CC BY
47
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.822.175
А.А. Чабанов, Н.А. Гладкова, М.В. Грибиниченко, А.В. Куренский
ЧАБАНОВ АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ - магистрант, Инженерная школа (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: alex4ab@mail.ru
ГЛАДКОВА НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА - доцент кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (филиал Дальневосточного федерального университета, Большой Камень).
ГРИБИНИЧЕНКО МАТВЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
КУРЕНСКИЙ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - доцент кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДШИПНИКОВ С ГАЗОВОЙ СМАЗКОЙ
Рассмотрена экспериментальная установка для исследования характеристик осевых гибридных подшипников с газовой смазкой. Приводится анализ причин повреждения в ходе эксперимента исследуемого подшипника. Сделан вывод, что одной из основных причин является отсутствие антифрикционного (защитного) покрытия рабочей поверхности. Представлены результаты обзора литературных источников в области антифрикционных покрытий.
Ключевые слова: газовая смазка, антифрикционные покрытия, смазочный зазор, сухое трение.
An experimental plant to investigate the properties of gas-lubricated bearings by applying anti-friction coatings. Alexander A. Chabanov, Matvey V. Gribinichenko, Alex V. Kurenskiy, Natalie A. Gladkova - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
© Чабанов А.А., Гладкова Н.А., Грибиниченко М.В., Куренский А.В.
The article is concerned with an experimental system for investigating the properties of axial hybrid bearings with gas lubrication. It contains the analysis of the causes of the damage aroused when experimenting with the bearing under investigation. A conclusion has been drawn that one of the main causes is the absence of an anti-friction (protective) coating on the work surface. The article presents the review of the literature on anti-friction coatings.
Key words: gas-lubrication, anti-friction coverage, lubricating gap, dry friction.
Повышение эффективности работы турбомашин различного назначения [3] в настоящее время остается актуальной задачей. Существует множество способов ее решения, один из них - увеличение частоты вращения роторов. При этом использование обычных подшипников качения и скольжения приводит к проблемам, связанным с обеспечением надежной работы машины и повышением потерь энергии на преодоление сил трения. Применение подшипников с газовой смазкой [1] во многом решает эти проблемы.
Целью работы является исследование свойств лепесткового гибридного подшипника, т.е. подшипника с податливой рабочей поверхностью, в котором применена схема подачи сжатого газа в смазочный зазор для дополнительного повышения несущей способности.
На кафедре судовой энергетики и автоматики ДВПИ-ДВГТУ-ИШ ДВФУ более сорока лет ведутся научно-исследовательские работы в области газовой смазки. В настоящее время с помощью экспериментальной установки (рис. 1, 2) в лаборатории кафедры проводятся исследования опор с газовой смазкой судовых турбомашин. Эта установка, предназначенная для исследования осевых лепестковых газодинамических подшипников и гибридных подшипников с жесткими рабочими поверхностями, была модернизирована для проведения исследований осевых гибридных лепестковых подшипников. Основными элементами установки являются ротор 3 и подшипник.
Рис. 1. Экспериментальная установка: общий вид
На рис. 3 показан ротор экспериментальной установки и его трехмерная модель с разрезом. Цилиндрическая поверхность вала 6, подвергнутая хромированию и шлифованию, контактирует с рабочей поверхностью радиальных подшипников и нагрузочного устройства.
По конструктивным особенностям исследуемых подшипников подача сжатого воздуха, первоначально организованная через подпятник, оказалась невозможна. Воздух необходимо подводить со стороны пяты, подавая его через каналы внутри вращающегося ротора.
В ходе эксперимента были получены зависимости несущей способности исследуемого подшипника от нескольких режимных и геометрических параметров.
Исследуемый осевой подшипник подвергался нагрузке, создаваемой специальным устройством, состоящим из втулки 1 (рис. 2), закрепленной в хвостовой части установки. Во втулке 1 располагался вал ротора. Воздух, подведенный через шланг 2 в камеру нагрузочного устройства, давил на торец вала, игравший роль поршня. Давление в камере измеряли образцовым манометром 4. Изменение нагрузки осуществляли игольчатым клапаном, регулировавшим расход воздуха в камере нагрузочного устройства.
В начале эксперимента ротор перемещается до соприкосновения поверхностей пяты и осевого подшипника. Это положение соответствует «нулевому» значению смазочного зазора и фиксируется на механическом индикаторе «часового типа». Таким образом, перемещение ротора от этого положения на определенную величину будет соответствовать текущему значению смазочного зазора.
