Осевые гибридные подшипники с газовой смазкой для турбокомпрессоров наддува судовых ДВС

При совершенствовании массогабаритных и мощностных характеристик турбомашин встает вопрос об увеличении частоты вращения ротора. Частота вращения ротора достигает сотен тысяч оборотов в минуту. Для его поддержания не подходят ни подшипники качения, ни жидкостные подшипники скольжения. Подшипники качения непригодны из-за своей недолговечности, а жидкостные подшипники скольжения при таких оборотах будут иметь очень высокие потери на трение.

Повышенные требования к опорам, а также постоянное стремление разработчиков создать более простые, дешевые и надежные механизмы за счет увеличения частоты вращения ротора натыкалось на трудности надежного обеспечения работы их опор. Опоры качения на частотах вращения более 5000 об/мин. имеют малый ресурс и обычно уже не применяются. Подшипники скольжения о масляной смазкой требуют больших мощностей на преодоление сил трения. Наличие масляной системы увеличивает массу механизма, снижает его пожаробезопасность. Эти и другие причины привели к тому, что взор конструкторов был обращен в сторону газовой смазки.

Успешное внедрение опор с газовой смазкой объясняется прежде всего свойствами газового смазочного материала, которые выгодно отличаются от свойств жидкостного. Минимальные потери на трение, а, следовательнонезначительные тепловыделения, являющиеся следствием малой вязкости газов, позволяют достичь очень больших частот вращениякроме того, вследствие отсутствия скачков сил трения при относительном перемещении узлов, разделенных смазочным газовым слоем, становится возможным осуществлять перемещения с минимальной скоростью скольжения. Подшипники с газовой смазкой, не теряя своих эксплуатационных качеств, могут работать в широком диапазоне температур (до 1000 °C и выше) и давления (вязкость газов практически не зависит от температуры и давления: например, при 1000 °C вязкость воздуха по сравнению с нормальными условиями увеличивается всего в 2,5 раза, а при 20 °C и при изменении давления от 1 до 30 МПа вязкость возрастает менее чем в 2 раза). [54] Газы сохраняют стабильность физико-химических свойств под действием радиации. Важное свойство газа как смазки — его сжимаемость. Она устраняет свойственное жидкостной смазке явление кавитации, т. е. разрыва смазочного слоя с образованием пустот (каверн) [81].

Благодаря сжимаемости газа, колебания, генерируемые ротором, при работе гасятся и ослабленными передаются на опоры и корпус машины. Исходя из всего вышесказанного, подшипники с газовой смазкой получают большое распространение. Они успешно используются в различных отраслях промышленности. Турбокомпрессоры, гироскопы, турбодетандеры, шпиндельные узлы металлорежущих станков, различное медицинское оборудование, видеомагнитофоны — все это примеры оборудования, где успешно применены подшипники с газовой смазкой.

У правильно рассчитанных и с необходимой точностью установленных узлов на опорах с газовой смазкой изнашивание рабочих поверхностей практически отсутствует. Газ, выходящий под повышенным давлением из зазоров опор, не загрязняет окружающую среду, предохраняет рабочие поверхности от попадания на них пыли, масла и других нежелательных частиц, что также предотвращает износ. Опоры с газовой смазкой не требуют применения уплотнений и сборников, что упрощает конструкцию механизма. Для смазывания опор некоторых категорий механизмов может быть использована любая среда (воздух, гелий и т. д.), то есть та среда, в которой работают эти механизмы, что особенно важно для установок, работающих по закрытому циклу.

Подшипники с газовой смазкой по принципу создания несущей способности разделяются на две основные группы: газодинамические и газостатические. В газодинамических подшипниках повышенное давление в смазочном слое и несущая способность возникают благодаря вязкости газа и его движению в.

В газодинамических подшипниках повышенное давление в смазочном слое и несущая способность возникают благодаря вязкости газа и его движению в тонком слое переменной толщины, которое происходит при относительной скорости поверхностей, образующих этот слой.

