Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

РАСЧЕТ ГИБРИДНОГО ТРЕХЛЕПЕСТКОВОГО ГАЗОСТАТИЧЕСКОГО ПОДШИПНИКА

Булат М.П. 1 Продан Н.В. 2
1 ЗАО «Бизнес Компьютер Центр»
2 ООО «Проблемная лаборатория «Турбомашины»
В перспективных многорежимных летательных аппаратах планируется использовать комбинированные турбо-прямоточные и турбо-ракетные двигатели. Применение технологии бесконтактных опор позволит существенно повысить ресурс работы таких важных частей, как компрессоры и турбонасосные агрегаты. На данный момент в мире в авиакосмической технике наиболее распространены не газостатические, а газодинамические подшипники. Они характеризуются наличием поддерживающего слоя различных конструкций, который обеспечивает работоспособность роторов на запуске и остановке. Главная проблема подшипника данного типа помимо сложности конструкции состоит в изнашиваемости этого поддерживающего слоя. Газостатический подшипник лишен подобного недостатка, так как физический контакт твердых поверхностей между собой отсутствует. В данной статье приведены результаты расчета гибридного подшипника, сочетающего в себе обе технологии. Рассмотрены зависимости основных параметров от скорости вращения вала, а также исследована аэродинамическая устойчивость колодок на разных режимах работы.
газостатический подшипник
газодинамический подшипник
гибридный подшипник
колодка гибридного подшипника
1. Бесчастных В.Н., Равикович Ю.А. Газовый подшипник тяжелого ротора газотурбинных двигателей. Опыт разработки и перспективы внедрения // Вестник МАИ. – 2010. – Т. 17, № 3. – С. 84–94.
2. Бесчастных В.Н., Равикович Ю.А. Определение статической грузоподъемности сегментного газостатического подшипника // Вестник МАИ. – 2009. – Т.16, № 1. – С. 91–98.
3. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. Особенности применения моделей турбулентности при расчете течений в сверхзвуковых трактах перспективных воздушно-реактивных двигателей // Двигатель. – 2012. – № 1. – С. 20–23.
4. Листопадов И.В., Шершнев Б.Б. Моделирование сегментного газового подшипника // ANSYS Solutions. Русская редакция. – 2006. – С. 43–45.
5. Усков В.Н., Булат П.В. Об исследовании колебательного движения газового подвеса ротора турбохолодильных и детандерных машин. Часть I. Постановка задачи // Вестник МАХ. – 2012. – № 3. – С. 3–7.

В течение нескольких последних десятилетий в ряде стран мира активно разрабатываются подшипники на газовой смазке. Получен достаточный опыт создания подобных устройств небольших размеров. К сожалению, влияние масштабного фактора не позволяет непосредственно использовать данный опыт при проектировании опор крупных роторов. Главной технической задачей, которую приходится решать при применении газовых подшипников, является обеспечение высокой эксплуатационной надежности работы в условиях вибраций и перегрузок, существенное повышение грузоподъемности подшипников.

По принципу создания подъёмной силы все подшипники делятся на газостатические (подъёмная сила создаётся подаваемым внешним устройством под избыточным давлением воздухом), газодинамические (подъёмная сила создаётся за счёт взаимодействия движущихся частей вала и подшипника с вязким тонким слоем), а также гибридные (имеют место оба эффекта). Газодинамические (ГДП) опоры применяются в малоразмерных высокооборотных роторных машинах и характеризуются наличием поддерживающего слоя различных конструкций в виде сотовых вставок или свёрнутых лент, лепестков, которые обеспечивают работоспособность роторов на запуске и торможении. Помимо высокой технологической сложности подобной конструкции, требующей для обеспечения пожаробезопасности использования специальных материалов, существует проблема снижения ресурса при старте и торможении ротора. ГДП создаёт достаточную подъёмную силу только при достижении частоты вращения 20 % от максимальной. До этого подшипник работает в режиме сухого трения. При каждом старте и торможении происходит износ антифрикционного покрытия, которое наносится на поверхность лепестков, контактирующих с валом, поэтому ресурс такой опоры прямо зависит от режима работы и количества стартов и торможений. Однако главный их недостаток – небольшая грузоподъемность. Максимальный вес известных роторов на газодинамических опорах не превышает 20 кг, ресурс 30–40 тыс. часов. Газостатические подшипники (ГСП) свободны от указанных недостатков, т.к. физический контакт твердых поверхностей между собой вообще отсутствует, а грузоподъемность зависит только от давления подаваемого воздуха. Таким образом, повышенный расход воздуха в ГСП удачно компенсируется абсолютной пожаробезопасностью, а также ресурсом, не зависящим от числа стартов и торможений.

Последнее объясняется тем, что подъемная сила, создаваемая поддувом газа под давлением, слабо зависит от частоты вращения вала. Вал может вывешиваться на воздушном подвесе, а уже затем раскручиваться. При торможении скорость вращения может быть погашена до 0, после чего вал можно опустить на опору путём уменьшения давления поддува.

Технология гибридного ГСП

На современном этапе развития аэрокосмической техники ведется разработка принципиально новых комбинированных воздушно-реактивных двигателей, которым приходится работать в широком диапазоне параметров [3]. Особые требования предъявляются к конструкции узлов трансмиссий таких моторов. Желательным является исключение из состава трансмиссий систем масляной смазки. Одним из перспективных направлений работ в данной сфере считается разработка бесконтактных подвесов роторов турбомашин [1].

