CC BY
38
УДК 621.51:621.89
Н. А. РАИКОВСКИИ А. В. ТРЕТЬЯКОВ С. А. АБРАМОВ В. В. ПОТАПОВ Д. В. ЗЮЛИН А. В. ВЕТЛУГИН
Омский государственный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕЧЕНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ В СЕРПОВИДНОМ ЗАЗОРЕ БЕЗМАСЛЯНОГО ПОДШИПНИКА
В работе представлены методика экспериментального исследования безмасляного подшипника скольжения турбоагрегата и стенд для ее реализации. В ходе испытаний выполнена визуализация течения воды, а также установлены зависимости потерь давления от расхода различных охлаждающих сред для серповидного зазора при различных частотах вращения ротора.
Ключевые слова: безмасляный подшипник, система охлаждения, экспериментальная методика, процесс течения среды.
Одним из актуальных вопросов в современном компрессоростроении является создание безмасляных узлов трения [1—7]. Учитывая сложные условия функционирования трибосопряжений в таких машинах и агрегатах, что обусловлено большими частотами вращения роторов и большими нагрузками, одним из определяющих работоспособность и ресурс факторов является тепловое состояние узла трения [3 — 5 и др.]. Проведенные исследования [3, 4] по определению эффективности различных схем охлаждения «сухих» конструкций полимерных подшип-
ников скольжения для различных конструктивных и режимных параметров функционирования трибо-сопряжения выявили перспективность реализации системы охлаждения серповидного зазора подшипниковых узлов трения. Однако проектирование такой системы охлаждения безмасляных конструкций ме-таллополимерных опорных узлов трения, в том числе для турбоагрегатов требует проведения экспериментальных и численных исследований с целью изучения закономерностей, определяющих теплогидрав-лические характеристики серповидного зазора [3].
Рис. 1. Функциональная схема экспериментального стенда: 1 — бак; 2 — насос; 3, 6, 11 — регулирующий вентиль; 4 — байпасная линия; 5 — манометр; 7 — фильтр тонкой очистки; 8 — датчик температуры; 9 — датчик давления; 10 — расходомер; 12 — газовая линия; 13 — экспериментальный узел; 14 — ротор; 15 — подшипник; 16 — патрубок; 17 — направляющая; 18 — опора; 19 — индикаторная балка
Таблица 1
Погрешности средств измерений
Измеряемый параметр Единицы измерения Средство измерения Средняя погрешность, % %
Частота вращения ротора об/мин ТЧ-10Р 1
Диаметральный зазор мкм ИЧ-10 1,5
Расход воды м3/час Карат-520 1
Расход воздуха м3/час Расходомер VA 400 4
Перепад давления (избыточное давление воды в патрубке) Па Манометр МО 1227 0,3
Температура воды в патрубке К 2ТРМ0, термопара тип К 6
Геометрия ротора и подшипника м Микрометр МК75-1, нутромер НИ 50-100, штангенциркуль ТТТТТ-ТТ-250 — 0,05 <1
б
а
в
г
■
#!»> ММнЫ
Рис. 2. Визуализация течения жидкости в серповидном зазоре безмасляного подшипника при 0=0,156 м3/ч: а — п=0 об/мин, б — вращение от нас, п=1800 об/мин, в — вращение на нас, п=4900 об/мин, г — вращение на нас, п=6000 об/мин
В данной работе представлена методика экспериментального исследования, позволяющая выполнить визуализацию течения жидкости в серповидном зазоре безмасляного подшипника и гидродинамические характеристики потока охлаждающей среды. Конструкция экспериментального стенда, а также его функциональная схема представлены на рис. 1.
Конструкция стенда состоит из следующих элементов (рис. 1): экспериментального узла 13, реализованного за счет стального ротора 14, стеклянного подшипника 15 и патрубка подачи жидкости 16; симметрично расположенных относительно патрубка 16
направляющих 17, опор 18 и подшипников. Индикаторная балка 19, содержащая индикаторы часового типа (условно не показаны), позволяет устанавливать требуемую величину зазора в безмасляном подшипниковом узле трения 13, перемещая экспериментальный подшипник 15 совместно с направляющими 17, в которых он закреплен, за счет регулирующих винтов. Направляющие 17 также выполняют функцию сборника воды, откуда среда направляется в бак 1.
