Подшипники с газовой смазкой для турбомашин

А. И. Самсонов




ПОДШИПНИКИ С ГАЗОВОЙ СМАЗКОЙ ДЛЯ ТУРБОМАШИН

Монография

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.431.74
ББК 39.455.5
    С17

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, начальник кафедры судовых котельных, турбинных установок и вспомогательного энергетического оборудования Морского государственного университета
имени Г. И. Невельского Л. И. Сень;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой судовых энергетических установок Дальневосточного государственного рыбохозяйственного университета С. В. Чехранов


    Самсонов, А. И.
С17 Подшипники с газовой смазкой для турбомашин : монография / А. И. Самсонов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 264 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1158-5

     Приведены общие сведения о подшипниках с газовой смазкой, рассмотрены их достоинства и недостатки, перспективы применения в турбомашинах. Составлены математические модели для наиболее распространённых и перспективных типов подшипников для турбомашин. Представлены результаты численных расчётов основных интегральных характеристик (несущей способности, жёсткости, расхода газа на смазку, момента и мощности трения) подшипников с газовой смазкой. Показаны результаты исследований, опыт проектирования и эксплуатации подшипников с газовой смазкой и турбомашин с такими подшипниками на кафедре судовых двигателей внутреннего сгорания и установок Дальневосточного государственного технического университета им. В. В. Куйбышева.
     Для инженеров-механиков, владеющих методикой проектирования, производства и эксплуатации современных узлов трения. Может быть полезно специалистам, занимающимся разработкой турбомашин.

                                                      УДК621.431.74
                                                      ББК39.455.5





ISBN 978-5-9729-1158-5

     © Самсонов А. И., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


     Развитие современного машиностроения связано с ростом скорости роторов, так как это приводит к повышению производительности машин, уменьшению их габаритов, массы. Но при этом растет виброактивность машин. Снижение виброактивности, повышение надежности машин эффективно достигается применением подшипников с газовой смазкой. При этом устраняется масляная система, снижается пожароопасность и возможность загрязнения окружающей среды. По оценкам исследователей [126], до 1/3 мировых энергетических ресурсов расходуется на преодоление трения в той или иной форме. Подшипники с газовой смазкой позволяют минимизировать потери на трение, так как вязкость газов примерно в 1000 раз меньше вязкости масел.
     Турбомашины с подшипниками на газовой смазке выпускаются серийно в различных отраслях техники, в первую очередь, в авиакосмической, станкостроительной [25, 56, 227]. По результатам эксплуатации число отказов подшипников с газовой смазкой составляет 0,2-0,3 на миллион часов работы [334], технический ресурс достигает 100 000 часов.
     Однако, несмотря на очевидные достоинства опор с газовой смазкой распространение их в энергетическом машиностроении идет относительно медленно из-за специфики конструкции и технологических процессов изготовления, недостаточного уровня знаний в области проектирования, изготовления и эксплуатации опор с газовой смазкой. Использование турбомашин с подшипниками на газовой смазке в специальных энергетических установках, в бортовом оборудовании самолетов, космических аппаратах и др. обусловило конфиденциальный характер исследований и опытно-конструкторских работ. Лишь немногие из полученных результатов описаны в технической литературе. На основании опубликованных работ инженеру весьма сложно спроектировать подшипники с газовой смазкой с необходимыми характеристиками для реальной машины. Выходившие в нашей стране небольшими тиражами книги [53, 80, 107, 134, 140, 142, 143, 249, 256], посвященные газовой смазке, к настоящему времени стали библиографической редкостью.
     К тому же в них недостаточное внимание уделяется численным методам расчета подшипников с газовой смазкой, которые в связи с повсеместным распространением компьютеров и увеличением скорости счета становятся наиболее перспективными и удобными для пользователя. В то же время программы расчета характеристик подшипников с газовой смазкой, доведенные до конкретных числовых результатов, становятся «товаром» и использовать их инженеры и студенты, как правило, не могут.
     Монография предназначена для подготовки инженеров-механиков, владеющих методикой проектирования, производства и эксплуатации современных узлов трения, а также может быть полезна специалистам занимающимся разработкой турбомашин. В её основе 30-летний опыт исследований и проектирования подшипников с газовой смазкой в Дальневосточном государственном техническом университете.

3

ГЛАВА 1. ГАЗОВАЯ СМАЗКА В ТЕХНИКЕ


     1.1. Развитие газовой смазки

     История развития газовой смазки начинается с 1854 г., когда Густав Адольф Хирн в работе, опубликованной в Париже, предложил использовать в качестве смазки подшипников воздух [285]. В 1883 г. наш соотечественник П.Н. Петров показал, что главное влияние на трение в подшипнике оказывает не материал смазываемых поверхностей, а слой смазки [132]. Силу трения в цилиндрическом подшипнике при концентрическом положении шипа можно определить по формуле
Fₘ р = 2^LR-,                         (1.1)
c
где ii - динамическая вязкость смазки; ю - угловая скорость шипа; R - радиус подшипника; L - длина подшипника; с - зазор в подшипнике.

     Момент трения в осевом кольцевом подшипнике при отсутствии перекоса определяется по формуле
т =     R 4 - R1⁴),                   (1.2)
2 h
где R2 - наружный диаметр подпятника; R1- внутренний диаметр подпятника; h - фактическая толщина смазочного слоя.

     Эти формулы справедливы и для газов [80]. Вязкость газов, как это видно из рис. 1.1, примерно в 1000 раз меньше вязкости жидкостей, применяемых для смазки. Следовательно, в подшипниках, смазываемых газом, потери на трение, которые становятся весьма существенными с ростом частоты вращения роторов, будут значительно меньше.
     В 1897 г. А. Кингсбюри (США) впервые сконструировал подшипник с воздушной смазкой [293]. Первое теоретическое исследование о влиянии сжимаемости газа на характеристики подпятников и радиальных подшипников бесконечной длины, смазываемых газом, опубликовал в 1913 г. В.И. Гаррисон [282]. В нашей стране С. А. Шейнбергом были продолжены теоретические исследования Гаррисона и в 1949 г. сконструированы и испытаны образцы подшипников, смазываемых воздухом [248, 251].
     Газовая смазка только в последние годы стала находить практическое применение в технике и формироваться в самостоятельную научнотехническую дисциплину. Это связано, с одной стороны, с тем, что технологические возможности машиностроения достигли уровня, позволяющего экономично изготавливать детали подшипников с необходимой степенью точности чистотой поверхности, с другой - с бурным развитием новых областей техники, особенно ядерной, космической, криогенной, в которых предъявляются повышенные требования к опорам.


4

      Удовлетворить этим требованиям в случае применения традиционных подшипников качения или скольжения с жидкостными смазками сложно по техническим и экономическим соображениям. Поэтому внимание конструкторов обращается в сторону газовой смазки. Газы обладают некоторыми, только им присущими достоинствами. Малая вязкость газов позволяет осуществлять высокие скорости вращения при незначительных потерях на трение и малом повышении температуры смазки и опор. С повышением температуры вязкость жидкостей резко падает, а вязкость газов несколько увеличивается.


Рис. 1.1. Зависимость динамической вязкости и от температуры для различных газов и жидкостей

5

     Вязкость газов в пределах диапазона давлений в подшипнике практически не зависит от давления (рис. 1.2). Газы сохраняют стабильность физикохимических свойств в широком интервале температур и под действием радиации. В отличие от жидкостной смазки газы являются некавитирующей средой. Благодаря сжимаемости газа, колебания, генерируемые ротором, при работе гасятся и ослабленными передаются на опоры и корпус машины.
     Применение газовых подшипников позволяет использовать в качестве смазки рабочее вещество турбомашин, что особенно важно для установок, работающих по закрытому циклу. При этом по сравнению с обычной масляной смазкой достигается ряд преимуществ, а именно:
     •  уменьшается загрязнение рабочего вещества и окружающей среды;
     •  происходит уменьшение температурных градиентов в машине, так как подшипники работают при температуре, близкой к температуре турбины;

     •  устраняются уплотнения подшипников, которые, как правило, являются одним из не надежных узлов машины, вследствие чего увеличивается надежность машин, уменьшаются осевые размеры ротора, упрощается конструкция машины;
     •  уменьшается пожарная опасность, габарит, масса и стоимость машины.

