автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Снижение потерь мощности в подшипниках гидроагрегатов оптимизацией параметров эластичных сегментов

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИ* УНИВЕРСИТЕТ

>ГБ ОД

• 1 . На правах рукописи

ТУКМАКОВ Владимир Петрович

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В ПОДШИПНИКАХ ГИДРОАГРЕГАТОВ ОПТИМИЗАЦИЕЙ ПАРАМЕТРОВ ЭЛАСТИЧНЫХ СЕГМЕНТОВ

специальность 05.02.02 - Машиноведение и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 1994

Работа выполнена на кафедре "Основы конструирования машин" Самарского Государственного аэрокосмического университета

Научный руководитель-заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Чегодаев Д.Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Громаковский Д.Г. кандидат технических наук, доцент Рождественский Ю.В.

Ведущее предприятие-АП "Энергозапчасть" (г. Чебоксары)

Защита состоится "18" января 1995 г. в 15 час на заседании специализированного совета К053.13.02 при Челябинском Государственном техническом университете

Адрес университета: 454080, Челябинск, пр. Ленина, 76

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского Государственного технического университета

Автореферат разослан " 2 " декабря 1994 г.

Ученый секретарь спецсовета к.т.н., доцент .

Жесткое В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из ответственных узлов гидроагрега-эв гидроэлектростанций является упорный подшипник скольжения, тарные подшипники гидроагрегатов ГЭС смазываются маслом турбинным -30 и работают при температуре масла в ванне 25...40°С. Повыте-м температуры масла в ванне путем уменьшения расхода идущей на славдение вода или замена его на менее вязкие смазочные жидкости ют возможность уменьшить потери мощности на трение в подшипнике, га приводит к увеличению КПД гидроагрегата. Уменьшение расхода зды, идущей на охлаждение масла, равнозначно выработке дополни->льной электроэнергии. Однако до последнего времени гидроэнерге-гка не имела опыта эксплуатации опор скольжения при температуре юла в ванне вше 40°С и на менее вязких смазочных жидкостях.

В настоящее время в упорных подшипниках гидроагрегатов ГЭС фоко используются эластичные металлопластмассовые (ЭМП) сегмен-[, которые показали высокую надежность на различных режимах. Эта >нструкция, содержащая композиционный материал из слоя фтороплас-

и проволочных спиралей, является перспективной для работы при 1мпературе масла в ванне 40...60°С.

По расчету ЭМП сегментов опубликована только методика А.В.Те-щенко. Однако она не учитывает конечного размера подшипника, что 1ИВодат к значительным погрешностям расчета триботэхнических па-метров. При снижении вязкости смазки ошибки в определении толщи-I смазочного слоя могут привести к неправильным выводам о работо-юсобности упорного подшипника. Расчет по этой методике не учиты-1вт краевого эффекта, показанного другими авторами, не дает реко-ндаций по значениям параметров начальной геометрии поверхности 1вния сегмента.

Учет конечного размера сегмента, краевого эффекта и оптимиза-:я конструктивных параметров позволяет приблизить теоретическую дель к реальной физической модели, что имеет большое значение и снижении толщины слоя смазки и потерь мощности на трение.

Цель работы - снижение потерь мощности на трение и повышение дежности гидроагрегатов ГЭС при уменьшении вязкости смазки опти-зацией параметров эластичных сегментов.

Методика исследования включает: 1) анализ математических молей, методов расчета и конструкций гидродинамических ЭМП опор ольжения; 2) разработку моделей, учитывающих процессы гидродина-еской смазки, теплообмена и деформаций в контакте скольжения;

3) разработку методики и программного обеспечения расчетов; 4) следование влияния конструктивных и эксплуатационных факторох триботехнические параметры узла трения; 5) экспериментальные следования ЭМП упорных подшипников скольжения при снижении вяз; ти смазки. При решении перечисленных задач используются мет< численного анализа, математической физики, оптимизации. Ц раммное обеспечение разработано для компьютеров типа 1ВЫ РС.

Научная новизна. В диссертации получено решение эластоги. динамической (ЭГД) задачи для упорного подшипника сколыгани учетом конечного размера ЭМП сегмента, в результате которого о] делены гидродинамические давления, толщины смазочного слоя, те! ратуры в смазочном слое и потери мощности на трение. Впервые ; работала методика оптимизации конструктивных параметров ЭМП ' мента с учетом его конечного размера для получения наибольшей ' щины смазочной пленки и уменьшения потерь мощности на тре: Уточнено решение ЭГД-задачи применительно к ЭМП сегментам упор; подшипника скольжения, на поверхности трения которых выпол входной и выходной скосы, показана граница применимости гипо Винклера для таких конструкций. Впервые показано, что у ЭМП мента отсутствует контакт торцев сегмента с диском пяты за краевого эффекта у податливого материала покрытия сегмента.

