Колебания и устойчивость скольжения в условиях вскипания смазочного материала тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

I I ^ 1 -

2 О НОЯ 7ППП

СОЛОМИН ОЛЕГ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

КОЛЕБАНИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ РОТОРОВ НА ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВСКИПАНИЯ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Специальность 01.02.06 -Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 2000

щ

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете Научный руководитель:

• доктор технических наук, профессор Савин Л. А. Официальные оппоненты:

• доктор технических наук, профессор Чегодаев Д. Е.

• доктор технических наук, профессор Малахов Н.Н.

Ведущая организация:

• НПО «ЭНЕРГОМАШ» им. академика В.П. Глушко (г. Химки).

Адрес университета: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государст венного технического университета.

Защита состоится « ЛЯ » 2000 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 064.75.01 Орловского государственного технического университета.

часов

.втореферагразослан«/^- » Аг&Л—2000тг

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических нау

М.И. Борзенков.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В высокоскоростных машинах наиболее нагруженными и ответственными элементами, определяющими работоспособность и ресурс изделий, являются роторно-опорные узлы. Создание новых, более производительных турбомашин связано с повышением частот вращения их роторов, что приводит к возрастанию действующих в опорах сил и виброперемещений. Использование в качестве опор подшипников качения ограничено их предельной быстроходностью и долговечностью, поэтому широкое применение нашли гидростатодинамические подшипники скольжения (ГСДП), позволяющие обеспечить надежное вращение ротора в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

Применение в качестве смазочных материалов подшипников скольжения маловязких криогенных жидкостей ставит ряд задач по обеспечению работоспо-:обности роторов в условиях появления паровой фазы, которая меняет характе-эистики подшипника, его упругие и демпфирующие свойства. Недостаточная изученность влияния вскипания и парожидкостного состояния криогенного сма-ючного материала, упругих и термических деформаций элементов роторно-эпорного узла на устойчивость и колебания системы "ротор - подшипники жольжения", а также выдвигаемые практикой задачи улучшения характеристик зысокоскоростных турбомашин, снижения вибраций, повышения их ресурса и гадежности определяют актуальность проведенных исследований.

Настоящая диссертация выполнялась в рамках договоров о научно-гехническом сотрудничестве ОрелГТУ с научно-производственным объедине-шем «ЭНЕРГОМАШ» им. академика В.П. Глушко (г. Химки), КБ «ХИММАШ» ш. A.M. Исаева (г. Королев, Московской обл.), а также по программе Мини-:терства образования РФ «Научные исследования высшей школы в области Транспорта» (раздел 5.2: «Транспортные ракетно-космические системы») 2000 г.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ. Целью диссертационной работы является изучение за-:ономерностей движения роторов и обеспечение их устойчивости на подшипни-:ах скольжения в условиях вскипания смазочного материала.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

• разработать математическую модель, методы и программное обеспе-1ение для расчета амплитудно-частотных характеристик, динамических коэффициентов, резонансных частот и границ устойчивости движения роторов на юдшипниках скольжения, смазываемых криогенными жидкостями;

• провести вычислительные эксперименты по изучению влияния вски-1ания смазочного материала на колебания и устойчивость роторов;

• проверить соответствие разработанной математической модели реаль ным процессами в системе "ротор-подшипники скольжения" путем проведение сравнительного анализа с результатами опытных исследований;

• разработать рекомендаций по проектированию роторов на подшипниках скольжения с криогенной смазкой.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

• разработана математическая модель расчета колебаний и устойчивости роторов на ГСДП в условиях вскипания смазочного материала;

• установлено и теоретически обосновано влияние вскипания смазочного материала на динамику роторов на ГСДП и на основании полученных результатов предложены рекомендации по проектированию быстроходных роторны> систем на подшипниках с криогенной смазкой.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Анализ динамических характеристик систем "ротор-подшипники скольжения" выполнялся с использованием метода малых колебаний и метода траекторий. В первом случае составлялись характеристические уравнения возмущенного движения ротора и осуществлялся анализ устойчивости методами Рауса-Гурвица и D-разбиений. При использовании метода траекторий проводилось численное интегрирование системы дифференциальных уравнений, включающей уравнения гидромеханики, упругости и теорш: колебаний.

