автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Разработка метода расчета лепестковых подшипников турбомашин систем охлаждения

Московский ордена ЯбМгяа, ордена Октябрьской Революция I ордена Трудового Краевого Эяаленн государственный технический университет вмЛ.Э^ауиана

на правах рукопнек Левчук Натаям Валентиновна

РАЗРАБОТКА ЖГ01А РАСЧЕТА ДШСТКСШХ ПСОДИПНШБ Т7РКЯ1А1Ш (Ш9 ОХЛАДВШИ

05.04ЯЗ - ишгагнн ■ апщараст холодильной, краогеяво! технякя я скстек кондхшошраваяхя.

автореферат диссертации ва соискание учено! отвлек* кандидата технических шук

1осета-199Э

Работа выполнена в НИИ ЭМ Научный руководитель -

Официальные оппонента -Ведущая организация -

МГТУ имЛ.Э.Баумана. доктор технических наук, профессор Пешти ЮЛ. доктвр технических наук, профессор Пвпов Д.Н.

кандидат технических наук Даввдов А.Б.

НПО "Кри»генмаш"

Защита диссертации состоится 2Ю дек. 1993 г. в/Йк? заседании специализированного совета К-ЮЗ .15.0? в МГТУ инЛ.Э£аунана, Мооква, 2" Бауманская ул., д.Ъ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имЛ.Э^аумана.

Автореферат разослан ноября 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Н 06315.07 . -{^¿о ' БЛЛСоалов

кандидаф технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_темы. Многие современные криогенные и холодильные установки включают в себя быстроходные турбомашинн (турбокомпрессоры и тгрбо детандеры), имеющие опоры скольжения о газовой смазкой. Достоинства лепестковых газовых подшипников, такие, как высокая демпфирующая способность, возможность' работать в условия! криогенных температур с низким коэффициентом трения, в разреженных газовых средах, являются главными критериями для их использования в турбомапннах криогенной и холодильной техника.

Усилиями отечественных я зарубежных ученых внесен значительный вклад в исследование газодинамических лепестковых подштняков турбоиашнн. Однако, применяющиеся на практике тины лепестковых подлпшпнков и методы их расчета недостаточно совершенны я яе касаэтся вопроса их натеыатаческого моделирования в разреженно! газовой среде.

Ц§Яь_ез52ты. Разработка универсального метода расчета основных характеристик газодинамических лепестковых подшипников турбомапшн систем охлаждения для работа в сплошной я разреженной газовой среде.

Для достижения указанной пели ставились и решались следующие задачи:

1. для теоретического анализа была построена математическая модель газодинамического лепесткового подшипника при работе в сплошной и разреженной газовой среде;

2. был выбран и реализовал пряной численный метод, обладающий логической ясностью, а именно использованием чисто разностного подхода в естественных зависимых и независимых переменных, гибкости) я универсальностью, т.е. возможностью решения широкого класса задач на единой методической основе выбранного метода, что важно при решения практических задач для определения основных рабочих характеристик лепестковых подшипников турбомапшн систем охлаждения;

3. были проведены экспериментальные, исследования, подтверждающие корректность решения поставленной задачи, олределякщие степень соответствия между результатами прямого численного метода расчета для построенной математической модели

и экспериментальным исследованием физической модели лепесткового подшипника турбоиашины системы охлаждения;

4. была проведена апробация результатов теоретического и экспериментального исследования в опытной конструкции турбокомпрессора системы охлаждения газового лазера.

Наг358а_1ебвзяа. Постровны математические модели работы газодинамических лепестковых подшипников турбомаишн систем охлаждения и реализована чиоленные методы решения задачи упругогазодииашгческой смазка по определению давления в слое омазкв и соответствующих ему интегральных характеристик для сплошной и разрешенной газовой среда, окружающей подшипниковый узел, определена граница. применения этих методик расчета от давления окружающей газовой среды и критерия Кп , путем численных экспериментов выявлена закономерности влияния конструктивных и физических факторов на характеристики газодинамических лепестковых подшипников, эксперимеитальшш методом получено подтверждение адекватности математической и физической моделей лепесткового поджишшка

В работе впервые проведено теоретическое обоснование совместно о практическим подтверждением возможности работы лепестковых газодинамических подшшшскоз турбоыаишн систем охлаждения в разреженной газовой среде, что раошряет их с ласть применения и дает возможность впервые использовать аз в герметичных системах охлаздешя о прокачиваемой разреженной, газовой средой, например, в системах охлаждения газовых лазеров.