Практическая ценность. По разработанным методикам рас выбраны оптимальные параметры ЭМП сегментов, определены вер: уровень температуры штатного масла, при сокращении расхода в идущей на его охлаждение, и границы вязкости смазки при пере; на менее вязкое масло. Использование разработанных конструкций сегментов в узлах трения позволило уменьшить потери мощности, привело к увеличению КОД гидроагрегатов. Расширение диапазона бочих температур масла в ванне упорного подаипника позволило и нить аварийные рекимы остановки гидроагрегатов, увеличить его дежность.

Реализация работы на практике. Разработанная методика рас использована при проектировании опор скольжения на Чебоксар АП "Энергозапчасть". Предложенные конструкции ЭМП сегментов пр успешные испытания на насосе откачки и гидроагрегатах Волжской им.Ленина и ГЭС Дунянся (КНР).

Апробация работы. Полученные результаты докладывались и суадались на 9-ти научно-технических конференциях и семинара: том числе: 3-й и 4-й научно-технических конференциях молодых "ных и специалистов Куйбышевского авиационного института (Куйбы

1984 и 1986); IV и V Всесоюзных конференциях "Контактная гидроди-1амика" (Куйбышев, 1986 и 1991); Всесоюзной научно-технической сонференции "Современные проблемы триботехнологии" (Николаев, 1988); Семинаре-школе "Гриболог-бМ" с международным участием (Ростов, 1990); I Всесоюзной школе-конференции "Математическое лоделирование в машиностроении" (Куйбышев, 1990); Российском сим-гозиуме по трибологии с международным участием (Самара, 1993); /юждународном конгрессе Ешх>те1;а]ж)гк1щ5 94 (Италия, Милан, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано. 1 статья, 2 де-гонированные.рукописи, 10 тезисов докладов, 3 программы расчета и юлучено 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, I разделов и приложения. Работа изложена на 155 страницах машино-шсного текста, содержит 65 рисунков и 1 таблицу. Библиография зключает 102 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель ^следования.

В разделе обзора литературы выполнен анализ конструктивного ютолнения упорного подшипника скольжения. В Куйбышевском авиаци-)нном институте (ныне Самарском государственном аэрокосмическом шиверситете) разработаны ЭМП опоры скольжения. Длительная безаварийная эксплуатация и многочисленные натурные испытания ЭМП опор ¡кольжения в упорных подшипниках мощных гидроагрегатов крупнейших 'ЭС СССР, выполнение под руководством Д.С.Коднира и Ю.И.Байбородо-¡а, показали, что ЭМП сегменты обладают высокой надежностью.

Далее в этом разделе анализируются работы современного перио-(а развития гидродинамической и ЭГД-теории смазки. Расчету упорных годшипников скольжения посвящены работы Д.П.Паргина, М.Е.Подоль-;кого, П.З.Попова, И.Я.Токаря, В.А.Максимова, Кастелли, Пирвикса, !енджамина, Джайна и др. В области ЭГД-теории смазки отмечены ра-¡оты, выполненные Д.С.Кодниром с сотрудниками. А.В.Терещенко, [.С.Коднир разработали метод одномерного ЭГД-расчета упорного под-¡ипника с эластичным композиционным покрытием.

На основе анализа теоретических работ сделан вывод о том, что ¡вторы не уделяли внимания многопараметрической оптимизации конст->уктивных параметров ЭМП сегментов, теоретически не обосновано [рименение приближенного решения (гипотезы Винклера) к расчету

упорного подшипника, поскольку выпучивание материала вблизи выходной кромки (краевой эффект) может привести к значительным погрешностям в определении минимальной толщины смазочной пленки, в то же время гипотеза Винклера позволяет значительно' упростить расчет. Одномерный подход к решению ЭГД-задачи упорного подшипника приводит к завышению минимальной толщины смазочной пленки, занижении потерь на трение в смазочном слое упорного подшипника и показывает, что торцы сегмента могут контактировать с диском пяты и соответственно изнашиваться.

Из экспериментальных работ по исследованию упорного подшипника с качающимися колодками и податливой поверхностью следует отметить работы Райтмайра, Кастелли, Фуллера, в которых были измерена давления в пленки смазки и профили толщины пленки.