Расчет полей давлений в смазочном слое подшипника осуществлялся на основании совместного решения уравнений Рейнольдса, баланса энергий и расходов, а также соотношений термодинамических параметров. Решение системы уравнений проводилось методом конечных разностей.

Для аппроксимации табличных данных различных величин применялся метод наименьших квадратов, реализованный в системе MathCAD 7.0. Численное решение задачи~расчета динамических характеристик системы "ротор-подшипники" проводилось с помощью разработанного автором в среде Borland Pascal 7.0 программного обеспечения.

_С целью.проверки адекватности разработанных теоретических положений

был проведен модельный физический эксперимент на специально разработанном стенде с использованием современной измерительной аппаратуры, а также выполнен сравнительный анализ расчетов и результатов экспериментальных исследований, полученных другими авторами. Экспериментальные данные обрабатывались при помощи пакета STATISTICA 5.0.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивается корректностью постановки задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором на разработанном экспериментальном стенде с использованием современной измерительной аппаратуры, так и другими исследователями, а также внедрением полученных результатов в промышленности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в том, что разработанные методы и программное обеспечение для расчета динамики роторных систем позволяют получить амплитудно-частотные характеристики, дают возможность определить границы устойчивого движения ротора в условиях вскипания и парожид-костного состояния смазочного слоя подшипника скольжения, прогнозировать возникновение автоколебательных процессов и определять пути отстройки от них и, таким образом, проектировать систему "ротор - подшипники скольжения" с необходимым запасом по устойчивости и минимальным уровнем вибраций.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы внедрены и используются при проектировании роторных систем высокоскоростных турбомашин в НПО «ЭНЕРГ'ОМАШ» им. академика В.П. Глушко (г. Химки, Московская обл.), КБ Химического машиностроения им. A.M. Исаева (г. Королев, Московская обл.).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: Всероссийской молодежной научной конференции "XXIV Гагарин-ские чтения", г. Москва, МАТИ им. К.Э. Циолковского, 1998 г.; V Международном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники", г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 г.; Всероссийской математической школе "Современные проблемы механики и прикладной математики", г. Воронеж, ВГУ, 1998 г.; XVI Международной конференции "Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы конечных и граничных элементов" BEM/FEM-98, г. Санкт-Петербург, 1998 г.; Международной конференции "Приборостроение - 98", г. Евпатория, 1998 г.; Международной научно-технической конференции "Итоги развития механики в Туле", г. Тула, 1998 г.; II Международной конференции "Проблемы пластичности в технологии", г. Орел, 1998 г., Tenth World Congress on the Theory Machines and Mechanisms, Oulu (Finland), 1999; Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий», г. Сочи, 1999 г.; IV Международной научно-технической конференции

«Вибрационные машины и технологии», г. Курск, 1999 г.;, а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Орловского государственного технического университета, 1996-2000 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 25 научных трудов, включая 13 статей в научных сборниках и 12 тезисов докладов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений, списка литературы из 171 наименования и содержит 259 страниц текста, 113 рисунков и 10 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА "РОТОР - ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ" КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Виброустойчивость является определяющим критерием работоспособности турбомашины. Увеличение интенсивности колебаний и рост их амплитуд приводят к повышению возникающих в роторе напряжений и снижению запаса прочности. Возникновение автоколебаний и потеря устойчивости заложено в самой природе гидродинамической смазки и может привести к росту амплитуд до величины радиального зазора, что влечет за собой увеличение износа, уменьшение ресурса, а зачастую, и аварийный останов машины.

Использование низкотемпературных жидкостей для смазки опор приводит к тому, что при больших степенях дросселирования и недостаточной теплоизоляции в трактах подшипников возможно появление фазовых превращений в .смазочном материале. Парожидкостное состояние рабочего тела изменяет упругие и демпфирующие свойства смазочного слоя, сказывается на несущей способности и существенно влияет на динамическое поведение роторной системы.

Анализ литературы но проблеме приводился пи двум взаимосвязанным направлениям - гидродинамическая теория смазки и динамика роторов на опорах скольжения. Фундаментальный вклад в развитие этих областей науки и тех-—ники сделали следующие авторы: Артеменко Н.П.. Белоусов А.И., Букер Р., Бур-_ гвиц А.Г., Диментберг Ф.М., Кальменс В.Я., Кельзон A.C., Константинеску В.Н., Коровчинский М.В., Лаппа М.И., Лунд Д., Максимов В.А., Пешти Ю.В., Позняк Э.Л., Прокопьев В.Н., Равикович Ю.А., Реддклиф Д., Сергеев С.И., Токарь И .Я., Тондл А., Чегодаев Д.Е., Чернавский С.А., Шейнберг С.А., Штернлихт В. и др.

