автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка метода расчета и экспериментальное определение характеристик радиальных сегментных газовых подшипников для тяжелых роторов ГТУ

4845423

Бесчастных Владимир Николаевич

Разработка метода расчета и экспериментальное определение характеристик радиальных сегментных газовых подшипников для тяжелых роторов ГТУ

Специальность 05.07.05 «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва -2011

4845423

Работа выполнена на кафедре "Конструкция и проектирование двигателей" в Московском авиационном институте (техническом университете)

Защита состоится 6 июня 2011г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д.212.125.08 при «Московском авиационном институте (государственном техническом университете)» по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Равикович Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Темпе Юрий Моисеевич

кандидат технических наук, Кикоть Николай Владимирович

Ведущая организация: ММП им В.В.Чернышева

Автореферат разослан _ апреля 2011г.

Учёный секретарь диссертационного советя Д.212.125.08 д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Существуют, по крайней мере, две области техники, в которых актуальны и перспективны задачи разработки газовых опор для относительно тяжелых роторных систем.

1. Использование газовых подшипников в качестве опор роторов двигателей летательных аппаратов.

Развитие авиационной техники в мире идет по пути широкого применения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) для выполнения различных задач. С одной стороны прослеживается тенденция по увеличению массы летательных аппаратов, что в свою очередь приводит к увеличению их энерговооруженности (росту размерности ГТД), а с другой необходимость получить высокие тактико-технические характеристики приводит к созданию БЛА способных маневрировать в пространстве с высокими ускорениями. В сочетании с желанием иметь надежные подшипники, не сопряжённые с развитой вспомогательной системой смазки обе эти проблемы приводят к рассмотрению возможности применения в двигателях (БЛА) газовых (воздушных) подшипников с мероприятиями, увеличивающими грузоподъемность.

2. Использование газовых подшипников в качестве опор роторов турбогенераторов.

Стремление к децентрализации в мировом производстве электроэнергии побуждает производителей увеличивать долю генераторов диапазона 0,5-2 мВт в общем балансе генерирующих мощностей. Учитывая конкурентное давление со стороны поршневых генераторов для успешного продвижения на рынок турбогенераторам необходимо иметь высокую топливную эффективность, низкую стоимость и эксплуатационные затраты. Кроме того оборудование должно быть необслуживаемым либо подвергаться редкому периодическому обслуживанию. Указанным требованиям в полной мере соответствуют регенеративные ГТУ с высокочастотными генераторами. Особенностью этих машин является с одной стороны высокая доля механических потерь на фоне величины генерируемой мощности, а с другой стороны высокая доля стоимости опор на фоне величины стоимости машины. Кроме того, функционирование системы смазки сказывается на удорожании всего жизненного цикла двигателя. Условие, связанное с необходимостью обеспечения низких эксплуатационных затрат диктует развитие таких ГТУ с использованием безмаслянных (оПГгее)

технологий, что приводит к оснащению турбомашины подшипниками на газовой смазке.

Цель работы н постановка задач исследования

Целью работы является расширение границ применимости подшипников на газовой смазке для разработки опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи исследования:

1.Выработка технических и экономических критериев для предварительной оценки возможности и целесообразности применения подшипников на газовой смазке при разработке газотурбинной техники.

2. Разработка методики расчета характеристик радиальных сегментных подшипников. Выполнение сравнительных расчетов гибридных воздушных подшипников с целью выявления наиболее оптимального способа подвода воздуха в смазочный зазор.

3.Экспериментальные исследования подшипников с различными схемами подвода воздуха в смазочный зазор.

4.0бобщение результатов исследования и разработка рекомендаций по проектированию воздушных подшипников для промышленных и транспортных ГТУ.

Методы исследований и обеспечение достоверности полученных результатов

1. Теоретические исследования.

Поставленные задачи решены с использованием широко известных и апробированных современных программ по вычислительной гидродинамике. Результаты вычислений верифицированы при помощи сверки с результатами экспериментов на натурных моделях.

2. Экспериментальные исследования.

Для проверки разработанных теоретических положений и практического апробирования воздушных радиальных подшипников был спроектирован специальный подшипниковый стенд. В серии экспериментов выполнялись исследования радиальных воздушных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор. В результате получены характеристики подшипников в виде зависимостей грузоподъемности от относительного эксцентриситета при различных значениях давления питающего воздуха. Достоверность и обоснованность полученных результатов эксперимента обеспечена проведением экспериментальных исследований по апробированным методикам на стендовом оборудовании, прошедшем всестороннюю

метрологическую аттестацию, использованием современной измерительной аппаратуры.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложены критерии, позволяющие на ранних стадиях проектирования оценивать возможность и целесообразность использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин.

2. Показано, что оснащение роторных систем подшипниками на газовой смазке сопряжено с наименьшими совокупными затратами.

3.Разработана методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников. Выполнены расчеты характеристик сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

4. Получены экспериментальные зависимости эксцентриситета от величины нагрузки для сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

5. Разработаны рекомендации по проектированию подшипников на газовой смазке для опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

- методика предварительной технической оценки возможности использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин;

- результаты сравнительного анализа стоимости жизненного цикла систем подвеса роторов турбомашин с использованием подшипников на газовой смазке;

- методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор;

- результаты расчётной и экспериментальной оптимизации способа подвода воздуха в смазочный зазор;

Личный вклад автора и практическая ценность работы

Научные результаты, которые приведены в диссертации и выносятся на защиту, получены лично автором. По результатам расчетных и теоретических исследований автором разработана конструкция гибридных радиальных сегментных подшипников, которые были изготовлены и прошли всесторонние испытания в качестве опор роторов турбогенератора мощностью 1000 кВт производства ФГУП НПЦ Газотурбостроения «Салют». Во время испытаний в мае 2010г на сборочно-испытательном комплексе МКБ «Горизонт» в г.

Дзержинском ротор турбогенератора массой 250 кг был доведен до частоты вращения 24 300 об/мин.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на научно-техническом совете (НТС) ФГУП НГ1Ц Газотурбостроения «Салют», на 55 научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (г.Рыбинск, 8 сентября 2008г), на 10 форуме «Высокие технологии ХХ1века» (Москва, 22 апреля 2009г.), на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г.Самара, 25 июня 2009 г.), на 57 научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (гУфа,23 сентября 2010г.)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК - 3. Автором получен один патент на изобретение и один патент на полезную модель, непосредственно связанные с темой диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 143 страницах и содержит 47 рисунков и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Решение задачи расширения границ применимости подшипников на газовой смазке для опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов требует:

- разработки методики предварительной технической оценки возможности использования радиальных газовых подшипников в качестве подвесов роторов турбомашин;

подтверждения экономической обоснованности применения газовых подшипников в качестве опор турбомашин;

разработки методики расчета характеристик радиальных сегментных подшипников.

Первая глава посвящена истории развития и современному состоянию газовой смазки.

Основные преимущества газовых подшипников - очень низкие потери на трение, непревзойденная кинематическая точность, отсутствие жидкостной системы смазки и теоретических ограничений по температуре деталей предопределяют их широкое распространение в различных областях техники. В частности, известны многочисленные примеры использования воздушных подшипников в точной механике, для подвеса роторов гироскопов, используемых для систем ориентации летательных аппаратов, навигационных систем и систем стабилизации различных вооружений. Применяются газовые подшипники в металлообработке (для высокоскоростных внутришлифовальных головок), в нагнетателях для перекачки сверхчистых газов, ядовитых, взрывчатых и радиоактивных газообразных рабочих сред с использованием преимущественно центробежных компрессоров, отличающихся высокой герметичностью. Широкое распространение получила газовая смазка для опор роторов турбодетандеров для различных криогенных установок, а также для систем кондиционирования самолетов. Подшипники с газовой смазкой эффективно используют в компактных быстроходных и высокотемпературных газотурбинных двигателях (ГТД) а также в микротурбинах современных систем распределенного энергоснабжения. Анализ опыта применения и эксплуатации роторных систем с подшипниками на газовой смазке говорит о том, что такие системы сопряжены с наименьшими совокупными затратами.