К основным параметрам работы узла трения относятся минимальная толщина смазочного слоя, нагрев смазки и потери мощности не трение. Возрастание стоимости электроанергии привело к тому, чтс потери мощности на трение стали весьма важным фактором при оценке достоинств подшипников.

Существенно снизить потери мощности на трение можно различными способами: усовершенствованием подвода смазки, нагревом смазку и переходом на смазку менее вязкими или маловязкими жидкостями.

Большой объем работ по выявлению путей снижения потерь выполнил Микула. Им сопоставлены три различных способа смазки: погружением, струйной смазки и смазки с помощью распределительных масляных канавок на передних кромках подушек.

На основе анализа опубликованных работ был сделан вывод с том, что снизить потери на трение в ЭМП упорных подшипниках гидроагрегатов ГЭС проще всего повышением температуры масла в ванне зе счет уменьшения охлаждения или применения менее вязких смазок, например, трансформаторного масла. Для циркуляционных насосов АЭС перспективно применение воды в качестве смазки.

Сделанный анализ современного состояния рассматриваемых вопросов и тенденций их развития позволил сформулировать основные задачи исследования:

1. В рамках эластогидродинамической теории смазки разработать модели и методики расчета ЭМП сегментов упорного подшипника < учетом конечных размеров сегментов и различных моделей расчет* деформаций поверхности трения.

Разработать и отладить пакет программ расчета ЭМП сегманто! упорного подшипника скольжения.

К Разработать методику оптимизации и провести оптимизацию конструктивных параметров ЭМП сегментов. I. Провести экспериментальные исследования ЭМП сегментов упорных подшипников насоса откачки и гидроагрегатов при снижении вязкости смазки.

В разделе оптимизации конструктивных параметров описываются «одели и методики расчета применительно к ЭМП сегменту упорного годшипника, на поверхности трения которого выполнены входной и выходной скосы.

Математические модели задач включают в себя уравнения, описы-зающие гидродинамические, тепловые и деформационные процессы в сонтакте скольжения.

При обычных допущениях уравнения, описывающие модель конечно-'о подшипника (МКП), можно записать в виде:

<»1г

а г Ь ^ ар 1 «> Г *р -к 0x1. 6ц ах ] «у(. бц ау .1 ах (И 2ци Г ( Ь - И I2 1

(1) (2)

йх ср№о

ц = а ехр(а,/(а+1;)) (3) И = Ь + V (4)

о 1 2 а

у = г,сп(Ра) + иф(р,г) " уг (5) Р|Г = 0 (б>

Уравнения, описывавдие упрощенную модель подашника (УМП), южно записать в виде: йр Л - Ь.

— = бци-(7)

с1х 1г3

М 2цЛ

11+3

(2)

ах ср1Ао

а = а ехр(а,/(а +1;)) (3) Ь = + и (4)

Г о 1 2 а

V = исгг(ра) + ^(рД) - (5) у(х) = Г(х,р) (8) р(0) = р(Ь) = О (9)

В уравнениях (1-9): Ь. - толщина смазочного слоя, 1го - толщина ¡мазочного слоя при йр/бх=0, ^, Ь2 - толщина пленки на входе и шходе смазочного слоя, р - гидродинамическое давление, г - темпе->атура смазки, и - скорость скольжения, х - координата вдоль сма-¡очного слоя в окружном направлении, у - координата в радиальном гаправлении, з - координата поперек смазочного слоя, Ь - длина

сегмента в окружном направлении, В - ширина сегмента в радиальн направлении, е - эксцентриситет, р, - динамическая вязкость, с теплоемкость смазки, р - плотность смазки, а0, а1, а^ - коэффиц енты, а - показатель степени нелинейности деформаций, к - коэфф циент податливости композиционного материала.

Толщина смазочного слоя ¡1 складывается из толщины Ь. , опис!

а

ващей начальную (исходную) геометрию, и деформации поверхнос трения V (рис. 1). Деформация в общем случае складывается из д формации спиралей ьсп, деформации фторопласта у^ в зависимости * давления и температуры и термического утолщения фтороплас1 •и^. поскольку на поверхности трения выполнены скосы, начальв геометрия описывается тремя уравнениями прямых.

В моделях рассмотрены: уравнение Рейнольдса в двумерной (1) в одномерной (7) постановке, уравнение теплового баланса в ада, батной постановке (2), зависимость вязкости смазки от температу] (3), уравнение толщины смазочной пленки (4), уравнение деформащ композиционного покрытия сегмента в соответствии с гипотезой Вше лера (5), уравнение деформаций в соответствии с теорией упругое (8) и граничные условия (6,9).

