Влияние демпфирования и параметров осевых совмещенных опор на динамику роторов

Актуальность темы

В промышленности, а также в энергетическом и транспортном машиностроении все более широкое применение находят о высокоскоростные роторные машины (п — (50.300)-10 об/мин). К такому классу машин относятся турбонасосы, турбодетандеры, турбокомпрессоры. Высокий коэффициент полезного действия, ужесточаемые требования к удельному весу и высокой удельной мощности, возможность применения различных видов топлива, экологичность, сравнительно низкие затраты на изготовление и эксплуатацию ведут к расширению области применения роторных машин. Высокоскоростные турбины и компрессоры широко применяются в авиации, металлургии, химической, газовой, нефтехимической и криогенной промышленности [37]. В связи с вышеизложенным перед конструкторскими бюро, в подавляющем большинстве случаев, ставится задача увеличения частот вращения роторов при одновременном снижении массогабаритных характеристик. Ограничение на увеличение частоты вращения ротора накладывается прежде всего со стороны динамики системы «ротор — подшипники — корпус машины». Если в недалеком прошлом роторные системы, как правило, проектировались на работу при частоте ниже первой критической, то в современных машинах применяются все чаще «закритические» роторы, вращающиеся с частотой больше первой, а иногда и больше второй. В этом случае при проектировании роторной машины необходимо рассматривать переходные процессы и в особенности переход через критические скорости, а также брать в рассмотрение податливость опорных конструкций.

В процессе работы современных роторных машин (компрессоров, турбодетандеров, осевых насосов), кроме радиальных сил, действует осевая сила, которая при переходных режимах может быть переменной во времени. Данная осевая составляющая силы обуславливается разностью давлений в полостях насосов, турбин, пульсацией давлений в смазочном слое УПС, а также внешним воздействием (например, поломка лопатки турбины). В зависимости от условий работы роторной машины, а таюке эксплуатационных параметров для компенсации осевых усилий используют упорные подшипники качения (УПК), скольжения (УПС) и устройства осевой разгрузки (УОР).

Безусловно, наиболее распространенным видом опор в роторных узлах являются подшипники качения. Это связано, прежде всего, с удобством ремонта и эксплуатации, высокой удельной несущей способностью и низким пусковым коэффициентом трения. В значительной степени преимущества этих опор определяются тем фактом, что их производство осуществляется специализированными предприятиями и определенных типоразмеров. Есть также области техники, где использование подшипников жидкостного трения является практически безальтернативным. В первую очередь, это высокоскоростные турбинные агрегаты, частоты вращения роторов которых составляют сотни тысяч оборотов. Достоинство подшипников скольжения с жидкостным трением заключается в высоких демпфирующих свойствах и предельной быстроходности, возможности выполнения разъемными, малых радиальных размерах, коэффициенте трения при определенных состояниях вязкости смазочного материала, геометрических размерах и нагрузке. Повышенный износ на пусковых режимах и необходимость использования смазочных систем являются существенными недостатками этого вида опор роторов. Недостатками УОР является сложность конструкции и большой объем отработки перед эксплуатацией. При переходных режимах работы ротора, например, переход через критическую частоту, а также при аварийном режиме (поломка лопатки) осевое усилие может знакопеременно изменяться за короткие промежутки времени. УОР в силу своей инерционности, связанной с перетеканием жидкости между полостями, не всегда может адекватно отреагировать на скачки осевой нагрузки, что приводит к кратковременным перегрузкам опорного узла.

Одним из возможных вариантов исключения недостатков и использования достоинств является совмещение подшипников качения и скольжения в единый узел, что является эффективным путем повышения надежности и долговечности опоры и агрегата в целом за счет разделения и дублирования функций на различных режимах работы. Наиболее эффективным методом снижения общего уровня вибраций и динамических напряжений в опорах турбоагрегатов является подбор рациональных жесткостных и демпфирующих параметров системы «ротор — подшипники — демпфер».

