Разработка метода расчета и экспериментальное определение характеристик радиальных сегментных газовых подшипников для тяжелых роторов ГТУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Бесчастных, Владимир Николаевич

• Бесчастных, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бесчастных, Владимир Николаевич

Введение.

ГЛАВА 1 История развития и современное состояние газовой смазки.

1.1 История и современное состояние теории подшипников на газовой смазке.

1.2 Обзор примеров использования подшипников на газовой смазке.

1.3 Современное состояние и перспективы развития газовой мазки.

ГЛАВА 2 Теория газовой смазки применительно к задачам проектирования крупноразмерных роторных систем.

2.1 Общие положения теория газовой смазки.

Выводы.

2.2 Оценка границ и определение критериев применения подшипников на газовой смазке.

2.2.1 Ограничения грузоподъемности.

2.2.2 Ограничения точности формы.

2.2.3 Работоспособность подшипников при пусках и остановах.

Выводы.

2.3 Определение критериев экономической целесообразности применения подшипников на газовой смазке.

Выводы.

ГЛАВА 3 Разработка методики расчета характеристик сегментных газовых подшипников.

3.1 Численное моделирование процессов, происходящих в газовом слое сегмента подшипника.

3.2 Определение главного вектора сил давления смазочного слоя и построение моментных диаграмм.

3.3 Расчет грузоподъемности подшипников с различными способами подачи воздуха в смазочный зазор.

3.4 Грузоподъемность подшипников при п=0.

3.5 Методика расчета характеристик сегментных радиальных опор.

Выводы.

ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования.

4.1 Подшипниковый стенд.

4.1.1 Статические испытания. Определение грузоподъёмности и жёсткости смазочного слоя при п=0.

4.1.2 Определение грузоподъемности подшипников при вращении вала. Сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования.

4.1.3 Моделирование потери несущей способности.

Выводы.

ГЛАВА 5 Практическая реализация результатов исследований.

5.1 Роторный стенд.

5.2 Гибридный радиальный сегментный подшипник. Рекомендации. по проектированию.

5.3 Газотурбогенератор ГТД 1 ООО.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода расчета и экспериментальное определение характеристик радиальных сегментных газовых подшипников для тяжелых роторов ГТУ»

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Существуют, по крайней мере, две области техники, в которых актуальны и перспективны задачи разработки газовых опор для относительно тяжелых роторных систем. 1. Использование газовых подшипников в качестве опор роторов двигателей летательных аппаратов.

Развитие авиационной техники в мире идет по пути широкого применения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) для выполнения различных задач. С одной стороны прослеживается тенденция по увеличению массы летательных аппаратов, что в свою очередь приводит к увеличению их энерговооруженности (росту размерности ГТД), а с другой -необходимость получить высокие тактико-технические характеристики приводит к созданию БЛА способных маневрировать в пространстве с высокими ускорениями. В сочетании с желанием иметь надежные подшипники, не сопряжённые с развитой вспомогательной системой смазки обе эти проблемы приводят к рассмотрению возможности применения в двигателях (БЛА) газовых (воздушных) подшипников с мероприятиями, увеличивающими грузоподъемность.

2. Использование газовых подшипников в качестве опор роторов турбогенераторов.

Стремление к децентрализации в мировом производстве электроэнергии побуждает производителей увеличивать долю генераторов диапазона 0,5-2 МВт в общем балансе генерирующих мощностей. Учитывая конкурентное давление со стороны поршневых генераторов для успешного продвижения на рынок турбогенераторам необходимо иметь высокую топливную эффективность, низкую стоимость и эксплуатационные затраты. Кроме того, оборудование должно быть необслуживаемым либо подвергаться редкому периодическому обслуживанию. Указанным требованиям в полной мере соответствуют регенеративные ГТУ с высокочастотными генераторами. Особенностью этих машин является, с одной стороны, высокая доля механических потерь на фоне величины генерируемой мощности, а с другой стороны высокая доля стоимости опор на фоне величины стоимости машины. Кроме того, функционирование системы смазки сказывается на удорожании всего жизненного цикла двигателя. Условие, связанное с необходимостью обеспечения низких эксплуатационных затрат диктует развитие таких ГТУ с использованием безмаслянных (оПйее) технологий, что приводит к оснащению турбомашины подшипниками на газовой смазке.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является расширение границ применимости подшипников на газовой смазке для разработки опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи исследования:

1. Выработка технических и экономических критериев для предварительной оценки возможности и целесообразности применения подшипников на газовой смазке при разработке газотурбинной техники.

