автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Упорные подшипники скольжения компрессорных машин с профилированными рабочими поверхностями

На правах рукописи

СОКОЛОВ Николай Викторович

УПОРНЫЕ ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН С ПРОФИЛИРОВАННЫМИ РАБОЧИМИ

ПОВЕРХНОСТЯМИ

05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

? 8 СЕН 2014

Казань-2014

005552544

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Хадиев

Муллагали Бариевич

Официальные'оппоненты: Юн Владимир Климентьевич,

доктор технических наук, начальник отдела расчетов и исследований компрессоров управления перспективных разработок компрессоров ЗАО «Институт энергетического машиностроения и электротехники», г. Санкт-Петербург

Такмовцев Владимир Викторович,

кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и энергетического оборудования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана», г. Москва

Защита состоится 17 октября 2014 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68, Зал заседаний Учёного совета - каб. 330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и на сайте www.kstu.ru

Автореферат разослан« 2 » ОЗ 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.080.11 Герасимов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия происходит быстрое освоение и развитие нефтяных и газовых месторождений в областях, труднодоступных и удаленных от европейской части России. Для перекачки углеводородов по трубопроводам применяются центробежные и винтовые компрессоры с высокими параметрами, работающие в сложных климатических условиях. С течением времени происходит амортизация применяемых на практике турбин, компрессоров и насосов. При обновлении оборудования к ним предъявляются новые требования, направленные на уменьшение энергопотерь при одновременном сохранении надежности их работы.

Одним из основных узлов, обеспечивающих надежную работу турбин, центробежных и винтовых компрессоров, насосов, мультипликаторов, турбонагнетателей и других роторных машин, в которых существуют осевые силы, являются упорные подшипники скольжения (ПС), в т.ч. с неподвижными подушками. При резких остановках, остановках в течение 5 часов и различных авариях происходят существенные повреждения подшипников, приводящие к отказам компрессоров. В частности 16% неисправностей центробежных компрессоров составляют выход из строя упорных подшипников. Для учета все больше увеличивающихся факторов, влияющих на работу упорных ПС с неподвижными подушками, классические уравнения гидродинамической теории смазки приходится дополнять новыми уравнениями, позволяющими учитывать выделение и распространение тепла, изменение вязкости и плотности смазки в зависимости от температуры, а также температурные деформации элементов конструкций.

Составной частью математической модели упорного ПС является уравнение, описывающее геометрическую форму зазора между неподвижным и вращающимся элементами конструкции. Упорные ПС могут быть выполнены с разным профилем рабочих поверхностей неподвижных подушек. Условия работы подшипников при этом являются различными, в т.ч. в зависимости от внешних условий работы компрессора. Наиболее применяемыми на практике рабочими поверхностями плоскоклиновых подушек являются винтовая поверхность клинового скоса и поверхность с параллельным межподушечному каналу (МПК) скосом, из которых наименее изученной является вторая поверхность. На основании вышесказанного можно сделать заключение, что задача создания и численной реализации математической модели, учитывающей действительные процессы течения жидкости в тонком смазочном и пограничном слоях упорных подшипников при профилировании рабочих поверхностей неподвижных подушек параллельным МПК скосом, является актуальной.

Цель работы: разработка на основе периодической термоупругогидродинамической (ПТУГД) математической модели методики и программы расчета упорных подшипников скольжения компрессорных машин, профилированных по поверхности с параллельным МПК скосом.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1.Разработать ПТУГД математическую модель процессов течения жидкости в тонком смазочном и пограничном слоях упорных ПС с параллельным МПК скосом и численно её реализовать.

2.Исследовать характеристики упорных ПС с параллельным МПК скосом на основе численных экспериментов.

3.Проверить адекватность ПТУГД математической модели путем сравнения с данными физических экспериментов упорных ПС с параллельным МПК скосом;

4.Составить алгоритм расчета и оптимизации упорных ПС с неподвижными подушками двух форм зазора.

5.Разработать рекомендации к проектированию и внедрению в промышленность упорных подшипников с неподвижными подушками.