В подшипниках с внешним наддувом газа несущая способность создаётся за счет подачи в смазочный зазор газа, сжатого от внешнего источника. Нагрузка здесь может быть уравновешена силами давления смазочного слоя, даже если цапфа и подшипник неподвижны, поэтому такой подшипник можно назвать газостатическим.

Опоры с газовой смазкой имеют и существенный недостаток: малая вязкость газов приводит к снижению несущей способности и жесткости смазочного слоя по сравнению с жидкостными подшипниками. Поэтому проблема повышения несущей способности подшипников с газовой смазкой достаточно актуальна.

Одним из методов повышения несущей способности является применение так называемых гибридных опор.

Целью диссертационной работы является повышение несущей способности осевых опор с газовой смазкой путем совмещения свойств газодинамических и газостатических подшипников в одной опоре. На защиту выносятся следующие основные результаты работы: -результаты натурного эксперимента;

— результаты численного эксперимента;

— рекомендации по проектированию;

— инженерный метод расчета и оптимизации осевых гибридных подшипников.

5.

Заключение

.

1. В работе проанализированы существующие конструкции и методики расчета осевых подшипников с газовой смазкой, сделан вывод о перспективности осевых гибридных подшипников с газовой смазкой, вследствие их конструктивной и технологической простоты, а также повышенной несущей способности и надежности за счет совмещения газостатических и газодинамических свойств в одной опоре. Предложена конструкция гибридного осевого подшипника.

2. Разработана математическая модель распределения давлений в смазочном слое гибридного подшипника, с учетом изменения коэффициента расхода, характера истечения газа из питателя (критический или докритический), типа питателей (с постоянной компенсацией или с внутренней переменной компенсацией).

3. Разработана программа расчета и оптимизации основных характеристик гибридного подшипника. Осуществлен в ы ч и с л ите л ьн ы й эксперимент.

4. Получены зависимости основных характеристик подшипников от безразмерных комплексов, в которые входят режимные и конструктивные параметры подшипника.

5. Проверка адекватности разработанной матем ати чес ко й модели результатам натурного эксперимента показала, что данные, получаемые расчетным и экспериментальным путем, удовлетворитсяьно согласуются между собой.

6. Разработана методика расчета и рекомендации по проектированию осевых гибридных подшипников для турбокомпрессоров наддува судовых.

7. При выборе количества клиновидно-равномерных участков (секторов)? нанесенных на рабочую поверхность и относительной длины клиновидного.

участка Ьтг = Ьуаг / основным критерием является относительный.

внутренний радиус г=Я/К2. Оптимальное количество секторов изменяется от =2 при г 1 =0,1 -н 0,2 до </7 =8 10 при п =0,8 н- 0,9. Оптимальное значение относительной длины клиновидного участка изменяется от ¿-Vаг=0,2 при г =0,8 до 1уаг=0,4н- 0,5 при п =0,2.

1. Антонов А. М., Турыгин Г. А. Метод определения характеристик однорядных газостатических подшипников // Машиноведение. — 1969. № 6 -С.98−102.

2. Безродный В. Г. Гидродинамический расчет газовых подвесов с постоянным зазором // Труды НКИ. — 1972. №.42. — С. 116−122.

3. Бронштейн И. Н. Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Наука, 1980.

4. Букус И. А., Антонов А. М. Определение оптимальных размеров газостатических подшипников судовых газотурбинных двигателей // Труды ЛКИ, — 1968.-С. 15−22.

5. Буй, Нестационарное численное решение уравнений Пуассона и Лапласа в применении к медленному вязкому течению // Труды ASME ТОИР. — 1966, № 4.-С.41.

6. Галанов Н. С., Казанцев Е. Л., Табачников Ю. Б. Технологические особенности шпинделей с аэростатическими опорами // Станки и инструмент. -1979.X57.-C. 19−20.

7. Грудская Е. Г., Заблоцкий Н. Д. Характеристики гибридного радиального подшипника на газовой смазке // Машиноведение. -1976.№ 5.-С. 93 -98.

8. Грэссем 11. С., Пауэлл Дж. Подшипники с газовой смазкой. — М.: Мир, 1966.