Экспериментальный стенд позволяет проводить испытания в следующем диапазоне параметров: относительный эксцентриситет (е) от 0 до 1; частота
АР, кПа б
Рис. 3. Зависимость массового расхода воды (а) и воздуха (б) от перепада давления между входным отверстием и выходным сечением серповидного зазора безмасляного подшипника: 1 — п=0 об/мин; 2 — п=2000 об/мин; 3 — п=4000 об/мин; 4 — п=6000 об/мин
вращения ротора (п): 0 — 6500 об./мин; массовый расход воды (С ): 0—1000 кг/ч, массовый расход воздуха С вз= 0 — 25 кг/ч; величина диаметрального зазора (5): более 100 мкм при фиксированном диаметре ротора (<Зр), равном 52,88 мм; угол контакта (2ф°): до 180°; средняя температура охлаждающей среды (Тср): 25 °С; перепад давления (АР): 0 — 400 кПа; внутренний диаметр патрубка (<Зп): 6 мм; угол установки патрубка относительно вертикали (0): от 0 до 360о за пределами угла контакта; количество патруб-
ков (К): 1—3; охлаждающая среда: жидкость, газ; длина подшипника (1п): 126 мм.
Функциональная схема стенда (рис. 1) обеспечивает подготовку воды, регулирование и контроль параметров состояния воды. Линия 12 (рис. 1) позволяет организовать подачу газа при пузырьковом методе визуализации потока (для неподвижного ротора). Данная линия также обеспечивает регулирование и контроль параметров воздушной среды при подаче пузырьков воздуха в поток воды через
иглу, установленную в патрубке безмасляного подшипника.
Основные измеряемые величины, средства измерений и погрешности измерения представлены в табл. 1.
Представленные результаты экспериментальных исследований были получены при следующих режимных и конструктивных параметрах: п = 0+6200 об./мин; О =0+1 м3/ч; О =0+11 м3/ч; 5 = 590 мкм; d =
вд ' ^ вз ' р
= 52,88'10-3 м; 2 ф° = 70°; Т =298 К; АР = 25- 150 кПа;
' 1 Т 1 ср ' '
d =6'10-3 м; 0 = 0°; К=1; 1 = 126'10-3 м; 2ф° = 180°.
п ' ' ' п ' т
В результате экспериментальных исследований выполнена визуализация течения воды для различных режимов эксплуатации подшипника, отдельные результаты которых представлены на рис. 2, а также установлены зависимости потерь давления для серповидного зазора от величины расхода охлаждающей среды (рис. 3) при различных частотах вращения ротора. На фотографиях (рис. 2) можно наблюдать линии тока (рис. 2а) и границы поверхности, омываемые водой (рис. 2 б, в, г). При этом наблюдается следующая картина: при неподвижном роторе омывается вся поверхность ротора (рис. 2а), за исключением участков, примыкающих к границам контакта с подшипником, где можно наблюдать застойную область (скопление пузырьков); при вращении ротор увлекает за собой жидкость, смещая границу жидкости от поверхности контакта с подшипником в сторону вращения (рис. 2 б); при дальнейшем увеличением частоты вращения ротора граница жидкости, омывающей поверхность ротора смещается к поверхности контакта в сторону вращения (рис. 2в, г).
Результаты экспериментальных исследований, полученные для различных зазоров и расходов среды, показали, что с увеличением частоты вращения ротора наблюдается резкое уменьшение поверхности, омываемой охлаждающей средой. При этом в диапазоне частот вращения ротора 0 — 6000 об./мин при расходе равном 0,156 м3/час и зазоре 590 мкм площадь омываемой поверхности (соответственно отводимый тепловой поток) уменьшилась на 60 — 70 %.
В диапазоне исследования определены потери давления (рис. 3) от расхода воздушной и водяной охлаждающих сред. В результате испытаний выявлено слабое влияние частоты вращения в диапазоне исследования на величину расхода при заданном перепаде давлений на безмасляном подшипнике, как для жидкой, так и для газовой охлаждающей среды.
Таким образом, в результате выполненной работы разработана методика экспериментального исследования процессов течения охлаждающей среды в серповидном зазоре безмасляного подшипника. Выполнена визуализация течения воды в серповидном зазоре при различных конструктивных и режимных параметрах, которая выявила существенное влияние частоты вращения ротора на площадь поверхности, омываемой жидкой охлаждающей средой, что требует разработки конструктивных реше-
ний для повышения эффективности теплообмена в серповидном зазоре подшипника. Выявленные зависимости потерь давления от величины расхода охлаждающей среды показали слабое влияние частоты вращения ротора (в диапазоне от 0 до 6000 об./мин) на потери давления в зазоре подшипника, как для жидкости, так и для газа. Полученные результаты планируется применить при верификации численной методики расчета процессов течения охлаждающей среды в серповидном зазоре безмасляного подшипника.
Библиографический список
1. Основы трибологии (трение, износ, смазка) : учеб. для техн. вузов / Э. Д. Браун [и др.] ; под ред. А. В. Чичинадзе. — М. : Центр «Наука и техника», 1995. — 778 с.
2. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация / Ю. К. Машков [и др.]. — М. : Машиностроение, 2005. — 240 с.
3. Райковский, Н. А. Исследование теплового состояния несмазываемых охлаждаемых подшипников. Математическое моделирование и анализ результатов : моногр. / Н. А. Райковский, В. Л. Юша, Е. В. Сухов. - LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 144 с.
4. Юша, В. Л. