ПРИМЕНЕНИЕ УПОРНЫХ ЛЕПЕСТКОВЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТУРБОМАШИНАХ
ПРИМЕНЕНИЕ УПОРНЫХ ЛЕПЕСТКОВЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТУРБОМАШИНАХ
Золкин Д.О.
ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева» г. Орел, Россия
Современные тенденции развития машиностроения требуют разработки роторных машин с высокой производительностью и повышенными требованиями по работоспособности. Увеличение единичной мощности турбоагрегата в первую очередь связано с необходимостью обеспечения его высокой надежности. Это достигается применением оптимальных конструктивных решений, тщательностью обработки отдельных узлов, качественным их изготовлением и высоким уровнем эксплуатации.
В процессе работы роторных машин на опорные узлы помимо радиальных сил действует осевая сила, вызванная внешней нагрузкой, а также разностью давлений в полостях насосов, турбины и уплотнений.
Одним из важнейших узлов осевой роторной машины (осевого компрессора, турбодетандера, центробежного насоса) является осевой подшипник. Даже незначительное повреждение или небольшое отклонение от нормальной работы приводит к необходимости остановки всего турбоагрегата. Поэтому осевой подшипник должен обладать такой несущей способностью, которая обеспечивала бы безаварийную работу при любых возможных режимах эксплуатации турбоагрегата [1, 2]. Повышение полезной мощности может быть достигнуто двумя путями: 1) увеличение габаритов агрегата; 2) увеличение частоты вращения ротора. Первый путь приемлем, если мы имеем дело со стационарным турбоагрегатом (турбогенератор). В условиях жестких требований к массогабаритным характеристикам в турбоагрегатах ракетно-космической и авиационной техники, единственным путем увеличения полезной мощности остается второй путь.
При высокой частоте вращения ротора в этих машинах (100 тыс. об/мин и более) подшипниковые узлы являются основным фактором, обеспечивающим надежность и ресурс в условиях длительной эксплуатации.
В технике широкое распространение получили подшипники качения, которые не удовлетворяют предъявляемым требованиям долговечности в этих условиях. При высоких частотах вращения ресурс работы таких подшипников составляет от нескольких тысяч часов до нескольких минут. Помимо этого, подшипники качения могут загрязнять рабочую среду парами масла, снижая эффективность работы всей установки.
Подшипники с жидкостной смазкой не имеют таких ограничений по ресурсу работы, как подшипники качения, однако требуют специальной системы для принудительной подачи смазки (жидкости) в рабочий зазор. Смазка может сильно загрязнять рабочий газ и ее физические свойства могут зависеть от температуры подшипников.
Перспективными для применения в высокоскоростных турбомашинах являются подшипники скольжения с газовой смазкой. В настоящее время наибольшее распространение получили подшипники скольжения следующих типов: газостатические с принудительным наддувом газа в рабочий зазор, газодинамические с самоустанавливающимися вкладышами без наддува, газостатодинамические, а также подшипники с упругодеформируемыми поверхностями – лепестковые газодинамические подшипники (рис. 1,б). Применение подшипников скольжения с газовой смазкой позволяет решать многие проблемы высокоскоростных турбомашин [3].
На рис. 1,а показан высокоскоростной турбодетандер. Этот тип турбомашины работает при более высоких скоростях и температурах с более низким весом и трением чем обычные двигатели с жидкостной смазкой.
а) б)
Рис. 1. Высокоскоростная турбомашина на опорах с газовой смазкой
Несущая поверхность подпятника образована рядом лепестков. Каждый лепесток вместе с подкладным сегментом приваривается к основанию подшипника - кольцевой плате. На поверхность лепестка, обращенную к пяте, наносится антифрикционное покрытие [4]. Рабочие участки лепестков частично перекрывают друг друга, образуя непрерывный ряд клиновых поверхностей, благодаря которым при вращении пяты возникают зоны повышенного давления, образующие несущий газовый слой. При нагружении ротора осевой силой пята через несущий газовый слой воздействует на подпятник и упругие лепестки деформируются. При дальнейшем увеличении нагрузки вместе с лепестками деформируются подкладные гофрированные элементы, которые добавляются в конструкцию подпятника для задания определенных характеристик жесткости. В результате деформаций упругих элементов жесткость подпятника возрастает и несущая поверхность не вырождается в плоскость, а продолжает сохранять оптимальную клинообразную форму, позволяющую получать большую несущую способность.
На основе вышесказанного, можно выделить следующие достоинства лепестковых подшипников:
Возможность работы при практически неограниченной скорости вращения ротора;
Малая мощность трения;
Сниженные требования к точности изготовления подшипника;
Полное отсутствие систем подачи и охлаждения смазки;
Малая чувствительность к тепловым деформациям, дисбалансу ротора и пыли;
Кратковременные контакты ротора и лепестков не приводят к выходу подшипника из строя.
К недостаткам лепестковых подшипников можно отнести износ антифрикционного покрытия при пуске и остановке машины, а также относительно низкую (по сравнению с газостатическими опорами и тем более с подшипниками качения) несущую способность.
Ужесточение требований по надежности ресурсу, массогабаритным характеристикам одновременно ведет к возрастанию энергонапряженности турбомашин. Вышеизложенное актуализует совершенствование опорных узлов с помощью современных достижений научной мысли.
Литература
Сережкина
, Л.П. Осевые подшипники мощных паровых турбин [Текст]/ Л.П. Сережкина, Е.И. Зарецкий. – М.: Машиностроение, 1988. – 176 с.: ил.
Спицын, Н.А. Опоры осей и валов машин и приборов [Текст] / Н.А. Спицын. – М.: Машиностроение, 1970. – 520 с.
Ермилов Ю.И. Теоретическое и экспериментальное определение предельной несущей способности осевых лепестковых газодинамических подшипников.
Дисс
… канд.
техн
. наук. –
Москва, 2005. – 157
с.
Воронин Н. А., Семенов А. П. Смазочные покрытия газодинамических подшипников. М.: Наука, 1981. – 88 с.
