Головна raquo Дослідження і розробки raquo Практика проектування газових підшипників Ч. I. Огляд газових підшипників
Практика проектування газових підшипників Ч. I. Огляд газових підшипників
У цій статті розглянемо перспективи застосування газових підшипників. Визначилося кілька областей техніки, в яких використання підшипників на газовій мастилі вважається найбільш доцільним: мікротурбіни для розподілених енергетичних систем, кріогенна техніка, Турбохолодильні агрегати і детандери. У двох останніх випадках важливим є відсутність забруднення газів і продуктів охолодження масляним мастилом. Розглянуто історію розробки безконтактних газових підшипників, практика їх проектування, існуюча класифікація та методи розрахунку. Наведено базові відомості про типові конструктивні рішення при проектуванні газових підшипників. Розглянуто переваги гібридних газових підшипників, які суміщають гідності газодинамічних і газостатичних підшипників. Показано, що застосування гібридних газових підшипників дозволяє подолати основний недолік холодильних машин і детандерів, оснащених пелюстковими і фольгових газодинамічними підшипниками, - недостатню продуктивність через низьку несучої здатності підшипника.
Практика проектування турбомашин, зокрема турбохолодильних агрегатів, стикається з новими тенденціями: зросли швидкості обертання валу і навантаження. Це змушує проектувальників шукати нові рішення, в тому числі нові способи стиснення газу. У більшості випадків завдання обмеження розмірів і вартості агрегатів вирішується збільшенням швидкохідності їх роторів. Прикладом нетривіального підходу може служити заміна традиційних лопаткових машин хвильовими компресорами, які стискають газ в системі ударних хвиль [1,2], що істотно спрощує конструкцію, але вимагає високої частоти обертання ротора.
В останні роки значно зріс інтерес до підшипників ковзання з газової мастилом. Для таких підшипників можуть бути використані для створення підйомної сили аеродинамічний ефект Бернуллі (газодинамічні підшипники - ГДП) або подача повітря в зазор між статором і ротором під тиском (газостатичному підшипники - ГСП) [11]. Можливо і поєднання цих двох ефектів (гібридні ГСП). Визначилося кілька областей техніки, де застосування підшипників на газовій мастилі вважається найбільш доцільним:
nbsp- Кріогенна техніка, Турбохолодильні агрегати і детандери;
- Мікротурбіни для розподілених енергетичних систем;
- Авіаційні газотурбінні установки, перш за все допоміжні.
Найбільш перспективно використовувати безконтактні підшипники на газовій мастилі в турбохолодильних агрегатах (ТХА) і турбодетандерних агрегатах. У цих випадках важливим є відсутність забруднення газів і продуктів охолодження масляним мастилом.
В області створення машин з легкими роторами вже досягнуто значного прогресу. На сучасному етапі стоїть завдання створення безконтактних газових підшипників для швидкохідних важких роторів турбомашин. На цьому шляху є ряд складнощів принципового характеру.
Повітряні Турбохолодильні агрегати (ТХА). Загострення екологічної обстановки, пов'язане з руйнуванням озонового шару землі і країнам, що розвиваються глобальним потеплінням, зажадало створення холодильних машин нового покоління, що працюють на озонобезпечних природних хладагентах, в число яких входить вода, повітря, діоксид вуглецю, аміак, вуглеводні. Найбільш універсальним з них є при -ляется атмосферне повітря. Установки з повітряним холодильним циклом здатні працювати в діапазоні від кімнатної температури до температури рідкого повітря. ТХА, що представляють собою високооборотні турбомашини, виробляють одночасно з холодом високопотенційне тепло, яке можна використовувати у виробничих цілях.