2. Разработка методики расчета характеристик радиальных сегментных подшипников. Выполнение сравнительных расчетов гибридных воздушных подшипников с целью выявления наиболее оптимального способа подвода воздуха в смазочный зазор.

3. Экспериментальные исследования подшипников с различными схемами подвода воздуха в смазочный зазор.

4. Обобщение результатов исследования и разработка рекомендаций по проектированию воздушных подшипников для промышленных и транспортных ГТУ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Теоретические исследования.

Поставленные задачи решены с использованием широко известных и апробированных современных программ по вычислительной гидродинамике. Результаты вычислений верифицированы при помощи сверки с результатами экспериментов на натурных моделях. 2. Экспериментальные исследования. Для проверки разработанных теоретических положений и практического апробирования воздушных радиальных подшипников был спроектирован специальный подшипниковый стенд.

В серии экспериментов на стенде выполнялись исследования радиальных воздушных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор. В результате получены характеристики подшипников в виде зависимостей грузоподъемности от относительного эксцентриситета при различных значениях давления питающего воздуха. Достоверность и обоснованность полученных результатов эксперимента обеспечена проведением экспериментальных исследований по апробированным методикам на стендовом оборудовании, прошедшем всестороннюю метрологическую аттестацию, и использованием современной измерительной аппаратуры.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1. Предложены критерии, позволяющие на ранних стадиях проектирования оценивать возможность и целесообразность использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин.

2. Показано, что оснащение роторных систем подшипниками на газовой смазке сопряжено с наименьшими совокупными затратами.

3. Разработана методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников. Выполнены расчеты характеристик сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

4. Получены экспериментальные зависимости эксцентриситета от величины нагрузки для сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

5. Разработаны рекомендации по проектированию подшипников на газовой смазке для опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- методика предварительной технической оценки возможности использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин;

- результаты сравнительного анализа стоимости жизненного цикла систем подвеса роторов турбомашин с использованием подшипников на газовой смазке,

- методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор;

- результаты расчётной и экспериментальной оптимизации способа подвода воздуха в смазочный зазор.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Все научные результаты, которые приведены в диссертации и выносятся на защиту, полученные лично автором. По результатам расчетных и теоретических исследований автором разработана конструкция гибридных радиальных сегментных подшипников, которые были изготовлены и прошли всесторонние испытания в качестве опор роторов турбогенератора мощностью 1000 кВт производства ФГУП ММПП «Салют». Во время испытаний в мае 20 Юг на сборочно-испытательном комплексе МКБ «Горизонт» в г. Дзержинском ротор турбогенератора массой 250 кг был доведен до частоты вращения 24 300 об/мин.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения и результаты работы докладывались на научно-техническом совете (НТС) ФГУП ММПП «Салют», на 55 научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (г. Рыбинск, 8 сентября 2008г), на 10 форуме «Высокие технологии XXI века» (Москва, 22 апреля 2009г.), на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 25 июня 2009 г.), на 57 научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (г. Уфа,23 сентября 2010г.)

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК — 2. Автором получен один патент на изобретение и один патент на полезную модель, непосредственно связанные с темой диссертации.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 145 страницах и содержит 47 рисунков и 11 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Бесчастных, Владимир Николаевич

Выводы

1. В качестве объекта экспериментальных исследований разработан и изготовлен специальный стенд, позволяющий испытывать радиальные подшипники на газовой смазке. Стенд позволяет исследовать подшипники с диаметром вала до 150мм, нагрузкой на подшипник до 300 кГ и частотой вращения вала до 70 ООО об/мин.

2. В результате экспериментальных исследований на подшипниковом стенде получены характеристики радиальных гибридных сегментных подшипников с тремя различными способами подвода питающего воздуха в смазочный зазор.

3. Нагрузочные характеристики подшипников, полученные в результате экспериментов, показали удовлетворительную сходимость с расчетными характеристиками, давая несколько завышенные значения по сравнению с расчетными зависимостями. Таким образом, принятая методика расчетного определения характеристик подшипников может использоваться в инженерных расчетах.

4. Экспериментально подтверждено, что подшипники, оснащенные сегментами с подводом питающего воздуха по поперечной канавке, расположенной в зоне входной кромки обладают наибольшей грузоподъемностью и жесткостью.