Проведенный анализ опубликованных работ по теме исследования позволяет сделать вывод о недостаточной освещенности данного вопроса. Выявлено, что преобладающее количество работ посвящено радиальным и радиально-упорным упругодемпферным опорам. Работы, посвященные совмещенным опорам (СО), в основном, являются отражением результатов экспериментальных исследований отдельных видов СО. Работы по исследованию упругодемпферных упорных совмещенных опор представляют собой обзор возможных конструктивных исполнений опор данного вида,. Информации по моделированию и экспериментальным исследованиям не выявлено.

Расчету упругодемпферных упорных опор включающих УПК и УПС в отдельной постановке, посвящено множество работ [6, 7, 10], в которых их статические и динамические характеристики определяются на основе теории упругости и гидродинамической теории смазки. Несмотря на это, упругодемпферные упорные совмещенные опоры представляют собой отдельный объект исследования, отличающиеся принципом работы и степенью улучшения рабочих характеристик в сравнении с одиночной постановкой того или иного вида опор. Определение рабочих характеристик УОСО должно базироваться на основе алгоритмов, учитывающих взаимовлияние силовых и кинематических факторов ее элементов.

Таким образом, повышение ресурса и динамических характеристик упорных узлов роторов, а за счет применения упругодемпферных упорных совмещенных опор является актуальной задачей.

Настоящая работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы» (Грант РФФИ «Разработка фундаментальных принципов создания мехатронного подвеса роторов электрои турбомашин» (шифр 09−08−99 020)), 2008 г.- в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы (проект «Мехатронные опоры роторов агрегатов и машин новых поколений» № Гос. контракта 14.740.11.0030).

Объектом исследования являются упругодемпферные упорные осевые совмещенные опоры, в состав которых входят подшипники скольжения, качения и упругодемпфирующие элементы.

Предметом исследования являются динамические процессы в осевых упругодемпферных совмещенных опорах и методы моделирования.

Цель исследования. Целью диссертационного исследования является совершенствование упорных узлов роторов путем разработки новых конструкций, математических моделей и программ расчета совмещенных опор, включающих упорные подшипники скольжения, качения и упругодемпфирующие элементы, а также рекомендаций по их проектированию.

Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:

1) проведение информационного поиска по отечественным и зарубежным изданиям в области упругодемпферных совмещенных подшипниковых узлов и базам данных патентов;

2) разработка математической модели по определению динамических характеристик упругодемпферных осевых совмещенных опор;

3) разработка программного обеспечения для расчета динамических характеристик упругодемпферных упорных совмещенных опор;

4) проведение комплекса вычислительных экспериментов по оценке влияния рабочих и геометрических параметров, а также жесткости и демпфирования упругодемпферного упорного узла на динамические характеристики совмещенных опор, а также сравнение с результатами расчетов опоры без демпфирующих элементов.

5) проведение комплекса экспериментальных исследований, с использованием модернизированной экспериментальной установки, с целью проверки адекватности разработанной математической модели и работоспособности новой конструкции упругодемпферной упорной совмещенной опоры;

6) проведение сравнительного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований;

7) разработка рекомендации по проектированию упругодемпферных упорных совмещенных опор на основе полученных результатов исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. На основе нового технического решения разработана и численно реализована математическая модель осевых колебаний ротора на упругодемпферных совмещенных опорах, включающих упорные подшипники качения, гидродинамические подшипники скольжения и упругодемпферные пружинно-гидравлические элементы, основанная на совместном решении уравнений теории колебаний и гидродинамической теории смазки, позволяющая определить динамические характеристики при различных видах возбуждения.

2. Выявлены теоретически и экспериментально подтверждены закономерности осевых колебаний ротора на упругодемпферных осевых совмещенных подшипниках, в частности определено влияние геометрических, кинематических и силовых параметров на амплитуды, количество циклов, время затухания колебательного процесса.

3. Разработана расширенная классификация осевых подшипников, отличающаяся наличием нового направления, а именно осевых упругодемпферных совмещенных опор, включающих подшипники качения и скольжения, предполагающая появление новых видов осевых подшипниковых узлов с автоматическим и активным управлением демпфирующего устройства.

