Разработка и экспериментальные исследования высокоскоростных радиально-осевых конических и упорных подшипников скольжения для центробежных компрессоров

Тенденция непрерывного роста единичной мощности различных агрегатов, например, турбокомпрессоров, турбохолодильных машин, высокоскоростных мультипликаторов и насосов, газовых турбин и других, потребовала усовершенствования известных и разработки новых конструкций опор скольжения, которые определяют надежность и долговечность машин в целом.

Опоры роторов большинства этих агрегатов нагружены относительно слабо, но валы имеют высокие окружные скорости вращения, достигающие 100 м/с и более. В этих условиях в смазочных слоях подшипников возникают высокие температуры (~ 110. 120°С), течение смазки становится существенно неизотермичным, а детали подшипников из-за наличия больших температурных градиентов подвержены температурным деформациям. При этом потери в подшипниках составляют основную часть механических потерь турбоагрегатов. Например, абсолютная величина потерь в подшипниках турбины К-500−65/3000 достигает 4,8 МВт. Для обеспечения нормальной работы подшипников служит разветвленная система маслоснабжения, включающая в себя емкости для масла, воздухоотделители, насосы смазки, маслоохладители, контрольно-измерительную аппаратуру, автоматические системы, фильтры грубой и тонкой очистки, арматуру и соединяющие трубопроводы. Поэтому уменьшение потерь в подшипниках позволяет не только повышать экономичность агрегатов, но и сокращать стоимость и массогабаритные показатели маслохозяйства. Критериями работоспособности высокоскоростных опор являются не только минимальная толщина смазочного слоя, но и максимальная температура и потери мощности на трение.

Хотя в литературе к настоящему времени опубликовано большое количество работ, учитывающих неизотермичность течения смазки, использование их результатов на практике затруднительно. Дело в том, что во многих работах исследуется та или иная модель контакта, а в других используется нереалистичные тепловые граничные условия. Высокоскоростные опоры скольжения сложны по конструкции, их поверхности представляют собой многосвязные области, работающие в различных условиях. Поэтому инженерам-конструкторам необходимо предоставить достаточно полный материал для расчета и проектирования высокоскоростных опор скольжения различных конструкций, дать методы расчета и таблицы безразмерных параметров, позволяющих свести сложный гидродинамический расчет к простым вычислениям.

Важнейшей проблемой является также обеспечение устойчивости вращения роторов высокоскоростных агрегатов. Данные эксплуатации, а также многочисленные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что обычные цилиндрические подшипники не обеспечивают безвибрационную работу высокоскоростных турбомашин, где основными 8 источниками вибрации являются автоколебания роторов на смазочном слое подшипников и высокий уровень динамической нагрузки, вызванной остаточной неуравновешенностью роторов. Эффективным способом расширения диапазона устойчивой работы системы «ротор-подшипники» является использование так называемых виброустойчивых опор, например, многоцентровых подшипников, подшипников е самоустанавливающими подушками, а также упруго-демпферных опор, обеспечивающих наибольший запас устойчивости. В центробежных компрессорах с многоколесными роторами наиболее перспективным является применение двухсторонних конических подшипников скольжения с профилированными рабочими поверхностями или с самоустанавливающимися подушками. Профилированные рабочие поверхности или самоустановка подушек обеспечивают устойчивость ротора и совместно с «нерабочей» стороной подшипника обладают достаточными демпфирующими свойствами. Кроме того, конические подшипники конструктивно более просты, имеют меньшие габариты, вес и потери мощности на трение по сравнению с традиционными опорно-упорными подшипниками. Более чем вдвое сокращается использование дорогостоящего баббита марки Б83 и номенклатура деталей.

Следующей актуальной задачей является разработка реверсивных опорных и упорных подшипников скольжения с самоустанавливающимися подушками, у которых опоры качания (сфера, радиальное ребро и т. п.) располагаются в среднем сечении подушек.

Такая конструкция обеспечивает одинаковую работоспособность подшипников в обоих направлениях вращения ротора.