Несмотря на существенные преимущества роторных систем, построенных с применением подшипников на газовой смазке, область их применения существенно ограничена размерами и массами. Подавляющее их количество приходится на ротора массой до 10 кГ. Существуют лишь единичные случаи разработок газовых подвесов для роторов массой свыше 100 кг. Тем не менее потребности практики диктуют необходимость рассмотрения возможности оснащения тяжелых роторных систем подшипниками на газовой смазке.

Во второй главе изложена методика предварительной технической оценки возможности использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин. В рамках методики предложены технические и экономические критерии оценки границ возможности и целесообразности применения подшипников на газовой смазке при разработке газотурбинной техники.

Для получения работоспособной роторной системы турбомашины необходимо спроектировать опоры, с грузоподъемностью, перекрывающей максимальные

эксплуатационные нагрузки. Поэтому основной задачей теории газовой смазки является определение интегральной несущей способности газового подшипника и жесткости смазочного слоя.

В общем случае течение газа в слое смазки подчиняется уравнению ■ Рейиольдса, которое для стационарного плоского изотермического потока газовой смазки имеет вид

где Н - текущая толщина смазочного слоя, р - текущее давление. При рассуждениях о закономерностях поведении газовой смазки применяется закон подобия, впервые сформулированный С.А.Шейнбергом, согласно которому эпюры абсолютных давлений в смазочных слоях подшипников геометрически подобны при равных характеристиках подшипника

Где ц - динамическая вязкость газа, v -окружная скорость поверхности вала, ё-характерный размер,НО - средний радиальный зазор, ра - абсолютное давление окружающего подшипник газа.

Рост размерности турбомашины приводит к качественному изменению соотношений параметров. Нагрузки, действующие в системе опоры - ротор пропорциональны массе ротора, т.е. изменяются пропорционально третьей степени масштабного фактора. Грузоподъемность опор и сопоставимых условиях газовой смазки, иначе говоря, при приблизительно одинаковых характеристиках подшипников, пропорциональна площади проекции опор. Таким образом, консервативный рост нагрузок, связанный с действием масштабного фактора опережает рост грузоподъемности, что в свою очередь определят необходимость полного использования резервов газовой смазки. Эпюры давлений в смазочном слое подшипника достигают максимального «наполнения»' при Д СР (практически прА=30), что приводит к необходимости проектиров ать подшипники для тяжелых роторных систем именно при этих значениях характеристики.

Для предельного случая Л—к» существуют аналитические решения уравнения (1), которые после интегрирования приводят к выражениям для грузоподъемности участка (сегмента) опоры шириной Ь:

(1)

(2)

IV = сИРаКг = <Ира

А А

2(А - 1)2 — А

(3)

где Кг = (—-1п——1) - удельная грузоподъемность опоры приД—>оо,

\2(а 1) 2 а /

А = — - фактор клиновидности зазора; Но

Для радиального подшипника, состоящего из г сегментов при условии приложения нагрузки между сегментами, получим:

ттг/А А \ / 1 \ 180°

2Т^ 12(АГТ) 1П2^А - VI1 С05— = + + Р" (4)

В данном случае К^-доля веса ротора, приходящаяся на рассматриваемую опору, к - коэффициент, учитывающий влияние массовых сил, Рдин, Рст -соответственно часть динамической и статической составляющих поверхностных сил, приходящиеся на опору.

Из выражения (4) заменяя длину подшипника Ьк*2т ,гдеХ - относительное удлинение, и, учитывая, что г=\'/о, можно выразить величину опорного давления для сегментного подшипника:

(к\^+Рдин+Рст)0)2

( а , а 1\ 180" ^

\2(а-1) 2-а /v т.2) г

Опорное давление ра - абсолютное давление окружающего подшипник газа, которое необходимо для того чтобы обеспечить грузоподъёмность подшипника численно равную внешней нагрузке при Д—«ю.

Входящие в знаменатель выражения (Б) величины имеют независимые пределы: относительное удлинение для подшипников на газовой смазке редко выходит за границы, определяемые технологической точяафью Д-0,5 -2; относительный зазор А под нагрузкой обычно составляет А= 1,4-1,8, а окружная скорость на валу не может быть низкой ввиду снижения грузоподъемности с уменьшением Л, но одновременно не бывает очень высокой, так как ее величина имеет рациональный предел, после которого роста грузоподъемности не происходит. Обычно величина скорости лежит в пределах 50 - 200м/с. Приняв величины, входящие в знаменатель формулы (5) близкими к их максимумам (напримерД=1,5;А=1,8 у=150м/с), получим оптимистическую оценку величины опорного давления для 4-сегментного подшипника:

= _(кМБ+Рдин+Рс.г)(ог__

Ра " 2 . 150* , 1>5 , з.14 * (-^«¿Тг- 1) (1-й * сон^ ~

= 4.83 * 10-6(kMg + F„HH + FCT)w2 Если положить к=1 ; Рдин=0; Fct=0 то

pa= 47.5 * 10-6 Mai2 (6)

U),l/c

Рис. 1 Зависимость потребного опорного давления от частоты вращения.

Выражение (5) и зависимости, показанные на рис. 1 определяют теоретически достижимые пределы, при которых возможно обеспечение подвеса роторов с помощью самогенерирующихся подшипников на газовой смазке. С увеличением массы и угловой частоты вращения ротора потребное опорное давление непрерывно растет.

На графиках зона, лежащая ниже горизонтали 0,1 мПа, объединяет ротора, которые могут быть оснащены подшипниками на атмосферном давлении. Ротора, приходящиеся на зону выше этой линии необходимо оснащать подшипниками с поддувом воздуха в смазочный зазор. Ротора, у которых выполняется условие Moi1 < 4,35 * 109кг/с2, могут быть оснащены полноохватными подшипниками на атмосферном давлении. Любое уменьшение параметров X,e,v, как и увеличение нагрузки будет приводить к увеличению потребного опорного давления.

Выражение (5) определено из условия Л—>а> это означает, что для полученных в результате величин опорного давления необходимо обеспечение условия практически высоких значений характеристики подшипника. Режим Л —«ю характеризуется тем, что с ростом скорости вращения дальнейшего роста грузоподъёмности не происходит. Таким образом, для роторов на газовой смазке

целесообразно, чтобы обеспечение режима Л —><х> наступало при максимальной частоте вращения. При низких значениях Л избыточные давления образуются лишь на части сечений смазочного зазора. Однако принимать слишком высокие значения Л нецелесообразно ввиду того что это будет приводить к неоправданному занижению величины среднего зазора. Из практического опыта

рекомендуется назначать характеристику А = = 2 ... 30(для сегмента

подшипника протяженностью с/). По принятой характеристике определяется средний зазор в нагруженном сегменте

И0 =

\

вцуй

ЛРа у

\2umr

(7)

Лраг

а затем выходной зазор

НВЫХ = Н0(2-А) (8)

Функция Нвых, таким образом, зависит одновременно от клиновидности зазора А и от опорного давления ра в свою очередь также зависящего от А.

