Гидродинамические, тепловые и деформационные характеристики смазочных слоев опорно-уплотнительных узлов турбомашин

• Автор: Хадиев, Муллагали Бариевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 410 с. : ил

АННОТАЦИЯ
Рост единичной мощности и окружных скоростей вращения роторных машин (компрессоров, турбин) различных типов требует создания новых и усовершенствования имеющихся конструкций опорно-уплотнительных узлов этих машин. Иногда эти опоры могут существенно изменить конструкцию компрессора. Надежность и долговечность современных компрессоров во многом определяются обоснованно выбранной конструкцией и разработкой их подшипников и уплотнений.
В диссертации разработаны математические модели тепловых и гидродинамических процессов течения жидкостей в тонких смазочных слоях опорных и уплотнительных узлов роторных компрессоров. Математические модели учитывают изменения плотности и вязкости жидкости от температуры, температурные деформации несущих поверхностей, а также их взаимное влияние. В качестве опор рассмотрены радиальные и осевые подшипники скольжения жидкостного трения, радиальные разгрузочные устройства винтовых компрессоров высокого давления и плавающие уплотнительные узлы, обеспечивающие герметичность компрессоров.
Математические модели реализованы с использованием численных методов. Они оформлены в виде программ для персональных компьютеров.
Математические модели и методы их численной реализации проверены путем сведения решаемых задач к известным решениям других авторов, сравнения с результатами физического эксперимента, выполненного на специальных стендах, на натурных компрессорах и турбинах в условиях эксплуатации.
Проведен параметрический анализ основных типов опорноуплотнительных узлов роторных компрессоров.
Рассмотрены вопросы оптимизации подшипников скольжения и уплотнений. Приведен алгоритм и пример расчета по оптимизации одностороннего упорного подшипника скольжения.
Результаты работы внедрены в ЗАО “НИИТурбокомпрессор” и ОАО “Казанькомпрессормаш” в виде стандартов предприятия (СТП), руководящих технических материалов (РТМ), расчетно-исследовательских программ опорно-уплотнительных узлов центробежных и винтовых компрессоров. Они также использованы при разработке упорного подшипника турбины для АО “Органический синтез” и используются студентами кафедры компрессоров и пневмоагрегатов Казанского государственного технологического университета при выплонении курсовых и дипломных проектов.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Основные обозначения
ВВЕДЕНИЕ
1. ОПОРНО-УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В 16 РОТОРНЫХ КОМПРЕССОРАХ
1.1. Обзор конструкций основных типов опорных и уплотнительных 16 узлов
1.2. Трибологические процессы, протекающие
в опорно-уплотнительных узлах
1.2.1 .Виды трения в подшипниках скольжения, разгрузочных 60 устройствах и уплотнениях
1.2.2.Способы подвода смазки и затворных жидкостей в подшипники скольжения, разгрузочные устройства и уплотнения
1.2.3.Классификация процессов смазки в подшипниках скольжения, разгрузочных устройствах и уплотнениях
1.2.4.Жидкостная смазка
1.2.5.Газовая смазка
1.2.6.Газожидкостная смазка
1.3. Современные методы расчета опорно-уплотнительных узлов роторных компрессоров
1.4. Выводы. Постановка задачи
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ И ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ТОНКИХ СМАЗОЧНЫХ СЛОЯХ ОПОРНО-УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
2.1. Основные уравнения, описывающие процессы течения
жидкости в тонких слоях опорно-уплотнительных узлов
2.1.1 .Уравнение неразрывности
2.1.2.Уравнение сохранения количества движения
2.1.3.Уравнение сохранения внутренней энергии
2.2. Определение областей течения смазочной жидкости и её границ.
2.2.1 .Определение геометрических и свободных границ областей
2.2.2.Уравнение движения подвижного элемента при определении границ
2.2.3.Уравнение упругости С.П. Тимошенко для уточнения границ области
2.2.4.Уравнения теплопроводности для вращающегося и невращающегося элементов
2.3.Оценка порядка величин членов дифференциальных уравнений
методом H.A. Слезкина
2.4.Упрощенные уравнения сохранения количества движения и внутренней энергии первого и второго порядка аппроксимаций