Выполненный обзор опубликованных работ показал, что их большинство рассматривает смазочные материалы, работающие при отсутствии фазовых пре-

вращений. В работах преобладает традиционная постановка задачи о движении жесткого или гибкого сбалансированного ротора. Отсутствует информация о влиянии газосодержания на динамические характеристики смазочного слоя и связанные с ними зоны устойчивого движения ротора, вынужденные колебания, а также на возникновение и развитие автоколебательных процессов. Малоизученными остаются вопросы, связанные с температурными и силовыми деформациями и их влиянием на работу роторной системы.

Ротор на подшипниках скольжения представляет собой активно-диссипативную автоколебательную систему. Проведенный анализ существующих компоновочных схем быстроходных турбомашин показал, что широкое распространение получили двухопорные роторы с центральным и консольным расположением колес. Из всего многообразия существующих конструкций ро-торно-опорных узлов в качестве объекта исследования выбрана схема упругоде-формируемого ротора, вращающегося в 360-градусных гидростатодинамических подшипниках (ГСДП) с различными видами дросселирования (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема ротора и подшипника

2. РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПАРОЖИДКОСТНОГО СМАЗОЧНОГО СЛОЯ

Основой анализа динамики роторов на подшипниках скольжения является определение гидродинамических реакций смазочного слоя, для вычисления которых требуется знание полей давлений р(х, г) (рисунок 2), где х и г - соответственно окружная и осевая координаты подшипника. В основу анализа свойств паро-жидкостного смазочного материала положена гомогенная модель среды. Значения осреднен-ных параметров определяются по массовому содержанию % и свойствам каждой из фаз на

линии насыщения. Аналитические зависимости » ^

Рисунок 2 - Эпюра давлении

для энтальпии, плотности, вязкости и теплоемкости однофазного материала в виде функций давления и температуры найдены аппроксимацией табличных данных: I, р, р, СР = Р (р, Т).

Поле давлений в смазочном слое в каждый момент времени находится при решении уравнения Рейнольдса, обобщенного на случай двумерного турбулентного течения вязкого сжимаемого парожидкостного материала:

д II3-р др' д_ Ги3-Р др'

дх цКх дх + дг .ик, дг

= 6—(р-и-Ь)-12рУ + 12Ь^, дхУ ' д1

О)

где и и V - скорости точек на поверхности в окружном и радиальном направлениях; р и ц - плотность и вязкость смазочного материала; К* и Кг - коэффициенты турбулентности; I - время; Ь(х, г) - радиальный зазор, определяемый по формуле Ь = Ь0-(е + 2-б)-соБ(а-ф).

Для учета влияния тепловых процессов и возможности описания фазовых переходов в модель включено уравнение баланса энергий, записанное в форме энтальпий (выражения в фигурных скобках используются для двухфазной области; г - теплота парообразования, Т - температура):

рЬ

51 др

+ с,

др д1 рь3

12рКг

дТ

а

.ЁР

дг

ш

91 Зр

+ Р

и-ь Ь3

др

дх

зтГ. дг

др, и-Ь

= -£-11+-

д1 2

др дх др

дх + Ь

дх | дх 2

(2)

•цк,

2 12рК„

___£?: ш

др дг Р дг [ дг. Численная реализация математической модели проводилась с использованием метода конечных разностей. Уравнение (1) решалось методом правой прогонки, а уравнение (2) - итерационным методом последовательных приближений. Тестирование показало устойчивую работу разработанного программного обеспечения при различных сочетаниях рабочих и геометрических параметров.

