является то, что распространенные в настоящее время подшипники качения и жидкостные подшипники скольжения не обеспечивают надежной работы механизмов при высоких скоростях вращения роторов.
Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является применение подшипников с газовой смазкой. [4]
Газовые подшипники, обладая многими преимуществами, имеют и существенный недостаток – малую
несущую способность смазочного слоя, который значительно ограничивает применения газовых подшипников в технике. Существует несколько способов повышения несущей способности газовых опор. Одним из наиболее перспективных является применение комбинированных или гибридных опор, совмещающих свойства нескольких типов подшипников в одной опоре (например, магнитных и газовых, газодинамических и газостатических). Проведенные исследования показали эффективность использования гибридных подшипников в составе агрегатов различного назначения [3,1,4]. Другим не менее эффективным способом является применение газовых подшипников с податливыми рабочими поверхностями (лепестковые подшипники). Применение податливой рабочей поверхности позволяет осуществить надежную работу газового подшипника при малых зазорах (менее 10 микрометров), при которых наблюдается значительное применение газодинамического эффекта [1,2,5].
Рассматривая основные требования, предъявляемые к податливости лепестка, следует учитывать, что упругая подложка взаимодействует со смазочным слоем, представляющим собой также упругую среду.
Податливость упругого смазочного слоя неодинакова в каждой точке рабочей поверхности. Также эта величина зависит от толщины смазочного слоя.
На характер распределения давления в гибридном подшипнике оказывают одновременное влияние газостатический и газодинамический эффекты [1]. На средней линии между внутренним и внешним радиусами наблюдается ярко выраженный пик давлений, обусловленный наличием здесь линии наддува (линии, на которой располагаются питатели). Такое распределение давлений характерно для газостатического подшипника, а резкий рост давления на клиновидном участке и его максимум на границе I-го и II-го участков характерен для газодинамических подшипников.
Наглядно проявление газодинамического эффекта можно увидеть, сравнивая диаграммы на Рисунке 1. При зазоре 15 мкм влияние газодинамического эффекта незначительно и распределение давления в гибридном подшипнике имеет характер, схожий с распределением давлений в газостатической опоре.
Геометрические и конструктивные параметры подшипника: R 1= 0,022 м;
R2 = 0,0545 м; Rp1 = 0,038 м; dp1 = 8x10-4 м; d1 = 3 x 10-5
м; d2 = 0 м;
LI = 0,5; С = 3,68 x 10-5
м/Н
При зазорах менее 10 мкм газодинамический эффект резко увеличивается и на границах участков появляется пик давлений, характерный для газодинамических опор (зона А на Рисунке 1, б).
Поле податливостей слоя имеет сложный характер, обусловленный совместным влиянием газодинамического и газостатического эффектов. В целом наблюдается увеличение податливости слоя по мере приближения к внутреннему и наружному радиусам, а также по ходу движения потока смазочного газа,
что вполне понятно, поскольку распределение давлений имеет соответствующий характер (Рисунок 1). Однако на «линии наддува» и прилегающих областях существует некоторое увеличение податливости. Для того чтобы объяснить этот эффект рассмотрим диаграмму (Рисунок 2), на которой изображены три кривые, отражающие распределение податливостей смазочного слоя по радиусу подшипника, работающего
в газостатическом (скорость относительного движения рабочих поверхностей равна 0), газодинамическом (отсутствует наддув) и гибридном режимах.
Геометрические и конструктивные параметры подшипника: R1 = 0,022 м; R2 = 0,0545; Rp1 = 0,038 м; dp1 = 8 x 10-4м; d1 = 3 x 10-5 м; d2 = 0 м; LI = 0,5; С = 3,68 x 10-5
м/Н
Наибольшего значения давление в смазочном слое достигает при гибридном режиме работы. Максимум сил и минимумы податливостей
при газодинамическом и гибридном режимах смещаются в сторону внешнего радиуса, что объясняется увеличением окружной скорости по мере приближения к внешней границе подшипника, а значит и увеличением газодинамического эффекта. При газостатическом режиме
максимальное значение сил от давления газа и минимальное значение податливости смазочного слоя находятся на «линии наддува».
В работе [4] рассматриваются осевые подшипники, но эти требования вполне применимы и для радиальных опор. Дело в том, что здесь рассматривается
некоторая небольшая часть рабочей
поверхности подшипника, которая вполне может являться составной частью как осевого так и радиального подшипника.
Изображѐнные зависимости показывают, что смазочный слой, действующий на подложку, представляет собой упругую среду со сложными характеристиками, которые должны учитываться
при проектировании податливой рабочей поверхности
подшипника. К податливости упругой подложки могут предъявляться и разные требования в зависимости от частных случаев применения подшипника.
Исследование выполнено при поддержке ДВФУ, проект № 14-08-02-23_и.
Список литературы
1. Грибиниченко М.В. Осевые гибридные подшипники с газовой смазкой для турбокомпрессоров наддува судовых ДВС.: Дис… канд.техн.наук. Владивосток., ДВГТУ, 2006. – 133с.
2. Грибиниченко, М.В. Разработка конструкции осевого подшипника с газовой смазкой для турбомашин судовых энергоустановок/ М.В. Грибиниченко М.В., Куренский А.В., Синенко Н.В.//Вестник машиностроения. – 2013. – №7. – С. 50- 53
3. Космынин, А.В. Применение подшипников на газовой смазке / А.В. Космынин,В.С.Щетинин, А.С. Хвостиков, Н.А.Иванова, А.А. Космынин // Успехи современного естествознания. – 2012. – №9. – С. 92–95.
4.
Куренский А.В. Повышение
несущей способности
осевых гибридных
лепестковых
подшипников на газовой смазке судовых турбомашин.: Дис… канд. техн. наук. Владивосток., ДВГТУ, 2012. – 168с.
5. Фершалов Ю.Я., Фершалов А.Ю., Акуленко В.М., Фершалов М.Ю., Цыганкова Л.П. Перспективность исследований и области применения малорасходных турбин // Вологдинские чтения. 2010. № 78. С. 159- 164.
6.
Gribinichenko,M.V. Axial bearing gas lubrication for marine turbines/ M.V. Gribinichenko, Kurenskii A.V., Sinenko N.V.//Russian engineering research. – 2013. – Vol.33.- №10. – p. 566-568