Предложенные методики расчета газолина-1 кческих лепесткавнх подшипников для сплошной с разреженной газовой среды, волученнве численные и эксперане'кталышо результаты, подтвержденные на работе опытного образна турбокомпрессора системы охлаждения газового лазера, можно непосредственно использовать пра расчетах и проектировании быстроходных турбоыашин на лепестковых подшипниках для холодильной я криогенной техники.

Результаты работы были использованы при проведении расчетов в проектно-конотрукторских разработок, отладке работы подшипниковых узлоз для турбокомпрессора системы охлаждения газового лазера.

Основные положения работа докладывались и обсуждалась на йедреспублшкаяской студенческой научной

конференции "Актуальные проблемы погашения качества совренеяЕого энергомашиностроения" Шосква, 1980 г.), на научном сеиинаре кафедры "Криогенная техника н кондиционирование" Э4 МГТУ ии.Н.Э-Баумана (Москва, 1993 г.).

Публикации. Но тепе днссерташн опубликовано 9 печатает работ.

Структуру я обьем работу. Диссерташш состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литература го 41 наименования. Общий объем работы 124 страница, включая 39 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность" теки я представлены основные положения, разработанные в диссертации.

Пврвая.глава - обзорная, которая содержит и общую постановку задача.

Руководствуясь пате штат обоорои, была предложена '■онстру ктязяая arara радиального газодинамического лепесткового подшипника для турбонагашн, отлячащаяся. от ■ суцествуюпргх наибольшей надежное«® а конструктивной простотой.

Анализ литература, касаядейся иетодов расчета и экспериментальных исследований газодинамических лепестковых подшипников, показал следующее. ИатекатЕГгеские ноделн газодинамических лепестковых подпнпвгков, расчетные и экспериментальные зависимости яг носят универсального характера, недостаточны для их прямого исполюоваякя при расчете основных характеристик газодинамических лепвспгавах подшипников, в большинстве своем пригодны только для качественных опенок ледестковнх подшипников определенных типоразмеров я конструкций.

Теоретических и экспериментальных работ, касающихся вопроса проектирования газодинамических лепестковых подшипников при давлениях окружающей газовой среди ниже атмосферного не существует.

Поэтому, при проектирования турбокомпрессора системы охлаждения газового 'лазера о прокачиваемой разреженно! газовой средой возникла необходимость построения математической модели лепесткового подшипника для теоретического анализа характеристик опорного узла турбокомпрессора, а также проведении серии физических эксперименте», необходимых для подтверждения

адекватности предложенной математической модели и кринятих упрощающих допущении.

&>_а1ороз_1:даве построена математическая нолем, радаалг.ного лепесткового газодинамического подшипника для оплошной г разреженно! газовой среда.

Расчет давления в слое смазки я соответствующих ему интегральных характеристик для газодинамического лепесткового подшипника приведены1 в рамках модели Рейнольдса длл сплошной и модели Влргдорфера для разреженной газовой среды, метода Моря для нахождения перемещений лепестка при следующих допущениях.

1Рехш течения газа по рабочему зазору ламинарный, силамй ияердии пренебрегаем.

2.Режим течения газа по рабочему зазору изотермический.

3.Течение газа плоское.

4Хазовая смазка осуществляется при малых числах Кп.

б.Течеше газа стационарное;

бЛероховатость рабочих поверхностей мала и не влияет на течение газа в рабочем зазоре.

7Леремещения лепестка налы по сравнению с его длиной.

в.Толщина лепестка значительно меньше его длины.

С учетом этих допущений математическая иодол! газодинамического лепесткового подшипника имеет вид:

а)для сплошной газовой среды:

- лрй>+ - о,

Л9 06 6Е <?£

(К,-8) - - Лк)ооаЭ,

<1) <г)

ь - (ъ^Х

(3)

; б)для разреженной газовой среды:

Лрй)+ рЕЭ®(1+6?5)) = о. (4) 06 09 рН Ов ОЕ рй

^«(Ку-К) - (Н„-Н - Ли)оовв.

-рМУ* (6) и = -------)/ь

о 0

Граничные условия для давления в обоих случаях имеют вид: при в=о р=1,

0=0, Р»1. г=Ь/К р=1, й=0 р=1,

где

9 - угловая координата; р - безразмерное давление: й -бшраэнернпй зазор; я - безразмерная ширина; И'- радиус вала, м;

радиус лепестка, м; инициальный зазор, м; н0- начальный зазср, м; я,- угловая координата; изгибавший момент от

внешних сил, Н*м; И,- изгибающий момент от единичной силы, Н*м£

* л

и - "цилиндрическая" яесткостьД1а*м ; А - число сжимаемости подшипника; Кп -=1р/ Н; а - высота зазора, на котором Формируется профиль®давления, м; - длина свободного пробега молекулы при давлении Ра> м. а

Была определена граница областей применения данных методик расчета. Граничное давление рассчитывалось, как

V»

Р ---9--- .