5. Экспериментально подтверждено, что подшипники, оснащенные сегментами с контурным подводом воздуха в смазочный зазор при помощи кольцевых сопел имеют наибольшую грузоподъёмность при отсутствии вращения вала.

6. В результате экспериментов определены расходы питающего воздуха, подаваемого в смазочный зазор. Подтверждено, что самым низким расходом воздуха обладают подшипники, оснащенные сегментами с подводом воздуха в смазочный зазор при помощи поперечной канавки.

7. Экспериментально определены предельные частоты вращения при которых происходит касание нагруженных сегментов о поверхность вала.

ГЛАВА 5

Практическая реализация результатов исследований

5.1 Роторный стенд.

Результаты исследований подшипников на газовой смазке были использованы при проектировании подвеса роторов турбогенератора мощностью 1000 кВт, разрабатываемого на ФГУП ММПГТ «Салют». Согласно техническому заданию турбогенератор проектируется как двухвальная машина с подшипниками, исключающими наличие системы смазки. В виду того, что подшипниковый стенд не предназначен для проведения длительных испытаний, а ротор турбокомпрессора высокого давления для обеспечения жесткости был спроектирован трехопорным, потребовалось детальное исследование динамики роторной системы. Кроме того, на начальном этапе предполагалось выполнение исследований поведения ротора и опор при воздействии внешних нагрузок в виде периодических и ударных ускорений. Для выполнения поставленных задач был спроектирован роторный стенд, показанный на рис.52.

Рис.52. Роторный стенд

Роторный стенд представляет собой установку, состоящую из цилиндрического корпуса, в котором смонтированы три радиальных гибридных сегментных подшипника. В подшипники установлен ротор, состоящий из гладких деталей, имитирующих элементы натурного ротора-имитатора индуктора генератора массой 150 кг, имитаторов диска упорного подшипника, рабочих колес турбины и компрессора, суммарной массой 100 кг. Имитаторы изготовлены таким образом, чтобы обеспечить соответствие натурным деталям по массе и центробежному моменту инерции. В качестве осевого подшипника был применен электромагнитный подшипник с активным управлением грузоподъёмностью 1000 кГ. Исследования, проведенные на роторном стенде, позволили выявить опасные частоты вращения ротора, сопряженные с недопустимыми формами колебаний системы опоры - ротор. По результатам этих испытаний было полностью перепроектировано место соединения роторов в районе средней опоры.

5.2 Гибридный радиальный сегментный подшипник. Рекомендации по проектированию.

Опыт, полученный при исследованиях подшипников, был положен в основу при проектировании опор разрабатываемого турбогенератора. В качестве радиальных подшипников было принято использовать гибридные подшипники с самоустанавливающимися сегментами. Как указывалось во 2-й главе, грузоподъемность подшипника при увеличении количества сегментов уменьшается. Однако решение принимать два или три сегмента для конструкции, равно как и неравномерно разделять окружность опоры имеет смысл только в том случае, если имеется преимущественное направление действия нагрузок. Кроме того, протяженные по окружности сегменты требуют мероприятий по их ужесточению для исключения влияния силовых деформаций на геометрию смазочного клина. Трехсегментная опора при действии нагрузки в направлении между шарнирами уступает по грузоподъемности подшипникам с большим количеством сегментов. Четырехсегментная опора обладает тем недостатком, что имеет практически одинаковую жесткость во всех направлениях, что может неблагоприятно сказываться на вибрационных характеристиках подшипника. Опора, состоящая из пяти сегментов, имеет заметные отличия (соотносятся как 10:13) в механической составляющей жесткости по направлению на шарнир сегмента и между сегментами. Одновременно, как видно из табл.10 общие газодинамические реакции подшипника мало отличаются при действии нагрузки на шарнир и между шарнирами. Таким образом, подшипник, содержащий пять сегментов, имеет волну жесткости по окружности подшипника с соотношением амплитуд 10:13.

Приведенные рассуждения были взяты в качестве логической основы при принятии решения о конструктиве подшипника. На рис. 53 показана конструктивная схема гибридного сегментного газового подшипника.

Рис.53. Конструктивная схема гибридного сегментного подшипника.

