Помощь студентам в учебе
Исследование и выбор конструкции упорного подшипника ротора турбокомпрессора для повышения его несущей способности
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 УПОРНЫЕ ПОДШИПНИКИ ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ КАК ОБЪЕКТ
ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1 Анализ конструкций упорных узлов и условий их работы 11
1.2 Обзор исследований упорных подшипников жидкостного трения 20
1.3 Цель, теоретические и практические задачи исследования 34
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ
СКОЛЬЖЕНИЯ 35
2.1 Общий подход. 35
2.2 Геометрия упорного подшипника скольжения 37
2.3 Определение поля гидродинамических давлений в смазочном слое
упорного подшипника скольжения 48
2.4Алгоритм расчета несущей способности и гидромеханических характеристик сопряжения. 40
2.5 Статические характеристики упорного подшипника 44
2.6 Краткое описание программы нагрузочных характеристик 47
3 РАСЧЁТ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОДШИПНИКА, ОЦЕНКА ЕГО НЕСУЩЕЙ
СПОСОБНОСТИ НА ЗАДАННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ 49
3.1 Исходные данные 49
3.2 Результаты расчета, оценка несущей способности 56
4 РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ИЗМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ УПОРНОГО
ПОДШИПНИКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 61
4.1 Описание расчетных моделей 61
4.2 Результаты расчётов вариантов изменения конструкции 61
4.3 Влияние площади опорной поверхности подшипника на его несущую
способность 89
4.4 Влияние количества колодок на опорной поверхности подшипника на его
несущую способность 95
Выводы 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 101
ВВЕДЕНИЕ 6
1 УПОРНЫЕ ПОДШИПНИКИ ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ КАК ОБЪЕКТ
ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1 Анализ конструкций упорных узлов и условий их работы 11
1.2 Обзор исследований упорных подшипников жидкостного трения 20
1.3 Цель, теоретические и практические задачи исследования 34
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ
СКОЛЬЖЕНИЯ 35
2.1 Общий подход. 35
2.2 Геометрия упорного подшипника скольжения 37
2.3 Определение поля гидродинамических давлений в смазочном слое
упорного подшипника скольжения 48
2.4Алгоритм расчета несущей способности и гидромеханических характеристик сопряжения. 40
2.5 Статические характеристики упорного подшипника 44
2.6 Краткое описание программы нагрузочных характеристик 47
3 РАСЧЁТ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОДШИПНИКА, ОЦЕНКА ЕГО НЕСУЩЕЙ
СПОСОБНОСТИ НА ЗАДАННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ 49
3.1 Исходные данные 49
3.2 Результаты расчета, оценка несущей способности 56
4 РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ИЗМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ УПОРНОГО
ПОДШИПНИКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 61
4.1 Описание расчетных моделей 61
4.2 Результаты расчётов вариантов изменения конструкции 61
4.3 Влияние площади опорной поверхности подшипника на его несущую
способность 89
4.4 Влияние количества колодок на опорной поверхности подшипника на его
несущую способность 95
Выводы 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 101
Проблема повышения ресурса машин и механизмов в современных условиях главным образом определяется проблемой повышения ресурса узлов трения. Одним из наиболее распространенных узлов трения являются трибосопряжения. Многие из них работают в тяжелых режимах, под действием сил, переменных по величине и направлению. В нашем случае это упорный подшипник, который служит для осевой фиксации валов и воспринимают нагрузки, действующие по оси вала. Наибольшее распространение для тяжелых условий работы получили упорные подшипники скольжения, работающие в режиме жидкостного трения. Они применяются в таких машинах массового применения, как двигатели внутреннего сгорания, поршневые компрессоры, турбокомпрессоры, насосы, роторные машины, кривошипные прессы и многих других.
Турбокомпрессоры повсеместно применяются для форсирования двигателя внутреннего сгорания. Применение турбонаддува приводит к увеличению давления и температуры газов в цилиндрах. Соответственно, возрастает количество тепла, которое отводится от деталей цилиндра-поршневой группы в масляную систему и систему охлаждения, что приводит к увеличению общей тепловой нагруженности.