9. Гутер Р. С., Овчинский Б. В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. — М.: Наука, 1970.

10. Справочник судового механика (в двух томах) / Под ред. к.т.н. Грицая Л. Л. — М.: Транспорт, 1973. -696с.

11. Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики М.: Наука, 1970.

12. Дроздович В. Н. Газодинамические подшипники. — Л.: Машиностроение, 1976. 208с.

13. Душин Н. В., Степанянц Л. Г. Гидродинамический расчет цилиндрического подвеса// Труды Л ПИ. — 1961. № 217. — С.127−132.

14. ЖедьВ. П. Опоры с воздушной смазкой в станкостроении // Станки и инструмент.-1971.№ 11.

15. Заблоцкий Н. Д. Линеаризация граничных условий в теории воздушных подвесов // Труды ЛПИ. — 1961. № 217. — С.133−139.

16. Заблоцкий Н. Д. Исследование схемы непрерывного наддува к расчету газовых подшипников с дискретным наддувом // Труды ЛПИ.-№ 248. С.35−44.

17. Заблоцкий Н. Д. Газовая смазка параллельных перемещающихся плоскостей при наличии наддува // Труды ЛПИ. — 1966. № 265. — С.91 -94.

18. Заблоцкий Н. Д., Сипенков И. Е. Один способ постановки задачи о принудительной газовой смазке подшипников скольжения // Труды ЛПИ.-1966.-С.85−90.

19. Заблоцкий Н. Д. Радиальный газовый подшипник с кольцевой линией наддува// Труды ЛПИ. — 1970. № 313. — С.101−105.

20. Заблоцкий Н. Д. Один метод построения асимптотического решения задач газовой смазки с наддувом // Труды ЛПИ. — 1970. № 313. — С. 106−109.

21.3айдель А. Н. Ошибки измерений физических величин. — Л.: Наука, 1974.

22. Зорин В. А., Рязанов К. А., Хомутецкий А. Г. Устойчивость равномерного положения цилиндрического ротора, поддерживаемого тонким слоем жидкости // Вестник Челябинского университета.- 1991.№ 1. С. 71−82.

23. Максимов В. А. Перспективы применения подшипников с газовой смазкой // Газотурбинные технологии, КГТУ — 2004.№ 7. -С. 10.

24. Касаткин А. И. Профессиональное программирование на языке Си. Управление ресурсами. — Минск: Высшая школа. — 1993.

25.Кастелли, Шапиро Улучшенный метод численных решений общей гидродинамической теории несжимаемой смазки // Труды ASME ТОИР. — 1967. № 4.-С.263.

26. Кастелли, Пирвикс Обзор численных методов решения задач газового подшипника // Проблемы трения и смазки. — 1968. № 4. — С.129−198.

27. Кастелли, Пирвикс Статические характеристики газовых подшипников с осевыми канавками // Труды ASME ТОИР.

1967. № 4. — С.262.

28. Кастелли, Стивенсон Полунеявные численные методы решения нестационарного уравнения газовой смазки // Проблемы трения и смазки. ;

1968. № 3. — С. 186−192.

29. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлинд А. Е. Техническая термодинамика: учебник для вузовМ: Энергоатомиздат, 1983.-416с., ил.

30. Клайн С. Дж., Подобие и приближенные методы. — М.: Мир, 1968.

31. Константинеску В. Н. Газовая смазка. — М.: Машиностроение, 1968;708с.

32. Космынин А. В., Виноградов В. С. Газовые подшипники высокоскоростных турбоприводов металлообрабатывающего оборудования. -Владивосток: Дальнаука, 2002. — 326 с.

33. Космынин А. В., Виноградов В. С., Лямкина Е. М. Аналитический метод расчета основных характеристик радиальных газовых подшипников с пористыми вставками // Вестник машиностроения. -2001. -№ 5. -С.15−18.

34. Космынин А. В. Совершенствование характеристик газовых опор быстроходных шпиндельных узлов металлообрабатывающего оборудования.: Автореф. дис.докт. тех. наук. Комсомольск-на-Амуре, 2002. -38с.