ГСДП (водород)

-- т» -17.5 к -я'ыкм

..... т.-2лк 3-ь.-75м

1.-225к

1000 2000 ЭООО «X»

Частая «ращмм», раД/с«*

1 -Р.-ОЗ МП» 2-Р»* 0.73 МП»

3 - Р» " 1 МП»

4 -Р.- 1.5 МП»

Рисунок 3 - Грузоподъемность ГСДП в условиях вскипания смазки

Реакция смазочного слоя состоит из подъемной силы R; восстанавливающего момента MR; силы FTp и момента МТР сопротивления вращению. Составляющие этой реакции и грузоподъемность W находят интегрированием поля давлений по соотношениям (т - напряжение сдвига; Z = z - 0,5L):

L TCD L JlD

Rx = - j Jp sin adxdz; Ry = - J Jpcosadxdz; W = ^¡K2X + Ry;

0 0 0 0

L líD L kD

MRX = I Jzp cos adxdz; MRy = -J Jzp sin adxdz; x = ——+ ^ " ; '(3)

0 0 0 0

L ID L itD ^ L kD

FTPx = - J Jx cos adxdz; FTPy = J" jxsin adxdz; MTP = — J J xdxdz.

0 0 0 0 0 0

Проведенные исследования зависимости гидродинамических сил от различных факторов показали значительное влияние на их величину вскипания смазки (рисунок 3). При развитом кипении в несущей пленке (х>10%), наблюдается многократное уменьшение грузоподъемности подшипника. Расчеты показали слабый («1%) вклад силы трения в образование несущей способности. Была разработана модель и проведен комплекс теоретических исследований влияния упругих и термических деформаций на геометрию радиального зазора и гидродинамические реакции смазочного слоя.

3. ДИНАМИКА РОТОРОВ НА ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВСКИПАНИЯ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Ротор на подшипниках скольжения представляет собой единую динамическую систему, в которой имеет место различные виды колебательных процессов: изгибные и крутильные колебания, резонансные явления, осевые перемещения и орбитальные движения ротора в смазочном слое. Учитывая саму специфику вращательного движения в упругих опорах, наибольшие сложности связаны с обеспечением устойчивости поперечных колебаний. В работе рассмотрена динамическая модель роторно-опорного узла на подшипниках скольжения (рисунок 4), позволяющая осуществить комплексный подход к анализу динамических процессов в рассматриваемой системе.

Основной акцент сделан на использовании метода траекторий, который позволяет в нелинейной постановке путем прямого интегрирования системы дифференциальных уравнений движения центра масс, уравнения упругой линии

Рисунок 4 - Динамическая модель роторно-опорного узла

ротора и уравнений для расчета гидродинамических сил смазочного слоя определять портрет эволюции системы в течении заданного интервала времени. Уравнения движения ротора в полярных координатах имеют вид:

ÍA(e"-e9'2)-k2[FI"-FI9'J-2flp'-Fj9"]=Fi +Qcos(27rt-(p)+Gcos(p; (4) |л(ё<р" + 2ё'ф') - k2 [2F,V + F,cp' + F,"-F,<p'2 ] = F, + Qsin(27it - cp)- G sin ф,

где Л - приведенная масса; к - коэффициент гибкости; F,,Fj-нелинейные гидродинамические реакции смазочного слоя, в данном случае учитывающие трение; Q и G - приведенные силы дисбаланса и веса.

Совместное решение уравнения упругой линии ротора и системы уравнений (4) позволяло учесть влияние изгибных деформаций ротора на инерционную составляющую силы внешнего возбуждения и гидродинамической реакции смазочного слоя вследствие осевого перекоса цапфы ротора.

Для решения уравнений (4) использовался экстраполяционный метод Адамса. Запуск алгоритма осуществлялся одношаговым методом Эйлера.

Была разработана специальная программа расчета и проведен комплекс вычислительных экспериментов по определению влияния вскипания смазочного материала на динамическое поведение ротора на двухфазной несущей пленке.

-Можно отметить характерное увеличение

грузоподъемности на кривых подвижного равновесия (рисунок 5) при малой концентрации газа и _резкое_ уменьшение _ несущей^способности при. паросодержании х > 0,1. Расчет кривых подвижного равновесия проводился для различных рабочих тел (кислород, водород, вода, фреон и др.).

Влияние различных параметров на динамические коэффициенты смазочного слоя можно

аз в« оз <и

--V2SK

Рисунок 5 - Кривые подвижного равновесия

проследить на рисунке 6. Характерной чертой является уменьшение жесткост-ных и демпфирующих свойств на режиме развитого кипения. Проведена оценка влияния на величину коэффициентов частоты вращения, радиального зазора и геометрических параметров подшипника.

