Практика проектирования газовых подшипников Ч. I. Обзор газовых подшипников
В настоящей статье рассмотрены перспективы применения газовых подшипников. Определилось несколько областей техники, в которых использование подшипников на газовой смазке считается наиболее целесообразным: микротурбины для распределенных энергетических систем, криогенная техника, турбохолодильные агрегаты и детандеры. В двух последних случаях важным является отсутствие загрязнения газов и продуктов охлаждения масляной смазкой. Рассмотрены история разработки бесконтактных газовых подшипников, практика их проектирования, существующая классификация и методы расчета. Приведены базовые сведения о типичных конструктивных решениях при проектировании газовых подшипников. Рассмотрены преимущества гибридных газовых подшипников, совмещающих достоинства газодинамических и газостатических подшипников. Показано, что применение гибридных газовых подшипников позволяет преодолеть основной недостаток холодильных машин и детандеров, оснащенных лепестковыми и фольговыми газодинамическими подшипниками, – недостаточную производительность из-за низкой несущей способности подшипника.
Практика проектирования турбомашин, в частности турбохолодильных агрегатов, сталкивается с новыми тенденциями: возросли скорости вращения вала и нагрузки. Это заставляет проектировщиков искать новые решения, в том числе новые способы сжатия газа. В большинстве случаев задача ограничения размеров и стоимости агрегатов решается увеличением быстроходности их роторов. Примером нетривиального подхода может служить замена традиционных лопаточных машин волновыми компрессорами, которые сжимают газ в системе ударных волн [1,2], что существенно упрощает конструкцию, но требует высокой частоты вращения ротора.
В последние годы значительно возрос интерес к подшипникам скольжения с газовой смазкой. Для таких подшипников могут быть использованы для создания подъемной силы аэродинамический эффект Бернулли (газодинамические подшипники – ГДП) или подача воздуха в зазор между статором и ротором под давлением (газостатические подшипники – ГСП) [11]. Возможно и совмещение этих двух эффектов (гибридные ГСП).
Определилось несколько областей техники, где применение подшипников на газовой смазке считается наиболее целесообразным:
- Криогенная техника, турбохолодильные агрегаты и детандеры;
- Микротурбины для распределенных энергетических систем;
- Авиационные газотурбинные установки, прежде всего вспомогательные.
Наиболее перспективно использовать бесконтактные подшипники на газовой смазке в турбохолодильных агрегатах (ТХА) и турбодетандерных агрегатах. В этих случаях важным является отсутствие загрязнения газов и продуктов охлаждения масляной смазкой.
В области создания машин с легкими роторами уже достигнут значительный прогресс. На современном этапе стоит задача создания бесконтактных газовых подшипников для быстроходных тяжелых роторов турбомашин. На этом пути имеется ряд сложностей принципиального характера.
Воздушные турбохолодильные агрегаты (ТХА). Обострение экологической обстановки, связанное с разрушением озонового слоя земли и развивающимся глобальным потеплением, потребовало создания холодильных машин нового поколения, работающих на озонобезопасных природных хладагентах, в число которых входит вода, воздух, диоксид углерода, аммиак, углеводороды. Наиболее универсальным из них яв- ляется атмосферный воздух. Установки с воздушным холодильным циклом способны работать в диапазоне от комнатной температуры до температуры жидкого воздуха. ТХА, представляющие собой высокооборотные турбомашины, производят одновременно с холодом высокопотенциальное тепло, которое можно использовать в производственных целях.
Турбодетандерные агрегаты. Этот тип турбоагрегатов используется в установках разделения воздуха. Применение газодинамических подшипников позволяет отказаться от использования масляного тумана для смазки шариковых подшипников, в результате чего гарантируется чистота газа, упрощается эксплуатация и повышается надежность агрегата. В настоящее время в турбодетандерах применяются ГДП (рис. 1), для которых, как правило, характерна низкая несущая способность (масса ротора не более 10–20 кг). В результате агрегаты на ГДП уступают классическим турбодетандерам в производительности в 10 и более раз. Выход видится в применении ГСП. Но работа ГСП сопровождается постоянным расходом рабочего тела на поддув,что сказывается на экономичности установки.
Рис.1. Лепестковый газодинамический подшипник турбодетандера
Поэтому перспективно совмещение достоинств ГСП и ГДП в одной конструкции. Такие подшипники называются гибридными.
История развития теории газовой смазки
Теория газовой смазки получила развитие в конце XIX в. в работах Петрова, Рейнольдса, Зоммерфельда, Чаплыгина [10]. Второй рывок в ее развитии произошел в 60-е годы XX в. и был связан с массовым внедрением газовых турбин. Основоположником газодинамической теории газовой смазки считается профессорН.П.Петров,который в 1883г. опубликовал в «Инженерном журнале» статью «Трение в машинах» [4]. Возможность использования воздуха в качестве смазочного вещества была проверена A.Kingsbury [15] и W.Harrison [14]. Однако впервые работа вала в опорах скольжения с несжимаемой смазкой была полностью исследована во второй половине XIX в. в работах B.Tower и O.Reynolds. Последний в 1886 г. опубликовал статью «Гидродинамическая теория смазкии ее применение к опытам B.Tower» [16]. Первый патент на газовый подшипник был оформлен в США в 1894 г. Гидродинамическая теория смазки для случая гладкого цилиндра в коаксиальной опоре была завершена в работах А. Зоммерфельда, А. Мичеля, Н.Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина [3].