Оптимизация конструктивных параметров ЭМП сегмента с учет* его конечного размера трудоемка, поэтому на первом этапе необход] мо выполнить оптимизацию по упрощенной модели подшипника (одноме] ная неизотермическая ЭГД-задача).

Одномерная ЭГД-задача решена в два этапа. На первом этапе д. расчета деформаций поверхности трения использована гипотеза Винз лера. Задача решена методом Рунге-Кутта. Сравнение решений щ линейной (у=кр) и нелинейной (и=кра) зависимости податливости спз ралей от давления показало, что в диапазоне оптимального эксцегс риситета для ЭМП сегментов 8=0,06...0,10 отличие в решениях I превышает 5 %. Поэтому в дальнейшем использована линейная завис! мость податливости от давления.

Поиск оптимальных соотношений выполнен методом покоординатне оптимизации. Для оптимизации выбраны 5 конструктивных параметра длины , 1г> глубины б1, 82 входного и выходного скосов и эксц61 триситет е (рис. 1). Оптимальное соотношение конструктивных парг метров может быть получено для любого из основных показателей р< боты узла трения, которыми являются наибольшая минимальная толщш несущего смазочного слоя Ь наименьший нагрев слоя смазки минимальные затраты на трение в вязком слое (потери на трение н; А.В.Терещенко показал, что потери на трение для конкретного по.;

h »2

■ Í /Се "7 И

и • е n ni *2

ь

Z

ао

70 60

h . .мкм xnxn_

s< .1,

1 1 'ii 1

0 2 1 4 i 6 i 1 ? 10 i

0 до 1 so 1 120 i ,160 200 i

0 о. 1 1 ,0.2 i

о 35 ,70 105 ... i...

S2,MKM

з1,MKM

mln

рис. 1

, МКМ

О 0.05 О.15 РИС. 2

О.25 I.

///////////////////////////

о

1 h, мкм ШШ

ту 100 -

/ 1

/ 1 200 4 УМП

■ / гВ / 1 сР| 1 гуР 32,МКМ 1 1 i i

ЮО 150

рис. 3

200

0,2 О, 4 О,б О,а 1 ,0

рис. 4

lraln

,мкм

80 60

в сред. сеч. вблизи торца

4 а рис, 5

12

S ,% х

S ,МКМ

8 .МКМ т

mln

N.KBT

120 зоо

100 -

110 80 ■ N н 250

100 60 - 200

90 40 - 150

80 i 1 1 100

3 О 40

рис. 7

20

ЗО 40

рис. 8

50

бО

%

шипника не зависят от начальной геометрии поверхности трения параметров наклона ЭМП сегмента.

Оптимальное значение каждого из рассматриваемых критерие достигается при различном сочетании варьируемых параметров. Дл ЭМП сегментов разница между оптимальными эксцентриситетами по не сущей способности смазочного слоя и нагреву смазки не превышав 1,5 %. Сравнительный расчет показал, что поиск оптимального экс центриситета при различных комбинациях размеров скосов дает раз •личные значения эксцентриситета. При этом минимальные значенн температуры смазки на выходе из смазочного слоя % отличаются дру от друга не более чем на 2 %, а минимальная толщина изменяется широком диапазоне. Поэтому в качестве единственного критерия оптн мизации выбрана минимальная толщина несущего слоя смазки.

Разработана методика оптимизации, требующая нахождения тольк оптимального эксцентриситета по минимальной толщине смазочног слоя. Найденный профиль смазочного слоя аналогичен ступенчатом подшипнику Рэлея. Как показали расчеты, при отсутствии входног скоса на этом участке получается расширяющийся канал. Поэтому н размеры входного скоса введены ограничения. Влияние размеров вхол ного скоса на минимальную толщину не более 2 % (рис. 2).

За счет оптимизации конструктивных параметров минимальна толщина смазочного слоя повышается до 30 %, так по сравнению расчетом А.В.Терещенко для ЭМП сегментов упорного подшипника Вол жской ГЭС им.Ленина минимальная толщина смазочного слоя повышена 67 мкм до 87 мкм предложенной методике. В переводе на температур масла выигрыш составляет 10°С. За счет снижения температуры смази снижаются и потери на трение со 187 кВт до 150 кВт или на 20 %.

На втором этапе решения одномерной ЭГД-задачи деформации рас считаны в соответсвии с линейной теорией упругости. Решение полу чено методами Рунге-Кутта, прогонки и методом конечных элементов Искомый профиль смазочного слоя найден методом последовательны приближений. Расчет показал, что при профиле зазора, аналогично ступенчатому подшипнику Рэлея, отличив между приближенным и уточ ненным решением ЭГД-задачи по минимальной толщине пленки составля ет 1...2 % (рис.3).