35. Котляр Я. М. Асимптотические решения уравнения Рейнольдса.// Механика жидкости и газа. — 1967. № 1. — С.161−165.

36. Котляр Я. М. Течение вязкого газа в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами // Известия Академии Наук СССР. — М.: 1957. № 10. — С.12−18.

37. Котляр Я. М. Некоторые примеры движения вязкого газа в узком зазоре переменной толщины // Известия Академии Наук СССР. -М.: 1958, № 5.-С.34−39.

38. Коулмен, Снайдер Линеаризация уравнения Рейнольдса для последующего численного решения // Проблемы трения и смазки. -1969. № 4.-С. 147.

39. Коулмен Численное решение линейных эллиптических уравнений // Проблемы трения и смазки. — 1968. № 4. — С. 123−128.

40. Красильникова О. А. Совершенствование характеристик упорных газостатических подшипников высокоскоростных шпинделей металлообрабатывающих станков: Автореф. дне.канд. тех. наук. Комсомольск-на-Амуре, 2000. — 24с.

41.Лоув И. Р. Распределение давления в области входа в круговом упорном подшипнике с внутренней компенсацией, имеющем, большое количество питающих отверстий // Проблемы трения и смазки. -1972. № 2-С.95−97.

42. Лохматов А. А. Работа упорных подшипников со спиральными канавками, выполненными на роторе нагнетателя. // Гос. Науч.исслед. ин-т машиноведения, 1968.

43. Лохматов А. Н., Ильченко Ю. Г. Исследование потока смазки в зазоре газостатического подшипника //Проблемы развития газовой смазки — М: Наука, 1970.

44. Лучин Г. А., Пешти Ю. В., Снопов А. И. Газовые опоры турбомашин.-М.: Машиностроение, 1989. — 240с.

45. Мордвинкин В. А., Мордвинкин А. В. Расчет статических характеристик многорядных кольцевых упорных газостатических подшипников и подшипников-уплотнений с учетом перекоса смазываемых поверхностей. // Вестник ДГТУ.-2004.№ 4.-С.36−46.

46. Мори X., Миямацу Я. Теоретические модели течения смазки в газовых подшипниках с наддувом // Проблемы трения и смазки. 1969.№ 1. 204с.

47. Мори X. Теоретическое исследование падения давления в упорных подшипниках с внешним нагнетанием газовой смазки // Труды ASMEТеоретическая механика. -1961.№ 2.-80с.

48. Некрасов С. Г. Повышение точности поршневых дифманометров и эталонов давления // Известия Челябинского научного центра. -2000.№ 2. -С.72 -78.

49. Осепьян Л. С., Сипенков И. Е. Определение угловой жесткости цилиндрического газового подвеса // Труды Л ПИ. — 1970. № 313. — С.110−117.

50. Петров Н. П. Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости // Газодинамическая теория смазки, АН СССР, 1948.

51. Пешти Ю. В. Проектирование подшипников скольжения с газовой смазкой. М.: МГТУ, 1973.

52. Пешти Ю. В. Газовая смазка. — М.: МГТУ, 1993. — 382с.

53. Пинегин С. В., Поспелов Г. А., Пешти Ю. В. Опоры с газовой смазкой в турбомашинах ограниченной мощности. — М.: Наука, 1977. -149 с.

54. Пинегин С. В., Табачников Ю. Б., Сипенков И. Е., Статические и динамические характеристики газостатических опор. — М.: Наука, 1982. 265с.

55. Пинегин С. В., Емельянов А. В., Табачников Ю. Б. Газодинамические подпятниками со спиральными канавками. — М.: Наука, 1977. — 107с.

56. Пупар М., Друен Г. Теоретическое и экспериментальное распределение-давления в сверхзвуковой области кругового упорного подшипника с внутренней компенсацией // Проблемы трения и смазки — 1973, № 2 — с. 106 -111.

57. Поздеев В. А., Тарабин А. И., К расчету статических характеристик газостатических подшипников и уплотнений с профилированными зазорами // Труды НКИ. — 1974. № 86. — С. 80−82.