Теория газовой смазки глубоко разрабатывалась в Советском Союзе. Основных научных центров в данной области было два: Экспериментальный НИИ металлорежущих станков (ЭНИМС), в котором работы велись под руководством С.А.Шейнберга [7], а также кафедра механики и математики Ленинградского политехнического института (ЛПИ), на которой под научным руководством Л.Г.Лойцянского [11] осуществлялась разработка теории гироскопов на газовом подвесе, а также газостатических узлов для точной выверки приборов.
Сегодня газовые опоры используются в газотурбинных двигателях (ГТД), криогенных и высокотемпературных космических, наземных, транспортных и глубоководных установках, компрессорах атомных реакторов. Всплеск интереса к данной тематике наблюдался в 60-е годы прошлого века. Именно тогда появились фундаментальные труды С.А.Шейнберга [7] и V.N.Constantinescu [12], Г.Риппела [6], Н.Грэссема и Дж.Пауэлла [5,13], обобщившие все известные на тот момент теоретические и экспериментальные результаты.
Классификация по направлению действия сил. Подшипники делят на радиальные, радиально-упорные и упорные (осевые). Как следует из названия, радиальный подшипник препятствует смещению вращающегося вала в поперечном (радиальном) направлении, соответственно упорный (осевой) – в продольном (осевом) направлении, радиально-упорный – в двух направлениях одновременно.
Классификация по принципу создания подъемной силы. В теории газовой смазки существует три принципа создания избыточного давления в газовом слое опор, названные принципами газовой смазки:
- Эффект клина;
- Эффект внешнего нагнетания смазки;
- Эффект колеблющейся стенки.
Наличие трех принципов значительно расширяет область применения опор скольжения с газовой смазкой. Наложение принципов приводит к гибридным опорам, например: внешнее нагнетание смазки плюс эффект клина; колеблющаяся стенка плюс эффект клина.
Как было указано ранее, по принципу создания подъемной силы все подшипники делятся на газостатические (подъемная сила создается подаваемым внешним устройством под избыточным давлением воздухом), газодинамические (подъемная сила создается за счет эффекта клина), а также гибридные (имеют место оба эффекта). При вращении вала вследствие сил вязкого трения подъемная сила возникает всегда (эффект Бернулли).
Классификация по форме несущей поверхности. Радиальные подшипники бывают сегментными, а также цилиндрическими с охватом 360о. Последние еще называют полноохватными.
Газодинамические подшипники. Традиционная схема лепесткового ГДП изображена на рис. 2. В корпусе подшипника выполнены продольные пазы, в которых закреплены изготовленные из пружинной стали лепестки (показаны красным цветом на рис.2), образующие непрерывную поверхность, составленную из клиньев.
Когда вал неподвижен, лепестки за счет упругости касаются поверхности вала и поддерживают его в подвешенном состоянии (рис. 2, в). При начале вращения вала на лепестках под воздействием эффекта Бернулли возникают аэродинамические силы. С увеличением частоты вращения эти силы растут, пока их величина не становится достаточной для отделения лепестков от вала (рис. 2, б). Отсутствие контакта лепестков с валом позволяет реализовать очень большие скорости вращения. Однако у ГДП имеются и существенные недостатки. При каждом старте и торможении происходит износ антифрикционного покрытия, которое наносится на поверхность лепестков, контактирующих с валом, поэтому ресурс такой опоры прямо зависит от режима работы и количества стартов и торможений.
Рис. 2. Типичная конструкция лепесткового газодинамического подшипника:
а – общий вид; б – подшипник в рабочем состоянии; в – подшипник при неподвижном вале
Рис.3. Фольговые газодинамические подшипники корейской фирмы KISTОдной из главных проблем применения такого типа подшипников является обеспечение надежной работы антифрикционного покрытия в условиях высоких температур (>650°С), поэтому разработке жаростойких антифрикционных покрытий уделяется большое внимание [8]. Исследования твердых смазочных высокотемпературных покрытий, необходимых для ГДП, проводились в NASA по заказу Министерства энергетики США. Основным покрытием в США считается покрытие марки PS304, способное работать при температуре 650°С [8]. Технология получения (нанесения) твердых смазочных покрытий включает детонационные и плазменные способы. Достижения в этой области определили коммерческий успех малых газотурбинных установок, использующих ГДП [9, 17].
