автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методы моделирования тепловых и гидродинамических процессов в радиальных подшипниках турбомашин

61- 19-5/2003-6

БЕЛГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

На правах рукописи ГЕРАСИМЕНКО ВЛАДИМИР ЯКОВЛЕВИЧ

МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАДИАЛЬНЫХ ПОДШИПНИКАХ ТУРБОМАШИН

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (технические науки).

Диссертация на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

РУХЛИНСКИЙ в.в.

Белгород -1999

Оглавление

Введение.....................................................................................................5

Глава 1. Обзор литературных данных и постановка задачи исследований............................................................................................11

1.1. Состояние гидродинамических исследований радиальных подшипников скольжения......................................................................................11

1.2. Результаты экспериментальных исследований турбинных подшипников скольжения......................................................................................23

1.3. Анализ результатов исследований закономерностей теплообмена в подшипниках...............................................................................29

1.4. Постановка задачи исследований.....................................................36

Глава 2. Основы математического моделирования теплоф.зиче-ских процессов в радиальных подшипниках скольжения...............................................................................................................38

2.1. Математическая модель и анализ стационарного течения и теплообмена в радиальных подшипниках.........................................................38

2.2. Методика численного исследования теплофизических процессов в радиальных подшипниках при стационарном нагружении..................................................................................................48

2.3. Результаты параметрического исследования подшипника втулочного типа 0 800 мм........................................................................52

2.4. Влияние внешнего теплообмена на работоспособность под-шипнка.........................................................................................................61

2.5. Результаты численных исследований радиального сегментного

подшипника 0 800 мм...............................................................................67

Глава 3. Экспериментальные исследовании крупногабаритных подшипников паровых турбин.............................................75

3.1. Описание конструкции стенда испытуемых подшипников..............75

3.2. Результаты испытаний подшипников втулочного типа...................80

3.3. Обобщение результатов экспериментальных исследований.........85

3.4. Результаты испытаний сегментных подшипников...........................95

Глава 4. Экспериментальные и расчетные исследования подшипников скольжения высокооборотных турбин0 420 мм на нефтяном масле и альтернативных смазочных материалах........................................................................................................113

4.1. Сравнительные исследования опорных турбинных подшипников традиционных и усовершенствованных конструкций на нефтяном масле...............................................................................................................113

4.2. Экспериментальное исследование работоспособности радиального турбинного подшипника скольжения на водяной смазочной жидкости в гидродинамическом и гидростатическом режимах смазки................................................................................................................126

4.3. Численные исследования работоспособности радиальных подшипников скольжения на синтетических смазочных жидкостях............................................................................................................135

Заключение.............................................................................................155

Список литературы.................................................................................159

Введение

Проблемы обеспечения надежности высокой работоспособности и экономичности радиальных подшипников скольжения турбомашин, решаемые при проектировании современных паровых и газовых турбин относятся к числу приоритетных направлений научных исследований и находятся в поле зрения отечественных и зарубежных ученых.

Для решения этих проблем необходимо располагать высокоэффективными методиками расчета систем ротор-подшипник, основанными на использовании сложных математических моделей течения смазки и теплообмена максимально учитывающих реальные условия работы узлов трения турбомашин.

Актуальность работы заключается в том, что на основе методов математического и физического моделирования с использованием современной теории термодинамического анализа исследовано влияние тепловых процессов на работоспособность крупногабаритных радиальных подшипников паровых турбин.

В условиях дефицита и высокой стоимости турбинных масел, а также пожароопасное™ оборудования электростанций при их использовании первостепенное значение приобретает вопрос поиска негорючих доступных и дешевых смазочных материалов. В этом плане в работе экспериментально и теоретически на основе разработанных методов моделирования исследованы возможности использования ингибирован-

ного водяного конденсата и синтетических масел, полученных продуктов коксо-химического производства. Результаты исследований, доступность и низкая стоимость водяного конденсата и синтетических масел показали перспективность проработки данных направлений с высоким экономическим эффектом. В целом разработанные методы математического моделирования и результаты крупномасштабных экспериментальных исследований? представленные в виде обобщающих критериальных уравнений^дают возможность осуществлять выбор конструктивных и режимных параметров турбинных подшипников с учетом применения широкого спектра смазочных материалов, включая минеральные и синтетические масла, а также водяной конденсат.

Цель работы заключается: в разработке и реализации методов математического и физического моделирования гидродинамических и тепловых процессов в смазочных слоях турбинных радиальных подшипников скольжения различных конструкций для термогидродинамического (ТГД) анализа их работоспособности; в накоплении базы экспериментальных данных для проектирования опор скольжения и проверки адекватности результатов ТГД расчетов и опытных исследований в поиске альтернативных доступных и пожаробезопасных заменителей смазочных материалов.