Турбодетандерні агрегати. Цей тип турбоагрегатів використовується в установках поділу повітря. Застосування газодинамічних підшипників дозволяє відмовитися від використання масляного туману для змащення кулькових підшипників, в результаті чого гарантується чистота газу, спрощується експлуатація і підвищується надійність агрегату. В даний час в Турбодетандери застосовуються ГДП (рис. 1), для яких, як правило, характерна низька несуча здатність (маса ротора не більше 10-20 кг). В результаті агрегати на ГДП поступаються класичним Турбодетандери в продуктивності в 10 і більше разів. Вихід бачиться в застосуванні ГСП. Але робота ГСП супроводжується постійним витратою робочого тіла на піддув, що позначається на економічності установки.
Рис.1. Пелюсткові газодинамический підшипник турбодетандера nbsp
Тому перспективно поєднання достоїнств ДСП і ГДП в одній конструкції. Такі підшипники називаються гібридними.
nbsp Історія розвитку теорії газової мастила nbsp
Теорія газової мастила глибоко розроблялася в Радянському Союзі. Основних наукових центрів в даній області було два: Експериментальний НДІ металорізальних верстатів (ЕНІМС), в якому роботи велися під керівництвом С.А.Шейнберга [7], а також кафедра механіки і математики Ленінградського політехнічного інституту (ЛПІ), на якій під науковим керівництвом Л.Г.Лойцянского [11] здійснювалася розробка теорії гіроскопів на газовому підвісі, а також газостатичних вузлів для точного вивіряння приладів.
Сьогодні газові опори використовуються в газотурбінних двигунах (ГТД), кріогенних та високотемпературних космічних, наземних, транспортних і глибоководних установках, компресорах атомних реакторів. Сплеск інтересу до даної тематики спостерігався в 60-і роки минулого століття. Саме тоді з'явилися фундаментальні праці С.А.Шейнберга [7] і VNConstantinescu [12], Г.Ріппела [6], Н.Грессема і Дж.Пауелла [5,13], що узагальнили всі відомі на той момент теоретичні і експериментальні результати .
Класифікація газових підшипників
Класифікація по напрямку дії сил. Підшипники ділять на радіальні, радіально-наполегливі і наполегливі (осьові). Як випливає з назви, радіальний підшипник перешкоджає зсуву валу, що обертається в поперечному (радіальному) напрямку, відповідно завзятий (осьовий) - в поздовжньому (осьовому) напрямку, радіально-завзятий - в двох напрямках одночасно.
Класифікація за принципом створення підйомної сили. В теорії газової мастила існує три принципи створення надлишкового тиску в газовому шарі опор, названі принципами газової мастила:
nbsp- Ефект клина;
- Ефект зовнішнього нагнітання мастила;
- Ефект хитається стінки.
Наявність трьох принципів значно розширює сферу застосування опор ковзання з газової мастилом. Накладення принципів призводить до гібридних опор, наприклад: зовнішнє нагнітання мастила плюс ефект клина; коливається стінка плюс ефект клина.
Як було зазначено раніше, за принципом створення підйомної сили все підшипники діляться на газостатичному (підйомна сила створюється подається зовнішнім пристроєм під надлишковим тиском повітрям), газодинамічні (підйомна сила створюється за рахунок ефекту клина), а також гібридні (мають місце обидва ефекту). При обертанні вала внаслідок сил в'язкого тертя підйомна сила виникає завжди (ефект Бернуллі).
Класифікація за формою несучої поверхні. Радіальні підшипники бувають сегментними, а також циліндричними з охопленням 360о. Останні ще називають полноохватной.
Конструкція повітряних підшипників
Газодинамічні підшипники. Традиційна схема пелюсткової ГДП зображена на рис. 2. У корпусі підшипника виконані поздовжні пази, в яких закріплені виготовлені з пружинної сталі пелюстки (показані червоним кольором на рис.2), що утворюють безперервну поверхню, складену з клинів.