Анализ устойчивости ротора проводился путем решения системы уравнений возмущенного движения в окрестности положения равновесия:

ЛДХ" + к2[кххДХ* + КхуДУ" + ВххДХ" + ВХУД7"]+

+ КххДХ + КхуДУ + ВххДХ' + ВхуЛУ = 0; (5)

ЛДУ" + к2[кухДХ' + КууЛУ" + ВухДХ" + вуудУ"]+ + К УХ ДХ + К уу ДУ + Вта ДХ' + в уу дУ = о,

К __/жху _ ГяМ.

где кхх-^;

Вта=-Щ; Вуу=_Ш-

В результате преобразований и подстановки в систему (5) значений амплитуд возмущений Ах, Ау и частоты вращения ротора получили характеристическое уравнение движения гибкого несбалансированного ротора:

а0А' + а,А.5 +а2Х.4 +а3>' + а4^ +а5>. + а6 =0> (6)

а„,а,,...а6 =Г(Кхх,К.ху,Кух,Куу,Вхх,Вху,Вух,Вуу,Л и к)

Значения корней уравнения (б) позволяет судить об устойчивости ротора. Согласно классическому подходу система устойчива, если все корни имеют отрицательную действительную часть. Оценка устойчивости при заданных параметрах системы приводилось на основании критерия Рауса-Гурвица. Для оценки

сочетаний параметров, обеспечивающих устойчивость ротора, использовался метод О-разбиений.

Используя расчетные значения динамических коэффициентов, были определены критические частоты и формы колебаний экспериментальных роторов турбомашин. Была отмечена возможность перехода через первую и вторую резонансные зоны с ограниченными амплитудами, без изгибных коле-

ы а 1»оо г*«/в ьа * ».ООО т

Те « 29.ООО К О * 90.000

Р« я О. ТЭОО МП* I. к 90.000 т

Рв > о.аэоо МП» О х 100 н

М • 1.ШШ1 1!'

. 1 1 1 1 ! * 1 » * 1 Л 1 ш Ы с! у

N ! И М ! М

Рисунок 7 - Полускоростной вихрь уравновешенного ротора

баний ротора, исследована зависимость критических частот от степени паросо-держания в смазочном слое.

В результате теоретических исследований сделан подробный анализ влияния степеии паросодержания, рабочих и геометрических параметров на колебания системы "ротор-ГСДП". Неравномерное распределение паровой фазы в концентричном радиальном зазоре подшипника инициирует условия развития вихревых движений ротора вследствие роста неконсервативной тангенциальной составляющей. Это можно проследить на развитии "полускоростного вихря" в случае уравновешенного ротора (рисунок 7).

Наложение самовозбуждающихся и вынужденных колебаний приводит к формированию сложной траектории движения ротора, развертка которой (рисунок 8) представляет собой типичный случай бигармонических колебаний.

Частота вращения ротора на границе начала автоколебаний снижается с повышением температуры смазочного материала на входе в подшипник (рису-

пара (х<0,1) наблюдается некоторое повышение частот вследствие опережающего начало вскипания в не-

Ы » ООО То « »5.ООО к Ро ' О. ТЗОО ИП* Ра * О. ООО МП«

Рисунок 8 - Дробночастотный вихрь неуравновешенного ротора

нагруженной, зоне ГСП Д. С увеличением % происходит резкое снижение границы устойчивости, проявляющееся в появлении самовозбуждающихся колебаний и предельном увеличении их амплитуд.

13

Водород

13000

20 22 24 26 23 30

Температура, К

Рисунок 9 - Влияние газосодержания на частоту потери устойчивости

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РОТОРОВ НА ПОДШИПНИКАХ СКОЛЬЖЕНИЯ

Проверка полученных в работе результатов математического моделирования на адекватность реальным условиям проводилась несколькими независимыми способами: аI на основании опытных данных, полученных другими авторами и опубликованных в центральных изданиях и специальной литературе; б/ на реальных турбомашинах в производственных условиях; в/ на специально созданной с участием автора модельной установке.

За основу в сравнительном анализе колебаний и устойчивости ротора на подшипниках скольжения в условиях вскипания смазочного материала были взяты результаты других авторов, полученные при использовании в качестве смазочного материала фреона-113. Опытные исследования динамических характеристик роторов с участием автора выполнялись на модельной установке при смазке подшипников скольжения однофазным материалом.