Подшипники скольжения являются элементами, воспринимающими радиальные или осевые нагрузки в турбокомпрессоре. Узлы трибосопряжения определяют надежность турбокомпрессора. По данным из исследований наиболее частой причиной отказа турбокомпрессора является неисправность подшипников скольжения (от 43,8 до 47,9 % случаев).
На гидромеханические эксплуатационные характеристики подшипников скольжения влияет большой спектр параметров: качество смазочного материала, его эксплуатационные параметры; качество сборки, как турбокомпрессора, так и подшипникового узла; балансировка ротора; температурный режим; скоростной и нагрузочный режимы при эксплуатации и т.д.
Турбокомпрессор - это лопастная машина, позволяющая использовать энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси в двигатель
внутреннего сгорания.
Турбокомпрессор (ТКР) состоит из турбинного и компрессорного колес, которые установлены на роторном валу.
Турбокомпрессоры состоят из трёх основных элементов:
- Компрессор, включающий корпус компрессора (1), рабочее колесо (2) и заднюю стенку (3). Компрессор обеспечивает сжатие воздуха на входе в двигатель для увеличения массы свежего заряда.
- Турбина, включающая корпус турбины (4), рабочее колесо (5) и экран (6). Турбина обеспечивает преобразование части тепловой энергии отработавших газов двигателя в механическую работу вращения рабочего колеса. Рабочие колёса компрессора и турбины связаны общим валом - ротором (7), поэтому крутящий момент от рабочего колеса турбины передаётся на колесо компрессора и обеспечивает его работу.
- Корпус подшипников (8), служащий для крепления корпусов компрессора и турбины, а также имеющий места для установки радиальных (9) и упорного подшипников (10) ротора и каналы для подвода масла к ним.
Подшипники ротора во многом определяют надежную работу турбокомпрессора (ТК). Упорный гидродинамический подшипник скольжения ограничивает осевое перемещение ротора и воспринимает осевые нагрузки от газовых сил, действующих на рабочие колёса компрессора и турбины.
Все элементы турбокомпрессора находятся в специальных защитных корпусах. Компрессорное кольцо применяется для всасывания воздушной массы, с дальнейшим ее сжатием и нагнетанием в цилиндры ДВС. Кольца турбокомпрессора установлены на роторном валу, который совершает вращательные движения в плавающих подшипниках. Для более эффективной работы подшипники постоянно смазываются маслом, которое поступает по каналам, расположенным в подшипниковом корпусе. Инженеры, проводившие различные исследование надежности ТКР, сделали выводы: большинство всех отказов турбокомпрессора составляют отказы, связанные с подшипниками скольжения (ПС). Работоспособность подшипников скольжения зависит от смазки трущихся поверхностей. Критериями работоспособности опор скольжения
являются допускаемая температура в рабочей зоне подшипника и минимальная толщина смазочной пленки.
Эксплуатационные характеристики роторных машин во многом определяются работоспособностью роторно-опорных узлов, к которым предъявляются следующие требования: достаточная несущая способность опор при малых габаритах, высокая виброустойчивость на всех режимах работы, минимальное трение и изнашивание рабочих поверхностей в течение заданного ресурса, малый расход смазочно-охлаждающего материала, возможность использования в качестве смазки рабочее тело машины, технологичность и удобство в эксплуатации.
Применение подшипников качения в качестве опор высокоскоростных роторов ограничено их предельной быстроходностью и долговечностью, поэтому широкое применение находят подшипники скольжения, позволяющие обеспечивать надежную работу роторной машины в широком диапазоне частот вращения и нагрузок. Подшипники скольжения являются нестандартными элементами машин, поэтому при проектировании в каждом конкретном случае необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Для восприятия осевых нагрузок распространение получили упорные подшипники жидкостного трения (УПЖТ). Возрастание скоростей вращения, ужесточение требований по габаритам и массе вызывает необходимость проведения комплексного исследования влияния теплофизических свойств и турбулентности смазочного материала, рабочих и геометрических параметров на несущую способность и характеристики упорных узлов роторных машин и разработку рекомендаций по проектированию подшипниковых узлов.
