principal raquo Cercetare și dezvoltare raquo Practica de proiectare a rulmenților de gaz Ch. I. Prezentare generală a lagărelor cu gaz
Practica de proiectare a rulmenților de gaz Ch. I. Prezentare generală a lagărelor cu gaz
În acest articol sunt avute în vedere perspectivele utilizării rulmenților cu gaz. Acesta a identificat mai multe domenii ale tehnologiei, în care utilizarea lagărelor lubrifiate cu gaz este considerată a fi cea mai adecvată: a microturbina pentru sistemele de alimentare distribuite, echipamente criogenice, unități turbo-refrigerare și extensoare. În ultimele două cazuri, absența contaminării gazelor și produselor de răcire prin lubrifierea cu ulei este importantă. Sunt luate în considerare istoricul dezvoltării rulmenților de gaz necontact, practica proiectării acestora, metodele de clasificare și de calcul existente. Sunt oferite informații de bază privind soluțiile tipice de proiectare pentru proiectarea lagărelor cu gaz. Sunt luate în considerare avantajele lagărelor de gaze hibride care combină avantajele lagărelor dinamice și gaz-statice. Se arată că utilizarea rulmentului de gaz hibrid depășește principalul dezavantaj al chillere și extensoare echipate cu padele și rulmenți cu folie dinamică de gaze - capacitate insuficientă datorită capacității portante redusă a lagărului.
Practica proiectării turbomachinelor, în special a unităților de turbocompresoare, se confruntă cu noi tendințe: vitezele de rotație a arborelui și sarcină au crescut. Aceasta îi obligă pe designeri să caute soluții noi, inclusiv noi metode de comprimare a gazelor. În majoritatea cazurilor, problema limitării dimensiunii și costului agregatelor este rezolvată prin creșterea vitezei rotoarelor. Un exemplu de abordare non-trivială este înlocuirea mașinilor tradiționale de lamă cu compresoare de undă care comprimă gazul într-un sistem de undă de șoc [1,2], ceea ce simplifică foarte mult designul, dar necesită o viteză mare de rotație a rotorului.
În ultimii ani, a existat o creștere semnificativă a interesului pentru rulmenții de alunecare prin lubrifierea gazului. Pentru astfel de lagăre pot fi folosite pentru a crea forța de ridicare aerodinamică a efectului Bernoulli (lagărele dinamice cu gaz sunt - GFC) sau a aerului de alimentare în spațiul dintre stator și rotor sub presiune (rulmenți statică cu gaz - GSP) [11]. Este, de asemenea, posibil să combinați aceste două efecte (GPS hibrid). S-au identificat mai multe domenii de tehnologie, în care utilizarea lagărelor pe un lubrifiant de gaz este considerată a fi cea mai potrivită:
nbsp- Tehnologie criogenică, unități turbo-răcire și agenți de expandare;
- Microturbine pentru sisteme de distribuție;
- Instalații de turbine cu gaz de aviație, în principal cele auxiliare.
Cea mai promițătoare este folosirea lagărelor fără contact la lubrifierea gazelor în unitățile cu turbocompresoare (ТХА) și în unitățile turbo-expandabile. În aceste cazuri, absența contaminării gazelor și a produselor de răcire prin lubrifierea cu ulei este importantă.
În domeniul creării de mașini cu rotoare ușoare, s-au înregistrat deja progrese semnificative. În etapa actuală, sarcina este de a crea rulmenți de gaz necontact pentru rotoare grele de mare viteză ale turbomachinelor. În acest fel există o serie de complexități de natură fundamentală.
Unități de răcire cu turbocompresoare (ТХА). Agravarea condițiilor de mediu asociate cu distrugerea stratului de ozon și dezvoltare a încălzirii globale, a necesitat dezvoltarea unei noi generații de mașini frigorifice care funcționează cu agent frigorific natural de ozon prietenos, sunt incluse apă, aer, dioxid de carbon, amoniac, hidrocarburi. Cel mai universal dintre acestea este aerul atmosferic. Instalațiile cu ciclu de răcire a aerului sunt capabile să funcționeze în intervalul de la temperatura camerei până la temperatura aerului lichid. TXA, care sunt turbomachine de mare viteză, produc căldură cu potențial ridicat simultan cu frig, care poate fi utilizată în scopuri de producție.