Классическая гидродинамическая теория смазки для реверсивных опор дает нулевую несущую способность, т. е. не объясняет механизм их работоспособности. Между тем, опыт показывает, что такие подшипники надежно работают в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

Термоупруго гидродинамический (ТУГД) анализ показал [1], что несущая способность реверсивных подушек с первоначально плоскими поверхностями возникает под действием двух эффектов:

— изменения вязкости смазки в слое в зависимости от температуры;

— термоупругих деформаций поверхностей трения.

Второй эффект играет преобладающую роль в обеспечении работоспособности реверсивных подшипников. Однако для подушек с первоначально плоскими поверхностями он возникает только в рабочем режиме и является неуправляемым. Поэтому наиболее целесообразным является придание поверхностям скольжения некоторой кривизны уже в стадии изготовления, при которой образуется геометрия смазочного слоя с криволинейными стенками.

Одним из вариантов является изготовление реверсивных подушек в форме конического сектора, рабочая поверхность которых выполнена с большим радиусом кривизны, чем кривизна конической поверхности упорного диска. Такой подшипник может быть изготовлен на обычных станках, а выбирая оптимальную разность кривизны и углов конусности рабочих поверхностей, можно обеспечить требуемые характеристики подшипника в широком диапазоне изменения режимов работы, сорта смазки, действующих нагрузок, что особенно важно при унификации опор скольжения.

Проведенные расчеты, подтвержденные экспериментами [2], показали, что при равных радиальных размерах и режимах работы упорные подшипники с коническими реверсивными подушками с кривизной рабочей поверхности, отличной от кривизны поверхности упорного гребня, имеют несущую способность почти в 2 раза большую, чем подшипники с первоначально плоскими подушками.

Несмотря на приведенные очевидные преимущества, конические подшипники скольжения в центробежных компрессорах не нашли широкого применения. Это объясняется ограниченными данными по теории и методике их расчета, а также отсутствием конструктивных решений.

Поэтому настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию, разработке инженерной методики расчета и рекомендаций к проектированию радиально-осевых конических подшипников скольжения для условий работы, максимально приближенных к эксплуатационным, высокоскоростных центробежных компрессоров, а также исследованиям влияния способов подвода смазки и материалов подушек на характеристики упорных подшипников скольжения.

Работа состоит из четырех глав, заключения и библиографии.

В первой главе приводится анализ существующих конструкций и современных методик расчета конических подшипников скольжения различных конструкций.

Приводится математическая формулировка стационарной задачи адиабатного течения смазки в конических подшипниках скольжения, а также выражение для формы смазочного слоя с учетом кривизны рабочих поверхностей подушки и шипа, предварительного нагруже-ния, угла поворота подушки и температурных деформаций.

Излагаются алгоритмы решений поставленных задач. Обсуждаются и анализируются результаты решений.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию конических подшипников скольжения. Приведены описание экспериментального стенда, программа и методика исследований, оценка погрешности измерений. Приводится сравнение экспериментальных данных с результатами теоретических исследований.

Отдельно излагаются результаты экспериментальных исследований упорных подшипников с самоустанавливающимися подушками с различными способами подвода смазки и антифрикционными материалами.

В третьей главе излагаются результаты промышленных испытаний двухсторонних конических подшипников с самоустанавливающимися подушками на центробежном компрессоре ЦК-135/8, а также сравнительные испытания влияния способов подвода смазки к упорным подшипникам на их характеристики и сравнительные испытания антифрикационных материалов подушек.

В четвертой главе приводятся инженерные методики расчета конических подшипников скольжения с учетом их конструктивных особенностей.

Работа выполнена в ЗАО «НИИтурбокомпрессор» им. В. Б. Шнеппа (г.Казань) и Казанском государственном технологическом университете.

Диссертация содержит 166 страниц текста, 107 рисунков, 10 таблиц и 75 наименований библиографии.

4.3. ВЫВОДЫ.

1. Разработаны инженерные методики расчета однои двусторонних конических подшипников с самоустанавливающимися подушками. В основу методик положены таблицы безразмерных характеристик подушек, позволяющие провести сложные расчеты подшипников сравнительно простыми средствами, а также учитывать температурные деформации.