Особенностью моделирования упорных подшипников является сложная геометрия упорной поверхности, а также наличие камер. Работоспособность упорных подшипников определяется, прежде всего, несущей способностью, а также статическими и динамическими характеристиками опоры, расчет которых основывается на знании поля давления в смазочном слое.
В области расчета и проектирования УПЖТ опубликовано значительное количество работ. Однако построенные математические модели и предложенные методики расчета характеристик опор не учитывают ряда специфических, но
важных, с точки зрения проектирования высокоскоростных машин, особенностей функционирования УПЖТ. Так, как правило, рассматриваются опоры с простой геометрией зазора; течение смазки полагается одномерным, ламинарным и изотермическим; не принимается во внимание сжимаемость смазочного материала,в большинстве работ расчет упорных гидростатических подшипников проводится в гидравлической постановке. Поэтому исследование несущей способности и статических характеристик УПЖТ является актуальной научной задачей.
Несущая способность упорных подшипников определяется материалами и конструкцией. Обычно упорный подшипник скольжения состоит из пяты, вращающейся вместе с ротором, и неподвижного подпятника. Широкое распространение получили гидродинамические упорные ПС с макропрофилированием поверхности трения в виде сегментов с наклонными поверхностями, «ступеньками Рэлея» или иным профилем.
Степень совершенства конструкции трибосопряжений ТК принято оценивать расчетом стандартного набора гидромеханических характеристик (ГМХ) [1, 2], позволяющих прогнозировать величину воспринимаемой нагрузки, потери на трение в узле трения, расход смазочного материала, теплонапряженность элементов конструкции, а также решать задачи оптимизации конструктивных параметров. При расчетах были учтены свойства смазочного материала (СМ) и их зависимость от температуры.
Представленная работа содержит результаты расчётного исследования вариантов упорного подшипника малоразмерного турбокомпрессора и предложения по оптимизации конструкции с целью повышения несущей способности. Так же выполнен расчет гидромеханических характеристик существующего подшипника для различных режимов работы с целью повышения его несущей способности.
Моделирование распределения гидродинамических давлений в смазочном слое трибосопряжений осуществлялось на основе реализации численного решения обобщенного уравнения Рейнольдса. Математическое моделирование поверхностей трения трибосопряжения, как поверхностей с фактическим
макрорельефом, выполнено для трех возможных вариантов конструкции.
По результатам исследований представлены рекомендации по изменению геометрических параметров, обеспечивающих заданный уровень несущей способности.
Турбокомпрессоры повсеместно применяются для форсирования двигателя внутреннего сгорания. Применение турбонаддува приводит к увеличению давления и температуры газов в цилиндрах. Соответственно, возрастает количество тепла, которое отводится от деталей цилиндра-поршневой группы в масляную систему и систему охлаждения, что приводит к увеличению общей тепловой нагруженности.
Подшипники скольжения являются элементами, воспринимающими радиальные или осевые нагрузки в турбокомпрессоре. Узлы трибосопряжения определяют надежность турбокомпрессора. По данным из исследований наиболее частой причиной отказа турбокомпрессора является неисправность подшипников скольжения (от 43,8 до 47,9 % случаев).
На гидромеханические эксплуатационные характеристики подшипников скольжения влияет большой спектр параметров: качество смазочного материала, его эксплуатационные параметры; качество сборки, как турбокомпрессора, так и подшипникового узла; балансировка ротора; температурный режим; скоростной и нагрузочный режимы при эксплуатации и т.д.
Турбокомпрессор - это лопастная машина, позволяющая использовать энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси в двигатель
внутреннего сгорания.
Турбокомпрессор (ТКР) состоит из турбинного и компрессорного колес, которые установлены на роторном валу.
Турбокомпрессоры состоят из трёх основных элементов:
- Компрессор, включающий корпус компрессора (1), рабочее колесо (2) и заднюю стенку (3). Компрессор обеспечивает сжатие воздуха на входе в двигатель для увеличения массы свежего заряда.