В газодинамических подшипниках третьего поколения воздушная пленка, возникающая при вращении, формируется между поверхностью вала и гибкой гладкой металлической фольгой, которая, в свою очередь, опирается на пружинящую гофрированную ленту (рис. 3). Такая конструкция позволяет компенсировать в определенных пределах колебания и перегрузки.
Газостатические подшипники. С помощью радиального ГСП можно заставить вал вращаться, не касаясь неподвижных стенок во всем диапазоне рабочих частот вращения. Для этого через систему cпециальных дросселей и сопел (рис. 4) в зазор между валом и подшипником подается газ под избыточным давлением. Такой подшипник в отличие от газодинамических работает полностью в бесконтактном режиме, так как в моменты старта и остановки ротор вывешивается при помощи системы управления, т.е. он всплывает и висит на прослойке сжатого воздуха, а уже потом раскручивается.
Рис. 4. Схема газостатического подшипника
Гибридные газостатические подшипники. В ряде работ предлагается использовать в ГСП сегменты, один край которых не закреплен и может перемещаться под воздействием сил давления (рис. 5).
Если правильно подобрать ось вращения, то сегмент будет самостоятельно поворачиваться на заданный угол атаки в зависимости от частоты вращения ротора и нагрузки на вал и устойчиво сохранять это положение. Такие подшипники называются гибридными с самоустанавливающимися вкладышами. Сегментные гибридные подшипники при небольшой частоте вращения вала работают как ГСП, а на больших оборотах – как ГДП. Таким образом достигается сочетание лучших качеств подшипников обоих типов.
Рис. 5. Гибридные подшипники с самоустанавливающимися вкладышами:
а – схема гибридного радиального ГСП; б – конструктивная реализация гибридного радиального ГСП;
в – схема гибридного осевого ГСП; г – конструктивная реализация гибридного осевого ГСП
Заключение
Рассмотрены газовые подшипники различных типов. Приведено их сравнение между собой. Показано, что гибридные ГСП имеют решающее преимущество за счет полностью бесконтактной работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булат П.В. О концепции волнового компрессора и оптимальных ударно-волновых структурах// Холодильная техника. 2014. No6. С.14–18.
2. Булат П.В. О концепции волнового компрессора и оптимальных ударно-волновых структурах// Холодильная техника. 2014. No7. С.14–16.
3. Гидродинамическая теория смазки. Классики естествознания /под ред. Л.С. Лейбензона. – М.; Л.: Гостехиздат, 1934. – 562 с.
4. Петров Н.П. Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости // Инженерный журнал, 1883.
5. Подшипники с газовой смазкой/ под ред. Н.С.Грэссема., Дж.У.Пауэлла. – М.: Мир. 1966. – 415 с.
6. Проектирование гидростатических подшипников/ под ред. Гарри Риппела; пер. с англ. Г.А.Андреевой. – М.: Машиностро- ение, 1967. – 135 с.
7. Шейнберг С.А. Опоры скольжения с газовой смазкой. – М.: Машиностроение, 1969. – 336 с.
8. Bhushan C. B. and Gray S. Static evaluation of surface coatings compliant gas bearings in an oxidizing atmosphere to 650// Thin Solids Films, 53 (1978), 313–331.
9. O`Brien Patrick. Development of a 50-kW low-emission turbogenerator for hybrid electric vehicles// J.ASME, 98-Gt-400. Presented at International Gas and electric Aero engineers, Congress and Exhibition, Stockholm, Sweden, June 2–5, 1998.
10. Bulat P.V. The history of the gas bearings theory development/ P.V. Bulat, M.P. Bulat // World Applied Sciences Journal. 2013. V. 27/ No7.
11. Bulat P.V., Bulat M. P. Basic Classification of the Gas-Lubricated Bearings// World Applied Sciences Journal. 2013. V.28(10), р.1444– 1448.
12. Constantinescu V. N. Lubrificatia cu gaze? Bucuresti, 1963.
13. Gas Lubricated Bearing. Editors N.S.Grassam, J.W.Powell. Micro Turbine Developments Ltd. London, Butterworths, 1964. 398 p.
14. Harrison W.J. The hydrodynamic theory of lubrication with special reference to air as a lubricant// Trans. Cambr. Phil. Soc. 22, 39, 1913.
15. Kingsbury A. Experiments with an air—lubricated bearing// J. Am. Soc. nav. Engnrs., 9, 267, 1897.
16. Reynolds O. On the theory of lubrication and its application to Mr. Beauchamp Tower’s experiments, including an experimental determination of the viscosity of olive oil// Royal Society/ Phil. Trans., Pt. 1, 1886, 114 p.
17. Swanson E.E.,Walton J.F., Heshmat H. A Test Stand for Dynamic Characterization of Oil-Free Bearings for Modern Gas Turbine Engines // Proceedings of ASME TURBO EXPO 2002 June 3-6, 2002, Amsterdam, The Netherlands (GT-2002-30005).