Подшипник состоит из пятигранного корпуса 1, в который установлены композитные сегменты 2 посредством шарнира образованного внутренней 3 и наружной 4 полусферами. Шарнир ограничивает поступательные степени свободы сегмента, а также служит для рассеивания энергии поворотных колебаний сегментов за счет кулонова трения. Радиусы полусфер отличаются на незначительную величину для обеспечения возможности выноса продуктов износа из зон контакта. Радиусы полусфер выбираются достаточно большими, чтобы снизить значения контактных напряжений до величин, обеспечивающих неограниченный ресурс. Одновременно радиусы не могут быть чрезмерно большими, чтобы не приводить к подклинке сегментов.

Наружные полусферы передают усилия на плоские пружины 5, которые профилируются таким образом, чтобы обеспечить необходимую жесткость (полученную в результате расчетов собственных частот роторной системы). Плоские пружины шлифуются с некоторым разбросом по толщине. Тем самым обеспечивается разброс величин жесткости, который используется для внесения диссонанса по частотным характеристикам. Деформации пружин, в свою очередь, вызывают продавливание гофрированных пластин демпфера 6, которые при этом испытывают взаимное трение, приводящее к рассеиванию энергии колебаний. Пакет шарнирной опоры сегмента закрывается крышкой 10, обеспечивающей его предельное перемещение. Питающий воздух подводится к сегментам по коллектору 7 через капилляры 9. Капилляры, подающие воздух на выходные кромки оснащены микроклапанами, отключающими подачу на определённом режиме турбогенератора. Внутренняя полость подшипника закрывается крышками 8. Радиальный зазор в подшипнике обеспечивается следующим образом. Сегменты обрабатываются в специальном технологическом приспособлении в размер, обеспечивающий совпадение радиуса кривизны сегментов и вала. После этого сегменты устанавливаются в корпус подшипника вместе с внутренними и внешними полусферами. Сегменты прижимаются установочными винтами к внутренней оправке, которая имеет диаметр, соответствующий диаметру вала, увеличенному на величину диаметрального зазора. После этого выполняют совместную шлифовку граней корпуса подшипника и плоскостей наружных полусфер. На рис.54 показано фото подшипников, разработанных для турбогенератора ГТД-1000.

Рис.54. Радиальные гибридные сегментные газовые подшипники

Как отмечалось ранее, тяжёлые роторные системы имеют особенности, налагающие особые требования при проектировании газовых подшипников. В связи с этим разработаны следующие рекомендации.

Рекомендации по проектированию сегментных радиальных газовых подшипников для тяжёлых роторных систем.

1. При проектировании опор используется предельно возможный конструктивный объём для размещения подшипников.

2. Радиальные сегментные подшипники проектируются из условия Л-» со, т.е. на практически высокие значения характеристики в нагруженных сегментах.

3. Для обеспечения высокой грузоподъёмности применяется внешний наддув газа в смазочный слой.

4. Наиболее эффективен наддув через поперечную канавку, размещенную на входной кромке сегментов.

5. В случае, если нагрузка на подшипник не имеет преимущественного направления, целесообразно проектировать подшипник, состоящий из пяти сегментов.

6. Для отстройки собственных частот сегментов и внесения конструктивного диссонанса целесообразно изготовление упругих элементов сегментов с разной механической жесткостью.

7.Тяжелые ротора имеют существенное время разгона (торможения). Поэтому для обеспечения безаварийной работы подшипники должны обладать гидростатической грузоподъёмностью.

8. Тяжелые ротора обладают высокой кинетической энергией, поэтому даже случайные кратковременные касания вала могут привести к аварии. В связи с этим подшипники должны проектироваться по возможности с максимальным учетом всех действующих нагрузок, а материалы вала и сегмента должны выдерживать кратковременные касания при работе.

5.3 Газотурбогенератор ГТД 1000.

Анализ рынка генерирующих мощностей показывает, что диапазон мощностей 0,5-2 МВт практически полностью занят поршневыми машинами. Согласно данным исследовательской коМПания Abercade в докризисные 2007-2008г. на этот диапазон приходилось 73,6% от мировых продаж поршневых электростанций суммарной мощностью более 30 000 МВт. В то же время на долю ГТУ аналогичной мощности приходилось 1,6% рынка суммарной мощностью 82 МВт. Существует ли альтернатива применению поршневых генераторов? Последнее десятилетие ознаменовалось активным продвижением принципиально новой технологии на мировом рынке малой энергетики. В настоящее время отмечается устойчивый рост в бизнесе, базирующемся на комплексных инжиниринговых решениях в области распределенной энергетики, в основе которых лежит применение микротурбинных генераторов. Например, на сегодняшний день в различных регионах России установлено свыше500 микротурбин CAPSTONE [64].

