Система управления подвижным противовесом автокрана
|
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 8
2 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ 14
2.1 Объект исследования - микрогазотурбинная установка (МГТУ) 14
2.2 Алгоритм работы МГТУ 16
2.2.1 Основные положения, используемые при проектировании алгоритма работы
газотурбинного двигателя (ГТД) в составе МГТУ 16
2.2.2 Описание алгоритма работы МГТУ 19
2.2.3 Экспериментальные методы определения рабочих параметров МГТУ 23
2.3 Объект исследования - система смазки подшипников скольжения ГТД 23
2.4 Цель и задачи исследования 31
3 СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ 33
3.1 Усилия, действующие на ротор турбогенератора 33
3.1.1 Радиальная нагрузка 35
3.1.2 Реакции торсиона 42
3.1.3 Расчет реакций опор ротор турбогенератора 44
3.1.4 Расчет осевого усилия на ротор турбогенератора 54
3.2 Системы смазки подшипников скольжения роторных машин 63
3.2.1 Трение в опорах скольжения 63
3.2.2 Положение вала в подшипнике и характеристика режима работы 64
3.2.3 Фазы работы подшипника. Диаграмма Герси-Штрибека 68
3.2.4 Критерии работоспособности подшипника 73
3.3 Выбор системы маслоснабжения 76
3.3.1 Капельная и капиллярная смазки 77
3.3.2 Системы с механической подачей смазки 79
3.3.3 Системы питания смазкой под давлением 80
3.4 Теоретические исследования опор с плавающими втулками 81
3.5 Тепловой расчет подшипников 82
3.5.1 Подшипник с плавающей втулкой 82
3.5.2 Подшипник скольжения с наклонными несущими поверхностями 89
3.5.3 Критические показатели работоспособности подшипников 93
3.5.3.1 Критическая толщина слоя смазки 93
3.5.3.2 Критическая температура 101
3.6 Температурная характеристика требуемого расхода смазки 103
3.7 Гидравлический расчет системы смазки 108
3.7.1 Гидравлический расчет характеристики потребителя 109
3.7.2 Определение требуемых параметров в раздаточном узле 120
3.8 Гидравлический расчет насоса 122
4 РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ СМАЗКИ 130
5 ФОРМИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА СИСТЕМЫ СМАЗКИ 135
6 НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 140
6.1 Расчет характеристик численными методами 140
6.2 Снятие гидравлических и температурных характеристик на испытательном
стенде 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 143
Приложение А 145
Приложение Б 150
Приложение В 155
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 8
2 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ 14
2.1 Объект исследования - микрогазотурбинная установка (МГТУ) 14
2.2 Алгоритм работы МГТУ 16
2.2.1 Основные положения, используемые при проектировании алгоритма работы
газотурбинного двигателя (ГТД) в составе МГТУ 16
2.2.2 Описание алгоритма работы МГТУ 19
2.2.3 Экспериментальные методы определения рабочих параметров МГТУ 23
2.3 Объект исследования - система смазки подшипников скольжения ГТД 23
2.4 Цель и задачи исследования 31
3 СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ 33
3.1 Усилия, действующие на ротор турбогенератора 33
3.1.1 Радиальная нагрузка 35
3.1.2 Реакции торсиона 42
3.1.3 Расчет реакций опор ротор турбогенератора 44
3.1.4 Расчет осевого усилия на ротор турбогенератора 54
3.2 Системы смазки подшипников скольжения роторных машин 63
3.2.1 Трение в опорах скольжения 63
3.2.2 Положение вала в подшипнике и характеристика режима работы 64
3.2.3 Фазы работы подшипника. Диаграмма Герси-Штрибека 68
3.2.4 Критерии работоспособности подшипника 73
3.3 Выбор системы маслоснабжения 76
3.3.1 Капельная и капиллярная смазки 77
3.3.2 Системы с механической подачей смазки 79
3.3.3 Системы питания смазкой под давлением 80
3.4 Теоретические исследования опор с плавающими втулками 81
3.5 Тепловой расчет подшипников 82
3.5.1 Подшипник с плавающей втулкой 82
3.5.2 Подшипник скольжения с наклонными несущими поверхностями 89
3.5.3 Критические показатели работоспособности подшипников 93
3.5.3.1 Критическая толщина слоя смазки 93
3.5.3.2 Критическая температура 101
3.6 Температурная характеристика требуемого расхода смазки 103
3.7 Гидравлический расчет системы смазки 108
3.7.1 Гидравлический расчет характеристики потребителя 109
3.7.2 Определение требуемых параметров в раздаточном узле 120
3.8 Гидравлический расчет насоса 122
4 РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ СМАЗКИ 130
5 ФОРМИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА СИСТЕМЫ СМАЗКИ 135
6 НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 140
6.1 Расчет характеристик численными методами 140
6.2 Снятие гидравлических и температурных характеристик на испытательном
стенде 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 143
Приложение А 145
Приложение Б 150
Приложение В 155
Одним из путей повышения эффективности автономных источников энергии, их мощности, является использование турбонаддува. Подшипниковые узлы турбокомпрессоров, входящих в систему турбонаддува, должны обеспечить условия длительного, устойчивого вращения высокоскоростных роторов при частотах порядка 60 000 об/мин. Сложном динамическом нагружении и при напряженных тепловых режимах работы.