Рис. 1.2. Зависимость вязкости воздуха от температуры

при различных давлениях

     В табл. 1.1 приведены типы машин и отрасли промышленности, для которых важны те или иные свойства подшипников с газовой смазкой [221].

6

Таблица 1.1
Турбомашины с подшипниками на газовой смазке

                                                  Виды машин                        
Преимущества   Промышленность           Турбоком- Генерато- Эл. двига-    Другие   
                                Турбины прессоры     ры        тели                
              Судостроительная, Х           Х     Х         Х              ---     
              Авиационно-                                                          
              космическая,      Х           Х     Х            ---      Детандеры, 
              Химическая,          Х        Х        ---    Х          Центрифуги, 
 Отсутствие   Пищевая,            ---       Х        ---       ---        Дрели,   
 загрязнения    Медицинская,    Х           Х        ---       ---       Насосы,   
рабочего тела     Атомная,      Х           Х     Х         Х           Центрифуги 
              Фармацевтическая,   ---       Х     _         Х              ---     
               Энергетическая,  Х           Х     Х                        ---     
              Холодильная         ---       X                  ---      Детандеры  
              Авиационно-                                                          
 Способность  космическая,         Х        Х     Х                     Детандеры  
работать при      Атомная,      Х           Х     Х         Х             Насосы   
  низких и    Холодильная,        ---       Х        ---       ---         ---     
   высоких      Коммунальных      ---      ---       ---       ---         ---     
температурах  сооружений           Х        Х     Х            ---      Детандеры  
  Стойкость       Атомная,         Х        Х     Х         Х              ---     
              Космическая,      Х           Х     Х         Х                      
   против       Коммунальных      ---      ---       ---       ---                 
  радиации    сооружений           Х        Х     Х            ---                 
              Судостроительная, Х           Х     Х         Х              ---     
              Авиационно-                                                  ---     
   Высокая      космическая,       Х        Х     Х         Х          Воздуходувки
надёжность и       Легкая,      Х           Х     Х         Х                      
долговечность     Атомная,         Х        Х     Х         Х            Шпиндели  
              Текстильная       Х          ---       ---       ---         ---     
              Авиационно-                                                          
   Высокое    космическая,      Х           Х     Х         Х              ---     
    число         Атомная,         Х        Х     Х         Х          Центрифуги, 
  оборотов    Холодильная          Х        Х     Х         Х           Детандеры  

Знак «х» обозначает, что данное свойство является важным для машины

      Проектированием и производством турбомашин с опорами на газовой смазке занимаются такие известные фирмы, как General Electric, Mechanical Technology Jnc, The Garret Corporation, General Motors Corp, Societe Rateau, Softair, Rolls-Roycc, Ltd, Motoren und Turbinen Union, Crysler, Westwind.


7

     1.2. Газодинамические подшипники


      Подшипники с газовой смазкой по принципу создания несущей способности разделяются на две основные группы: газодинамические - с внутренним нагнетанием давления и на подшипники с внешним наддувом газа (часто называемые газостатическими) - с внешним нагнетанием давления.
      В газодинамических подшипниках повышенное давление в смазочном слое и несущая способность возникают благодаря вязкости газа и его движению в тонком слое переменной толщины, которое происходит при относительной скорости поверхностей, образующих этот слой. Здесь не требуется специальной подачи смазки. Поэтому такие подшипники иногда называют самопод-держивающимися.
      Газодинамические подшипники можно разделить на две разновидности: с продольным и поперечным перемещением поверхностей смазочного слоя. Подшипники, в которых несущая способность создается за счет поперечного перемещения поверхностей, называют вибронесущими. Вибронесущие подшипники находят применение в акселерометрах, реверсивных машинах малой мощности. Они имеют небольшую несущую способность, которая создается высокочастотными колебаниями с незначительной амплитудой по направлению нормали к их несущей поверхности (рис. 1.3).