Двумерная ЭГД-задача решена методом конечных элементов. Изо термическое решение ЭГД-задачи по сравнению с неизотермически дает ошибку в определении минимальной толщины hmin порядка 5...8Я эксцентриситета е порядка 1,5... 2 % и не позволяет учесть дефор мацию фторопласта в зависимости от температуры; А.В.Терещенко по

зал, что распределение температуры по одномерной ЭГД-задаче име-хорошую сходимость с экспериментальной температурой в смазочном эе ЭМП сегмента. Поэтому распределение температуры для решения умерной ЭГД-задачи взято из решения одномерной ЭГД-задачи..

Искомый профиль смазочного слоя найден методом последователь-t приближений. За счет торцевых утечек минимальная толщина плен-в среднем сечении (рис. 4) снижается на 22 % (с 87 мкм до 68 м), потери на трение увеличиваются на 29 % (со 187 кВт до 1 кВт). На рис. 5 показаны результаты оптимизации эксцентрисите-е и для сравнения показаны результаты оптимизации по одномерной Ц-задаче.

В разделе расчетных исследований параметров показаны резуль-гы численного исследования ЗМП опор скольжения.

Дано описание 3-х программ расчета ЗМП опор скольжения, зане-нных в реестр Государственного фонда алгоритмов и программ СССР.

Далее в этом разделе показано сравнение различных методик счета: одномерной и двумерной ЭГД-задач, двумерной- ГД-, ЭГД-цач. Следует отметить, что оптимальным является профиль пленки, алогичный ступенчатому подшипнику Рэлея как по расчету одномерен так и двумерной ЭГД-задачи.

Характер деформаций вблизи торцев сегмента для приближенного иения ЗГД-задачи можно аппроксимировать условными торцевыми ско-ми. Размеры торцевого скоса определяются из решения плоской ЭГД-дачи. За счет выпучивания материала вблизи торцев минимальная лщина пленки вблизи торцев увеличивается, а в среднем сечении значительно снижается (рис. 6). Такой характер деформаций казывает, что у ЭМП сегментов отсутствует износ торцев за счет н. "внедрения" и что упорный подшипник может работать без износа верхности трения ЭМП сегмента при снижении вязкости смазки.

Для определения значений конструктивных параметров ЭМП сег-нтов упорного подшипника гидроагрегата Волжской ГЭС необходимо овести оптимизацию конструктивных параметров при переменной тем-ратуре масла на входе в смазочный слой ti, при смазке турбинным слом с температурой масла в ванне 40...60°С и при смазке транс-рматорннм маслом. Повышение температуры масла или уменьшение зкости смазки приводит к уменьшению минимальной толщины смазоч-го слоя, при этом оптимальные значения эксцентриситета увеличи-ются, а глубин выходного скоса остаются постоянными. Оптимальный сцентриситет увеличивается на 0,5 % при повышении температуры ела турбинного на 5°С (рис. 7). Поэтому глубина выходного скоса

выбрана при минимальной вязкости смазки, а эксцентриситет - пр средней вязкости масла.

Влияние вязкости смазки проиллюстрировано на примере ЭМП сег ментов наружного ряда упорного подшипника гидроагрегата Волжске ГЭС им.Ленина. Так, при повышении температуры масла турбинного 25°С до-50°С вязкость смазки уменьшается в 3,7 раза, минимальна толщина смазочного слоя в среднем.сечении уменьшается в 1,7 раз (с 79 мкм до 46 мкм), потери на трение в 1,7 раза (с 287 кВт р 167 кВт). При переходе со смазки турбинным маслом на смазку транс форматорным маслом при температуре масла 30°0 вязкость смазки сни жается в 5,2 раза, минимальная толщина смазочного слоя в средне сечении снижается в 2,1 раза (с 69 мкм до 32 мкм), потери на тре ние в 1,9 раза (с 251 кВт до 132 кВт).

В разделе экспериментальных исследований описаны натурнн испытания ЭМП опор скольжения при снижении вязкости смазки. Прове дено сравнение теоретических данных, полученных по разработаннс методике, с результатами экспериментов, а также с теоретическими экспериментальными данными других авторов.