Наряду с подшипниками качения для роторов турбокомпрессоров (ТКР) используются подшипники жидкостного (гидродинамического) и воздушного (газодинамического) трения. Газовые подшипники на сегодняшний день является наиболее перспективными, так как способны работать при значительных скоростях вращения ротора, лишены специализированной системы подачи смазывающего материала (нуждаются лишь в частичном отводе тепла, который, как правило, осуществляют наддувом воздуха с компрессора ТКР) и, как следствие, практически не требуют обслуживания, однако, менее изученными как с теоретической, так и с практической точки зрения, что обуславливает дороговизну их проектирования и высокую себестоимость. Гидродинамические подшипники обладают преимуществами как по отношению к подшипникам качения (бесшумность, виброустойчивость, способность нести сравнительно большие динамические и ударные нагрузки, что обуславливает работу турбокомпрессора большей мощности, простота изготовления, монтажа и ремонта и др.), так и к газодинамическим подшипникам (простота изготовления, монтажа, демонтажа, больший ресурс при работе на пусковых режимах).
К сожалению, уровень теоретических исследований систем смазки подшипников скольжения отстает от достигнутого уровня их практического использования и экспериментальных исследований. В работах, посвященных исследованиям подшипников скольжения, приводилась обобщенная, обзорная информация об известных способах подачи смазки к трущимся поверхностям. Отсутствие алгоритмов расчета системы смазки, совмещающего в себе анализ рабочих процессов потребителя (подшипника скольжения) и оборудования, обеспечивающего работу подшипника скольжения, обусловлено трудностями построения математических моделей системы смазки, полнее описывающих реальные конструкции подшипников и элементов запорно-регулирующей аппаратуры, выбора и реализации методов численного исследования.
Целью исследования является разработка алгоритма расчета системы смазки подшипников скольжения, позволяющего на этапе проектирования роторных машин моделировать нелинейные гидравлические, динамические и тепловые процессы в системе «система смазки-подшипниковый узел» и на этой основе сокращать затраты времени и средств на разработку, экспериментальные исследования и доводку системы смазки подшипников скольжения.
В первом разделе проведен анализ состояния вопроса, представлено сравнение уровней отечественных и передовых зарубежных технологий и решений, дан краткий обзор конструкции объекта исследования.
Второй раздел посвящен разработке технического задания на проведение исследовательской работы, на основании анализа конструкции, принципа работы, основных режимных характеристик объекта исследования - микрогазотурбинной установки мощностью до 100 кВт. Сформулированы задачи исследования.
В третьем разделе представлены решения поставленных задач, которые основаны на составлении расчетных моделей и определении рабочих показателей системы смазки подшипников скольжения. Разработана принципиальная комбинированная схема системы смазки.
Анализ регулирования рабочих параметров системы смазки, а также расчет характеристик регулирования режимов ее работы, представлен в четвертом разделе.
Пятый раздел посвящен формированию алгоритма расчета системы смазки и его описанию.
Направления дальнейших исследований по теме данной работы изложены в шестом разделе.
Наряду с подшипниками качения для роторов турбокомпрессоров (ТКР) используются подшипники жидкостного (гидродинамического) и воздушного (газодинамического) трения. Газовые подшипники на сегодняшний день является наиболее перспективными, так как способны работать при значительных скоростях вращения ротора, лишены специализированной системы подачи смазывающего материала (нуждаются лишь в частичном отводе тепла, который, как правило, осуществляют наддувом воздуха с компрессора ТКР) и, как следствие, практически не требуют обслуживания, однако, менее изученными как с теоретической, так и с практической точки зрения, что обуславливает дороговизну их проектирования и высокую себестоимость. Гидродинамические подшипники обладают преимуществами как по отношению к подшипникам качения (бесшумность, виброустойчивость, способность нести сравнительно большие динамические и ударные нагрузки, что обуславливает работу турбокомпрессора большей мощности, простота изготовления, монтажа и ремонта и др.), так и к газодинамическим подшипникам (простота изготовления, монтажа, демонтажа, больший ресурс при работе на пусковых режимах).
К сожалению, уровень теоретических исследований систем смазки подшипников скольжения отстает от достигнутого уровня их практического использования и экспериментальных исследований. В работах, посвященных исследованиям подшипников скольжения, приводилась обобщенная, обзорная информация об известных способах подачи смазки к трущимся поверхностям. Отсутствие алгоритмов расчета системы смазки, совмещающего в себе анализ рабочих процессов потребителя (подшипника скольжения) и оборудования, обеспечивающего работу подшипника скольжения, обусловлено трудностями построения математических моделей системы смазки, полнее описывающих реальные конструкции подшипников и элементов запорно-регулирующей аппаратуры, выбора и реализации методов численного исследования.