Научную новизну работы составляют:

1.Разработанная и численно реализованная ПТУГД математическая модель процессов течения жидкости в тонком смазочном и пограничном слоях упорного ПС с параллельным МПК скосом, оформленная в виде программного приложения.

2.Результаты анализа характеристик упорного ПС с параллельным МПК скосом, проведенных на основе численных экспериментов.

3.Экспериментальные данные, полученные на стенде: значения давления, температуры и минимальной толщины смазочного слоя упорного ПС с параллельным МПК скосом.

4.Алгоритм расчета и оптимизации упорных ПС с неподвижными подушками двух форм зазора.

Достоверность полученных результатов обосновывается применением фундаментальных законов сохранения массы вещества, количества движения, внутренней энергии, строгостью математического аппарата, используемого в работе, исследованиями погрешностей разработанной математической модели, а также сравнением результатов численных экспериментов с данными физических экспериментов, проведенных на специальном стенде.

Практическая ценность.

1.Разработано программное приложение «5ш2Рх2Т - Течение жидкости в зазорах и каналах между подушками упорного подшипника», которое реализует ПТУГД математическую модель и позволяет произвести расчетные исследования упорных подшипников как с неподвижными подушками двух форм зазора, так и с самоустанавливающимися подушками. На программное приложение в Роспатенте получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

2.По результатам численных экспериментов упорного подшипника с параллельным МПК скосом выявлены зависимости между основными параметрами, характеризующими работу подшипника.

3.Разработан алгоритм расчета и оптимизации упорных подшипников с неподвижными подушками двух форм зазора, позволяющий получить максимальную несущую способность подшипника при ограничивающих факторах минимального смазочного слоя [Ь2] и максимальной температуры [V].

4.Разработаны рекомендации к проектированию и внедрению в промышленность упорных подшипников с неподвижными подушками.

Результаты работы внедрены в ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» при выполнении проектировочного расчета упорного ПС с параллельным МПК скосом стенда, представляющего собой мультипликаторный центробежный компрессор, и используются студентами кафедры «Компрессорные машины и установки» КНИТУ при выполнении курсовых и дипломных проектов. Внедрения подтверждены соответствующими актами.

На защиту выносятся:

1.ПТУГД математическая модель процессов течения жидкости в тонком смазочном и пограничном слоях упорных подшипников с параллельным МПК скосом и её численная реализация.

2.Результаты исследования характеристик упорных подшипников с параллельным МПК скосом на основе численных экспериментов.

3.Результаты физических экспериментов упорного ПС с параллельным МПК скосом и проверки на их основе адекватности математической модели.

4.Алгоритм расчета и оптимизации упорных подшипников скольжения с неподвижными подушками двух форм зазора.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XV международной научно-технической конференции по компрессорной технике (г.Казань, ЗАО «НИИтурбокомпрессор им.

B.Б. Шнеппа», 2011), 2-ой научно-технической конференции «Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства», посвященная 70-летию ОмГТУ (г.Омск, 2012), IX и X международной конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» (г.Казань, ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», 2012 и 2014), V международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Транстрибо-2013: Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на водном транспорте» (г.Санкт-Петербург, ГУМРФ имени адмирала

C.О. Макарова, 2013), третьей международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (г.Москва, МАМИ, 2013), а также ежегодно в научной сессии КНИТУ (г.Казань).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных трудов, включая 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 6 в периодических изданиях и трудах конференций, получены 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент на полезную модель и 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 250 стр., в том числе 105 рисунков, 15 таблиц, расположенных по тексту, 8 стр. приложений. Список литературы включает 147 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены основные положения диссертации, которые выносятся на защиту и краткое содержание диссертации.

В первой главе проведен аналитический обзор конструкций компрессорных машин и нашедших в них применение упорных ПС с разным профилированием рабочей поверхности неподвижных подушек. Проведен также обзор литературы по известным методикам расчета упорных подшипников скольжения.