58. Рабинович Е. Б., Снопов А. И. К изучению явления псевдоскачка в газовом подпятнике // Проблемы развития газовой смазки.-М.: Наука, 1972.-С. 137−148.

59. Райе. Замечания по численному решению для подшипников скольжения с газовой смазкой // Труды ASME, Теплопередача. — 1963. № 2. — С. 133.

60. Рассохин Д. От Си к Си++. — М: Эдель. — 1993.

61. Рукавишников Н. Ф. Ремонт судовых тихоходных дизелей. — М.: Транспорт, 1971 — 3 84с.

62. Самсонов А. И. Подшипники с газовой смазкой для турбомашин: Учеб. пособие. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1996.-112с.

63. Самсонов А. И. Исследование подшипников с наддувом пара для судовых турбомашин: Дис.канд. тех. наук. Владивосток, 1978. — 125с.

64. Сипенков И. Е. Об авторизации воздушных подвесов // Труды ЛПИ. -1961. № 217.-С. 140−155.

65. Сипенков й. Е. Некоторые предельные решения задачи газовой смазки с наддувом // Труды ЛПИ. — 1966. № 265. — С.95−104.

66. Сипенков И. Е. Построение сингулярных решений для газового подвеса с помощью схемы непрерывного наддува // сб. Газовая смазка подшипников, М.: ИМАШ АН СССР. — 1968. — С.41−48.

67. Сипенков И. Е. Асимптотическое решение задач газовой смазки высокоскоростных подшипников с наддувом // сб. Газовая смазка подшипников, М: ИМАШ АН СССР. — 1968. — С.49−62.

68. Снопов А. И., Юдина Л. М. Радиальный газовый подвес с компенсирующей кольцевой щелью // сб. Проблемы развития газовой смазки. -М.: Наука, 1972. — С. 128−136.

69. Снопов А. И., Власков Г. А. Влияние центробежных сил инерции смазочного слоя на работу упорного газостатического подшипника с клиновым зазором // Механика деформируемых тел: Межвуз.сб./РГУ. Ростов н/Д. — 1987. -С. 16−21.

70. Собоцинский В. В. Практический курс Turbo С++. — M.: Свет. — 1993.

71. Степанянц Л. Г., Заблоцкий Н. Д. О некоторых возможных упрощениях уравнения Рейнольдса газовой смазки // Труды ЛПИ, Машиностроение, — 1965.-№ 248 — с.27−34.

72. Степанянц Л. Г., Заблоцкий Н. Д., Сипенков И. Е. Метод теоретического исследования газовых подшипников с внешним наддувом // Проблемы трения и смазки. — 1969. № 1. — С.186 — 198.

73. Степанянц Л. Г. Некоторые методы газодинамической теории смазки // Труды ЛПИ, Машиностроение. — 1967.№ 280 — С. 27−43.

74. Степанянц Л. Г., Заблоцкий Н. Д., Сипенков И. Е. Методы решения задач газовой смазки с наддувом // Газовая смазка подшипников. М.: ИМАШ АН СССР, 1968.-С.4−16.

75. Степанянц Л. Г. Медленное движение жидкости вблизи деформированной поверхности // Труды ЛПИ. — 1961. № 217. — С.117−126.

76. Степанянц Л. Г. Некоторые методы газодинамической теории смазки // Труды ЛПИ. — 1967. № 280. — с.27−43.

77. Турчак Л. И., Шидловский В. П. Задача об импульсивном запуске газового подшипника в обобщенной формулировке // Изв. РАН. МЖГ. 2004. № 4. С. 29−35.

78. Файвушевич В. М. Ремонт судовых двигателей внутреннего сгорания. -Л.: Морской транспорт, 1963 — 208с.

79. Хрулев А. Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. -М.: За рулем, 1998.-440с.

80. Опоры скольжения с внешним источником давления (гидростатические, газостатические, реостатические) / Под ред. к.т.н. Шатохина С. Н. — Красноярск, 1974.