Рис. 1.3. Вибронесущий подшипник: стрелками показано направление поперечных перемещений подшипника или цапфы

     По конструктивному выполнению газодинамические подшипники можно классифицировать следующим образом:
     •   по геометрическим признакам - цилиндрические, плоские, конические, сферические, полусферические;
     •   по воспринимаемой нагрузке - радиальные, радиально-осевые, осевые;
     •   по характеру выполнения несущих поверхностей - цельные и разрезные (сегментные), гладкие и с рельефом, одноцентровые, с жесткими рабочими поверхностями и с упругими;
     •   по характеру крепления подшипников в корпусе - с жестким и с эластичным креплением, с креплением типа кардана.


8

     Газодинамические подшипники с жесткими рабочими поверхностями (рис. 1.4) находят применение в основном в гироскопах и других приборах, где есть высокие скорости при малых нагрузках на подшипники.


Рис. 1.4. Газодинамические подшипники с жёсткими рабочими поверхностями: а - гладкий цилиндрический; б - конусный; в - катушечный; г - сферический; б - полусферический; е - осевой со спиральными канавками; ж - радиальный с шевронными канавками; з - многоклиновой; и - многоцентровой;
к - сегментный

      Несущая способность за счет газодинамического эффекта возникает при зазорах между цапфой и втулкой подшипника меньше 10-15 мкм, поэтому применение таких газодинамических подшипников в турбомашинах, станках практически невозможно из-за возможных деформаций и температурных расширений, возникающих при эксплуатации.
      Разработка на ЭВМ лентопротяжных механизмов и устройств для магнитной записи на гибких лентах стимулировала появление ленточных газовых подшипников с внешним и внутренним нагнетанием газа. Податливость ленты позволяет легко отслеживать форму и колебания цапфы, поэтому в таких подшипниках можно обеспечить требуемые для получения газодинамического эффекта малые зазоры между цапфой и лентой при значительно менее жестких

9

требованиях к точности изготовления деталей, точности сборки и возможным деформациям машины во время эксплуатации.
     Схематическое изображение ленточного подшипника показано на рис. 1.5, а.
     Здесь упругая лента тремя участками охватывает цапфу. Такие подшипники, где лента крепится с двух сторон, в турбомашинах распространения не получили, вследствие вытягивания лент и неспособности их к компенсации перекосов. Более перспективными для турбомашин являются подшипники с лентой, закрепленной одним концом, которые принято называть лепестковыми газодинамическими подшипниками (ЛГП).
     Первая конструкция ЛГП запатентована в 1963 г. Д. Марлеем, сотрудником фирмы The Garret Corporation, США, (рис. 1.5,6). Корпус подшипника -цилиндрическая втулка 1 с двумя подшипниками, расположенными у ее торцов. Лепестки 2, изготовленные из металлической ленты с антифрикционным покрытием, винтами 3 жестко закреплены на лысках корпуса. Свободные концы лепестков проходят через пазы корпуса в его расточку, упруго охватывая цапфу 4. Начальный натяг лепестков на цапфу возникает вследствие того, что радиус лепестков до их установки в зазор между втулкой и цапфой превышает радиус цапфы. Стремясь распрямиться, деформированный при сборке лепесток прижимается к цапфе средней частью, образуя по обе стороны от зоны контакта конфузорные и диффузорные участки.


Рис. 1.5. Упругогазодинамические подшипники: а-ленточный: 1 - цапфа, 2 - лента; б - лепестковый: 1 - втулка, 2 - лепесток, 3 - винт, 4 - цапфа

     При вращении вала в клиновом зазоре между поверхностью цапфы и лепестками на конфузорном участке создаются зоны повышенного давления и вал «всплывает» на газовом слое. Вследствие силы тяжести нагрузка на нижние лепестки больше, чем на верхние. Цапфа в подшипнике располагается с эксцентриситетом, прогиб нижних лепестков больше, угол конфузорности зазора на этих лепестках меньше, зазоры между цапфой и нижними лепестками минимальны, а давление, уравновешивающее нагрузку, максимально.


10