Гидродинамическая теория смазки, на которой основаны современные методы расчета упорных ПС с неподвижными подушками, была создана в работах Петрова (1883г.), Рейнольдса (1886г.), Жуковского и Чаплыгина (1904г.), Зоммерфельда (1904г.), Мичеля (1905г.). Дальнейшее развитие теория получила в работах М.В.Коровчинского, Коупа, И.Я.Токаря, М.Е.Подольского, И.В.Сайчука, М.Е.Школьника, Эззата и Роде, Кетлборо, Г.С.Баткиса, В.А.Максимова. Наиболее полный учет теплообменных процессов, происходящих в смазочных слоях и межподушечных каналах, возможен лишь при совместном рассмотрении в них течения жидкости и распространения тепла в конструктивных элементах ПС. Такую задачу применительно к упорным ПС поставил и численно реализовал М.Б.Хадиев, в работах которого впервые для уравнения энергии ставятся периодические тепловые граничные условия по направлению скольжения упорного диска. Глава завершается выводами и постановкой задачи.

Вторая глава посвящена разработке математической модели упорного ПС с параллельным МПК скосом. Математическая модель разработана с учетом взаимного влияния смазочного и пограничного слоев, зависимости вязкости и плотности смазки от температуры, температурных деформаций подушек, а также влияния упорного диска на тепловое состояние ПС. Температурные граничные условия на входе в смазочный слой приняты периодическими. Такая постановка задачи с

периодическими граничными условиями позволяет определять температуру на входе в смазочный слой непосредственно в ходе её решения, а не задаваться ею заранее. Математическая модель содержит:

1.Уразнение Рейнольдса, описывающее распределение давлений в области смазочного слоя Ц (-1 < г < 1, 0 < <р < в„) (рис. 1)

(аг +1)Я2 — v 1 дг

Pfof д<р

dtp <!■ <? /77

Re ¥оЛ2{ог + I) j-(Pfx)-{or+\)2j={hf2) .. где а=(Я2 -i?i)/(«2 * = OI<r=2Rcpei{R2 -Rx), h = h/h2 =

\ ( - \ — г -I — n —

dy,

1 tri

у TT к

Re = paoRqfo/jJo . V =h2¡(Rcpe), mk dy, ik dy,

i i 0 к =0,1,2, 1„ = fprfy, h=\P \<ty,P=PlP0' i l

'1

Б-Б

1_

(1)

Рис. 1. Расчетная схема математической модели упорного ПС с параллельным МПК скосом: а) сечение вдоль оси вращения вала и упорного диска; б) сечение по А-А;

в) сечение по Б-Б

Ф'г -I

м§1

Г : ^2

. то)

*у , ф , г =2(г-0/(Л2-Л.).

о И о т"

т Ч2

о /

у=ср/в , у = у1И — безразмерные координаты, г, уму- координаты по ширине, направлению скольжения и толщине смазочного слоя.

К уравнению (1) приняты нулевые граничные условия, т.е.

р\г,=°- (2)

2.Уравнение энергии, действующее в области (0 <<р <1,0 < У < 1)

ЗГ

дГ у д1 г д

Зу

су Ре ду Зу

К,

су

г V / л2

_^

ду

су

1 ' Рек Яр' 2г=° А РеЛ1^'

К = у у Яг к ^у уЧдк | | I _ ' Ре Иду' РеуИ1

V г =ЛЛ

<7 Г V /"а

Неу/стЛА2 [ - и -(аг + 1)

А2

К. =

К. = -—

р 1(сг+1)гУ 1 ^ " А2// ф

2-7у ср Ие уаХг д ¡тг-?у

(ог+1)

ът

(ог +1) ду {ог +1) ду

/1-_Л4—рК +г— \рУгс1у- (6)

т п /-*• и Лг *

д(р Н ОТ

1 у Л - 1 1 ¿7; | 7 (ог+ \)йд<рР г + (ог+1)Иду\Р ' ^

- 'о 1

) '„ ^ т» ' 1 , 0 < р < в„

А Зг\

¿У,

(3)

(4)

(5)

{о в <р<1 ' = СР«Ь2Л'-'оУ^ыКсрв)- безразмерная температура,

^г = Лср) > ^ = Уу/{у0> Лср) > Ро .р./'о плотность и вязкость смазки при

температурах I, Ре = ср„ а Вср И2 /Я„ _ критерий Пекле.