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

А

Рис.2 Зависимости Ра и Но от относительного зазора А

Ход этих зависимостей показан на рис.2. Наибольший выходной зазор для заданных параметров подшипника наступает при клиновидности зазора 1,4.

Увеличение клиновидности до 1,6 не приводит к существенному снижению выходного зазора, однако заметно снижает потребное опорное давление.

Выражение (8) определяет необходимую величину выходного зазора для обеспечения в подшипнике условия Л —>со. Иными словами, подшипник с заданным относительным зазором и перечисленными выше параметрами под нагрузкой образует зазоры по выражению (7) и (8). При этом видно, что величины выходных зазоров пропорциональны окружной скорости поверхности вала и обратно пропорциональны корню квадратному из угловой частоты вращения.

Выражение (5) позволяет выполнить оптимистическую оценку возможности применения газового подшипника путем определения опорного давления.

Наибольшее распространение получила газовая смазка в системах подвеса роторов небольшой массы. Применение газовой смазки для использования в подвесе относительно тяжёлых роторов наряду с неизбежными техническими проблемами сталкивается также с фактами субъективного неприятия самой идеи, основанного на представлениях о дороговизне и ненадежности подшипников на газовой смазке. Автором сделана попытка проанализировать факторы, оказывающие влияние на принятие решения по оснащению роторной машины подшипниками на газовой смазке. Стоимость жизненного цикла системы подвеса ротора складывается из единовременных затрат на устройство самих подшипников и стоимости вспомогательных систем, из совокупности эксплуатационных затрат связанных с функционированием систем, а также из затрат энергии на собственные нужды.

В работе проведен сопоставительный анализ стоимости жизненного цикла систем подвеса роторов, базирующихся на применении радиальных сегментных масляных подшипников, радиальных сегментных газовых подшипников и электромагнитных подшипников с активным управлением. В результате получены зависимости стоимости жизненного цикла от мощности турбогенераторов, показанные на рис.3.

о

X

X (О а) >-

х а

п о

эе г

л го

ь §

и

о

н

и

2000

1500

1000

500

500 1000 1500

Мощностыурбогенератора, кВт

2000

Рис.3.Сравнение стоимости жизненного цикла радиальных опор.

Воздушные подшипники имеют самую низкую стоимость технического обслуживания. Системы подвеса роторов с подшипниками без внешнего наддува могут быть необслуживаемыми.

Системы подвеса роторов, построенные на подшипниках с газовой смазкой, обладают наименьшей стоимостью жизненного цикла, что иллюстрируется рис.3. Системы подвеса роторов, построенные на газовых подшипниках без внешнего поддува имеют предельно низкую стоимость жизненного цикла, недостижимую для любых других видов опор.

Третья глава работы посвящена разработке методики расчета характеристик сегментных газовых подшипников.

При выводе основного уравнения газовой смазки используются уравнения Навье-Стокса, уравнения неразрывности, состояния и баланса энергии. Все они входят в базовый модуль любой современной программы по вычислительной гидродинамике СРО(Сотри1а1юпа1Р1шсШупа1тнс5) поэтому физические процессы, протекающие в смазочном слое газового подшипника, могут быть смоделированы при помощи этих продуктов. В настоящее время производители программного обеспечения предлагают большое количество продуктов выполняющих высокопроизводительные вычисления на базе численных методов решения систем дифференциальных уравнений, а также сервисные модули для автоматической, полуавтоматической и ручной генерации расчетных сеток, пре-и постпроцессинга. На рис. 4 показана расчетная сетка рабочего зазора сегмента газового подшипника, подготовленная в АЫБУБ 1СЕМ С[:1Э.

Рис 4. Смешанная расчетная сетка газового подшипника. Для расчета используются смешанные сетки: интересующая область зазора разбивается гексагональными элементами, а внешняя область над сегментом тетрагональными элементами. Использование такой смешанной сетки обусловлено малой высотой расчетной области (зазора) (при использовании тетрагональной сетки результирующий массив сетки превысил бы все имеющиеся вычислительные мощности). В смешанной модели интересующая область разбита гексагональной сеткой высокого ранга, которая позволяет использовать значительно меньше элементов, а внешняя область со сложной геометрией сформирована тетрагональной сеткой. Использование такого подхода позволяет для расчета одного сегмента обходиться расчетной сеткой порядка 1000000 ячеек.

Для расчета используется стандартная ламинарная модель течения пакета АК'БУБ СРХ.

В практическом смысле важной представляется задача проведения поверочных расчетов для частично идеализированных начальных условий при изменении геометрии элементов подшипника, т.е. решение прямой задачи газовой смазки. При этом в результате решения определяется главный вектор сил давления в смазочном слое и расход смазки (в случае внешней подачи воздуха в смазочный слой). Общая методология выполнения поверочных расчетов сводится к следующему. Для принятого конструктива подшипника назначаются

предварительные параметры ра, [Нтт],Н0 или с. На этот момент известна геометрия подшипника, как правило определяемая конструктивно. Величина диаметра вала и длина подшипника ограничиваются возможностями размещения узла, а также предельной окружной скоростью, которую не назначают больше 200 м/с для радиального подшипника и не более 300 м/с для периферии осевого подшипника. Далее создаются трехмерные модели

смазочного зазора и конструктивных элементов окружающих его. Модели отличаются друг от друга различными значениями параметров. Например, для полноохватного подшипника задаются несколькими значениями относительного эксцентриситета в интервале изменения минимального зазора от [Нтт] до с. Для сегментного радиального варьируют Но от [Нтт] до 2с-[Нтт]. Для сегментных подшипников создаются модели с разной клиновидностью зазора (часто достаточно двух моделей для одного значения Но). Создание моделей не является трудоемким процессом, поскольку содержит примитивную геометрию, однако требует аккуратности, ввиду того, что разница в моделях составляет незначительные величины (иногда доли микрона). Иногда модели удобно параметризовать, при этом возможна автоматическая связь с сеточным генератором. Окончательно сформированную модель передают в сеточный генератор, где формируется гибридная расчетная сетка. Главная трудность состоит в корректном задании гексагональной сетки, описывающей смазочный зазор, при этом сетка имеет высокий ранг (при интервале по у в один микрон интервалы по х и ъ составляют миллиметры). Граничные условия при расчетах газовых подшипников обычно сводят до задания давлений в соответствующих сечениях, широко используется при этом метод создания искусственных присоединенных объемов.

Для решения задачи задаются физические кондиции среды и условия прилипания на стенках.

Рис.5. Эпюры давлений сегментного подшипника с подводом воздуха по продольным канавкам

Результаты обрабатываются постпроцессором, при этом формируются визуализированные функции давлений и скоростей, а также определяется главный вектор сил давления, расход смазки и, при необходимости, момент относительно центра шарнира. Решение реализуется в виде эпюр давлений и скоростей. На рис. 5 показаны примеры эпюр давлений.

Для нахождения устойчивого положения сегмента для каждого текущего среднего зазора рассчитываются поля давлений для двух вариантов выходных зазоров.В качестве граничных условий задаются давление на входе, граничное условие «opening» на выходе и частота вращения вала (в данном случае 26000 об/мин). На стенках задаётся граничное условие «noslip». Для расчёта используется ламинарная модель течения, рабочее тело - воздух со свойствами идеального газа. Задаются значения вязкости и теплопроводности при рабочей температуре.

В результате расчета всех вариантов пакетом ANSYSCFX-Solver определяется:

- крутящий момент в центре вращения, действующий на сегмент;

- расход воздуха на входе в сегмент;

- равнодействующая сил давлений, действующая на сегмент;

Результаты расчета сводятся в таблицу, после чего строятся диаграммы моментов и сил в зависимости от выходного зазора для каждого текущего зазора Но (рис. 6).