2. Рассмотрены практические вопросы конструирования подшипников и даны примеры конструкций для центробежных компрессоров.

3. Конструкция КПСП защищена патентами РФ (см. приложения 1 и 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен комплекс исследований по разработке новой конструкции, всесторонним исследованиям и внедрению в центробежном компрессоре ЦК-135/8 двустороннего сегментного конического подшипника скольжения с самоустанавливающимися подушками (ДКПССП).

2. Выполнен подробный патентный поиск, литературный обзор по конструкциям и методам расчета конических подшипников скольжения, разработаны алгоритм, программа и инженерный метод расчета однои двусторонних конических подшипников скольжения с самоустанавливающимися подушками.

3. Разработаны, изготовлены и испытаны натурные образцы гибкого ротора с двумя коническими дисками, опорного и двустороннего конического подшипника скольжения с самоустанавливающимися подушками.

4. Проведены сравнительные испытания вновь созданных подшипников со штатными: опорным цилиндрическим, установленным в упруго-демпферную опору конструкции П. Л. Капицы и опорно-упорным катушечного типа с опорным цилиндрическим и двусторонним упорным подшипником с самоустанавливающимися подушками.

5. Показано, что благодаря установке ДКПССП удалось почти вдвое уменьшить уровень вибрации ротора, на 25−30% уменьшить температуру в смазочных слоях подушек.

6. Испытания подтвердили высокую демпфирующую способность созданного двустороннего сегментного конического подшипника скольжения.

7. Учитывая вышеперечисленные преимущества, рекомендуется внедрение двусторонних конических сегментных подшипников скольжения с самоустанавливающимися подушками в центробежных компрессорах высокого и низкого давлений с концевыми лабиринтными или щелевыми газовыми уплотнениями, не обладающих достаточной демпфирующей способностью.

8. Внедрение ДКПССП позволит также сократить массо-габаритные показатели компрессоров, потери мощности на трение и необходимый расход смазки.

9. Сравнительные испытания различных способов подвода смазки на экспериментальном стенде и на натурном центробежном компрессоре показали безусловное преимущество индивидуального подвода смазки к каждой подушке подшипника. При этом потери мощности на трение и расход смазки сокращаются почти вдвое, что позволяет увеличить КПД центробежных компрессоров на 1.5% в зависимости от потребляемой мощности. Увеличивается также надежность работы подшипников за счет снижения температур рабочих поверхностей.

Основная идея такого способа подвода — исключение «дисковых» потерь, т. е. потерь на трение о масло нерабочих вращающихся поверхностей подшипника-должна стать одним из основных принципов при проектировании подшипников скольжения различных типов.

Конструкция упорного подшипника с индивидуальным подводом смазки защищена патентом РФ (см. приложение 2).

10. Эксперименты также показали, что в подшипниках скольжения дорогостоящий баббит Б-83 без ущерба для качества работы может быть заменен на порошковые материалы, например, на ЖГрЗДЗ. Использование методов порошковой металлургии позволит снизить себестоимость подшипников, повысить технологичность и ремонтопригодность. При этом коэффициент использования материала практически равен единице.

Таким образом, в результате проведенных исследований, испытаний, расчетов на ЭВМ и обобщения полученного эксплуатационного опыта разрабо тан новый тип подшипника с самоустанавливающимися подушками, конструкция которого защищена патентом РФ (см. приложение 1). Основной принцип работы проверен как экспериментально, так и аналитически. Новый подшипник имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными подшипниками. а именно: а) он проще и компактнееб) потери мощности и соответственно расход масла, требующийся для смазки, на 2530% ниже: в) подшипник обладает значительно большим демпфированием, особенно при больших нагрузках.

Наработка компрессора ЦК-135/8 на компрессорной станции ОАО «Казанькомпрес-сормаш» составила 4100 часов при количестве пуско-остановов 750 (см. приложение 3). Такой же компрессор, установленный в ОАО «Одесский припортовый завод», эксплуатируется с 1992 г. После эксплуатации в течение 42 тыс. часов были заменены подушки подшипника и компрессора вновь запущен в работу (см. приложение 4).