При вычислении скоростей в пограничном слое в области межподушечного канала (о 2 у 2 1, вп < <р < используется малость градиентов давлений. Поэтому

первые члены правых частей (4, 5) умножены на единичную функцию ¿>ь имеющее нулевое значение в этой области.

К уравнению (3) ставятся следующие граничные условия:

1) по координате (р условие периодичности

(7)

2) по координате у при у = О (гр. условие 2 рода)

а) у=0, 0<^<1, ^г=0, (8)

ду

означающее отсутствие теплообмена смазочного слоя с диском или

(гр. условие 1 рода)

б) у=0, 0<^< \,Т=Тдр, (9)

означающее постоянство температуры рабочей поверхности диска.

3) по координате у при у = 1 считается, что:

а) в пределах 0 <<р<9„ температуры и тепловые потоки на границе раздела «смазочный слой-подущка» непрерывны, т.е. решается сопряженная задача (гр. условия 4 рода)

- 1 т1 8'

у=1>' и =ч,«> ^

б) в пределах в„<<Р < 1 температура известна и равна (гр. условия 1 рода) или теплообмен происходит лишь конвекцией (гр. условия 2 рода)

- 1 д<

ду

= 0 .

З.Уравнение для определения температуры диска при условии (9)

г г (£1)

(10)

(11) (12)

(13)

где ¿„=ЯЙ/Яи , Га др = ср0^(Тг лр-10)/(Мас К2ср0).

4.Уравнение теплопроводности для подушки

1 д% „

-- +--- = О

дф2 V] дУ„

и граничные условия на её границах (3 рода) дТ„ дер

дТп дф

дТ„ ду„

(14)

aTRcp9 aT 0 RO aTnH RO

1 г _ InО T 1 г _ /nf, ср .. _ '""я

где критерии Нуссельта ~ ; > /v"»o, - : > Nu*n.--:-•

\ К К

5.Зависимости вязкости и плотности смазочной жидкости от температуры

Д = м/мо =ехр[-^-'о) + А('-'о)2]=ехр(-/Г+Дзг2Г2) , (16) Р = р/Ро = ехр[-а„(/ -г0)]= ехр(-aj), (17)

где X - ßMüwRcp^J (сРо^2 ). äM=aM^(oR^pel{cp0hl), ß = ßj ß2, X,SM-

безразмерные температурные коэффициенты вязкости и плотности применяемого масла, ß, ß\,aM-температурные коэффициенты вязкости и плотности.

6.Зависимости толщины смазочного и пограничного слоев h от профилирования рабочей поверхности и температурных деформаций подушки для упорного подшипника с параллельным МПК скосом:

а) толщина смазочного слоя в области 0 < ~ф < в„

ц, 1

h =1+ - (ar + + Sn ¡[Т(в„,у„}-Т {Щ,у„)]</7я,(18)

^ О

где s0=(hl-h2)/h2- относительная клиновидность, а„= а„^о) R^p0j (с p0/i| j -

коэффициент, учитывающий тепловую деформацию подушки, ап -коэффициент линейного расширения материала подушки. Для определения границы перехода с клиновой части на плоскую используется единичная функция: 8К = 1 при < 1/(сгЯ)aresin^./(сгГ +1), 8К =0 при 1/(стЯ)aresinifK/(<jr+1)<р <вп.

б) условная толщина пограничного слоя, находящегося на поверхности упорного диска в межподушечном канале, т.е. при в„ < <р < 1, аппроксимирована выражением

(i-Ö„)2 0-Ö-)2

(¡р~вп)2{<р-\), где г,, е2 - параметры пограничного слоя.

В третьей главе рассматривается численная реализация математической модели. Результаты численной реализации оформлены в виде программного приложения «Sm2Px2T. Течение жидкости в зазорах и каналах между подушками упорного подшипника» для ЭВМ.