Испытания проведены в несколько этапов: на насосе откачки пр

удельной нагрузке руд= 1,55 МПа и скорости скольжения иср=12,7 м/

на турбинном масле при повышении до 70°С температуры масла в ван

не, на трансформаторном масле и воде; на гидроагрегатах А-3, А-6

А-10 Волжской ГЭС при руд= 5,3 МПа и Пср= 13,5 и 9,6 м/с при повы

шении до 60°С температуры турбинного масла и на трансформаторнс

масле; на гидроагрегате А-3 ГЭС Лунянся (КНР) при руд= 4,3 МПа

и = 20,1 м/с при отключенном охлаждении масла, ср

Измерение температуры осуществлено хромель-копелевыми терма парами с подключением к потенциометру Э1Ш-09М, измерение гидроди намического давления в слое - манометрами, датчиками типа да и МЛ износ - кольцевыми мерными базами.

На водяной смазке проведено 2 этапа испытаний ЭМП опор сколь жения (рис.Э) насоса откачки: 300 часов при 361 пуске и 204 час при 198 пусках. Результаты эксперимента: температура воды в ванн 7...8°С, в слое 9...12°С. На турбинном масле испытания продолжа лись 2 месяца, на трансформаторном масле 11 месяцев. Как показал испытания, при полностью включенном охлаждении температура транс форматорного масла в ваше на Э°С ниже, чем турбинного. На рис 10-11 показано распределение температуры и гидродинамического дэе ления в окружном сечении и распределение температуры в радиальнс сечении при смазке трансформаторным маслом при различной темпера

и

///////////////////////

_I_I-1-1-!—»

0 0,2 0.4- 0.6 0,8 _1 ,0

У

рис. 11

рис. 13

р.МПа

ишХ^Л

- // ш \\

—1 i i i \

Э 0,2 0,4 О.б О.8 _1.О

рис. 15

tf°C 5 6 7 8 р.МПа ■

О 0,2 О,i 0,6 0.8 _1,0

рис. 10

t,°C 5 6 7 8 80

65

50

35,

О О,2 О,i О,6 0,8 1.0

X

рис. 12

t,°C

р.МПа

75 бо <15 30,

i 1 г • 1

/ сред "

\

г "Г --^^""ВНутр \ 1 111

0 0.2 О, 4 о,б 0,8 _1 .О

РИС. 14

,МПа

о о.2 О, А о,б 0.8 1 .О

X

рис. 16

туре масла в ванне. После проведения испытаний осмотр поверхнс трения сегментов показал, что отсутствуют следы износа.

На гидроагрегатах Волжской ГЭС проведено несколько этг испытаний. На рис. 12-13 показано распределение температуры смазке маслом турбинным в окружном и радиальных сечениях при j личной температуре масла в ванне. Испытания показали, что при вышении температуры масла турбинного Тп-30 с 25°С до 50°С сокрг расход вода на охлаждение масла в ваше на 912 ООО м3/год. Синие потерь на трение на 178 кВт приводит повышению КВД гидроаг гата на 0,15 %. Как показали испытания, при полностью включеЕ охлаждении температура трансформаторного масла в ванне на 7°0 же, чем турбинного. Переход на смазку трансформаторным маслом с жает потери на трение в упорном подшипнике гидроагрегата в раза. Осмотр поверхности трения сегмента после наработки гидре регата на турбинном масле (9000 часов) и на трансформаторном мз (16000 часов) показал, что износ фторопластовой поверхности тре составил менее 0,12 мм.

На гидроагрегате А-3 ГЭС Лунянся проведены сдаточные испы ния. На рис. 14 показано распределение температуры в трех окру» сечениях и эпюра гидродинамического давления в среднем окру» сечении. После окончания испытаний была перекрыта система охлаэ ния масла в ванне (смоделирована ситуация с засорением сист охлаждения масла). Температура масла в ванне поднялась за 4 ч 15 минут с 24°С до 49°С, а за это время можно устранить засорен

Математическая обработка экспериментальных данных показа что при 5 повторных измерениях с вероятностью 95 % доверитель интервал в несколько раз меньше систематической ошибки. Это оз чает, что общая погрешность эксперимента определяется в основ систематической ошибкой, а случайная погрешность оказывает вес малое влияние, что свидетельствует о достоверности результатов.

Далее в этом разделе показано сравнение теоретических и э периментальных результатов. На рис. 15 показано сравнение расч ного распределения по одномерной и двумерной ЗГД-задачам и экс риментальных значений гидродинамического давления в среднем се нии ЭМП сегмента упорного подшипника насоса откачки при сма трансформаторным маслом. Отличие экспериментальных и теоретичес результатов по двумерной. ЭГД-задаче не превышает 12 %.

Выполнено сравнение экспериментальных значений гидродина ческого давления, полученного А.В.Терещенко для ЭМП сегмента ружного ряда упорного подшипника гидроагрегата Волжской ГЭС им.