4. На основе и с использованием разработанной математической модели и инструментальных средств проектирования в виде прикладной программы ЭВМ предложена методика расчета упругодемпферных осевых совмещенных опор, отличительной особенностью которой является возможность проведения проектного и проверочного расчетов основных характеристик опор при турбулентных течениях смазочного материала.

Методы исследования. Расчет упорного подшипника качения базировался на стандартных методиках для данного вида опор и заключался в аналитическом решении контактной задачи теории упругости. Определение характеристик упорного подшипника жидкостного трения основывалось на решении модифицированного уравнения Рейнольдса, численное решение которого проводилось методом конечных элементов. Расчет характеристик УОСО проводился на основе совместного решения уравнений контактной задачи упругости и гидродинамической теории смазки. Анализ динамических характеристик УОСО проводился на основе сравнения коэффициентов жесткости и демпфирования совмещенных опор, включающих упругодемпферные элементы.

Вычислительный эксперимент для оценки влияния рабочих и геометрических параметров упорного узла проводился с использованием программы, разработанной в среде инженерных приложений MatLab.

Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке с использованием современной информационно-измерительной системы на базе комплектующих фирмы National Instruments и среды визуального программирования Lab View.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки и формализации задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением апробированных методов решения и анализа, что подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрением результатов в промышленность.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные математическая модель, алгоритм и программа расчета позволяют определять стационарные и динамические характеристики, упругодемпферных упорных совмещенных опор, с учетом процессов, происходящих в ее элементах. Разработанные конструкции позволяют повысить работоспособность агрегата в целом за счет снижения общего уровня вибраций, а также улучшают вибрационные характеристики при переходных режимах работы опоры.

Результаты работы используются в ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» при выполнении проектировочных расчетов осевых подшипниковых узлов роторных систем высокоскоростных турбомашин, а также в ОАО «ГМС Насосы» при проектировании упорных подшипниковых узлов судовых насосов.

• Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия» (г. Орел, 2006) — Международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки — 120. лет» (г. Орел, 2006) — Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (г. Курск, 2008) — Международной научно-технической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instroments» (г. Москва, 2008) — Международной научной конференции «Физико-химические основы формирования и модификации микрои наноструктур» (г. Харьков, 2008);

Научно-практической конференции «Образование, наука, производство и управление» (г. Харьков, 2008) — Научно-практической конференции «ИНЖИНИРИНГ-2009» (г. Орел, 2009) — Международной научно-технической конференции «Динамика и прочность машин, зданий, сооружений» (г. Полтава, 2009) — I Международной молодежной научной конференции «Молодежь и XXI век» (г. Курск, 2009) — Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология 2009» (г. Воронеж, 2009) — Международной научно-практической конференции «Образование, наука, производство и управление» (г. Старый Оскол, 2009) — VI Всероссийской дистанционной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г. Самара, 2010) — IX Международной научно-технической конференции «Вибрация-2010. Управляемые вибрационные технологии и машины» (г. Курск, 2010) — IV Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г.Орел, 2010) — Российской научно-технической конференции, посвященной 50-летию образования кафедры «Ракетные двигатели» (г.Воронеж, 2010) — 10-й Юбилейной Международной научно-практической конференции «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика» (г.Ялта, 2010) — Кафедре «Конструкция двигателей летательных аппаратов» ГОУ ВПО «Московский авиационный институт (государственный технический университет)» (г. Москва, 2011) — Кафедре «Теоретическая механика и мехатроника» ГОУ ВПО Юго-Западного государственного университета (г. Курск, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, включая 4 статьи в научных сборниках и журналах, включенных в перечень ВАК, 1 патент РФ на изобретение и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, имеет 170 страниц основного текста, 88 рисунков, 3 таблицы.

Список использованных источников

включает 140 наименований.

Заключение

.