В четвертой главе проведены исследования параметров метода упорного ПС с параллельным МПК скосом, в результате которых для большинства расчетов выбрано количество узлов сетки Nr=61, Мф=81, Ny=21, Nyn=21 по соответствующим направлениям координат. Далее рассмотрена физическая картина работы упорного ПС двух форм зазора. В случае поверхности с параллельным МПК скосом по направлению г в разных сечениях по (р и по направлению <р в разных сечениях по F (рис. 26) происходит смещение экстремумов р во внутреннюю область подушки по сравнению с формой зазора с винтовой поверхностью (рис. 2а). Это вызвано профилированием рабочей поверхности подушки параллельным МПК скосом. Форма

(19)

а)

Рис. 2. Изобары несущей поверхности подушки упорного подшипника: а) с винтовой поверхностью; б) с параллельным МПК скосом

зазора, описываемая уравнением (18), деформирует изобары и смещает главные оси распределения давления 1 (рис. 26) по сравнению с формой зазора винтовой поверхности (рис. 2а).

В межподушечном канале при вп < <р < 1 по линиям изотерм заметно влияние охлаждающей жидкости МПК, поступающей в толщу жидкости пограничного слоя и понижающей таким образом температуру. Далее охлажденная в МПК жидкость с повышенной вязкостью поступает в смазочный слой следующей подушки, увеличивая, таким образом, несущую способность упорного ПС.

В результате параметрического анализа установлено, что при увеличении толщины пограничного слоя распределение температур в области смазочного и пограничного слоев качественно не меняется, а интегральные характеристики практически остаются постоянными. Исследование влияния упорного диска на работу упорного подшипника показало, что даже при отсутствии теплообмена с диском температура у поверхности диска по направлению скольжения изменяется незначительно. Распределения температур по толщине смазочного и пограничного слоев при обоих видах граничных условий (8, 9) идентичны. Однако при использовании условия (9) можно провести исследование теплового воздействия упорного диска на характеристики подшипника.

Исследовано влияние на характеристики упорного подшипника ширины клинового скоса цк. Предельная величина ширины скоса определялась по формуле ffK„peA = (cr + l)sin(0„o-A). Результаты численных экспериментов позволили определить, что оптимум ширины i]Konm, при котором коэффициент несущей способности Р максимален, зависит от сочетания трех величин, определяющих геометрию подушки: а, X и в„. Было определено, что отношение ширин скоса не остается постоянным, т.е. ffKonmjrfK пред ф const. С возрастанием ширины rfK происходит уменьшение максимальной температуры Тт смазки в слое и диска Тдр. При увеличении относительной ширины подшипника а происходит перераспределение расходов смазки по внутреннему и внешнему 2л=Л2

сечениям подушки (рис. За). При этом в отличие от винтовой поверхности изменение расхода Qr=происходит по более крутой кривой, и линейно увеличиваются

расходы смазки через переднее Q<p-o и заднее Q^-g сечения смазочного слоя подушки (рис. 36). Следовательно, значительная часть этого увеличения происходит

0 0.1 0.2 0,3 ° 0,4 0 ОД 0.2 0,3 ° 0,4

Рис. 3. Зависимости коэффициентов расхода &г=[<1, ()Г=Я[ (а) и Ор=в (б) от

относительной ширины подушки а при разных значениях X и %

за счет уменьшения расхода 2г=/?(. Увеличение относительной длины подушки X

приводит к резкому снижению коэффициента несущей способности Р, что продиктовано увеличением площади истечения смазки через боковые сечения смазочного слоя подушки. Данная зависимость близка к гиперболической. При проектировании следует принять Л = 0,5-н1.

Проанализировано влияние МПК на характеристики упорного подшипника. Оптимальная величина относительной клиновидности е0опт при максимальном коэффициенте несущей способности Р значительно зависит от ширины клинового скоса Л к и вязкости смазки, выраженной параметром %■ Зависимость е0опт от % носит существенно нелинейный характер. Меньшее влияние на е0опт оказывают относительная длина X и относительный угол охвата подушки в„. Относительная ширина а на оптимум £0опт практически не влияет. При увеличении клиновидности е0 было определено скачкообразное изменение координат температуры Тт (рис. 4), что указывает на наличие по толщине смазочного и пограничного слоев двух локальных максимумов температуры. При малых значениях ширины Пк и при определенном сочетании остальных параметров подшипника с увеличением клиновидности £0 было также получено возрастание температуры Тт с последующим скачкообразным резким увеличением её величины в 4-6 раз. Соответственно, скачком изменяются и остальные характеристики подшипника При этом упорный подшипник несущую способность не теряет. Найденное явление требует подтверждения на практике. Коэффициент несущей способности Р и максимальная температура Тт с увеличением относительного угла охвата в„ увеличиваются, а температура рабочей поверхности диска Тдр падает.