Экспериментальный стенд включал в себя ротор, установленный в корпусе установки на двух подшипниках скольжения с прямоугольными питающими камерами; привод вращения, смазочную систему и измерительный комплекс. Основными выходными параметрами в эксперименте были радиальные перемещения шеек вала относительно подшипников, на основе которых строились АЧХ, определялись границы устойчивости и тип колебаний.

С целью уменьшения случайных воздействий была проведена рандомизация порядка проведения опытов. Для этого была использована специальная программа. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с применением математико-статистических методов. Сравнительный анализ проводился для давлений и температур в смазочном слое подшипников, кривых подвижного

равновесия и АЧХ центра опорной части вала (рисунок 10) и показал удовлетворительное согласование теоретических и экспериментальных исследований.

С-4ЮНЛ ъ ' I

.. ' ] \ А0=)200Н '

о С-8С0НУ ' \ /

Кривыа подвижного равновесия

Рисунок 10 - Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных

5. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РОТОРНО-ОПОРНЫХ УЗЛОВ БЫСТРОХОДНЫХ КРИОГЕННЫХ ТУРБОМАШИН

В данном разделе приведены практические рекомендации по проектированию роторно-опорных узлов с подшипниками скольжения, работающими в условиях возможного двухфазного парожидкостного состояния смазочного материала. Рекомендации выработаны на основании результатов диссертационного исследования, и позволяют предложить модифицированную схему проектировочного расчета роторно-опорных узлов (рисунок 11). Выполнение блоков 7-11 данной схемы предполагает использование положений настоящей работы.

Для расчета динамических характеристик роторно-опорного узла было разработано оригинальное программное обеспечение «Вихрь», позволяющее получить как динамические (траектории движения центра цапфы, амплитудно-частотные характеристики, деформации упругой линии ротора, значения возмущающих сил и реакций смазочного слоя, фазового состояния смазочного материала и т.д.), так и статистические характеристики (грузоподъемность, потери мощности,~расходсмазочногоматериала,кривыеподви;кного равновесия и т.д.), используемые при проектировании, в широком диапазоне изменения геометрических и рабочих параметров системы, а также в условиях вскипания смазочного материала при различных концентрациях газовой фазы. В работе приводится подробное описание структуры программного обеспечения, взаимосвязи отдельных программных модулей и организации пользовательского интерфейса.

Рекомендации по проектированию включают в себя подходы к выбору

! Т„-290"К Т„ - 335 "К Т„»ЗМ°К Р,-0,6 МП

А • а

А

---- ■ •

и *

Эпюра давление смазочного слоя на линии питающих камер

0.2 0,3 0,4 0,5 0,5 07 СЙ 0,9 1 Частот» вращении, 10х рад!с

Амплитудно-частотные характеристики

Рисунок 11 - Фрагмент схемы проектировочного расчета

типа и основных параметров подшипников и характеристик ротора и меры по отстройке от резонансных режимов и/или демпфирование колебаний посредством варьирования параметров опоры (например, повышение жесткости системы путем повышения давления питания или увеличения радиального зазора и т.д.). Снижение негативного влияния высокого газосодержания на динамику роторной системы достигается мероприятиями конструктивного и технологического характера, направленными на уменьшении концентрации газовой фазы: увеличение давления питания; уменьшение радиального зазора, изменения отношения 1Л); снижение температуры; увеличение числа камер в ряду или применение опор с двумя рядами камер, улучшение качества обработки поверхностей и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена важная научно-практическая задача, заключающаяся в исследовании колебаний и устойчивости роторов на подшипниках скольжения в условиях вскипания смазочного материала. В процессе ее выполнения были рассмотрены вопросы и получены следующие результаты:

1. Сделан анализ технических характеристик, конструктивных решений и эффективности применения криогенных турбомашин в транспортном машиностроении, нефтехимической и газовой промышленности, энергетике, криогенной и ракетно-космической технике. Рассмотрены варианты подвески роторов, типы подшипников и приведена их классификация. Выполнен обзор опубликованных в отечественной и зарубежной литературе работ и методов исследования динамики роторов на подшипниках скольжения.

2. Разработана математическая модель расчета динамических характеристик ротора на подшипниках скольжения, учитывающая нелинейные упруго-демпферные свойства двухфазного парожидкостного смазочного слоя, упругие и инерционные свойства ротора. Модель основана на совместном решении уравнений гидромеханики, упругости и теории колебаний.