81. Шейнберг С. А., Жедь В. П., Шишеев М. Д., Баласаньян В. С., Заблоцкий Н. Д. Опоры скольжения с газовой смазкой. — М.: Машиностроение, 1979;336с., ил.

82. Шейнберг С. А. Газовая смазка подшипников скольжения (теория и расчет) //Трение и износ в машинах. — 1953. № 8. — С. 107−204.

83. Шапиро И. М. Пневмошпиндели для координатно-шлифовальных станков //Станки и инструмент. — 1979.№ 12. -С. 13−14.

84. Технические условия на ремонт Ч и Ч 18/22-УР РА. — М.: Внешторгиздат, 1980.

85. Collins, Shires, Mech, The interaction of radial and axial loads on a slot bed Journal bearing with bleed thrust face // 6th international Gas learning symposium, University of Southampton. — 1974.

86. Etsion I. A cantilever mounted resilient pad gas thrust bearing // Journal of lubrication technology. — 1977. — Vol 1.-P.95 -100.

87. Frechette L. G., Lee C., Arslan S., Liu Y. C. Preliminary design of a meins steam turbine power plant-on-a-chip // 3rd lnt'1 Workshop on Micro & Nano Tech. For power generation & energy conv. — Japan, 2003.

88. Jacobson S. A., Kenneth S. В., Frederic F. E. High — speed microfabricated silicon turbomachinery and fluid film bearings // Journal of microelectromechani cal systems.- 2005.-Vol. 14.-P.141−152.

89. Kim D. Lee S. Jin Y. Desta Y. Bryant M. D., Goettert J. Micro gas bearing fabricated by deep X-ray lithography // Microsystem technologies.-2004.-No. 10,-P.456−461.

90. OtsukaM. Self-acting air-lubricated bearing without oil lubrication // R&D Review of Toyota CRDL.-2005.-Vol.41.-No. l-p.24−35.

91. Smith P. W. Considerations for the design of gas-lubricated slider bearings.-Pasadena, California, 1988.-134 p.

92. Wang Y., Wang Q. J., Lin C. Mixed lubrication of coupled journal-thrust-bearing systems including mass conserving cavitation // Journal of triboiogy.- 2003.;

V0I.I25.-P.747−755.

93. Wong C. W., Zhang X., Jacobson S. A., Epstein A. H. A Self-acting gas thrust bearing for high-speed microrotors // Journal of microel ectromechan i с a 1 systems.- 2004,-Vol. 13.-P. 158−164.

Ссылки на источники из Интернет.

94. http://microtherm.snu.ac.kr/Workshop/6th%20intraCenter/ssj.pdf.

95. http://www.engineerlive.com/homepage/features/14 926/latest-developments-boost-the-speed-and-precision-of-air-bearings.thtml.

96. http://en.wikipedia.org/wiki/Airbearing.

97. http://www.iscorma.eom/iscorma3/abstracts/l09.pdf.

98. http://www.tytlabs.co.jp/english/review/rev41 lepdf/e41 i024ostuka.pdf.

99. http://www.rddynamics.com/foil.html.

100. http://www.tipmagazine.com/tip/INPHFA/vol-7/iss-6/p20.pdf.

101. http://www.tribology-abc.com.

102. http://www.enme.umd.edu/SSSC/pdf/update/Transducers%2097%20-%20Paper.pdf.

103. http://www.airbearings.co.uk.

104. http://www.miti.ee.

105. http://www.corac.co.uk.

106. http://www.sana-tek.ru.

107. http://www.fid-tech.com.

108. http://www.miti.ee/magnetic-backup-hybrid-bearings.html.

109. http:/7vvvw.freepatentsonline.com/6 770 993.html.

110.http://www.mech.kuleuven.be/micro/pub/turbine/PaperMME2004Microturbi neBearings.pdf.

111. http://slovar.stroytes.ru.

112.http://www.electronics.ru/227.html.

113. http://www.avs.org/JVST/jvsta.html.

114. http://jjap.ipap.jp/online.

115. http://science-bsea.narod.ru/mashin2005/zaharovvoronin.htni.