Agregate Turboexpander. Acest tip de unitate turbină este utilizat în instalațiile de separare a aerului. Utilizarea lagărelor dinamice din gaz face posibilă evitarea utilizării vaporilor de ulei pentru lubrifierea rulmenților cu bile, ceea ce garantează puritatea gazului, simplifică funcționarea și sporește fiabilitatea unității. În prezent, turboexpanderele sunt utilizate în turbina cu gaz (Figura 1), pentru care, de regulă, este tipică o capacitate redusă de încărcare (masa rotorului nu depășește 10-20 kg). Ca urmare, agregatele de pe GTP sunt inferioare turboexpanderilor clasici cu o capacitate de 10 sau mai multe ori. Ieșirea este văzută în aplicarea GPS. Dar funcționarea GSP este însoțită de un flux constant al fluidului de lucru la suflante, ceea ce afectează economia instalației.
Fig.1. Rulmenți dinamici de aer din suflante Turbo nbsp
Prin urmare, promite să combine meritele SHG și GDS într-un singur design. Astfel de rulmenti se numesc hibrizi.
nbsp Istoria dezvoltării teoriei lubrifierii gazului nbsp
Teoria lubrifierii gazelor a fost profund dezvoltată în Uniunea Sovietică. Cele mai importante centre de cercetare din acest domeniu, au existat două: Institutul de Cercetări Experimentale de Masini Unelte (ENIMS), în care lucrarea a fost făcută sub îndrumarea S.A.Sheynberga [7], precum și Departamentul de Matematică și Mecanică a Institutului Politehnic din Leningrad (LPI), care, sub supravegherea L.G.Loytsyanskogo [11] a fost efectuat pentru a dezvolta o suspensie teorie giroscop în gazul și nodurile static cu gaz pentru dispozitivele de aliniere precisă.
rulmenții cu gaz azi folosite în motoarele cu turbine cu gaz (TBG), spațiu criogenice și de mare, la sol, transport și instalații de ape adânci compresoare reactoare nucleare. O creștere a interesului pentru acest subiect a fost observată în anii '60 ai secolului trecut. Apoi a apărut opere fundamentale S.A.Sheynberga [7] și VNConstantinescu [12] G.Rippela [6] și N.Gressema Dzh.Pauella [5,13] Însumând toate cunoscute la momentul rezultatele teoretice și experimentale .
Clasificarea lagărelor de gaz
Clasificarea în direcția forțelor. Lagărele sunt împărțite în direcție radială, axială și împingere. După cum sugerează și numele, lagărul radial împiedică deplasarea arborelui rotativ într-o direcție transversală (radială), respectiv, forța de împingere (axial) - în longitudinal (axial) direcția, cu contact unghiular - simultan în două direcții.
Clasificarea prin principiul creării unui lift. În teoria lubrifierii gazului, există trei principii de creare a suprapresiunii în stratul de gaz al suporturilor, numite principiile lubrifierii gazului:
nbsp- Efectul penei;
- Efectul injectării lubrifianților externi;
- Efectul peretelui oscilant.
Prezența celor trei principii extinde în mod semnificativ domeniul de utilizare a lagărelor glisante cu lubrifierea pe gaz. Suprapunerea principiilor conduce la suporturi hibride, de exemplu: injecția externă de lubrifiere plus efectul penei; Zidul oscilant plus efectul de pană.
După cum sa arătat anterior, principiul unei forțe de ridicare toate lagărele sunt împărțite în gasostatic (forța de ridicare este generat de un dispozitiv extern alimentat cu aer sub presiune), dinamică a gazului (ridicare forța creată de efectul de pană) și hibride (apar ambele efecte). Când arborele este rotit datorită forțelor de frecare vâscoase ale forței de ridicare este întotdeauna (efect Bernoulli).
Clasificarea în funcție de forma suprafeței suportului. Rulmenții radiali sunt segmentați, precum și rulmenții cilindrici cu o acoperire de 360 °. Acestea din urmă sunt, de asemenea, numite deplină.
Construcția aerului
Rulmenți dinamici. Schema tradițională a turbinei cu gaz petală este prezentată în Fig. 2. În carcasa lagărului sunt realizate caneluri longitudinale în care sunt fixate petalele din oțel de arc (ilustrate în roșu în figura 2), formând o suprafață continuă formată din pene.