- Турбина, включающая корпус турбины (4), рабочее колесо (5) и экран (6). Турбина обеспечивает преобразование части тепловой энергии отработавших газов двигателя в механическую работу вращения рабочего колеса. Рабочие колёса компрессора и турбины связаны общим валом - ротором (7), поэтому крутящий момент от рабочего колеса турбины передаётся на колесо компрессора и обеспечивает его работу.
- Корпус подшипников (8), служащий для крепления корпусов компрессора и турбины, а также имеющий места для установки радиальных (9) и упорного подшипников (10) ротора и каналы для подвода масла к ним.
Подшипники ротора во многом определяют надежную работу турбокомпрессора (ТК). Упорный гидродинамический подшипник скольжения ограничивает осевое перемещение ротора и воспринимает осевые нагрузки от газовых сил, действующих на рабочие колёса компрессора и турбины.
Все элементы турбокомпрессора находятся в специальных защитных корпусах. Компрессорное кольцо применяется для всасывания воздушной массы, с дальнейшим ее сжатием и нагнетанием в цилиндры ДВС. Кольца турбокомпрессора установлены на роторном валу, который совершает вращательные движения в плавающих подшипниках. Для более эффективной работы подшипники постоянно смазываются маслом, которое поступает по каналам, расположенным в подшипниковом корпусе. Инженеры, проводившие различные исследование надежности ТКР, сделали выводы: большинство всех отказов турбокомпрессора составляют отказы, связанные с подшипниками скольжения (ПС). Работоспособность подшипников скольжения зависит от смазки трущихся поверхностей. Критериями работоспособности опор скольжения
являются допускаемая температура в рабочей зоне подшипника и минимальная толщина смазочной пленки.
Эксплуатационные характеристики роторных машин во многом определяются работоспособностью роторно-опорных узлов, к которым предъявляются следующие требования: достаточная несущая способность опор при малых габаритах, высокая виброустойчивость на всех режимах работы, минимальное трение и изнашивание рабочих поверхностей в течение заданного ресурса, малый расход смазочно-охлаждающего материала, возможность использования в качестве смазки рабочее тело машины, технологичность и удобство в эксплуатации.
Применение подшипников качения в качестве опор высокоскоростных роторов ограничено их предельной быстроходностью и долговечностью, поэтому широкое применение находят подшипники скольжения, позволяющие обеспечивать надежную работу роторной машины в широком диапазоне частот вращения и нагрузок. Подшипники скольжения являются нестандартными элементами машин, поэтому при проектировании в каждом конкретном случае необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Для восприятия осевых нагрузок распространение получили упорные подшипники жидкостного трения (УПЖТ). Возрастание скоростей вращения, ужесточение требований по габаритам и массе вызывает необходимость проведения комплексного исследования влияния теплофизических свойств и турбулентности смазочного материала, рабочих и геометрических параметров на несущую способность и характеристики упорных узлов роторных машин и разработку рекомендаций по проектированию подшипниковых узлов.
Особенностью моделирования упорных подшипников является сложная геометрия упорной поверхности, а также наличие камер. Работоспособность упорных подшипников определяется, прежде всего, несущей способностью, а также статическими и динамическими характеристиками опоры, расчет которых основывается на знании поля давления в смазочном слое.
В области расчета и проектирования УПЖТ опубликовано значительное количество работ. Однако построенные математические модели и предложенные методики расчета характеристик опор не учитывают ряда специфических, но
важных, с точки зрения проектирования высокоскоростных машин, особенностей функционирования УПЖТ. Так, как правило, рассматриваются опоры с простой геометрией зазора; течение смазки полагается одномерным, ламинарным и изотермическим; не принимается во внимание сжимаемость смазочного материала,в большинстве работ расчет упорных гидростатических подшипников проводится в гидравлической постановке. Поэтому исследование несущей способности и статических характеристик УПЖТ является актуальной научной задачей.
Несущая способность упорных подшипников определяется материалами и конструкцией. Обычно упорный подшипник скольжения состоит из пяты, вращающейся вместе с ротором, и неподвижного подпятника. Широкое распространение получили гидродинамические упорные ПС с макропрофилированием поверхности трения в виде сегментов с наклонными поверхностями, «ступеньками Рэлея» или иным профилем.