Микротурбинный генератор для построения современных систем распределенной генерации электрической и тепловой энергией обладает уникальными потребительскими свойствами: экологической чистотой, возможностью работы в полностью автоматическом режиме, не требующем постоянного присутствия персонала, высокими КПД и надежностью.

К особенностям конструкции микротурбинных генераторов относятся наличие сблокированного высокочастотного генератора, рекуператора тепла отходящих газов, неохлаждаемой турбины. Важнейшие потребительские качества этой техники обеспечивает уникальное технологическое решение — воздушный подшипник.

Впечатляющие успехи внедрения микротурбинных технологий на мировом и российском рынке позволяют сделать вывод о возможности перенесения опыта этих технологий в область энергетических машин большей размерности. Речь идет о турбогенераторах мощностью 500- 2000 кВт с использованием высокочастотных электрогенераторов (иногда их называют минитурбинами). Можно сформулировать основные требования, к современной системе автономного элекро и теплоснабжения, основанной на применении минитурбинных генераторов.

- электрическая эффективность, не мене 0,40

- коэффициент использования топлива (с когенерацией), не менее 0,80

- стоимость с пусконаладкой, долл/кВт, 700-1000

- межремонтный ресурс, час, не менее 20 000

- эмисиия Nox, мг/нмЗ, не более 50

- возможность совместной работы (кластирование)

- низкие эксплуатационные затраты

- САУ - полностью автоматизированная с возможностью удаленного управления и интеграции в производственные процессы,

- режим обслуживания - без присутствия персонала, с периодическим обслуживанием,

- топливо - должны быть предусмотрены варианты комплектаций для работы на различных видах топлива.

Перечисленные требования были приняты за основу при разработке турбогенератора мощностью 1000 кВт на московском ФГУП ММПП «Салют» (рис.55).

Рис.55 Конструктивная схема ГТД-1000С

В основу термодинамической схемы положено использование рекуперации тепла отработавших в турбине газов. Рекуперативный цикл имеет ряд преимуществ, которые становятся решающими, когда рассматривается ГТД относительно небольших мощностей. Во-первых, для рекуперативного цикла оптимальная степень сжатия значительно ниже, чем для простого цикла ГТД. Для современных температур и совершенства лопаточных машин оптимальная степень сжатия рекуперативного цикла находится в пределах 6-8, тогда как, для простого цикла требуется более 25. Поэтому число ступеней в компрессоре и турбине уменьшается в 1,5 — 2 раза, высоты лопаток последних ступеней компрессора и первых турбины увеличиваются в 2 — 3 раза, давление в камере сгорания уменьшается в 3 -4 раза. Уменьшение числа ступеней приводит к снижению себестоимости производства. Большая высота лопаток последних ступеней компрессора и первых ступеней турбины позволяет обеспечить высокую эффективность компрессора и турбины. Низкое давление в камере сгорания обуславливает низкое давление топлива на входе в турбогенератор. Это особенно важно, когда энергетическая установка будет работать на природном газе там, где уже выполнена разводка газа по трубам низкого давления (например, в городской черте). На рис.46 показана конструктивная схема ГТД 1000. Двигатель имеет вертикальную двухвальную компоновку с кольцевой камерой сгорания большого объема, диагональными компрессорами и осевыми турбинами. Воздух поступает в рабочее колесо компрессора низкого давления, представляющее собой диагональную крыльчатку, изготовленную из алюминиевого сплава. Ротор турбокомпрессора низкого давления имеет номинальную частоту вращения 12 ООО об/мин. при массе 90 кг. Далее воздух проходит через трехрядный лопаточный диффузор и по специальным обводным трубам подается на вход в рабочее колесо КВД. Компрессор высокого давления также имеет диагональное рабочее колесо с вращающимся направляющим аппаратом и трехрядный лопаточный диффузор. Ротор турбокомпрессора высокого давления, образующий одно целое с ротором электрогенератора имеет частоту вращения 26 ООО об/мин. при массе 250 кг. При разработке компрессора применено специальное профилирование. После КВД воздух по каналам поступает в модуль рекуператора. Рекуператор пластинчатый секционный, состоящий из 14 секций, охватывающих кольцом турбокомпрессор низкого давления. В рекуператоре происходит нагрев циклового воздуха теплом отходящих газов. Подогретый в рекуператоре воздух поступает в кольцевую камеру сгорания большого объема, где происходит приготовление гомогенной смеси, сгорание топлива и перемешивание продуктов сгорания с вторичным воздухом. Подвод воздуха в камеру сгорания осуществлен таким образом, что он организует общее течение по спирали с плавным возрастанием скорости. Продукты сгорания попадают в неохлаждаемый сопловый аппарат, после чего последовательно совершают работу на рабочих колесах бирототивной турбины. Выходной диффузор расположенный сразу за ТНД позволяет снизить скорость потока на выходе из турбины. Продукты сгорания проходят по горячей стороне рекуператора, где отдают часть тепла цикловому воздуху, после чего утилизируются через газоотвод. Турбогенератор оснащен высокочастотным синхронным генератором индукторного типа, который подразумевает использование выпрямителя или частотного преобразователя для обеспечения требуемых кондиций электроснабжения.