4 Fk КН

•L^J

А 16i

и

\\

-6 -i -2 0 2 i 6 Mz.Hti О

Рис. б.Диаграммы моментов и сил

UFk. КН

Далее по этим диаграммам методом линейной интерполяции определяется выходной зазор(НОр), при котором наступает равновесное положение сегмента и равнодействующая сил давления (РКО), действующая на сегмент в положении

равновесия. По этим данным строятся графики зависимости сил, действующих на сегменты от текущего зазора при равновесном положении сегмента - рис.7.

3000

0

5 2500 о:

| 2000 а

6 1500

в 1000

л

1 500

а> Ч о

X а га а.

.........—

20 30 40 50 60 Средний зазор, Но,мкм

70

80

-Конт.подвод

■Прод.канавки ---------Попер.канавка

Рис. 7.3ависимость силы, действующей на сегмент от среднего зазора

Грузоподъемность опоры в целом определяется векторным сложением

результирующих сил возникающих на каждом из сегментов.

Для анализа динамики ротора в газовых подшипниках выполняются расчеты их

характеристик на режимах, соответствующих частичным нагрузкам роторной

машины, а также при остановленном вале в случае, если обеспечивается

газостатический режим. На рис.8 показаны расчетные характеристики

подшипников.

Рис.8. Расчетные характеристики подшипников

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям радиальных гибридных подшипников на газовой смазке.

Для экспериментальных исследований подшипников на газовой смазке разработан специальный стенд, предназначенный для определения грузоподъемности газовых подшипников и проведения экспериментов в области газовой смазки. Подшипниковый стенд имеет следующие характеристики.

Диапазон диаметров вала подшипника, мм 50-150

Диапазон длин подшипников, 50-150

Диапазон статических нагрузок, кГ 10-300

Мощность электропривода, кВт 15

Частота вращения выходного вала, об/мин 0-60 000

В результате экспериментальных исследований на подшипниковом стенде получены характеристики радиальных гибридных сегментных подшипников с тремя различными способами подвода питающего воздуха в смазочный зазор, показанные на рис.9-10.

m

q

га

х >

25 20 15 10 5

ill,

1 -- -г

) ¿_ Л

""■•л.............. .....-......л............................-......

с: о

X и IS

а.

5000

•-А— Попер, канавка

10000

15000

20000

25000

■Конт.подвод —Q—Прод.канавки

Частота вращения, об/мин

Рис. 9. Расходные характеристики подшипников

а

га X

3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0

Контурный подвод воздуха

л ___— * ^

—

1 «г""""""—

Расчет

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Относительный эксцентриситет, е

> а

3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 О

Подвод воздуха по продольным канавкам

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Относительный эксцентриситет, £

Подвод воздуха по поперечной канавке

зооо

X 2750

га* 2500

5 2250 >• 2000

6 1750 "» 1500 1 1250

1000 750 500 250 О

—

[ _

_ - - п. — —*

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 Относительный эксцентриситет, с

0,6

Рис.10. Экспериментальные характеристики подшипников п=26000 об/мин,

Рз=0,4мПа

Нагрузочные характеристики подшипников, полученные в результате экспериментов, показали удовлетворительную сходимость с расчетными характеристиками, давая несколько завышенные значения по сравнению с расчетными зависимостями. Таким образом, принятая методика расчетного определения характеристик подшипников может использоваться в инженерных расчетах.

Пятая глава посвящена практической реализации результатов исследований.

Опыт, приобретенный при исследованиях подшипников на газовой смазке, использовался для выработки рекомендаций по проектированию сегментных радиальных газовых подшипников для тяжёлых роторных систем.

1. При проектировании опор используется предельно возможный конструктивный объём для размещения подшипников.

2. Радиачьныс сегментные подшипники проектируются из условия Л-* со, т.е. на практически высокие значения характеристики в нагруженных сегментах.

3. Для обеспечения высокой грузоподъёмности применяется внешний наддув газа в смазочный слой.

4. Наиболее эффективен наддув через поперечную канавку, размещенную на входной кромке сегментов.

5. В случае, если нагрузка на подшипник не имеет преимущественного направления, целесообразно проектировать подшипник, состоящий из пяти сегментов.

6. Для отстройки собственных частот сегментов и внесения конструктивного диссонанса целесообразно изготовление упругих элементов сегментов с разной механической жесткостью.

7.Тяжелые ротора имеют существенное время разгона (торможения). Поэтому для обеспечения безаварийной работы подшипники должны обладать гидростатической грузоподъёмностью.

8. Тяжелые ротора обладают высокой кинетической энергией, поэтому даже случайные кратковременные касания вача могут привести к аварии. В связи с этим подшипники должны проектироваться по возможности с максиматьным учетом всех действующих нагрузок, а материалы вала и сегмента должны выдерживать кратковременные касания при работе.

Результаты исследований подшипников на газовой смазке были использованы при проектировании подвеса роторов турбогенератора мощностью 1000 кВт, разрабатываемого на ФГУП НПЦ Газотурбостроения «Салют». Трехопорный ротор турбокомпрессора высокого давления, образующий одно целое с ротором электрогенератора имеет частоту вращения 26 ООО об/мин. при массе 250 кг.

Ротор турбокомпрессора низкого давления имеет номинальную частоту вращения 12 ООО об/мин. при массе 90 кг.

Во время испытаний в апреле - июне 2010г. на опытном турбогенераторе было выполнено 32 запуска с максимальной непрерывной наработкой за один пуск более 50 мин. Максимальный режим работы по частоте вращения ротора ТКВД составил 24300 об/мин.

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенного исследования определена степень влияния размерности роторов турбомашин на характеристики газовых подшипников. Предложены критерии, позволяющие на ранних стадиях проектирования оценивать возможность и целесообразность использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин.

2. Проведен сравнительный анализ стоимости жизненного цикла систем подвеса роторов с применением различных подшипников. Показано, что оснащение роторных систем подшипниками на газовой смазке сопряжено с наименьшими совокупными затратами.

3. Разработана методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников с использованием современных программ по вычислительной гидродинамике. Выполнены расчеты характеристик сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор. Результаты вычислений верифицированы при помощи сверки с результатами экспериментов на натурных моделях.

4. Разработана конструкторская документация и создан экспериментальный стенд, позволяющий испытывать радиальные газовые подшипники диаметром вала до 150мм. Получены экспериментальные зависимости эксцентриситета от величины нагрузки для сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

5. Экспериментально подтверждено, что радиальные сегментные газовые подшипники с подводом воздуха в смазочный зазор через поперечную канавку, расположенную в районе входной кромки сегмента обладают наибольшей грузоподъемностью.

6. Разработаны рекомендации по проектированию подшипников на газовой смазке для опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов. Результаты исследований были использованы при разработке опор роторов турбогенератора ГТД 1000.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Бесчастных В.Н. Газовые подшипники для турбогенераторов. Перспективы внедрения // Газотурбинные технологии, 2010.№9.

2. Бесчастных В. Н., Равикович Ю. А. Соколов А.Н. Определение статической грузоподъемности сегментного подшипника // Вестник Московского авиационного института, 2009 .т. 16, №1, С.84-94.

3. Бесчастных В. Н., Равикович Ю. А. Газовый подшипник тяжелого ротора газотурбинных двигателей. Опыт разработки и перспективы внедрения // Вестник Московского авиационного института, 2010. т. 17. № З.С.91-98.

4. Бесчастных В. Н. Проектирование и экспериментальное исследование гибридных газовых подшипников тяжелого многоопорного ротора // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2009. №3(19)С.118-126.