В диссертационной работе принят комплексный подход к исследованиям теплофизических процессов в радиальных подшипниках тур-

бомашин, основанный на принципах математического и физического моделирования. Диссертация является продолжением цикла многолетних исследований тепловых и гидродинамических процессов в подшипниках скольжения, выполненных на кафедре турбиностроения Харьковского государственного политехнического университета (ХГПУ) и продолженных на кафедре энергетики теплотехнологии Белгородской государственной технологической академии строительных материалов (БелГТАСМ) под руководством профессора Рухлинского В.В.

Предложенные в работе методики математического и физического моделирования теплофизических процессов в радиальных подшипниках турбомашин основаны на принципах термогидродинамического анализа работоспособности опор скольжения роторных машин, получивших признание в странах СНГ и дальнего зарубежья.

Научная новизна работы заключается в том, что:

предложена и реализована в численных исследованиях уточненная математическая модель неизотермического пространственного течения смазочной жидкости и сопряженного теплообмена в радиальных подшипниках скольжения;

выполнены и обобщены критериальными уравнениями уникальные экспериментальные исследования работоспособности крупногабаритных турбинных подшипников скольжения

втулочного и сегментного типов 0 800 мм на минеральном масле;

на основе теории физического моделирования и результатов экспериментальных исследований выполнен сравнительный анализ работоспособности радиальных подшипников втулочного и сегментного типов базовых и оригинальна х конструкций на турбинном масле и водяном конденсате.

проверка адекватности результатов математического и физического моделирования гидродинамических и те .ловых процессов в смазочных слоях подшипников;

положительной практикой проектирования и эксплуатации турбинных подшипников.

На основе разработанной математической модели создано программное обеспечение для реализации задачи термодинамического анализа работоспособности радиальных подшипников жидкостного трения.

По результатам корреляционного анализа экспериментальных исследований получены необходимые для проектирования опор скольжения обобщающие критериальные уравнения для расчета основных характеристик, обуславливающих надежность и экономичность эксплуатации подшипников турбомашин.

Использование методов математического и физического моделирования теплофизических процессов в подшипниках турбомашин позволило получить необходимую научную информацию и на ее основе разработать рекомендации практического применения в качестве смазочных материалов в них водяного конденсата и синтетических масел с большим экономическим эффектом при сохранении надежности работы и повышении пожаробезопасности турбоагрегата.

В главе 1 сделан анализ современного состояния теоретических и экспериментальных исследований гидродинамических и тепловых процессов в радиальных подшипниках жидкостного трения. На основании критического анализа исследований дана классификация известных работ. В заключительной части главы определены основные задачи диссертации и методы их решения.

Основное содержание второй главы заключается в описании математической модели и методов численного решения задачи теплообмена и течения смазочной жидкости в радиальных подшипниках скольжения втулочного и сегментного типов.

С использованием термодинамической теории смазки выполнены параметрические исследования подшипников.

В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований крупногабаритных турбинных подшипников 0 800 •■■""■ , выполненных на стенде НПО "Харьковский турбинный завод". Опытные данные

обобщены критериальными уравнениями, позволяющими рассчи ывать расходы масла, максимальную температуру несущей поверхности и потери мощности в подшипнике.

В заключительной четвертой главе анализируется возможного использования водяного конденсата и синтетических масел, созванных учеными ХГПУ на основе использования побочных продуктов коксохимического производства. С этой целью проведены уникальные экспериментальные исследования турбинных подшипников 420мм на водяном конденсате с ингибиторными присадками.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Энергетика тепло-технологии» Белгородской технологической академии строительных материалов и является продолжением работ, выполненных ранее на кафедре турбиностроения ХГПУ. Работа содержит 173 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 5 таблиц, 109 наименований литературных источников.

Глава 1. Обзор литературных данных и постановка задачи исследований.

1.1 Современное состояние гидродинамической теории смазки.

В данном обзоре приведен анализ лишь незначительной части литературных источников, посвященных теории, экспериментальным исследованиям и опыту эксплуатации радиальных подшипников скольжения. Основное внимание сосредоточено на работах, имеющих прямое отношение к содержанию диссертации. Однако, следуя традиции,^ обзоре отражена история становления теории смазки в подшипниках скольжения от ее становления до современного уровня.

Гидродинамическая теория смазки, начав отсчет в 1883 году с работы Петрова Н.П. [45] прошла путь от обоснования физических принципов работы подшипников жидкостного трения до решения сложных термогидродинамических задач в пространственной постановке. Основы классической теории смазки были заложены выдающимися учеными

н

Н.Е. Жуковским, С.А. Чаплыгиным, О. Рейнольдсом, А. Зомерфельдом. Наиболее разработанные методики расчета подшипников скольжения основаны на использовании уравнения для давлений О. Рейнольдса.