Целью исследования является разработка алгоритма расчета системы смазки подшипников скольжения, позволяющего на этапе проектирования роторных машин моделировать нелинейные гидравлические, динамические и тепловые процессы в системе «система смазки-подшипниковый узел» и на этой основе сокращать затраты времени и средств на разработку, экспериментальные исследования и доводку системы смазки подшипников скольжения.
В первом разделе проведен анализ состояния вопроса, представлено сравнение уровней отечественных и передовых зарубежных технологий и решений, дан краткий обзор конструкции объекта исследования.
Второй раздел посвящен разработке технического задания на проведение исследовательской работы, на основании анализа конструкции, принципа работы, основных режимных характеристик объекта исследования - микрогазотурбинной установки мощностью до 100 кВт. Сформулированы задачи исследования.
В третьем разделе представлены решения поставленных задач, которые основаны на составлении расчетных моделей и определении рабочих показателей системы смазки подшипников скольжения. Разработана принципиальная комбинированная схема системы смазки.
Анализ регулирования рабочих параметров системы смазки, а также расчет характеристик регулирования режимов ее работы, представлен в четвертом разделе.
Пятый раздел посвящен формированию алгоритма расчета системы смазки и его описанию.
Направления дальнейших исследований по теме данной работы изложены в шестом разделе.
В работе, на основе обобщения и дальнейшего развития теории гидродинамической смазки, разработан алгоритм расчета системы смазки подшипников скольжения. Алгоритм позволяет с малыми затратами времени и средств разрабатывать системы маслоснабжения, обеспечивающие работоспособность опор скольжения роторных машин.
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1) Для расчета системы смазки опор скольжения ротора турбогенератора необходимо в качестве входных данных знать геометрические и массовые параметры роторной системы, а также газодинамические характеристики двигателя. Достаточность этих данных обуславливается проработкой вопроса нагрузок на опоры;
2) На этапе теплового и гидродинамического расчета применена критериальная (температурная) оценка работоспособности подшипников, на основании чего производится выбор того или иного типа системы маслоснабжения;
3) Для определения требуемой подачи смазки в подшипниковые узлы, обеспечивающей их работоспособное состояние, рассчитывалась температурнорасходная характеристика, позволяющая, совместно с результатами гидродинамического расчета, определить расход смазки через ненагруженную зону подшипника;
4) Расчет гидравлических характеристик подшипниковых узлов (так называемого потребителя), совместно с критериальным анализом требуемого расхода смазки, обеспечивающего их работоспособность, и мощности тепловыделений, позволил осуществить подбор оборудования (насос, запорно-регулирующая аппаратура, маслоохладитель) и расчет напорного/сливного трубопровода системы смазки;
5) Анализ известных методов регулирования рабочих параметров системы смазки, позволил определить наиболее эффективный и проработать систему автоматического управления;
6) Все уравнения, качественно отражающие рабочие процессы системы смазки, нагрузочные характеристики роторной системы и работа самих подшипников, «зашиты» в рабочих средах MO Excell и MathCade, взаимодействующих между собой, однако, возможна разработка программы в специализированных пакетах (Visual Basic, Fortran, С++, Delphi, Java и др.);
7) Программирование этапов расчета системы смазки как отдельных модулей, позволит корректировать расчетные модели, адаптируя результаты под те или иные условия работы подшипниковых узлов.
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1) Для расчета системы смазки опор скольжения ротора турбогенератора необходимо в качестве входных данных знать геометрические и массовые параметры роторной системы, а также газодинамические характеристики двигателя. Достаточность этих данных обуславливается проработкой вопроса нагрузок на опоры;
2) На этапе теплового и гидродинамического расчета применена критериальная (температурная) оценка работоспособности подшипников, на основании чего производится выбор того или иного типа системы маслоснабжения;
3) Для определения требуемой подачи смазки в подшипниковые узлы, обеспечивающей их работоспособное состояние, рассчитывалась температурнорасходная характеристика, позволяющая, совместно с результатами гидродинамического расчета, определить расход смазки через ненагруженную зону подшипника;
4) Расчет гидравлических характеристик подшипниковых узлов (так называемого потребителя), совместно с критериальным анализом требуемого расхода смазки, обеспечивающего их работоспособность, и мощности тепловыделений, позволил осуществить подбор оборудования (насос, запорно-регулирующая аппаратура, маслоохладитель) и расчет напорного/сливного трубопровода системы смазки;
5) Анализ известных методов регулирования рабочих параметров системы смазки, позволил определить наиболее эффективный и проработать систему автоматического управления;
6) Все уравнения, качественно отражающие рабочие процессы системы смазки, нагрузочные характеристики роторной системы и работа самих подшипников, «зашиты» в рабочих средах MO Excell и MathCade, взаимодействующих между собой, однако, возможна разработка программы в специализированных пакетах (Visual Basic, Fortran, С++, Delphi, Java и др.);
7) Программирование этапов расчета системы смазки как отдельных модулей, позволит корректировать расчетные модели, адаптируя результаты под те или иные условия работы подшипниковых узлов.