з при руд= 5,2 МПа, с решениями ономерной и двумерной ЭГД-зч. Сравнение результатов расчета показывает, что решение одно-юй ЭГД-задачи отличается от экспериментальных значений давле-до 30 а отличие решения двумерной ЭГД-задачи - до 8 % з.1б>. А это означает, что модель конечного подшипника более говерно описывает эластогидродинамику ЭМП подшипника.

Сравнение оптимального профиля зазора, полученного в данной )Т8, с профилем зазора для ЭГД-контакта, полученного Петрусеви-, и со ступенчатым подшипником Рэлея дает хорошее качественное светствие (близкое к постоянной толщине на центральном участке эстоянная толщина смазочного слоя на выходном участке поверх-ги трения ЭМП сегмента).

Сравнение распределения гидродинамического давления, полу-юго на упорном подшипнике насоса откачки, и распределения дав-ш, полученного на стенде Райтмайром, дает хорошее'качественное светствие. Райтмайром получен также и профиль пленки, имеющий жтерные для ЭГД-контакта участки в начале и конце области тре-, Такой характер деформаций поверхности трения, полученный так-I расчетным путем, обнаружен и у ЭМП сегментов. Осмотр ЭМП сег-ров гидроагрегатов Волжской ГЭС показал, что фторопластовая грхность трения приработалась и стала глянцевой. В тоже время гаи торцев 11...14 мм, во входной части (половина входного ско-, вблизи выходной кромки 10...13 мм поверхность трения имеет >вый оттенок. А это означает, что приработки поверхности трения сегмента вблизи краев нет, нет также и контакта между диском I и поверхностью трения сегмента. Натурные испытания ЭМП шнтов показали, что упорный подшипник при снижении вязкости ¡ки работает в условиях жидкостного трения.

Сравнение теоретических и экспериментальных результатов незнания подшипников показало, что предложенная методика расчета опор скольжения достоверно описывает гидродинамические и теп-[е процессы, протекающие в них. Даны рекомендации по расчету, проектированию и эксплуатации опор скольжения при снижении вязкости смазки.

Основные результаты работы и выводы:

На основе эластогидродинамической теории смазки для упорг подшипника скольжения гидроагрегатов разработаны методика опта зации конструктивных параметров ЭМП сегментов с учетом их коне1; размеров. • Применение методики позволило выбрать рациональ конструктивные и эксплуатационные параметры узлов трения, что I вело к снижению потерь мощности, повышению НЭД и надежности гид агрегатов.

Основные выводы работы сводятся к следующему:

1. Разработаны математические модели расчета, описывающие гидре намические, тепловые и деформационные процессы в ЭМП упор подашпниках скольжения гидроагрегатов ГЭС. В отличив от суще вущих разработанные модели позволяют учитывать конечные рас ры ЭМП сегмента, уточнить характер деформаций поверхности ч ния сегментов и реальную геометрию смазочного слоя.

2. Разработана методика оптимизации параметров ЭМП сегмента с 1 том его конечного размера, позволяющая определять начал! геометрию поверхности трения, эксцентриситет сегмента, подат вость композиционного материала, влияние вязкости смазки. Мб дика позволила сократить затраты средств и времени на пров! рование и доводку ЭМП опор скольжения.

3. Уточнено решение ЭГД-задачи применительно к ЭМП сегментам уг ного подшипника скольжения, на поверхности трения которых полнены входной и выходной скосы, показана граница применимс гипотезы Винклера для таких конструкций. Показано, что у сегмента отсутствует контакт торцев с диском пяты за счет I евого эффекта у податливого материала покрытия сегмента.

4. На основе предложенных моделей и методик расчета разрабс комплекс программ для гидродинамического и теплового рас1-узлов трения гидроагрегатов с ЭМП сегментами. Комплекс прог] позволяет рассчитывать выходные параметры: гидродинамичес давления в смазочном слое и его толщину, потери мощности трение, рабочие темературы. Эти параметры непосредственно косвенно характеризуют работоспособность и ресурс узла треш

5. Для проверки достоверности разработанной методики расчета I ведено ее сравнение с экспериментальными результатами. Сра! ние гидродинамических давлений в смазочном слое ЭМП сет насоса откачки Волжской ГЭС с расчетными данными дает расхоз ние не более 12 %. Выполнено сравнение результатов расчета

родинамических давлений, толщины и температуры смазочного слоя с экспериментальными результатами, полученными другими авторами. Отличия в результатах по гидродинамическим давлениям составили от 8 до 30 %, по температуре менее 15 %. На примере расчета ЭМП сегмента упорного подшипника гидроагрегата Волжской ГЭС показано, что за счет оптимизации конструктивных параметров по модели конечного подшипника удалось увеличить минимальную толщину смазочного слоя на 20...25 %. Это особенно важно при работе узла трения с пониженной вязкостью смазки. Расчеты показали, что наибольшее влияние на конечные результаты оказывают геометрические размеры поверхности трения ЭМП сегмента и торцевые утечки.