В качестве радиальных опор применяются сегментные гибридные газовые подшипники. Для обеспечения статической грузоподъемности, а также для увеличения грузоподъемности на основных режимах работы в подшипники нагнетается воздух. На режимах пуск и останова, а также до 20% номинальной мощности воздух в подшипники подается от внешнего источника. На остальных режимах применяется воздух, отбираемый в цикле ГТД. В качестве упорных подшипников применяются активные электромагнитные подшипники. Отказ от масляной системы позволяет снизить эксплуатационные расходы.

На рис.56 показано фото первого образца ГТД-1000, установленного на стенде сборочно-испытательного комплекса МКБ «Горизонт» в г.Дзержинском Московской области.

Рис.56. Турбогенератор ГТД-1000 на стенде МКБ «Горизонт»

2.1 Основные технические данные ГТД-1000 приведены в таблице 11.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате проведенного исследования определена степень влияния размерности роторов турбомашин на характеристики газовых подшипников. Предложены критерии, позволяющие на ранних стадиях проектирования оценивать возможность и целесообразность использования радиальных газовых подшипников при разработке подвесов роторов турбомашин.

2. Проведен сравнительный анализ стоимости жизненного цикла систем подвеса роторов с применением различных подшипников. Показано, что оснащение роторных систем подшипниками на газовой смазке сопряжено с наименьшими совокупными затратами.

3. Разработана методика расчета характеристик радиальных сегментных подшипников с использованием современных программ по вычислительной гидродинамике. Выполнены расчеты характеристик сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор. Результаты вычислений верифицированы при помощи сверки с результатами экспериментов на натурных моделях.

4. Разработана конструкторская документация и создан экспериментальный стенд, позволяющий испытывать радиальные газовые подшипники диаметром вала до 150мм. Получены экспериментальные зависимости эксцентриситета от величины нагрузки для сегментных радиальных подшипников с различными способами подвода воздуха в смазочный зазор.

5. Экспериментально подтверждено, что радиальные сегментные газовые подшипники с подводом воздуха в смазочный зазор через поперечную канавку, расположенную в районе входной кромки сегмента обладают наибольшей грузоподъемностью.

6. Разработаны рекомендации по проектированию подшипников на газовой смазке для опор тяжелых роторов ГТД и турбогенераторов. Результаты исследований были использованы при разработке опор роторов турбогенератора ГТД 1000.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бесчастных, Владимир Николаевич, 2011 год

1. Бесчастных В. Н. Проектирование и экспериментальное исследование гибридных газовых подшипников тяжелого многоопорного ротора // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2009. №3(19).C.l 18-126.

2. Бесчастных В. Н., Равикович Ю. А. Газовый подшипник тяжелого ротора газотурбинных двигателей. Опыт разработки и перспективы внедрения // Вестник Московского авиационного института, 2010. т. 17. № 3. С.91-98.

3. Бесчастных В. Н., Равикович Ю. А. Соколов А.Н. Определение статической грузоподъемности сегментного подшипника // Вестник Московского авиационного института 2009 . т. 16, №1, С.84-94.

4. Бесчастных В.Н. Газовые подшипники для турбогенераторов. Перспективы внедрения // Газотурбинные технологии, 2010.№9.

5. Большая эффективность малых решений //Российская газета, 29 сентября 2010. С. 6

6. Бургвиц А. Г., Завьялов Г. А. Устойчивость движения валов в подщипниках жидкостного трения. М.: Машиностроение, 1964.148 с.