К числу важнейших достоинств теоретических исследований относятся степень достоверности учета пространственного характера течения

смазочной жидкости и реальность математического описания тепловых процессов. Известно большое количество работ, основанных на допущении постоянства вязкости смазочной жидкости.

К числу наиболее известных изотермических методов расчета радиальных подшипников относятся работы М.И. Яновского [95], А.К. Дьяч-кова [17], М.В. Коровчинского [32], Д.С. Коднира [28], М.Г. Хановича [82,83], А. Камерона [22],Н. Типей, В.Н. Константинеску, О.Ника [73], И.Я. Токаря [77] и др. Эти работы, основанные на классических методах решения двухмерного уравнения О. Рейнольдса, позволили качественно хорошо объяснить характер течения смазки в рабочих зазорах подшипников. Однако результаты расчетов по изотермической теории имели существенные расхождения с экспериментальными данными и прежде всего при высоких скоростях скольжения и нагрузках.

Поэтому в дальнейшем появились работы, в которых делались попытки изучения влияния отдельных факторов на характеристики подшипников и уточнения математической модели течения смазки в рамках изотермической теории. Так, в работах А.Я. Альпина [2], П.З. Попова [50,51] Раймонди и Бойда [104], X. Тахары [70,71] и других учитываются деформации подушек упорных колодок, которые в задаче считается заданными, Г.М. Зимин [20], A.C. Столбовой и Приходько [68,52] вводят зависимость толщины смазочного слоя от обеих продольных координат,

В.А. Агафонов [1] выполнил исследования влияния протяженности смазочного слоя на характеристики радиальных подшипников.

В общем случае вязкость зависит от температуры и давления и изменяется от точки к точке во всем смазочном слое. Изучение влияния давления на несущую способность подшипника показало, что оно проявляется лишь при высоких нагрузках и как правило повышает вязкость и несущую способность. Поскольку турбинные подшипники не относятся к тяжелонагруженным подшипникам, то согласно [55] эффект от учета переменности давления в них не превышает 4-6% при вычислении несущей способности и направлен на ее повышение. Тепловые эффекты, как показал М.В. Коровчинский [31,32], имеют значительное влияние на работоспособность подшипника даже при небольших относительных перепадах температур и принебречь ими в расчетах нельзя.

Константинеску [29] отмечает, что тепловые эффекты при ламинарном режиме начинают играть заметную роль уже при скоростях скольжения порядка 15 м/с. При этом следует иметь в виду, что неучет зависимости вязкости от температуры приводит к заведомо завыш ,-нным значениям несущей способности подшипников и, тем самым, а лжает точность и надежность расчетов.

Естественным продолжением уточнения теории смазки являлс . учет неизотермичности течения смазочной жидкости. В приближенно ,х неизотермических решениях Босволла [96] изменение вязкости пр1 нима-

ется линейным от продольной координаты, Ники и Типея [42,74] степенным, Чарнеса [97] - экспотенциальным,

А.К. Дьячков [18-19], И.Я. Токарь и Сайчук [78] принимают линейным изменение температуры по длине смазочного слоя, а зависимость вязкости от температуры определяется свойствами масла и антифрикционного материала подшипника. Поэтому точность расчета максимальной температуры смазки приобретает первостепенное значение, а следовательно, приближенные неизовязкие решения имеют ограниченную область применения.

В связи с этим появилась серия работ, в которых уравнение Рей-нольдса рассматривается совместно с уравнением энергии. Однако в ряде работ предполагается, что все тепло, выделившееся в слс э, уносится смазкой, т.е. члены учитывающие теплообмен за счет теплопроводности и конвекции по толщине смазочного слоя в уравнении з юргии отбрасываются. В такой постановке задачи принято называть адиабатными и с различной степенью приближения они решены П.З. Поповым [50,51], В.М. Коровчинским [32], В. Штернлихтом [88,89], A.A. Раймонд [104] и др. Задача в адиабатной постановке с учетом термоупругости деформации решена Робинсоном и Камероном [105], Эттлзом [100], Ка стел л и и Маланоски [26].

В отличие от приведенных работ А.И. Голубев [10,11], Шлихтинг [90], Фогельполь [109] считают, что все тепло; выделившееся в смазочном

слое^отводится теплопроводностью в стенки, т.е. в этом случае не учитывается изменение температур по продольным координатам.

Двухмерное уравнение энергии для параллельных пластин решено Джиоглу [16]. Однако решение выполнено при задании постоянных температур поверхностей трения по продольной координате, что представляется не физичным.

Для теплоизолированных наклонных пластин численное решение с учетом переменности вязкости только по толщине смазочного слоя по-

НО

лучено Халлом,Нилом [101]. В трехмерной поставке термогидрод ,нами-ческая несопряженная задача для прямоугольной колодки числе, но ре