3. Решена задача по определению границ устойчивости движения роторов на подшипниках скольжения с парожидкостной смазкой, основанная на анализе характеристических уравнений возмущенного движения.

4. Определены критические частоты и формы колебаний роторов на подшипниках скольжения, смазываемых криогенной кипящей средой.

5. Разработана математическая модель расчета и сделана оценка влияния упругих и термических деформаций элементов роторно-опорного узла на рабочие

—параметры-и динамические-характеристики роторной системы;

6. Выполнен комплекс вычислительных экспериментов по оценке колебаний и устойчивости гибких и жестких роторов, установленных на гидростатодинами-

_нескихлодшипниках скольжения, смазываемых двухфазным материалом:-

7. Спроектирован и создан экспериментальный стенд для изучения работоспособности роторно-опорных узлов. Выполнены экспериментальные исследования динамических характеристик ротора на подшипниках скольжения.

8. Проведен сравнительный анализ теоретических результатов с опытными данными, который подтвердил их удовлетворительное совпадение.

9. Разработано и находится на регистрации в Федеральном институте промышленной собственности и Роспатенте программное обеспечение «ПОДШИП-НИК-КРИОГЕН» для расчета динамических характеристик роторно-опорных узлов с подшипниками скольжения, смазываемыми криогенной жидкостью.

10. Выработаны рекомендации по проектировашпо высокоскоростных роторных систем криогенных турбомашин с подшипниками скольжения, смазываемых кипящей жидкостью. Предложены меры по снижению негативного влияния вскипания на колебания и устойчивость роторов на ГСДП.

11. Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий и используются при проектировании роторных систем турбомашин.

12. В работе проведена качественная и количественная оценка влияния отдельных факторов и на основании полученных результатов сделаны следующие выводы о работоспособности роторов на подшипниках скольжения в условиях вскипания смазочного материала:

• вскипание смазочной жидкости оказывает существенное влияние на колебания и устойчивость роторной системы, что связано с изменением динамических свойств несущего слоя подшипника вследствие появления паровой фазы;

• увеличение концентрации паровой фазы (х > 0,1)снижает значения коэффициентов жесткости и демпфирования смазочного слоя, смещает границы устойчивости и критические частоты системы в сторону их уменьшения;

• изгибные деформации ротора и вызванный ими перекос цапф приводят к увеличению (5... 10%) амплитуд колебаний, уменьшению минимального зазора и сужению области устойчивого движения ротора; температурные деформации в результате криогенного захолаживания существенно изменяют геометрию радиального зазора и поля давлений ГСДП;

• малые концентрации паровой фазы (% < 0,1) приводят к некоторому увеличению гидродинамических сил, уменьшению эксцентриситета положения ротора и амплитуд вынужденных колебаний, однако в этом случае повышается вероятность возникновения самовозбуждающихся колебаний;

• развитое кипение смазочного материала снижает демпфирующие и жесткост-ные свойства несущего слоя, уменьшает грузоподъемность, ведет к увеличению амплитуд вынужденных колебаний, появлению несинхронных движений ротора (бигармонические колебания) и способствует развитию автоколебаний в режиме дробно-скоростного (полускоростного) вихря для уравновешенного ротора.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАСТОЯЩЕЙ ДИССЕРТАЦИИ НАШЛИ ОТРАЖЕНИЕ В СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ ТРУДАХ:

1. Соломин О.В., Лазарев С.А., Савин Л.А. Аппроксимация термодинамических свойств криогенных рабочих тел // Сб. научных трудов ученых Орловской области,- Орел: ОрелГТУ, 1996. - Выпуск 2. - С. 24 - 28.

2. Савин Л.А., Чехутский И.В., Медников В.А., Соломин О.В., Мосин В.З. Экспериментальный стенд для исследования подшипников скольжения // Сб. научных трудов. - Орел: ОрелГТУ, 1996. - Том 9. - С. 182 - 184.

3. Соломин О.В. Учет влияния изгибных деформаций вала переменной жесткости на характеристики подшипников скольжения // Сб. научных трудов ученых Орловской области-Орел: ОрелГТУ, 1997.-ВыпускЗ.-С. 142-145.