Проведенные численные эксперименты, показали, что возрастание сил инерции в значительной степени приводит лишь к увеличению боковых расходов <2г=я и

0.6 0.4

— : 1 ■ ! ь

X

—вп=0,5,П«=О.2319.х^0 ; V-;

-~вп=Ю,9, пк»0,4078, х=0

-*-9п=0,5, пн-0.2319, х-1

- • -скачок при6п=0,5 Л

=0,4078, х= 1 к Л

-•-сначокпри6п=0,9

и не существенно влияют на плоскоклиновых

, у у ' ,

'/',■ подушка.///' межподушечный

V V -V -'/''/'/ .••''/' • каши

--—

смазочный слом пограшпныи слон -р ,

у

0.75 0.5

0,07»

' /'..\ПорШ.П1 ДИСК ' - Ч иь"

характеристики подушек.

Пятая глава посвящена проверке адекватности математической модели двумя способами. При первом способе была проведена оценка погрешностей при приближении формы зазора с параллельным МПК скосом к форме зазора с винтовой поверхностью клинового скоса упорного ПС при относительной ширине подушки а, близкой к нулю; при втором способе - оценка погрешностей численных

экспериментов с физическими экспериментами формы зазора с параллельным МПК скосом, проведенными на стенде,

представляющем собой центробежный компрессор (рис. 5).

Задача экспериментальных

исследований заключалась в определении осевой нагрузки Рос, температуры опорной поверхности подшипника /„, толщины Ьг и давления рм смазочного слоя в зависимости от рабочих точек характеристики ступени

центробежного компрессора.

Испытания проводились при условных числах Маха Ми =и2/а на выходе из рабочего колеса, равных 0,707, 0,884 и 0,907, где и2- окружная скорость рабочего колеса на наружном диаметре, я- местная скорость

Рис.4. Расположение температуры смазки Тт ((рт иут) в слое: а) координаты точек расположения при различных значениях в„ ; б) схема подшипника; в) расположение точек максимумов А и Б на линиях изотерм при 9„ =0,5

звука. Фиксированное Ми достигалось изменением числа оборотов ступени п„. Изменение режимов работы ступени по расходу производилось постепенным закрытием электрозадвижки на нагнетании. Всего рассматривалось 6 рабочих точек характеристики ступени при фиксированном Ми (рис. 6). Масло Тп-22С ТУ38.101821-83. Величина температуры масла в коллекторе подачи поддерживалась в пределах г„=26^31,5°С. Упорный подшипник двусторонний с размерами обоих сторон: 0|=65мм, Я2=100мм, ДЬ=ЬгЬ2=0,07мм, бп=0,664рад, число подушек г=8, ширина скоса т]к = 18мм.

Обработанные результаты экспериментальных исследований и расчетных данных, а также отклонения расчетных данных от результатов экспериментов, при Ми = 0,907 представлены в таблице 1.