Când arborele este nemișcat, teren datorită elasticității atingere suprafeței rolei și menținute într-o stare de suspensie (fig. 2c). La începutul rotației arborelui pe petale sub influența efectului Bernoulli apar forțe aerodinamice. Cu o viteza tot mai mare a acestor forțe să crească până la valoarea lor nu devine suficientă pentru a separa petalele de arbore (fig. 2b). Lipsa contactului petalelor cu arborele face posibilă realizarea unor viteze foarte mari de rotație. Cu toate acestea, PIB-ul are dezavantaje semnificative. La fiecare pornire și frânare uzură a acoperirii antifrictiune este aplicată pe suprafața lobi contact arborele apar, astfel de resurse astfel de sprijin depinde în mod direct de modul de funcționare și numărul de porniri și de frânare.
Fig. 2. Construcția tipică a lagărului dinamic al gazului de clapetă: a - vedere generală; б - poartă în stare de funcționare; c - rulment cu un ax fix
Figura 3. Rulmenți dinamici din gaz din foaia de calcul a societății coreene KIST
Una dintre principalele probleme cu utilizarea acestui tip de rulmenți este asigurarea funcționării fiabile a stratului antifricțiune la temperaturi ridicate (> 650 ° C), astfel încât dezvoltarea straturilor antifricțiune rezistente la căldură este acordată o atenție deosebită [8]. Studiile privind acoperirea cu lubrifiere solidă la temperaturi ridicate necesare pentru GTP au fost efectuate la NASA prin ordin al Departamentului de Energie al SUA. Acoperirea principală din SUA este învelișul PS304, capabil să funcționeze la 650 ° C [8]. Tehnologia de obținere (depunere) a acoperirilor lubrifiante solide include detonarea și metodele de plasmă. Realizările în acest domeniu au determinat succesul comercial al unităților mici de turbine cu gaz folosind GDS [9, 17].
În a treia generație de aer care poartă folie dinamică a gazului, care apare în timpul rotației, se formează între suprafața arborelui și folia flexibilă metalică netedă, care la rândul său se sprijină pe un arc de bandă ondulată (Fig. 3). Acest design vă permite să compensați anumite limite de vibrație și suprasarcină.
Rulmenți cu gaz static. Cu ajutorul GSP radial, este posibil ca arborele să se rotească fără a atinge pereții staționari în întreaga gamă de frecvențe de rotație de operare. Pentru aceasta, un gaz sub presiune este alimentat prin sistemul de drosseli și duze speciale (Figura 4) în spațiul dintre arbore și rulment. Un astfel de lagăr, spre deosebire de lagărele dinamice din punct de vedere al gazului, funcționează complet într-un mod fără contact, deoarece momentele de pornire și oprire a rotorului sunt agățate cu ajutorul unui sistem de comandă, adică el plutește și se blochează pe un strat de aer comprimat, și numai atunci se deconectează.
Fig. 4. Diagrama unui lagăr static gazos
Rulmenți statici de gaz hibrid. Într-o serie de lucrări se propune utilizarea segmentelor în SHG, un capăt al căruia nu este fix și poate fi mișcat sub influența forțelor de presiune (figura 5).
Dacă axa de rotație este selectată corect, segmentul se va roti în mod independent printr-un unghi de atac dat, în funcție de viteza rotorului și de sarcina pe ax și va menține în mod constant această poziție. Astfel de rulmenți se numesc hibride cu garnituri de auto-aliniere. Rulmenții hibrizi segmentați funcționează la viteză redusă a arborelui ca GSP, iar la viteze mari ca GTP. Astfel, se obtine o combinatie a celor mai bune calitati ale rulmentilor ambelor tipuri.
Fig. 5. Rulmenți hibrizi cu garnituri de auto-aliniere: a - schema GSP radială hibridă; b - implementarea constructivă a unui GPS radial hibrid; c este o schemă SHH axială hibridă; d - implementarea constructivă a unui GSP axial hibrid
nbsp Concluzie nbsp
Sunt considerate rulmenți de gaze de diferite tipuri. Comparația lor este arătată. Se demonstrează că SPG-urile hibride au un avantaj decisiv din cauza funcționării complet fără contact.
3. Teoria hidrodinamică a lubrifierii. Classics of Natural Science / ed. LS Leibenson. - M .; L. Gostekhizdat, 1934. - 562 p.