5. Бесчастных В.Н. Опыт разработки высокоэффективного турбогенератора мощностью 1.0 МВт для современных систем энергоснабжения // Материалы конференции Десятого юбилейного форума Высокие технологии XXI века, с. 183

6. Бесчастных В.Н., Федотов E.H. Подшипник. Патент на полезную модель №61820, зарегистрирован 10.03.2007.

7. Бесчастных В.Н., Смирнов В.А. Способ обеспечения заданного радиального зазора между рабочим валом и самоустанавливающимися сегментными вкладышами при изготовлении подшипника. Патент на изобретение №2298114, зарегистрирован 27.04.2007.

Введение.

ГЛАВА 1 История развития и современное состояние газовой смазки.

1.1 История и современное состояние теории подшипников на газовой смазке.

1.2 Обзор примеров использования подшипников на газовой смазке.

1.3 Современное состояние и перспективы развития газовой мазки.

ГЛАВА 2 Теория газовой смазки применительно к задачам проектирования крупноразмерных роторных систем.

2.1 Общие положения теория газовой смазки.

Выводы.

2.2 Оценка границ и определение критериев применения подшипников на газовой смазке.

2.2.1 Ограничения грузоподъемности.

2.2.2 Ограничения точности формы.

2.2.3 Работоспособность подшипников при пусках и остановах.

Выводы.

2.3 Определение критериев экономической целесообразности применения подшипников на газовой смазке.

Выводы.

ГЛАВА 3 Разработка методики расчета характеристик сегментных газовых подшипников.

3.1 Численное моделирование процессов, происходящих в газовом слое сегмента подшипника.

3.2 Определение главного вектора сил давления смазочного слоя и построение моментных диаграмм.

3.3 Расчет грузоподъемности подшипников с различными способами подачи воздуха в смазочный зазор.

3.4 Грузоподъемность подшипников при п=0.

3.5 Методика расчета характеристик сегментных радиальных опор.

Выводы.

ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования.

4.1 Подшипниковый стенд.

4.1.1 Статические испытания. Определение грузоподъёмности и жёсткости смазочного слоя при п=0.

4.1.2 Определение грузоподъемности подшипников при вращении вала. Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования.

4.1.3 Моделирование потери несущей способности.

Выводы.

ГЛАВА 5 Практическая реализация результатов исследований.

5.1 Роторный стенд.

5.2 Гибридный радиальный сегментный подшипник. Рекомендации. по проектированию.

5.3 Газотурбогенератор ГТД 1 ООО.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Существуют, по крайней мере, две области техники, в которых актуальны и перспективны задачи разработки газовых опор для относительно тяжелых роторных систем. 1. Использование газовых подшипников в качестве опор роторов двигателей летательных аппаратов.

Развитие авиационной техники в мире идет по пути широкого применения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) для выполнения различных задач. С одной стороны прослеживается тенденция по увеличению массы летательных аппаратов, что в свою очередь приводит к увеличению их энерговооруженности (росту размерности ГТД), а с другой -необходимость получить высокие тактико-технические характеристики приводит к созданию БЛА способных маневрировать в пространстве с высокими ускорениями. В сочетании с желанием иметь надежные подшипники, не сопряжённые с развитой вспомогательной системой смазки обе эти проблемы приводят к рассмотрению возможности применения в двигателях (БЛА) газовых (воздушных) подшипников с мероприятиями, увеличивающими грузоподъемность.

2. Использование газовых подшипников в качестве опор роторов турбогенераторов.

Стремление к децентрализации в мировом производстве электроэнергии побуждает производителей увеличивать долю генераторов диапазона 0,5-2 МВт в общем балансе генерирующих мощностей. Учитывая конкурентное давление со стороны поршневых генераторов для успешного продвижения на рынок турбогенераторам необходимо иметь высокую топливную эффективность, низкую стоимость и эксплуатационные затраты. Кроме того, оборудование должно быть необслуживаемым либо подвергаться редкому периодическому обслуживанию. Указанным требованиям в полной мере соответствуют регенеративные ГТУ с высокочастотными генераторами. Особенностью этих машин является, с одной стороны, высокая доля механических потерь на фоне величины генерируемой мощности, а с другой стороны высокая доля стоимости опор на фоне величины стоимости машины. Кроме того, функционирование системы смазки сказывается на удорожании всего жизненного цикла двигателя. Условие, связанное с необходимостью обеспечения низких эксплуатационных затрат диктует развитие таких ГТУ с использованием безмаслянных (оПйее) технологий, что приводит к оснащению турбомашины подшипниками на газовой смазке.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является расширение границ применимости подшипников на газовой смазке для разработки опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи исследования:

1. Выработка технических и экономических критериев для предварительной оценки возможности и целесообразности применения подшипников на газовой смазке при разработке газотурбинной техники.

2. Разработка методики расчета характеристик радиальных сегментных подшипников. Выполнение сравнительных расчетов гибридных воздушных подшипников с целью выявления наиболее оптимального способа подвода воздуха в смазочный зазор.

3. Экспериментальные исследования подшипников с различными схемами подвода воздуха в смазочный зазор.

4. Обобщение результатов исследования и разработка рекомендаций по проектированию воздушных подшипников для промышленных и транспортных ГТУ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Теоретические исследования.

Поставленные задачи решены с использованием широко известных и апробированных современных программ по вычислительной гидродинамике. Результаты вычислений верифицированы при помощи сверки с результатами экспериментов на натурных моделях. 2. Экспериментальные исследования. Для проверки разработанных теоретических положений и практического апробирования воздушных радиальных подшипников был спроектирован специальный подшипниковый стенд.

В серии экспериментов на стенде выполнялись исследования радиальных воздушных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор. В результате получены характеристики подшипников в виде зависимостей грузоподъемности от относительного эксцентриситета при различных значениях давления питающего воздуха. Достоверность и обоснованность полученных результатов эксперимента обеспечена проведением экспериментальных исследований по апробированным методикам на стендовом оборудовании, прошедшем всестороннюю метрологическую аттестацию, и использованием современной измерительной аппаратуры.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1. Предложены критерии, позволяющие на ранних стадиях проектирования оценивать возможность и целесообразность использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин.

2. Показано, что оснащение роторных систем подшипниками на газовой смазке сопряжено с наименьшими совокупными затратами.

3. Разработана методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников. Выполнены расчеты характеристик сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

4. Получены экспериментальные зависимости эксцентриситета от величины нагрузки для сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

5. Разработаны рекомендации по проектированию подшипников на газовой смазке для опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- методика предварительной технической оценки возможности использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин;

- результаты сравнительного анализа стоимости жизненного цикла систем подвеса роторов турбомашин с использованием подшипников на газовой смазке,

- методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор;

- результаты расчётной и экспериментальной оптимизации способа подвода воздуха в смазочный зазор.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Все научные результаты, которые приведены в диссертации и выносятся на защиту, полученные лично автором. По результатам расчетных и теоретических исследований автором разработана конструкция гибридных радиальных сегментных подшипников, которые были изготовлены и прошли всесторонние испытания в качестве опор роторов турбогенератора мощностью 1000 кВт производства ФГУП ММПП «Салют». Во время испытаний в мае 20 Юг на сборочно-испытательном комплексе МКБ «Горизонт» в г. Дзержинском ротор турбогенератора массой 250 кг был доведен до частоты вращения 24 300 об/мин.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения и результаты работы докладывались на научно-техническом совете (НТС) ФГУП ММПП «Салют», на 55 научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (г. Рыбинск, 8 сентября 2008г), на 10 форуме «Высокие технологии XXI века» (Москва, 22 апреля 2009г.), на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 25 июня 2009 г.), на 57 научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (г. Уфа,23 сентября 2010г.)