гр

0.01 Н ■ (7)

Для упрутогазодинамнческой задачи- бы.* построен и реализован универсальный" итерационный' процесс.

Уравнения для опредалешет давления в слое смазки (1), <4) решались в соответствии" о прршшшш' установления, яри которой решение стационарной' задачи* находится, как предел решения соответствующей нестационарной? задачи при неограниченной воорасташиг времени: В соотнкгвтви»! с этик принципом уравнения имеют вид:

«Е. - Арй)+ ,

от ае ое Д5- гб (в)

ох ов во рй гзв аъ рн

Лля. конечно-разностной' ашрюксикают вводится равномерная

основная и вспомогательная сетки по пространственном координатам:

в^лв. ¿6=0,^. 4-0,1,г,.,.,н, Е-1А», А£»1/1Ш, 1-0.1,2,...*, е^/дв, в^=(1+1/г)лв, Ав-в,/», ¿«ой,г....ы. в^Ш, 8^(1+1/2)4», Ш*Ъ/Ш, 1-0,1,г,...ы. и итерационному времени:

г«1сА1, Ь=0,1,г.....К. 1

Для регулярного шаблона уравнения аппроксимируются при использовании метода расщепления но координатам, при котором переход от к к к+1 временному слою реализуется с помощью двух дробных шагов, причем на нервом временном шаге учитывается только производная по £, на втором шаге - производная по в. Тогда уравнения (а), (9) имеют структуру:

к+1/г о к+1/г

к+1 в кИ

^>1.4 .

Уравнения <10), (11) аппроксимируют (8), (9) о погрешностью

вида

ОСО+ООф-юи^).

где

г-шаг по итерационному времени, 1ц, ь^-шаги но пространственным координатам.

ГУ ¡яичные условия для давления аппроксимируются точно. Уравнения (Ю),(11) приводятся к виду

к+1/г к+1/г _к+1/2 Ч.А-й^иП.* 4р1-н,Л " '»1.4 ' <1г)

к+1! " к+1 к+1

! ' и решаются методом прогонки.

Так! как коэффициенты уравнений (12), (13) являются зависимыми от искомой функции на полуцелом слое по 1, 4, то проводились итерации по "нелинейности". В результате решения этих уравнений был получен профиль давления на к-тоы временном

'-'Л09.

Получив из реяения упругогззоотнамической задачи профиль давления между лепестком и ротором, находились интегральные характеристики, такие, как несущая способность и момент газодинамического трения на подшипнике:

_ ь/н

Др-1)<1е<й . СЮ

оо

(15)

В результате анализа расчетных данных были сделаны . следующие выводы:

-несущая способность возрастает при . увеличении угловой скорости вращения ротора, вязкости сказки, ширина лепестка,

-несущая способность снижается при увеличении толщины лепестка,

-момент газодинамического трения возрастает при увеличении' угловой скорости вращения ротора, вязкости смазки, ширины лепестка,

-момент газодинамического трения снижается при увеличении толщины лепестка,

-несущая способность при понижении давления газовой среды, окружающей подшипник, уменьшается.

Расчетные данные позволяют проектировать лепестковые родпшпяики для бнотроходннх турбомашвн при нормальном а пониженном давлении окружающей газовой среды.

В третьей глава описывается экспериментальное исследование рабочих характеристик лепесткового газодинамического подшипника.

В соответствии с поставленной в главе 1 целью работы в задачи экспериментальных доследований радиального лепесткового газодинамического подшипника входило изучение влияния

геометрических параметров - толщины и ширина лепестка на момент

■.• -• -..■■'• -, ■■.."• ?

_ 9к V«

т-Г

о

Л

о

_ 0Е

ов а

бй

газодинамического трения в подшипнике.

Эксперимента были проведены ва установке, изображенной sa рис.1, включающей в себя плиту I, ва которой закреплены стойки 2, к. который крепятся радиальные сегментные подшипники с поддувом газа 3, газостатические полпятника .4, улитка б. Ротор 6 вращается в штатных сегментных ' шш тпниках, на его кона« установлено приводное колесо 7. К одной из стоек после крепления сегментного полташшка - крепится радиальный и осевые газостатические подшипники 6, в котором находится исследуемый радиальнкй лепестковый подшипник 9. К корпусу радиального лепесткового подшипника крепится -упругии рычаг 10, на который накледям геизорвадстери II, связанные с тензсусглетеяеи ж осциллографом.