Рис. 5 .- Разрез компрессора для экспериментальных исследований упорного ПС

Рис. 6. Зависимости давления рк (а) и

мощности ротора Ып р (б) от производительности Ун при разных Ми

Таблица

1 Параметр № рабочей точки

1 2 3 4 5 6

эксп. 1597,69 1977,9 2203,1 2379,3 2301,2 2190,4

расч. Р>Н 1592,5 1972,3 2198,9 2378,2 2462,3 2511

5Р, % 0,33 0,28 0,19 0,046 0,012 0,044

эксп. Аг. мкм 60 60 60 50 50 50

расч. ^2' мкм 62 54 51 49 47 46

Щ. % 3,23 11,11 17,65 2,04 6,38 8,7

эксп. Рм>МПа 1,153 1,168 1,178 1,194 1,188 1,174

расч. Р»,МПа 1,09 1,0998 1,112 1,132 1,114 1,123

$Р» % 5,8 6,2 5,9 5,5 6,6 4,5

эксп. °С 70,18 71,04 71,54 71,81 71,925 71,89

расч. 'л,, °С 79,22 78,44 79,02 77,6 78,66 77,3

К % 8,86 9,43 9,47 7,46 8,56 7

эксп. С, °С 45,73 46,235 46,58 46,815 46,895 46,895

расч. '"/', °С 49,2 48,9 48,6 49,1 49,5 49,4

Л.Г % 7,05 5,45 4,16 4,65 5,26 5,07

При обоих способах данные сравнения показали хорошее качественное и удовлетворительное количественное совпадения результатов и позволили провести адаптацию математической модели разработанного программного приложения. Сравнение экспериментальных и расчетных данных формы зазора с параллельным МПК скосом позволило также обоснованно выбрать коэффициенты запаса кк = 1,2 по толщине И2 и £,=1,1 по максимальной температуре /тах смазочного слоя,

определяющие безопасную эксплуатацию упорного ПС.

Шестая глава посвящена оптимизации упорных ПС с неподвижными подушками двух форм зазора с помощью разработанного программного приложения. Целевая функция - несущая способность Р5, а ограничивающие факторы -допустимые зазор [Ь2] и температура [1гаах]. В случае реконструкции упорного ПС при форме зазора с параллельным МПК скосом критериями оптимальности являлись вп, г/К = /(#„)> (Л1-Л2). а в случае формы зазора с винтовой поверхностью - вп, (Л, -к2). По итогам оптимизации определены рекомендуемые величины: в„ = в„/в = 0,8 + 0,9, ДЬ=/2| ~/г2 =0,05-0,09мм. Оптимум ширины скоса г)к опт был

определен методом перебора.

В седьмой главе приведены расчет двусторонних упорных ПС, технология получения клиновых скосов и рекомендации по проектированию и конструктивному оформлению упорных ПС с неподвижными подушками.

В заключении отмечается, что в диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача совершенствования инструментальных средств расчета и проектирования упорных подшипников с неподвижными подушками, основанная на разработке математических моделей и программы расчетов характеристик. По результатам исследований сделаны следующие общие выводы:

1.Проведен анализ конструкций упорных подшипников компрессорных машин, выполненными с разным профилированием рабочей поверхности неподвижных подушек, литературы по известным методикам расчета упорного ПС с неподвижными подушками, и осуществлена постановка задачи.

2.Разработана ПТУГД математическая модель процессов течения жидкости в тонком смазочном и пограничном слоях упорных подшипников с параллельным МПК скосом, осуществлена её численная реализация и проведен параметрический анализ результатов численных экспериментов. Результатом численной реализации является программное приложение «5ш2Рх2Т-Течение жидкости в зазорах и каналах между подушками упорного подшипника», на которое в Роспатенте получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

3.Осуществлена проверка адекватности математической модели с параллельным МПК скосом путем приближения к форме зазора с винтовой поверхностью и сравнения с физическими экспериментами, приведенными на специальном стенде.

4.Проведена оптимизация упорных ПС с неподвижными подушками двух форм зазора с помощью разработанного программного приложения, представлен алгоритм и пределы изменения критериев оптимизации, при которых несущая способность упорного ПС максимальна.

5.Разработаны рекомендации к проектированию и внедрению в промышленность упорных подшипников с неподвижными подушками. В ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» при участии автора разработана конструкция, позволяющая работать упорному ПС при высоких нагрузках, на которую в Роспатенте получены патент на полезную модель и патент на изобретение.

В приложениях представлены копии свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, патентов и актов о внедрении.

Основные научные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1.Хадиев, М. Б. Выбор конструкции упорного подшипника скольжения с неподвижными подушками с целью изучения нестационарных характеристик / М. Б. Хадиев, Т. В. Максимов, Н. В. Соколов // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - X» 18. - С. 206-211.

2.Хадиев, М. Б. Описание стенда для изучения динамических характеристик упорного подшипника скольжения с неподвижными подушками при переходных процессах/ М. Б. Хадиев, Н. В. Соколов, М. Н. Серазутдинов // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - №16. - С. 151-153.