Принцип работы классического газостатического подшипника рассмотрен в работе [5]. В ряде работ предлагается использовать вкладыши, один край которых не закреплён и может перемещаться под воздействием сил давления. В результате того, что вкладыш разворачивается вокруг закреплённой оси, его поверхность оказывается под углом атаки к набегающему потоку (рис. 1). Это создаёт аэродинамическую силу.

Сила тем больше, чем выше скорость вращения. Такие подшипники называются гибридными с самоустанавливающимися вкладышами. При больших скоростях вращения вала их работа подобна многоклиновому ГДП. Перемещение вала приводит к изменению нагрузки на вкладыши, в результате чего они поворачиваются на некоторый угол, что, в свою очередь, приводит к изменению давления в соответствующих областях смазочного слоя. Таким образом, ГСП с самоустанавливающимися вкладышами имеют определенный диапазон саморегулирования, что снижает требования к системе управления. На рис. 2 представлена схема колодки, расчет которой производился. Колодка закрепляется в центре шарнира и имеет возможность вращаться относительно него. Примеры расчета лепестковых газовых подшипников, постановку задачи можно увидеть в работе [2].

pic_2.tif

Рис. 1. Корпус опоры с установкой пяти колодок на сферических шарнирах, e – эксцентриситет сегмента

Расчет гибридного трехлепесткового ГСП

Постановка задачи состоит в следующем. Необходимо исследовать зависимость параметров самоустанавливающегося вкладыша ГСП от скорости вращения вала при фиксированном угле установки вкладыше к поверхности вала.

pic_3.tif

Рис. 2. Схема колодки

Исходные данные:

• Средний зазор (по плоскости, соединяющей оси вращения вала и шарнира) 20 мкм, выходной зазор – 10 мкм.

• Давление по контуру сегмента равно атмосферному.

• Давление в подводящих каналах – 0,4 МПа.

• Скорость вращения вала: 3000, 6000, 12000, 24000 об./мин.

• 3D-модель представлена на рис. 3. Колодки отличаются размерами подводящей системы и соплами. Колодка № 1 имеет прямое щелевое сопло 1 и криволинейное щелевое сопло 2 одинаковой ширины – 2 мм. Диаметр подводящего дросселя – 1 мм. У колодки № 2 ширина прямого щелевого сопла – 2,8 мм, ширина криволинейного щелевого сопла – 2 мм, диаметры дросселей – 2 и 1,6 мм соответственно.

Результаты исследования сходимости и распределения давления в зависимости от скорости вращения вала

Результаты расчетов в зависимости от скорости вращения вала представлены на рис. 4–5.

pic_4.tif

Рис. 3. Трехмерная модель ГСП с самоустанавливающимися вкладышами

pic_5.tif

Рис. 4. Зависимость равнодействующей силы давления, проходящей через центр вращения вала и центр вращения шарнира, от частоты вращения вала

pic_6.tif

Рис. 5. Зависимость расхода газа от частоты вращения вала

Большее значение грузоподъемности второй колодки объясняется большим расходом газа через дроссели.

Зависимость момента на колодке от частоты вращения вала

Согласно схеме, представленной на рис. 2, положительное значение главного момента сил давления, действующих на колодку, принято для вращении колодки по часовой стрелке, отрицательное – против. На рис. 6 видно, что на малых скоростях вращения момент сил давления стремится развернуть колодку в сторону увеличения угла атаки. На больших скоростях знак момента меняется. Таким образом, установленный с незакрепленной осью вращения вкладыш обладает определенным диапазоном саморегулирования благодаря изменению угла атаки в зависимости от частоты вращения.

Результаты расчета колодок сведены в таблицу.

Результаты расчетов

 

Расчетная область с зазором 1 мм

Расчетная область с зазором 2 мм

Частота оборотов вала, об/мин

3000

6000

12000

24000

3000

6000

12000

24000

Расход газа Q, г

0,68

0,67

0,65

0,60

1,26

1,44

1,28

1,07

Момент относительно шарнира М, Н∙м

2,629

2,654

0,498

‒6,242

10,518

12,637

10,200

0,190

Сила давления вдоль оси, проходящей через центр вращения вала и центр вращения шарнира Fш, Н

782

822

972

1333

1258

1080

1274

1636

Главный вектор сил давления F, Н

772

811

952

1287

1260

1092

1275

1601

pic_7.tif

Рис. 6. Зависимость главного момента относительно шарнира от частоты вращения вала

Рецензенты:

Баранов И.В., д.т.н., профессор, заместитель директора Института холода и биотехнологий ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург;

Пеленко В.В., д.т.н., профессор, заместитель директора по учебной работе Института холода и биотехнологий ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 08.02.2013.


Библиографическая ссылка

Булат М.П., Продан Н.В. РАСЧЕТ ГИБРИДНОГО ТРЕХЛЕПЕСТКОВОГО ГАЗОСТАТИЧЕСКОГО ПОДШИПНИКА // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4-2. – С. 272-275;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31181 (дата обращения: 19.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074