Коли вал нерухомий, пелюстки за рахунок пружності торкаються поверхні вала і підтримують його в підвішеному стані (рис. 2, в). При обертання валу на пелюстках під впливом ефекту Бернуллі виникають аеродинамічні сили. Зі збільшенням частоти обертання ці сили ростуть, поки їх величина не стає достатньою для відділення пелюсток від вала (рис. 2, б). Відсутність контакту пелюсток з валом дозволяє реалізувати дуже великі швидкості обертання. Однак у ГДП є й істотні недоліки. При кожному старті і гальмуванні відбувається знос антифрикционного покриття, яке наноситься на поверхню пелюстків, що контактують з валом, тому ресурс такої опори прямо залежить від режиму роботи і кількості стартів і гальмувань.
Мал. 2. Типова конструкція пелюсткової газодинамічного підшипника: а - загальний вигляд; б - підшипник в робочому стані; в - підшипник при нерухомому валі
Рис.3. Фольгові газодинамічні підшипники корейської фірми KIST
Однією з головних проблем застосування такого типу підшипників є забезпечення надійної роботи антифрикційного покриття в умовах високих температур (> 650 ° С), тому розробці жаростійких антифрикційних покриттів приділяється велика увага [8]. Дослідження твердих мастильних високотемпературних покриттів, необхідних для ГДП, проводилися в NASA на замовлення Міністерства енергетики США. Основним покриттям в США вважається покриття марки PS304, здатне працювати при температурі 650 ° С [8]. Технологія отримання (нанесення) твердих мастильних покриттів включає детонаційні та плазмові способи. Досягнення в цій області визначили комерційний успіх малих газотурбінних установок, що використовують ГДП [9, 17].
У газодинамічних підшипниках третього покоління повітряна плівка, що виникає при обертанні, формується між поверхнею вала і гнучкою гладкою металевою фольгою, яка, в свою чергу, спирається на пружну гофровану стрічку (рис. 3). Така конструкція дозволяє компенсувати в певних межах коливання і перевантаження.
Газостатичному підшипники. За допомогою радіального ГСП можна змусити вал обертатися, не торкаючись нерухомих стінок у всьому діапазоні робочих частот обертання. Для цього через систему спеціальних дроселів і сопел (рис. 4) в зазор між валом і підшипником подається газ під надлишковим тиском. Такий підшипник на відміну від газодинамічних працює повністю в безконтактному режимі, так як в моменти старту і зупинки ротор вивішується за допомогою системи управління, тобто він спливає і висить на прошарку стисненого повітря, а вже потім розкручується.
Мал. 4. Схема газостатичному підшипника
Гібридні газостатичному підшипники. У ряді робіт пропонується використовувати в ГСП сегменти, один край яких не закріплений і може переміщатися під віз дією сил тиску (рис. 5).
Якщо правильно підібрати вісь обертання, то сегмент буде самостійно повертатися на заданий кут атаки в залежності від частоти обертання ротора і навантаження на вал і стійко зберігати це положення. Такі підшипники називаються гібридними з самоустанавливающимися вкладишами. Сегментні гібридні підшипники при невеликій частоті обертання валу працюють як ГСП, а на великих оборотах - як ГДП. Таким чином досягається поєднання кращих якостей підшипників обох типів.
Мал. 5. Гібридні підшипники з самоустанавливающимися вкладишами: а - схема гібридного радіального ГСП; б - конструктивна реалізація гібридного радіального ГСП; в - схема гібридного осьового ГСП; г - конструктивна реалізація гібридного осьового ГСП
nbsp Висновок nbsp
Розглянуто газові підшипники різних типів. Наведено їх порівняння між собою. Показано, що гібридні ГСП мають вирішальну перевагу за рахунок повністю безконтактної роботи.
3. Гідродинамічна теорія змащення. Класики природознавства / під ред. Л.С. Лейбензона. - М .; Л. Гостехиздат, 1934. - 562 с.
4. Петров Н.П. Тертя в машинах і вплив на нього змазує рідини // Інженерний журнал, 1883.