3.Хадиев, М. Б. Гидродинамические, тепловые и деформационные характеристики смазочных слоев упорных подшипников, профилированных скосом, параллельным радиальному межподушечному каналу / М. Б. Хадиев, Н. В. Соколов, Е. М. Федотов // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №14. -С. 96-100.

4.Соколов, Н. В. Оптимизация гидродинамических упорных подшипников скольжения с неподвижными подушками / Н. В. Соколов, М. Б. Хадиев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №22. - С. 249-254.

5.Соколов, Н. В. Испытания упорного подшипника скольжения с параллельным межподушечному каналу скосом в центробежном компрессоре / Н. В. Соколов, М. Б. Хадиев, Т. В. Максимов, В. А. Футин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №.7. - С. 239-244.

6.Хадиев, М. Б. Гидродинамические, тепловые и деформационные характеристики смазочных слоев упорных подшипников со скосом, параллельным радиальному межподушечному каналу / М. Б. Хадиев, Н. В. Соколов, Е. М. Федотов// Вестник машиностроения. - 2014. - №6. - С. 54-59.

Свидетельство

l.Sm2Px2T - Течение жидкости в зазорах и каналах между подушками упорного подшипника: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615688 / Федотов Е. М, Хадиев М. Б., Соколов Н. В. - № 2013613582; заявл. 25.04.2013; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 18.06.2013.

Изобретения и патенты

1-Упорный подшипник скольжения: пат. на полезную модель 122719 Рос. Федерация № 2012131994/11; заявл. 26.07.12; опубл. 10.12.12; Бюл. №34. 2 с.

2.Упорный подшипник скольжения: пат. 2505719 Рос. Федерация № 2012131993/11; заявл. 26.07.12; опубл. 27.01.14; Бюл. №3. 7 с.

Публикации в периодических изданиях и трудах конференций

1.Хадиев, М. Б. Выбор конструкции подшипника и разработка экспериментального стенда с целью изучения нестационарных характеристик упорных подшипников скольжения / М. Б. Хадиев, Н. В. Соколов // Труды XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. -Казань : ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», изд-во «Слово», 2011, том II. -С. 212-220.

2.Хадиев, М. Б. Выбор конструкции упорного подшипника скольжения с неподвижными подушками с целью изучения нестационарных характеристик / М. Б. Хадиев, Н. В. Соколов, Т. В. Максимов, Ф. Г. Гильмутдинов // Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 2-й научн.-техн. конф. аспирантов, магистрантов, студентов, творческой молодежи

профильных предприятий и организаций, учащихся старших классов, посвященных 70-летию ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012, кн. II. - С. 174-184.

3.Соколов, Н. В. Исследование динамических характеристик осевого подшипника скольжения с неподвижными подушками при переходных процессах в ЦК / Н. В. Соколов, М. Б. Хадиев, Т. В. Максимов // Тезисы докладов IX международной конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин». - Казань : ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», изд-во «Слово», 2012. - С. 79-81.

4.Соколов, Н. В. Определение характеристик смазочных слоев упорных подшипников со скосом, параллельным радиальному межподушечному каналу / Н. В. Соколов, М. Б. Хадиев, Е. М. Федотов // Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на водном транспорте: труды V Международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транстрибо-2013». - СПб. : ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова, 2013. - С. 160-165.

5.Соколов, Н. В. Оптимизация упорных подшипников скольжения с неподвижными подушками центробежных и винтовых компрессоров / Н. В. Соколов, М. Б. Хадиев // Сборник трудов III международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур». - М. : Университет машиностроения, 2014. - С. 33-36.

6.Соколов, Н. В. Экспериментачьные исследования упорных подшипников скольжения со скосом неподвижных подушек, параллельным межподушечному каналу / Н. В. Соколов, М. Б. Хадиев, Т. В. Максимов, Е. В. Дубинин // Тезисы докладов X международной конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин». - Казань : ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», изд-во «Ремарк», 2014. - С. 66-68.

Заказ _Тираж ^ОО экз.

Офсетная лаборатория КНИТУ, 420015, Казань, К.Маркса, 68