Давние, аолученвие s результате измерений, были, обработаны в шответстеки с методаm математической 'тати ста ки. Сопоставление расчетных а экспериментальных зависимостей для лепесткового подшипника с 6 - ю лепестками представлены на ршо2, 3. В результате экспериментов был сделан вывод, что математическая модель в допустимых пределах соответствует физической, различие составляет 16*, поэтому вря проектировании лепестковых подшипников турбомалшн модно. пользоваться разработанной методикой расчета.

B-SfiïaêSïoI-MâBg даются рекомендации по расчету и проектированию газодинамических лепестковых подшипников в соответствии с критериями подобия, приводится использование результатов исследования газодинамических лепеоткоашг подшипников в турбокомпрессоре системе охлаждения газового лазера. ,

Турбокомпрессор опытного образиа системы охлаждения был разработан на следующие параметры:

-масса ротора ю-г.Сб кг,

-отношение давлений на колесе х=1.6,

-диаметр радвальяо-осевого колеса D-150-ю* м, -частота вращения ротора №4600 1/с.

Для подтверждения возможности работа лепестковых аодштшхав в разреженной газовой среде были проведены испытания. Целью нсшггаяиЙ являлось; определение работоспособности газодинамически! лепестковых аодшшшш я отработка их пуска в разреженной газовой среде. Иакет а

А-А

и ю

Рио.1 . Схема экспериментальной установки для исследования радиальных . газодинамических лепестковых подшиливкой турбокомпрессора '

, ' \ - / Ряс. г. Зависимость безразмерного момента газодинамического трения от угловой скорости вращения ротора при различной толщиве лепестка для подшипника с б лепестками Эксперимент: Теория:

1- • -ьд=вО'10""бм, о -^ао-кГ^м,

2- »-Нд=1СХ)'1Ь~6м, V -11д=100'1СГбы, I

3- ♦-ь »120-ю-6и, о ^„иго-ю-6«,

Л ,, (С Л

4- » -Ь И40-10 н, й -И40- Ю м, ,

^.. . ____I.................. _[' | .

10 Ц-Х7310~6Н-о/к2^м-5-1СГ€ м, к=0.025 нДЮ.Об м,

• - ' !

Рис. 3. Зависимость безразмерного момента газодинамического трения от угловой скорости вращения ротора при различной ширине лепестка для подшипника о 6 лепестками Эксперимент: Теория: 1- в _ь=0.05 М, о -1=0.05 М.

г- у -£=0.045 М, » -1=0.045 М,

3- + -Ь-0.04 М, « -1>*0.04 Я,

4- * -ь-0.035 и, А -Ь=0.035 М, /

ц-ьта-га^.о/^д-юо-ю-6», »уб'Пг6 м. в-олгв *

ГЩ.^ »>4 -НАЛ- -

турбокомпрессора устанавливался в ваютт?» кшоду. шзлух m которой был откачан до давления 05 • 10* Па, после чего был зацуцен турбокомпрессор. Выход лепестковых подшипников на рабочий режим фиксировался по паденяго линейного тока в цепи в пределах номинального. Разгон ротора турбокомпрессора происходил за время, меньшее 3 с. Затем воздух в вакуумной камере был откачав до давления ОД. 1Сf Па. В результате испытаний были сделали выводя о том, что разработанные лепестковые подшипники обесточивают вращение ротора турб<зкомпрессора при угловой скорости 4воо I/o и давлении в. узле подшипников o.i. 1<о*Па.

ОСИОВДШ РЕЗУЛЬТАТЫ: И ВЫВОДИ*

1 .Построен и апробирован метод ревдния пространственной задачи, упругогазодинакнческой смазки для- газодинамического лепесткового подшипника о целью определения' профиля, давления' в сцазочнои слое о упругой: границей и интегральных, характеристик, новизна которого заключается, в ток, что

-применен метод установления,

-для конечно-разностной аппроксимации уравнения Рейкольдса реализован метод- расщепления по координатам,

-конечно-разностный аналог уравнения Рейнольдса не был линеаризирован, а были использованы, итерации по "нелинейности".

2. Рассчитаны интегральные характеристики радиального газодинамического лепесткового подшипника^ - несущая способность и момент- газодинамического, трения. на> подшипнике для- швдокого диапазона входных давних.