В ходе диссертационного исследования была решена актуальная научно-практическая задача по улучшению динамических характеристик осевых совмещенных опор роторов, включающих упругодемпферные элементы, а именно были решены следующие задачи:

1. Проведен информационный поиск по отечественным и зарубежным изданиям в области упругодемпферных совмещенных подшипниковых узлов и базам данных патентов, выявлено отсутствие теоретических и экспериментальных исследований по данному направлению. Создана расширенная классификация осевых подшипниковых узлов, отличающаяся наличием нового направления, а именно осевых упругодемпферных совмещенных опор, находящих своё перспективное применение в высокоскоростных турбомашинах с частотами оборотов 105. 106.

2. На основе системы допущений и безразмерных комплексов разработана математическая модель упругодемпферной осевой совмещенной опоры, представляющая собой двухмассовый двухстепенной осциллятор, позволяющая проводить расчет динамических характеристик при заданном внешнем кинематическом или силовом возбуждении, а также расчет характеристик в стационарной постановке задачи.

3. На базе математической модели с использованием разработанного алгоритма создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету динамических и статических характеристик упругодемпферных осевых совмещенных опор, обладающее удобным адаптивным интерфейсом, позволяющим обращаться к базам данных смазочных материалов и таблицам размерного ряда упорных подшипников качения, а также задавать основные геометрические и рабочие параметры проектируемой совмещенной осевой опоры.

4. С использование разработанного программного обеспечения проведен комплекс вычислительных экспериментов по оценке влияния рабочих и геометрических параметров, а также жесткости и демпфирования упругодемпферного элемента на динамические характеристики совмещенных опор, а также сравнение с результатами расчетов опоры без демпфирующих элементов.

5. На базе модернизированного экспериментального стенда для исследования осевых опор роторов, состоящего из механической части (модельного ротора на упругодемпферных осевых совмещенных опорах) и информационно измерительной системы, позволяющей проводить управление параметрами эксперимента и обработку экспериментальных данных, проведен комплекс экспериментальных исследований по оценке адекватности математической модели и работоспособности исследуемой опоры.

6. С использованием разработанной математической модели и инструментальных средств проектирования, в виде программного обеспечения ЭВМ, предложена методика расчета упругодемпферных осевых совмещенных опор, позволяющая проводить проектировочный и проверочный расчет основных характеристик опор.

7. Получен патент РФ на изобретение и свидетельство на программное обеспечение по расчету основных характеристик упругодемпферных осевых совмещенных опор.

В ходе проведенных исследований получены следующие научные результаты: сравнение колебательных процессов для опор с демпфированием и без него при импульсном силовом воздействии на установившемся режиме показало, что расхождение количества циклов и безразмерного времени затухания колебаний в режиме полной разгрузки УПК составляет 2,5 раза. выявлено, что при импульсном воздействии на УОСО количество циклов затухающих колебаний в 1,5 раза больше чем в УСО, при.

142 условии, что опоры находятся в режиме частичного разделения нагрузок, при прочих одинаковых параметрахразработана конечно-элементная модель расчета упорного многоклинового гидродинамического подшипника скольжения, позволяющая моделировать полнообхватную. упорную поверхность, а также позволяющая сократить время расчета в сравнении с конечно-разностными методамиполучена зависимость для расчета коэффициента демпфирования за счет дросселирования рабочей жидкости через радиальную щель между корпусом опоры и подпятникомполучены безразмерные соотношения для определения коэффициентов демпфирования, которые позволяют осуществить подбор рациональных параметров элементов и судить о динамических свойствах роторной системыустановлено увеличение требуемой угловой скорости полной разгрузки УПК при использовании у пру го демпферной опоры в сравнении с опорой без демпфера на 60%- выявлено, ' что увеличение угловой скорости ротора, при гармоническом возбуждающем воздействии, приводит к увеличению амплитуды осевых колебании, при этом резонансная частота уменьшаетсяк выявлено, что при увеличении безразмерного коэффициента <2 = — ьд<�°с в 4 раза, максимальная амплитуда увеличивается в среднем на 50%, при этом резонансная частота уменьшается в среднем на 40%- доказано, что для рассматриваемых параметров модели при удельной массе подпятника Мд <0,01 её влияние на систему становится незначительным и модель можно рассматривать как одномассовую;