5 6 7 8 9 Ю 11
27 26 25 24 23 22 21 20
Рис. 2. Экспериментальная установка: 1- втулка нагрузочного устройства; 2 - шланг подачи сжатого воздуха в нагрузочное устройство; 3 - ротор; 4 - манометр измерения давления в камере нагрузочного устройства; 5, 10 - шланги подачи сжатого воздуха к радиальным подшипникам; 6, 9 - манометры для измерения давления воздуха, подаваемого в радиальные подшипники; 7 - шланг подачи сжатого воздуха к осевому подшипнику; 8 - манометр для измерения давления воздуха, подаваемого в осевой подшипник; 11 - манометр для измерения давления воздуха, подаваемого на турбину; 12 - штуцер подачи воздуха на турбину; 13 - корпус осевого подшипника; 14 - ступенчатый диск (опора) осевого подшипника; 15 - болт для измерения частоты вращения; 16 - индикатор перемещений вала; 17 - датчик частотомера; 18 - планка для закрепления измерительных приборов; 19 - фундамент; 20 - резиновые опоры; 21 - прижимной диск; 22 - пакет лепестков и упругой подложки осевого подшипника; 23 - упорный диск (пята); 24 - колесо турбины; 25 - опора; 26 - радиальные подшипники ротора; 27 - корпус установки
Рис. 3. Ротор: а - общий вид; б - модель ротора: 1 - болт для измерения частоты вращения; 2 - пята; 3 - питатели; 4 - крышка пяты; 5 - колесо турбины; 6 - вал; 7 - отверстия для подачи воздуха в вал; 8 - центральное осевое отверстие; 9 - заглушка; 10 - отверстия для подачи воздуха в пяту; 11 - радиальные каналы
Осевое усилие (нагрузка), создаваемое специальным нагрузочным устройством в хвостовой части ротора, приводит его в движение в осевом направлении
Ротор перемещается до тех пор, пока усилие нагрузочного устройства не будет уравновешено сопротивлением осевого подшипника. Если ротор не достигает «нулевой» отметки, это значит, что нагрузка уравновешивается давлением смазочного слоя. Фиксируя в показания индикатора перемещения, тахометра и величины осевой нагрузки, можно получить зависимость несущей способности подшипника от геометрических или режимных параметров, таких как величина смазочного зазора или частоты вращения ротора.
Эксперимент показал устойчивую работу подшипника, но при переходе на нештатные режимы работы с малой толщиной смазочного слоя (менее 5 мкм) и частоте вращения 20 000 об/мин опора была повреждена. На рабочей поверхности образовались дефекты (рис. 4) в виде натиров и температурных деформаций.
Рис. 4. Видимые повреждения после эксперимента
На основе анализа особенностей работы газовых подшипников с податливыми рабочими поверхностями сделан вывод, что повреждения опоры вызваны следующими причинами. Упругая подложка, использованная в экспериментальной установке, имеет податливость, постоянную на всей рабочей поверхности. При увеличении нагрузки на подшипник и повышении давления смазочного слоя в средней части опоры, лепесток принял вогнутую форму, тем самым сформировав геометрию смазочного зазора, при которой периферийные участки подшипника перешли в режим «сухого» трения и были повреждены.
Не имея специального антифрикционного покрытия, данный подшипник не обеспечивал даже кратковременной работы в режиме «сухого» трения, что также следует считать причиной повреждения подшипника. Возможностью устранения этого недостатка является применение специализированных покрытий на рабочей поверхности подшипника.
Работы по созданию антифрикционных покрытий рабочих поверхностей подшипников с газовой смазкой разнообразны. Например, в открытой печати опубликованы результаты исследований зарубежного покрытия PS304, наносимого на вал или движущуюся поверхность, работающую в контакте с фольгой, которая в свою очередь также может быть покрыта для дополнительной защиты от износа. Это покрытие успешно применено в энергоустановке фирмы Capstone Turbine Corporation [2]. PS304 - плазменное композитное покрытие из соединений хрома и никеля с окисью хрома и смазывающими добавками серебра с фтористым барием или фтористым кальцием. Это покрытие обеспечивает работу подшипника при температуре 650 °С. Аналогичные отечественные покрытия, способные работать в условиях трения такого назначения, отсутствуют. Например, рабочая температура покрытий, применяемых в турбоагрегатах систем кондиционирования разработки НПО «Наука», не превышает 200-250 °С. Следует также отметить, что и зарубежные, и отечественные антифрикционные покрытия не обеспечивают длительной работы подшипника в режиме сухого трения, которое возникает при пуске и остановке турбомашин.
Поэтому современные турбогенераторы с подшипниками на газовой смазке рассчитаны на длительную работу с минимальным количеством пусковых и остановочных режимов. В то же время множество турбомашин предусматривают эксплуатацию с частыми остановками и пусками при условии работы подшипников с газовой смазкой в высокотемпературной среде. Поэтому проблема снижения коэффициента трения антифрикционных покрытий, способных работать в широком температурном диапазоне, остается нерешенной. В связи с этим стоит продолжать исследования свойств газовых подшипников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Куренский А.В., Грибиниченко М.В. Осевые гибридные лепестковые подшипники с газовой смазкой для судовых турбомашин // Судостроение. 2011. № 5. С. 27-29.
2. Пономарев Б.А., Гаврилов В.В. Проблемы создания ВГТД с ротором на газовых подшипниках // Авиационная и ракетно-космическая техника. 2009. № 1. С. 43-44.
3. Фершалов Ю.Я., Фершалов А.Ю., Симашов Р.Р. Газодинамические характеристики сопловых аппаратов с малыми углами выхода потока в составе осевой малорасходной турбины // Судостроение. 2009. № 6. С. 56-58.