4. NP Petrov Fricțiunea în mașini și influența unui fluid de lubrifiere asupra acesteia // Engineering Journal, 1883.
5. Lagare cu lubrifiere cu gaz / ed. N.S. Grassema. DW Powell. - M. Mir. 1966. - 415 p.
6. Proiectarea lagărelor hidrostatice / ed. Harry Rippel; per. cu engleza. G.A. Andreeva. - M. Mashinostroenie, 1967. - 135 p.
7. Sheinberg S.A. Suporta alunecarea cu lubrifierea pe gaz. - M. Machine Building, 1969. - 336 p.
8. Bhushan C. B. și S. Gray Evaluarea statică a acoperirilor de suprafață rulmenți cu gaz conforme într-o atmosferă oxidantă la 650 // Thin Solide Films, 53 (1978), 313-331.
12. Constantinescu V. N. Lubrificatia cu gaze? Bucuresti, 1963.
13. Rulmenți lubrifiați cu gaz. Editori N.S.Grassam, J.W.Powell. Micro Turbine Developments Ltd. Londra, Butterworths, 1964. 398 p.
14. Harrison W.J. Teoria hidrodinamică a lubrifierii cu referire specială la aer ca lubrifiant // Trans. CAMBR. Fil. Soc. 22, 39, 1913.
15. Kingsbury A. Experimente cu un lagăr lubrifiat cu aer // J. Am. Soc. nav. Engnrs. 9, 267, 1897.
16. Reynolds O. Cu privire la teoria lubrifierii și aplicarea acesteia la domnul .. Experimentele Turnului Beauchamp, inclusiv o determinare experimentală a vâscozității uleiului de măsline // Royal Society / Phil. Trans. Pt. 1, 1886, 114 p.
Utilizarea elementelor tehnologiei criogenice și supraconductivității la temperaturi înalte la bordul aeronavelor avansate
Acest articol oferă informații cu privire la perspectivele de inginerie criogenice și supraconductibilitate la temperaturi ridicate într-o aeronavă echipată cu elemente de acționare electrice predominant. Sunt luate în considerare cerințele tehnice și economice pentru utilizarea echipamentelor criogenice la bord. Este discutată istoria dezvoltării aeronavelor cu combustibil criogenic în biroul de proiectare al lui AN Tupolev. Perspectivele pentru aplicații criogenice la bord generatoare, compresoare electrice de aer condiționat și menținerea presiunii de pompe hidraulice, discuri liniare și controlează servomotoare unități autonome șasiu de comutație și de transformare, materialele pe bază de bord de cabluri de alimentare cu proprietăți supraconductivitatii temperatură ridicată. Moduri de utilizare în sistemele electrice aeriene pentru protecția circuitelor și circuite de mașini de la expunerea la câmpuri electromagnetice de intensitate mare efect Meissner, care constă în deplasarea câmpului magnetic extern din domeniul de aplicare al supraconductori. Temperatura scăzută, scădere în greutate scăzută în mașini electrice și permit realizarea tuturor tipurilor de transformări și de transmisie cu o eficiență mai mare prin eliminarea pierderilor neproductive sub formă de încălzire și de cădere de tensiune.
Practica de proiectare a lagărelor de gaz Ch. II. Proiectarea și metodologia de calcul a rulmenților hibrizi
Articolul se ocupă cu practica de proiectare și de calcul al lagărelor hibride, inclusiv definirea capacității de transport, luând în considerare modurile dinamice. Formularea problemei directe de calcul, în care, pentru o anumită geometrie a segmentului de lagăr și grosimea distribuției presiunii stratului de ungere forțe calculate și câmpuri de viteză determinate de rezultanta forțelor de presiune care acționează asupra segmentului. La soluționarea problemei inverse a unui algoritm pentru determinarea parametrilor de rulment pentru o capacitate de încărcare dată și consumul substanței de lucru. O atenție specială este acordată la calculul segmentelor auto-aliniere liber rotative sunt în mișcare de rotație asigură crearea unei forțe de ridicare suplimentară datorită efectului Bernoulli. Sunt furnizate informații privind optimizarea formei segmentului și a sistemului de alimentare cu aer a segmentului hibrid segmentat. Se demonstrează avantajele unui rulment cu contur închis și duza în formă de seceră. Principalele tipuri de mișcări ale arborelui nestaționare: o jumatate de rata vortex, un efect de rezonanță parametrică Sommerfeld ritmul cardiac. Demonstratie „cuantizare“ cicluri limită pretsessirovaniya rotor la diferite niveluri de perturbații inițiale.