4. Устинов Д.Е., Соломин О.В. Расчет характеристик аэростатодинамических подшипников высокооборотных малогабаритных авиационных газотурбинных двигателей //XXIV Гагаринские чтения: Тез. докладов.- Москва, 1998.- С. 124.

5. Соломин О.В., Устинов Д.Е. Методы расчета динамических характеристик опорных узлов // Сб. научных трудов ученых Орловской области - Орел: ОрелГТУ, 1998. - Выпуск 4. - С. 51 - 56.

6. Савин Л.А., Соломин О.В., Устинов Д.Е. Колебания и устойчивость высокоскоростных роторов на подшипниках скольжения с парожидкостной смазкой // Тезисы докладов школы "Современные проблемы механики и прикладной математики". - Воронеж ВГУ, 1998. - С. 243.

7. Соломин О.В. Устойчивость движения роторов на подшипниках скольжения с парожидкостной смазкой // Сб. научных трудов ученых Орловской области,- Орел: ОрелГТУ, 1998. - Выпуск 4. - С. 488-494.

8; Savin L., Solomin О., Ustinov D. Rotor dynamics on friction bearing with cryogenic lubrication //Tenth World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms: Proceedings. Oulu, Finland: Oulu University. - Vol. 4. -P. 1716 - 1721. —9.—Савин Л.А., Соломин О.В.—Установ Д.ЕгВлияние температурных деформа-7 ций элементов опорного узла на функцию радиального зазора // Вестник науки: Сб. научн. тр. ученыхОрл. обл.-Орел: ОрелГТУ, 1999-Вып. 5.Том 1.-С. 58-66. 10. Устинов Д.Е., Соломин О.В. Влияние упругих деформаций ротора под действием центробежных сил и давлений смазочного слоя на величину зазора в подшипниках скольжения высокоскоростных роторных машин // Вестник науки: Сб. трудов ученых Орл. обл.- Орел: ОрелГТУ, 1999,-Выпуск 5. Том 1.-С. 84-89.

И. Савин Л.А., Соломин О.В., Устинов Д.Е. Прикладные методы динамических расчетов рогорно-опорных узлов // Вибрационные машины и технологии: Сборник докладов IV международной конференции - Курск, 1999 - С. 126 - 129.

12. Савин Л.А., Соломин О.В., Устинов Д.Е. Вопросы применения экологически чистых рабочих тел в качестве смазочных материалов // Инженерно-физические проблемы новой техники: Тезисы докладов Пятого Международного совещания-семинара. М.: Изд-во МГТУ, 1998. - С. 327.

13. Савин Л.А., Соломин О.В., Устинов Д.Е. Конструкции и методика расчета опорных узлов быстроходных криогенных турбомашин // Инженерно-физические проблемы новой техники: Тезисы докладов Пятого Международного совещания-семинара. М.: Изд-во МГТУ, 1998. - С. 328.

14. Савин Л.А., Соломин О.В., Устинов Д.Е. Пакет прикладных программ расчета стационарных и динамических характеристик подшипников скольжения с парожидкостной смазкой И Математическое моделирование в механике деформируемых тел: Тезисы докладов XVI Международной конференции BEM/FEM -98. Санкт-Петербург, 1998. -Том 1. - С. 107-108.

15. Савин Л.А., Устинов Д.Е., Соломин О.В. Конструкции и расчет аэростато-динамических подшипников высокооборотных авиационных газотурбинных двигателей // Приборостроение - 98: Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. Винница-Симферополь, 1998. - С. 284.

16. Савин Л.А., Соломин О.В., Устинов Д.Е. Влияние упругих деформаций ротора на работоспособность опор скольжения // Итоги развития механики в Туле: Тезисы докладов международной конференции. Тула, 1998. - С. 86.

17. Савин Л.А., Устинов Д.Е., Соломин О.В. Анализ влияния технологических погрешностей, упругих и термических деформаций на характеристики подшипников скольжения //Проблемы пластичности в технологии: Тезисы докладов II международной научно-технической конференции. Орел, 1998,-С. 104-105.

18. Савин Л.А., Соломин О.В., Устинов Д.Е., Жидков С.А., Корнеев А.Ю. Пакет прикладных программ для исследования динамики роторных систем // Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий: Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 7. - Москва: НИИ «Автоэлектроника», 1999. - С. 88.