5. Підшипники з газової мастилом / під ред. Н.С.Грессема. Дж.У.Пауелла. - М. Мир. 1966. - 415 с.
6. Проектування гідростатичних підшипників / під ред. Гаррі Ріппела; пер. з англ. Г.А.Андреевой. - М. Машіностро- ення, 1967. - 135 с.
7. Шейнберг С.А. Опори ковзання з газової мастилом. - М. Машинобудування, 1969. - 336 с.
8. Bhushan C. B. and Gray S. Static evaluation of surface coatings compliant gas bearings in an oxidizing atmosphere to 650 // Thin Solids Films, 53 (1978), 313-331.
12. Constantinescu V. N. Lubrificatia cu gaze? Bucuresti, 1963.
13. Gas Lubricated Bearing. Editors N.S.Grassam, J.W.Powell. Micro Turbine Developments Ltd. London, Butterworths, 1964. 398 p.
14. Harrison W.J. The hydrodynamic theory of lubrication with special reference to air as a lubricant // Trans. Cambr. Phil. Soc. 22, 39, 1913.
15. Kingsbury A. Experiments with an air-lubricated bearing // J. Am. Soc. nav. Engnrs. 9, 267, 1897.
16. Reynolds O. On the theory of lubrication and its application to Mr. Beauchamp Tower's experiments, including an experimental determination of the viscosity of olive oil // Royal Society / Phil. Trans. Pt. 1, 1886, 114 p.
Використання елементів кріогенної техніки і високотемпературної надпровідності на борту перспективних літальних апаратів
У цій статті наведені відомості про перспективи застосування кріогенної техніки і високотемпературної надпровідності на борту літака, оснащеного переважно електричними приводами. Розглянуто технічні та економічні передумови використання кріогенної техніки на борту. Висвітлено історію розробки літаків з вакуумним паливом в КБ А.Н.Туполева. Розглянуто перспективи застосування бортових кріогенних генераторів, електроприводів компресорів систем кондиціонування і підтримки тиску, приводів гідронасосів, лінійних електроприводів органів управління і автономних приводів шасі, розподільних і трансформаторних вузлів, бортовий силовий електропроводки на основі матеріалів, що володіють властивостями високотемпературної надпровідності. Намічено шляхи використання в бортових електросистемах для захисту схем, ланцюгів і машин від впливу електромагнітних полів високої інтенсивності ефекту Мейснера, що складається у витісненні зовнішнього магнітного поля з обсягу надпровідників. Низька температура, мала маса і втрати в електромашин дозволять проводити всі види перетворень і передачі електроенергії з більш високим ККД, виключивши непродуктивні втрати у вигляді нагріву і падіння напруги.
Практика проектування газових підшипників Ч. II. Проектування і методика розрахунку гібридних підшипників
У статті розглянута практика проектування і розрахунку гібридних підшипників, включаючи визначення вантажопідйомності, облік динамічних режимів роботи. Дана постановка прямої задачі розрахунку, в ході якої по заданій геометрії сегмента підшипника і товщині мастильного шару обчислюються розподіл сил тиску, полів швидкості і визначається рівнодіюча сил тиску, що діють на сегмент. При вирішенні оберненої задачі дано алгоритм визначення параметрів підшипника по заданій несучої здатності і витраті робочого тіла. Окрему увагу приділено розрахунку вільно повертаються самовстановлюються сегментів, які при обертанні забезпечують створення додаткової підйомної сили за рахунок ефекту Бернуллі. Наведено відомості про оптимізацію форми сегмента і системи подачі повітря сегментного гібридного підшипника. Продемонстровані переваги підшипника із замкнутим контуром і серповидним соплом. Розглянуто основні види нестаціонарних рухів вала: напівшвидкісного вихор, параметричний резонанс, ефект Зоммерфельда, биття. Продемонстровано «квантування» граничних циклів прецессірованія ротора при різних рівнях початкових збурень.