7. Воронин Н. А., Семенов А. П. Смазочные покрытия газодинамических подшипников.-М.: Наука (АН СССР, Институт машиноведения им. А. А. Благонравова), 1981.88 с

8. Воронков Б. Д. Подшипники сухого трения. — 2-е изд., перераб. и доп.— Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979, 224 с.

9. Газовая смазка подшипников (Сборник докладов на совещании по газовой смазке подшипников). М., Институт машиноведения, 1968. 312с.

10. Дроздович В. Н. Газодинамические подшипники. Л.: Машиностроение, 1976.208 с.

11. Ермилов Ю.И. Теоретическое и экспериментальное определение предельной несущей способности осевых лепестковых газодинамических подшипников; Автореферат дис.канд.техн. наук М.,2005.22 с.

12. Заблоцкий Н.Д. Линеаризация граничных условий в теории воздушных подвесов // Труды ЛПИД961. №217. с.127-132

13. Заблоцкий Н.Д,, Карякин В.Е., Спиенков И.Е. Сферический газовый подшипник с принудительным наддувом // Механика жидкости и газа, 1970. №3. с. 147-154.

14. Заблоцкий Я.Д. Расчет подшипников с наддувом при больших числах сжимаемости // Вибрационная прочность и надежность двигателей летательных аппаратов, 1976.№3, С. 109-116.

15. Константинеску В.Н. Газовая смазка. М.: Машиностроение, 1968. 720 с.

16. Котляр Я.М. Асимптотические решения уравнения Рейнольдса // Механика жидкости и газа, 1967. №1. с. 161

17. Котляр Я.М. К теории воздушных подвесов сферического типа // Изв. АН СССР. Отделение техн. наук, 1959. №6. С. 21-26.

18. Котляр Я.М. Течение вязкого газа в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами // Изв. АН СССР. Отделение техн. наук, 1957. №10. с. 12-18.

19. Кочетов Д.А. Кравцова Е.В. Электромагнитные подшипники возможности промышленного внедрения // Конверсия в машиностроении, 1993. №2. с.25.

20. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. М.: Физматгиз, 1962. 480с.

21. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 848с.

22. Лойцянский Л.Г., Степанянц Л.Г. Гидродинамическая теория сферического подвеса // Труды ЛПИ, 1958. №198. С.89-98.

23. Лучин Г.А., Пешти Ю.В., Снопов А.И., Газовые опоры турбомашин. М.: Машиностроение, 1989.С.47

24. Ляпунов A.M. Общая задача об устойчивости движения. Собр. Сочинений. Т.2. М.-Л.: АН СССР, 1956. С.7-263.

25. Опоры скольжения с газовой смазкой / Под ред. С.А. Шейнберга.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1979.336 с.

26. Осмен Д. С. Теория устойчивости ph-линеаризованного приближения для переносного получастотного блуждания вала в длинных самогенерирующихся подшипниках• скольжения с газовой смазкой // Техническая механика, 1963. Т. 85, сер. Д, № 4, С.160-173

27. Пешти Ю.В. Газовая смазка, М.: Из-во МГТУ, 1993.382 с.

28. Пинегин C.B. и др. Газодинамические подпятники со спиральными канавками / C.B. Пинегин, A.B. Емельянов, Ю.Б. Табачников.-М: Наука, 1977.107 с.

29. Пинегин C.B. и др. Исследование материалов для подшипников с газовой смазкой / C.B. Пинегин, В.П. Петров, В.М. Гудченко.М.: Наука,1975,7 с.

30. Пинегин C.B. и др. Опоры с газовой смазкой в турбомашинах ограниченной мощности / C.B. Пинегин, Г.А. Поспелов, Ю.В. Пешти.-М: Наука, 1977.147 с.

31. Пинегин C.B. и др. Статические и динамические характеристики газостатических опор / C.B. Пинегин, Ю.Б. Табачников, И.Е. Сипенков. М.: Наука, 1982.265 с.

32. Подшипники с газовой смазкой. Пер. с англ. Под ред. Н. С. Грэссема и Дж. У. Пауэлла. М.: Мир, 1966. 424 с.

33. Поспелов Г.А. Устойчивость и критические скорости роторов в подшипниках скольжения // Труды КХТИ, 1971. вып. 49, с 3-12.

34. Проблемы развития газовой смазки. Доклады на Всесоюзном координационном совещании35,36