Степень совершенства конструкции трибосопряжений ТК принято оценивать расчетом стандартного набора гидромеханических характеристик (ГМХ) [1, 2], позволяющих прогнозировать величину воспринимаемой нагрузки, потери на трение в узле трения, расход смазочного материала, теплонапряженность элементов конструкции, а также решать задачи оптимизации конструктивных параметров. При расчетах были учтены свойства смазочного материала (СМ) и их зависимость от температуры.
Представленная работа содержит результаты расчётного исследования вариантов упорного подшипника малоразмерного турбокомпрессора и предложения по оптимизации конструкции с целью повышения несущей способности. Так же выполнен расчет гидромеханических характеристик существующего подшипника для различных режимов работы с целью повышения его несущей способности.
Моделирование распределения гидродинамических давлений в смазочном слое трибосопряжений осуществлялось на основе реализации численного решения обобщенного уравнения Рейнольдса. Математическое моделирование поверхностей трения трибосопряжения, как поверхностей с фактическим
макрорельефом, выполнено для трех возможных вариантов конструкции.
По результатам исследований представлены рекомендации по изменению геометрических параметров, обеспечивающих заданный уровень несущей способности.
В результате проведенных исследований разработана методика, алгоритм и программное обеспечение для выбора конструкции упорного подшипника ротора ТКР для повышения его несущей способности.
Объектом исследования был выбран упорный подшипник скольжения турбокомпрессора ТКР 8, производства НПО «Турботехника», г. Протвино.
В соответствии с целью и задачами, поставленными в диссертации, выполнена следующая работа:
1) Приведена классификация подшипников жидкостного трения гидростатического и гидродинамического типов (УПЖТ) по принципу действия и конструктивным признакам. А также выполнен анализ современных работ, посвященных исследованию работоспособности УП скольжения малоразмерных ТКР.
2) На основании выполненного обзора разработаны математические модели расчета динамики и смазки трибоспряжений ротора, обеспечивающих заданную несущую способность.
3) Модернизирован алгоритм и программа расчета поля давления в тонком смазочном слое, позволяющий выполнять многовариантные расчеты упорного подшипника произвольной конфигурации.
4) Выполнены параметрические исследования и определены наилучшие геометрические характеристики комбинированного подшипника. Результаты расчетов показали, что наилучшим вариантом конструкции можно считать УП с наклонными в окружном направлении колодками. При этом оптимальный диапазон углов наклона колодок составляет 0,2-0,6 град. Рекомендуемое количество колодок равно 8.
5) Результаты исследований переданы в виде программы и результатов параметрических исследований на НПО «Турботехника» для выполнения стендовых экспериментальных исследования и дальнейшего изготовления ПС для турбокомпрессора ТКР-8.
Объектом исследования был выбран упорный подшипник скольжения турбокомпрессора ТКР 8, производства НПО «Турботехника», г. Протвино.
В соответствии с целью и задачами, поставленными в диссертации, выполнена следующая работа:
1) Приведена классификация подшипников жидкостного трения гидростатического и гидродинамического типов (УПЖТ) по принципу действия и конструктивным признакам. А также выполнен анализ современных работ, посвященных исследованию работоспособности УП скольжения малоразмерных ТКР.
2) На основании выполненного обзора разработаны математические модели расчета динамики и смазки трибоспряжений ротора, обеспечивающих заданную несущую способность.
3) Модернизирован алгоритм и программа расчета поля давления в тонком смазочном слое, позволяющий выполнять многовариантные расчеты упорного подшипника произвольной конфигурации.
4) Выполнены параметрические исследования и определены наилучшие геометрические характеристики комбинированного подшипника. Результаты расчетов показали, что наилучшим вариантом конструкции можно считать УП с наклонными в окружном направлении колодками. При этом оптимальный диапазон углов наклона колодок составляет 0,2-0,6 град. Рекомендуемое количество колодок равно 8.
5) Результаты исследований переданы в виде программы и результатов параметрических исследований на НПО «Турботехника» для выполнения стендовых экспериментальных исследования и дальнейшего изготовления ПС для турбокомпрессора ТКР-8.