2.5.Вывод обобщенных уравнений Рейнольдса для двухслойной смазки
2.6.Уравнения линий тока при течении жидкости тонким слоем и метод определение свободных границ течения струй (слоев) на основе этих
уравнений
2.7.0сновные физические свойства смазок
2.7.1 .Свойства жидких смазок
2.7.2. Свойства газовых смазок
2.7.3. Свойства газожидкостных смазок
2.8.3ависимости форм зазора опорно-уплотнительных узлов
2.8.1 .Форма зазора в цилиндрическом подшипнике и плавающем
кольце уплотнения
2.8.2.Форма зазора в упорном подшипнике с неподвижными подушками
2.8.3.Форма зазора в упорном подшипнике
с самоустанавливающимися подушками
2.8.4.Форма зазора в радиальном подшипнике
с самоустанавливаю щимися подушками
2.9.0сновные параметры, характеризующие опорно-уплотнительные
узлы роторных компрессоров
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ПОДШИПНИКЕ
3.1.Применения газожидкостной смазки в подшипниках скольжения. Использование организованной газожидкостной смазки путем раздельной подачи жидкости или газа струями
3.2.Математическое моделирование процесса струйного течения жидкости в цилиндрическом подшипнике
3.3.Аналитическое определение свободной границы струи и анализ её характеристик
3.4.Аналитическое определение распределения давлений в струе и несущей способности подшипника
3.5.Анализ полученных результатов и выводы
4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ЗАЗОРАХ РАЗГРУЗОЧНЫХ
УСТРОЙСТВ РОТОРНЫХ МАШИН
4.1 .Постановка задачи, алгоритм её решения и проверка адекватности
модели
4.2.Параметрический анализ некоторых типов РУ
4.3.Параметрический анализ плавающих колец уплотнений с гидравлическим затвором
5.МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ЗАЗОРАХ ОДИНОЧНЫХ ПОДУШЕК ПС И У
5.1.Адиабатная модель процесса течения несжимаемой жидкости в
зазоре

Типы, основные параметры и размеры”, разработанный под руководством и при непосредственном участии автора [15].
Упорный подшипник содержит (рис. 1.20) подпятник 1 и упор 2 . Они взаимно сопрягаются по сферической поверхности, которая позволяет подпятнику самоустанавливаться. Подпятник 1 относительно упора 2 фиксируется с некоторой свободой стопором 3, который в свою очередь крепится к упору болтом 4. Шайба 5 предохраняет болт от самоотвинчивания. С помощью штифта 6, пластины 7, гайки 8 и кольца 9 на вал устанавливается и крепится вращающаяся пята 10. Причем гайка 8 и кольцо 9 соприкасаются по сферической поверхности, что резко уменьшает биение рабочей поверхности пяты [14]. Характерные размеры ряда упорных подшипников приведены в таблице 1.3.
Размеры в мм _________________________ Таблица 1.
а о. о? Оз її и В Я г
35 40 70 75 23 3 15 39
45 50 80 85 23 3 20 45
55 60 95 100 25 3 25 55
65 70 115 120 33 4 30 65
75 80 128 132 33 4 35 75
145 150 45
90 95 150 155 40 4 35 85
175 180 50
110 115 185 190 45 5 40 105
210 215 65
130 135 215 220 50 5 50 123
250 255 70
150 155 230 235 45 5 50 135
260 265 65
Осевой зазор между подпятником 1 и упорным гребнем 10 определяется расчетом и обеспечивает необходимое положение роторов винтового компрессора в осевом направлении. Общие виды различных конструкций подпятников хорошо видны из фотографии (рис.1.21).
В современных центробежных компрессорах нашли широкое применение конструкции ПС с самоустанавливающимися подушками. Они обеспечивают надежную и долговечную работу машин в широком интервале частот вращения роторов.
Рассмотрим конструкции РПС и РУПС, заложенные в основу стандарта предприятия СТП 26-05-02-203-73 [9], разработанного в СКВ по ком-прессоростроению (ЗАО “НИИТурбокомпрессор”) при участии автора. РПС с самоустанавливающимися подушками состоит (рис. 1.22) из стального корпуса 1 с горизонтальным разъемом, пяти опорных подушек 2, расположенных равномерно по окружности, уплотнительных колец 3 и 4.