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК — 2. Автором получен один патент на изобретение и один патент на полезную модель, непосредственно связанные с темой диссертации.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 145 страницах и содержит 47 рисунков и 11 таблиц.

Выводы

1. В качестве объекта экспериментальных исследований разработан и изготовлен специальный стенд, позволяющий испытывать радиальные подшипники на газовой смазке. Стенд позволяет исследовать подшипники с диаметром вала до 150мм, нагрузкой на подшипник до 300 кГ и частотой вращения вала до 70 ООО об/мин.

2. В результате экспериментальных исследований на подшипниковом стенде получены характеристики радиальных гибридных сегментных подшипников с тремя различными способами подвода питающего воздуха в смазочный зазор.

3. Нагрузочные характеристики подшипников, полученные в результате экспериментов, показали удовлетворительную сходимость с расчетными характеристиками, давая несколько завышенные значения по сравнению с расчетными зависимостями. Таким образом, принятая методика расчетного определения характеристик подшипников может использоваться в инженерных расчетах.

4. Экспериментально подтверждено, что подшипники, оснащенные сегментами с подводом питающего воздуха по поперечной канавке, расположенной в зоне входной кромки обладают наибольшей грузоподъемностью и жесткостью.

5. Экспериментально подтверждено, что подшипники, оснащенные сегментами с контурным подводом воздуха в смазочный зазор при помощи кольцевых сопел имеют наибольшую грузоподъёмность при отсутствии вращения вала.

6. В результате экспериментов определены расходы питающего воздуха, подаваемого в смазочный зазор. Подтверждено, что самым низким расходом воздуха обладают подшипники, оснащенные сегментами с подводом воздуха в смазочный зазор при помощи поперечной канавки.

7. Экспериментально определены предельные частоты вращения при которых происходит касание нагруженных сегментов о поверхность вала.

ГЛАВА 5

Практическая реализация результатов исследований

5.1 Роторный стенд.

Результаты исследований подшипников на газовой смазке были использованы при проектировании подвеса роторов турбогенератора мощностью 1000 кВт, разрабатываемого на ФГУП ММПГТ «Салют». Согласно техническому заданию турбогенератор проектируется как двухвальная машина с подшипниками, исключающими наличие системы смазки. В виду того, что подшипниковый стенд не предназначен для проведения длительных испытаний, а ротор турбокомпрессора высокого давления для обеспечения жесткости был спроектирован трехопорным, потребовалось детальное исследование динамики роторной системы. Кроме того, на начальном этапе предполагалось выполнение исследований поведения ротора и опор при воздействии внешних нагрузок в виде периодических и ударных ускорений. Для выполнения поставленных задач был спроектирован роторный стенд, показанный на рис.52.

Рис.52. Роторный стенд

Роторный стенд представляет собой установку, состоящую из цилиндрического корпуса, в котором смонтированы три радиальных гибридных сегментных подшипника. В подшипники установлен ротор, состоящий из гладких деталей, имитирующих элементы натурного ротора-имитатора индуктора генератора массой 150 кг, имитаторов диска упорного подшипника, рабочих колес турбины и компрессора, суммарной массой 100 кг. Имитаторы изготовлены таким образом, чтобы обеспечить соответствие натурным деталям по массе и центробежному моменту инерции. В качестве осевого подшипника был применен электромагнитный подшипник с активным управлением грузоподъёмностью 1000 кГ. Исследования, проведенные на роторном стенде, позволили выявить опасные частоты вращения ротора, сопряженные с недопустимыми формами колебаний системы опоры - ротор. По результатам этих испытаний было полностью перепроектировано место соединения роторов в районе средней опоры.

5.2 Гибридный радиальный сегментный подшипник. Рекомендации по проектированию.

Опыт, полученный при исследованиях подшипников, был положен в основу при проектировании опор разрабатываемого турбогенератора. В качестве радиальных подшипников было принято использовать гибридные подшипники с самоустанавливающимися сегментами. Как указывалось во 2-й главе, грузоподъемность подшипника при увеличении количества сегментов уменьшается. Однако решение принимать два или три сегмента для конструкции, равно как и неравномерно разделять окружность опоры имеет смысл только в том случае, если имеется преимущественное направление действия нагрузок. Кроме того, протяженные по окружности сегменты требуют мероприятий по их ужесточению для исключения влияния силовых деформаций на геометрию смазочного клина. Трехсегментная опора при действии нагрузки в направлении между шарнирами уступает по грузоподъемности подшипникам с большим количеством сегментов. Четырехсегментная опора обладает тем недостатком, что имеет практически одинаковую жесткость во всех направлениях, что может неблагоприятно сказываться на вибрационных характеристиках подшипника. Опора, состоящая из пяти сегментов, имеет заметные отличия (соотносятся как 10:13) в механической составляющей жесткости по направлению на шарнир сегмента и между сегментами. Одновременно, как видно из табл.10 общие газодинамические реакции подшипника мало отличаются при действии нагрузки на шарнир и между шарнирами. Таким образом, подшипник, содержащий пять сегментов, имеет волну жесткости по окружности подшипника с соотношением амплитуд 10:13.

Приведенные рассуждения были взяты в качестве логической основы при принятии решения о конструктиве подшипника. На рис. 53 показана конструктивная схема гибридного сегментного газового подшипника.

Рис.53. Конструктивная схема гибридного сегментного подшипника.

Подшипник состоит из пятигранного корпуса 1, в который установлены композитные сегменты 2 посредством шарнира образованного внутренней 3 и наружной 4 полусферами. Шарнир ограничивает поступательные степени свободы сегмента, а также служит для рассеивания энергии поворотных колебаний сегментов за счет кулонова трения. Радиусы полусфер отличаются на незначительную величину для обеспечения возможности выноса продуктов износа из зон контакта. Радиусы полусфер выбираются достаточно большими, чтобы снизить значения контактных напряжений до величин, обеспечивающих неограниченный ресурс. Одновременно радиусы не могут быть чрезмерно большими, чтобы не приводить к подклинке сегментов.

Наружные полусферы передают усилия на плоские пружины 5, которые профилируются таким образом, чтобы обеспечить необходимую жесткость (полученную в результате расчетов собственных частот роторной системы). Плоские пружины шлифуются с некоторым разбросом по толщине. Тем самым обеспечивается разброс величин жесткости, который используется для внесения диссонанса по частотным характеристикам. Деформации пружин, в свою очередь, вызывают продавливание гофрированных пластин демпфера 6, которые при этом испытывают взаимное трение, приводящее к рассеиванию энергии колебаний. Пакет шарнирной опоры сегмента закрывается крышкой 10, обеспечивающей его предельное перемещение. Питающий воздух подводится к сегментам по коллектору 7 через капилляры 9. Капилляры, подающие воздух на выходные кромки оснащены микроклапанами, отключающими подачу на определённом режиме турбогенератора. Внутренняя полость подшипника закрывается крышками 8. Радиальный зазор в подшипнике обеспечивается следующим образом. Сегменты обрабатываются в специальном технологическом приспособлении в размер, обеспечивающий совпадение радиуса кривизны сегментов и вала. После этого сегменты устанавливаются в корпус подшипника вместе с внутренними и внешними полусферами. Сегменты прижимаются установочными винтами к внутренней оправке, которая имеет диаметр, соответствующий диаметру вала, увеличенному на величину диаметрального зазора. После этого выполняют совместную шлифовку граней корпуса подшипника и плоскостей наружных полусфер. На рис.54 показано фото подшипников, разработанных для турбогенератора ГТД-1000.