3- Впервые разработан метод- деценаи пространственной задачи унругогаэсданаиичеокой смазка, для: ленео.тковюга подшипника в разреженной газовой среде, окруда?од.е& поджившш,

4. По давлению окружающей! щдаиишик газовой среды определена граница применения нетрдак. расчета газодинамических лепестковых подшшникоа np?£t понижении давления окружающей газовой, среды от 1 • 105Па до 0.03?Ю°Па для широкого диапазона вхрдных данных.

5. Представлены расчетные зависимости несущей способности ддо-: газодинамических лепестковых подшипников при пс яжении лдагения окружающей-газовой среди от 1 • Юв Па до о.ол -KV П:ч для аофокого диапазона модных данных.

6. Создан экспериментальный стенд и получены экспериментальные значения момента газодинамического трения на лепестковом подшипнике с цельи подтверждения адекватности фиаическов и математической модели.

7. Разработаны газодинамические лепестковые подшшиикн турбокомпрессора системы охлаждения газового лазера, работающие в разрешенной газовой среде при давлении 0.1* 10я Па.

8. Проведено теоретическое обоснование и практическое подтверхденне возможности работы газодинамических лепестковых подшипников в разраженной газовой среде, что дает вооыохность расширить область применения турбомашнн на газодинамических лепестковых подшипниках и использовать их в герштичшп: системах охлаждения с прокачиваемой разреженой газовой средой, например, в системах охлаждения газовых лазеров или системах кондиционирования летательных аппаратов.

• СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 .Разработка и исследование конструкций и технологии изготовления криогенных турбамашинных агрегатов. Отчет о НИР/ЫВТУ; рук. ЮЛЛешт- 3041388 "А"; Н ГР 01870096948,- Инв. Н 02880062250. - И., 1587 - 90 .о.

2 .Левчук НЛ.. Пешта ЮЛ. Разработка криогенного турбодетандера с газодинамическшш лонтоташш подшшникаад // Актуальные проблемы повышения качества современного энергомашиностроения: Тезлокл. Неяреспублакапской студенческой научной конференции.-Москва, I988.-C.20.

3.Ал. 1Б88ЭЗЗ СССР, ШШ* Г 16 С 27/02. Радиальный газодшг лшчоскнй лепестковый подшипник скольжения / ЮЛ. Пешта, НЛ. Левчук, ВЛ. Калинкнн, АЛ. Нобулашвиля, ЮА. Равиковет (СССР).- Л 4436722/31-27; Заявлено 6.06.88 г.; Опубл. 301)6.90, Бил. ВЖ// Открытия, йюбретенхя. - 1990. - н 32. - С144.

4. Разработка, изготовление и исследование .элементов макета СО,-лазерного излучателя о турбокомпрессором на газодинамических подшипниках^ Отчет о НИР/ЙП7! рук. ЮЛЛештв. - 30449;

Я ГР 01910053106; Инэ. Н 02910061627. - М.. 1991.-87 о.

5. Левчук ПЛ., Пешта ГОЛ. Численное моделирование движения газовой смазки для сплошной х разреженной газовых сред в радиальных лепестковых газодинамических подшипниках скольжения

бкотроходннд мншш / ИГТУ внБ.ЭЛзаумана. - Ч., 1993. - 42 с. - Дел. в ВИНИТИ 23Д3.93, Н 688-В9Э.

б.Левчук НВ., Пеягтн ГОБ. Два численных метода решения уравнения Рейнольдса для газодинамического по гаишника / НТО им. Н.Э£аунана. - Н., 1993. -14 с. - Леп. в ВИНИТИ 28ЛЭ4.93, N П35- В9Э.

7.1евчу<< НД., Пашти ИЗ. Численное решение задачи упруго газодинамической смазки для радиальных лепестковых подшипников быстроходных мания при пониженных давлениях окружающей газовой среди / ИГТУ кнЛ.Э.Баунаяа. - Н., 1993. - 15 с. - Леп. в ВИНИТИ 31.05.93. Я 1450-В93.

О.Левчук Н.В., Леонов ВЛ, Меньков Б .В., Нучлнский НЛО., Пешта ¡ОБ.. ПотсиХов ВЛ., Филиппов ВЛ. О возможности работы газодинамических лепестковых подшипников турбокомпрессора СОг-лазера при пониженных давлениях окружающей среды // Вестник МПУ. - 1993. V 3. С. 99 - 101.

З.Лгвчук Н.В., Пешта КЩ. Численный метод к решение г-ишчи упругогэзодинаикческой сказки для быстроходных налган (I Егстник НГТУ. - 1993. Н 3. С. 69 - 76.

Иодш'снчо в г.ччать V.'. . 5

I к.л. Тигач ЮС г-кз.