Разработанные конструкции ЭМП сегментов и результаты исследования по температурным режимам и вязкостям масел были экспериментально проверены на насосе откачки, гидроагрегатах Волжской ГЭС им. Ленина и гидроагрегате ГЭС Лунянся (КНР) при удельных нагрузках до 5,3 МПа, скоростях скольжения до 20 м/с. Испытания показали, что при повышении температуры масла турбинного Тп-30 с 25°С до 50°С сокращен расход воды на охлаждение узла трения более чем на 912000 м3/год; уменьшение потерь на трение на 178 кВт (или в 1,7 раза) приводит к увеличению КПД гидроагрегата на 0,15 %. Увеличение температуры масла в ванне практически не сказалось на температурном режиме охлаждающего воздуха, меди и железа генератора. При переходе на смазку трансформаторным маслом температура масла в ванне снизилась на 7°С, потери на трение в упорном подшипнике - в 1,7 раза. Осмотр поверхности трения показал отсутствие износа на торцах сегмента. Установлено, что при отсутствии охлаждения масла (засорении системы охлаждения масла) гидроагрегат может работать в течение 4...5 часов без аварийной остановки. Испытания упорного подшипника насоса откачки на водяной смазке с глюконатом кальция в качестве ингибитора коррозии показали, что нагрев воды в слое не превышает 2°С.

Методическое и программное обеспечение теплового и гидродинамического расчетов ЭМП опор скольжения гидроагрегатов ГЭС внедрено на Чебоксарском АП "Энергозапчасть" для проектирования узлов трения вертикальных машин.

Основные результаты диссертации обубликованы в работах:

1. Уменьшение потерь мощности на трение в подпятниках гидроаг] гатов Волжской ГЭС им.Ленина / Ю.И.Байбородов, В.П.Тукмакс

A.А.Романов и др. // Контактная гидродинамика: Тезисы доклад

4 Всесоюзной конференции / КуАИ.- Куйбышев, 1986.- С. 135.

2. Тукмаков В.П. Расчет ЭМП сегмента подпятника с учетом его к нечных размеров // Алгоритмы и программы: Инф. бюл. ВНГИЦентр. - 1989. * 9, - С. 13.

3. Тукмаков В.П. Оптимизация конструктивных параметров эластичн сегментов подпятника // Триболог 6М: Расширенные тезисы докл дов конференции / РАТИ.- Ростов Великий, 1990.- С. 48-52.

4. Тукмаков В.П. Проектирование оптимальных конструкций эластичн . сегментов подпятника // Математическое моделирование в машин

строении: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Секция Проектирование и конструкции / КуАИ.- Куйбышев, 1990.- С. 50.

5. Тукмаков В.П., Байбородов Ю.И. Несущая способность эластичн сегментов подпятника при различных моделях расчета деформац поверхности трения // Математическое моделирование в машинос роении: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Секция Проектирование и конструкции / КуАИ.- Куйбышев, 1990.- С. 51.

,6. Исследование служебных свойств эластичных металлопластмассок сегментов в подпятнике гидроагрегата №3 ГЭС Лун-Янся КНР п исключении автономного охлаждения корпусов сегментов и систе! непосредственного впрыска // Ю.И.Байбородов, Ю.А.Инцш

B.П.Тукмаков и др. / Контактная гидродинамика: Тезисы доклад*

5 Всесоюзной конференции / КуАИ.- Кубышев, 1991.- С. 49.

7. A.c. 1767624, МКИ5 Н02К5/16. Гидрогенератор / Ю.И.Байбородо1 А.Н.Ежов, В.П.Тукмаков и др. // Изобретения.- 1992,- J6 37.

8. Тукмаков В.П. Краевой эффект у эластичных металлопластмассов! сегментов упорного подшипника скольжения // Российский симпс зиум по трибологии с международным участием: Тезисы докладох Часть 1 / СГТУ. - Самара, 1993. - С. 67.

9. Tcegodaey D.E., Savka M.Y., Tukmakov V.P. The elaboration с elastic sliding bearing // Euronietalvforklng 94: Meeting for tl studi of metal cutting and forming processes / Italy, Milar 28-30 September, 1994.- P. 082-1 - 082-8.