Рис.54. Радиальные гибридные сегментные газовые подшипники

Как отмечалось ранее, тяжёлые роторные системы имеют особенности, налагающие особые требования при проектировании газовых подшипников. В связи с этим разработаны следующие рекомендации.

Рекомендации по проектированию сегментных радиальных газовых подшипников для тяжёлых роторных систем.

1. При проектировании опор используется предельно возможный конструктивный объём для размещения подшипников.

2. Радиальные сегментные подшипники проектируются из условия Л-» со, т.е. на практически высокие значения характеристики в нагруженных сегментах.

3. Для обеспечения высокой грузоподъёмности применяется внешний наддув газа в смазочный слой.

4. Наиболее эффективен наддув через поперечную канавку, размещенную на входной кромке сегментов.

5. В случае, если нагрузка на подшипник не имеет преимущественного направления, целесообразно проектировать подшипник, состоящий из пяти сегментов.

6. Для отстройки собственных частот сегментов и внесения конструктивного диссонанса целесообразно изготовление упругих элементов сегментов с разной механической жесткостью.

7.Тяжелые ротора имеют существенное время разгона (торможения). Поэтому для обеспечения безаварийной работы подшипники должны обладать гидростатической грузоподъёмностью.

8. Тяжелые ротора обладают высокой кинетической энергией, поэтому даже случайные кратковременные касания вала могут привести к аварии. В связи с этим подшипники должны проектироваться по возможности с максимальным учетом всех действующих нагрузок, а материалы вала и сегмента должны выдерживать кратковременные касания при работе.

5.3 Газотурбогенератор ГТД 1000.

Анализ рынка генерирующих мощностей показывает, что диапазон мощностей 0,5-2 МВт практически полностью занят поршневыми машинами. Согласно данным исследовательской коМПания Abercade в докризисные 2007-2008г. на этот диапазон приходилось 73,6% от мировых продаж поршневых электростанций суммарной мощностью более 30 000 МВт. В то же время на долю ГТУ аналогичной мощности приходилось 1,6% рынка суммарной мощностью 82 МВт. Существует ли альтернатива применению поршневых генераторов? Последнее десятилетие ознаменовалось активным продвижением принципиально новой технологии на мировом рынке малой энергетики. В настоящее время отмечается устойчивый рост в бизнесе, базирующемся на комплексных инжиниринговых решениях в области распределенной энергетики, в основе которых лежит применение микротурбинных генераторов. Например, на сегодняшний день в различных регионах России установлено свыше500 микротурбин CAPSTONE [64].

Микротурбинный генератор для построения современных систем распределенной генерации электрической и тепловой энергией обладает уникальными потребительскими свойствами: экологической чистотой, возможностью работы в полностью автоматическом режиме, не требующем постоянного присутствия персонала, высокими КПД и надежностью.

К особенностям конструкции микротурбинных генераторов относятся наличие сблокированного высокочастотного генератора, рекуператора тепла отходящих газов, неохлаждаемой турбины. Важнейшие потребительские качества этой техники обеспечивает уникальное технологическое решение — воздушный подшипник.

Впечатляющие успехи внедрения микротурбинных технологий на мировом и российском рынке позволяют сделать вывод о возможности перенесения опыта этих технологий в область энергетических машин большей размерности. Речь идет о турбогенераторах мощностью 500- 2000 кВт с использованием высокочастотных электрогенераторов (иногда их называют минитурбинами). Можно сформулировать основные требования, к современной системе автономного элекро и теплоснабжения, основанной на применении минитурбинных генераторов.

- электрическая эффективность, не мене 0,40

- коэффициент использования топлива (с когенерацией), не менее 0,80

- стоимость с пусконаладкой, долл/кВт, 700-1000

- межремонтный ресурс, час, не менее 20 000

- эмисиия Nox, мг/нмЗ, не более 50

- возможность совместной работы (кластирование)

- низкие эксплуатационные затраты

- САУ - полностью автоматизированная с возможностью удаленного управления и интеграции в производственные процессы,

- режим обслуживания - без присутствия персонала, с периодическим обслуживанием,

- топливо - должны быть предусмотрены варианты комплектаций для работы на различных видах топлива.

Перечисленные требования были приняты за основу при разработке турбогенератора мощностью 1000 кВт на московском ФГУП ММПП «Салют» (рис.55).

Рис.55 Конструктивная схема ГТД-1000С

В основу термодинамической схемы положено использование рекуперации тепла отработавших в турбине газов. Рекуперативный цикл имеет ряд преимуществ, которые становятся решающими, когда рассматривается ГТД относительно небольших мощностей. Во-первых, для рекуперативного цикла оптимальная степень сжатия значительно ниже, чем для простого цикла ГТД. Для современных температур и совершенства лопаточных машин оптимальная степень сжатия рекуперативного цикла находится в пределах 6-8, тогда как, для простого цикла требуется более 25. Поэтому число ступеней в компрессоре и турбине уменьшается в 1,5 — 2 раза, высоты лопаток последних ступеней компрессора и первых турбины увеличиваются в 2 — 3 раза, давление в камере сгорания уменьшается в 3 -4 раза. Уменьшение числа ступеней приводит к снижению себестоимости производства. Большая высота лопаток последних ступеней компрессора и первых ступеней турбины позволяет обеспечить высокую эффективность компрессора и турбины. Низкое давление в камере сгорания обуславливает низкое давление топлива на входе в турбогенератор. Это особенно важно, когда энергетическая установка будет работать на природном газе там, где уже выполнена разводка газа по трубам низкого давления (например, в городской черте). На рис.46 показана конструктивная схема ГТД 1000. Двигатель имеет вертикальную двухвальную компоновку с кольцевой камерой сгорания большого объема, диагональными компрессорами и осевыми турбинами. Воздух поступает в рабочее колесо компрессора низкого давления, представляющее собой диагональную крыльчатку, изготовленную из алюминиевого сплава. Ротор турбокомпрессора низкого давления имеет номинальную частоту вращения 12 ООО об/мин. при массе 90 кг. Далее воздух проходит через трехрядный лопаточный диффузор и по специальным обводным трубам подается на вход в рабочее колесо КВД. Компрессор высокого давления также имеет диагональное рабочее колесо с вращающимся направляющим аппаратом и трехрядный лопаточный диффузор. Ротор турбокомпрессора высокого давления, образующий одно целое с ротором электрогенератора имеет частоту вращения 26 ООО об/мин. при массе 250 кг. При разработке компрессора применено специальное профилирование. После КВД воздух по каналам поступает в модуль рекуператора. Рекуператор пластинчатый секционный, состоящий из 14 секций, охватывающих кольцом турбокомпрессор низкого давления. В рекуператоре происходит нагрев циклового воздуха теплом отходящих газов. Подогретый в рекуператоре воздух поступает в кольцевую камеру сгорания большого объема, где происходит приготовление гомогенной смеси, сгорание топлива и перемешивание продуктов сгорания с вторичным воздухом. Подвод воздуха в камеру сгорания осуществлен таким образом, что он организует общее течение по спирали с плавным возрастанием скорости. Продукты сгорания попадают в неохлаждаемый сопловый аппарат, после чего последовательно совершают работу на рабочих колесах бирототивной турбины. Выходной диффузор расположенный сразу за ТНД позволяет снизить скорость потока на выходе из турбины. Продукты сгорания проходят по горячей стороне рекуператора, где отдают часть тепла цикловому воздуху, после чего утилизируются через газоотвод. Турбогенератор оснащен высокочастотным синхронным генератором индукторного типа, который подразумевает использование выпрямителя или частотного преобразователя для обеспечения требуемых кондиций электроснабжения.

В качестве радиальных опор применяются сегментные гибридные газовые подшипники. Для обеспечения статической грузоподъемности, а также для увеличения грузоподъемности на основных режимах работы в подшипники нагнетается воздух. На режимах пуск и останова, а также до 20% номинальной мощности воздух в подшипники подается от внешнего источника. На остальных режимах применяется воздух, отбираемый в цикле ГТД. В качестве упорных подшипников применяются активные электромагнитные подшипники. Отказ от масляной системы позволяет снизить эксплуатационные расходы.

На рис.56 показано фото первого образца ГТД-1000, установленного на стенде сборочно-испытательного комплекса МКБ «Горизонт» в г.Дзержинском Московской области.

Рис.56. Турбогенератор ГТД-1000 на стенде МКБ «Горизонт»

2.1 Основные технические данные ГТД-1000 приведены в таблице 11.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате проведенного исследования определена степень влияния размерности роторов турбомашин на характеристики газовых подшипников. Предложены критерии, позволяющие на ранних стадиях проектирования оценивать возможность и целесообразность использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин.

2. Проведен сравнительный анализ стоимости жизненного цикла систем подвеса роторов с применением различных подшипников. Показано, что оснащение роторных систем подшипниками на газовой смазке сопряжено с наименьшими совокупными затратами.

3. Разработана методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников с использованием современных программ по вычислительной гидродинамике. Выполнены расчеты характеристик сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор. Результаты вычислений верифицированы при помощи сверки с результатами экспериментов на натурных моделях.

4. Разработана конструкторская документация и создан экспериментальный стенд, позволяющий испытывать радиальные газовые подшипники диаметром вала до 150мм. Получены экспериментальные зависимости эксцентриситета от величины нагрузки для сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

5. Экспериментально подтверждено, что радиальные сегментные газовые подшипники с подводом воздуха в смазочный зазор через поперечную канавку, расположенную в районе входной кромки сегмента обладают наибольшей грузоподъемностью.

6. Разработаны рекомендации по проектированию подшипников на газовой смазке для опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов. Результаты исследований были использованы при разработке опор роторов турбогенератора ГТД 1000.

1. Бесчастных В. Н. Проектирование и экспериментальное исследование гибридных газовых подшипников тяжелого многоопорного ротора // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2009. №3(19).C.l 18-126.

2. Бесчастных В. Н., Равикович Ю. А. Газовый подшипник тяжелого ротора газотурбинных двигателей. Опыт разработки и перспективы внедрения // Вестник Московского авиационного института, 2010. т. 17. № 3. С.91-98.

3. Бесчастных В. Н., Равикович Ю. А. Соколов А.Н. Определение статической грузоподъемности сегментного подшипника // Вестник Московского авиационного института 2009 . т. 16, №1, С.84-94.

4. Бесчастных В.Н. Газовые подшипники для турбогенераторов. Перспективы внедрения // Газотурбинные технологии, 2010.№9.

5. Большая эффективность малых решений //Российская газета, 29 сентября 2010. С. 6

6. Бургвиц А. Г., Завьялов Г. А. Устойчивость движения валов в подщипниках жидкостного трения. М.: Машиностроение, 1964.148 с.

7. Воронин Н. А., Семенов А. П. Смазочные покрытия газодинамических подшипников.-М.: Наука (АН СССР, Институт машиноведения им. А. А. Благонравова), 1981.88 с

8. Воронков Б. Д. Подшипники сухого трения. — 2-е изд., перераб. и доп.— Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979, 224 с.

9. Газовая смазка подшипников (Сборник докладов на совещании по газовой смазке подшипников). М., Институт машиноведения, 1968. 312с.

10. Дроздович В. Н. Газодинамические подшипники. Л.: Машиностроение, 1976.208 с.

11. Ермилов Ю.И. Теоретическое и экспериментальное определение предельной несущей способности осевых лепестковых газодинамических подшипников; Автореферат дис.канд.техн. наук М.,2005.22 с.

12. Заблоцкий Н.Д. Линеаризация граничных условий в теории воздушных подвесов // Труды ЛПИД961. №217. с.127-132

13. Заблоцкий Н.Д,, Карякин В.Е., Спиенков И.Е. Сферический газовый подшипник с принудительным наддувом // Механика жидкости и газа, 1970. №3. с. 147-154.

14. Заблоцкий Я.Д. Расчет подшипников с наддувом при больших числах сжимаемости // Вибрационная прочность и надежность двигателей летательных аппаратов, 1976.№3, С. 109-116.

15. Константинеску В.Н. Газовая смазка. М.: Машиностроение, 1968. 720 с.

16. Котляр Я.М. Асимптотические решения уравнения Рейнольдса // Механика жидкости и газа, 1967. №1. с. 161

17. Котляр Я.М. К теории воздушных подвесов сферического типа // Изв. АН СССР. Отделение техн. наук, 1959. №6. С. 21-26.

18. Котляр Я.М. Течение вязкого газа в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами // Изв. АН СССР. Отделение техн. наук, 1957. №10. с. 12-18.

19. Кочетов Д.А. Кравцова Е.В. Электромагнитные подшипники возможности промышленного внедрения // Конверсия в машиностроении, 1993. №2. с.25.

20. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. М.: Физматгиз, 1962. 480с.

21. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 848с.

22. Лойцянский Л.Г., Степанянц Л.Г. Гидродинамическая теория сферического подвеса // Труды ЛПИ, 1958. №198. С.89-98.

23. Лучин Г.А., Пешти Ю.В., Снопов А.И., Газовые опоры турбомашин. М.: Машиностроение, 1989.С.47

24. Ляпунов A.M. Общая задача об устойчивости движения. Собр. Сочинений. Т.2. М.-Л.: АН СССР, 1956. С.7-263.

25. Опоры скольжения с газовой смазкой / Под ред. С.А. Шейнберга.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1979.336 с.

26. Осмен Д. С. Теория устойчивости ph-линеаризованного приближения для переносного получастотного блуждания вала в длинных самогенерирующихся подшипниках• скольжения с газовой смазкой // Техническая механика, 1963. Т. 85, сер. Д, № 4, С.160-173

27. Пешти Ю.В. Газовая смазка, М.: Из-во МГТУ, 1993.382 с.

28. Пинегин C.B. и др. Газодинамические подпятники со спиральными канавками / C.B. Пинегин, A.B. Емельянов, Ю.Б. Табачников.-М: Наука, 1977.107 с.

29. Пинегин C.B. и др. Исследование материалов для подшипников с газовой смазкой / C.B. Пинегин, В.П. Петров, В.М. Гудченко.М.: Наука,1975,7 с.

30. Пинегин C.B. и др. Опоры с газовой смазкой в турбомашинах ограниченной мощности / C.B. Пинегин, Г.А. Поспелов, Ю.В. Пешти.-М: Наука, 1977.147 с.

31. Пинегин C.B. и др. Статические и динамические характеристики газостатических опор / C.B. Пинегин, Ю.Б. Табачников, И.Е. Сипенков. М.: Наука, 1982.265 с.

32. Подшипники с газовой смазкой. Пер. с англ. Под ред. Н. С. Грэссема и Дж. У. Пауэлла. М.: Мир, 1966. 424 с.

33. Поспелов Г.А. Устойчивость и критические скорости роторов в подшипниках скольжения // Труды КХТИ, 1971. вып. 49, с 3-12.

34. Проблемы развития газовой смазки. Доклады на Всесоюзном координационном совещании35,36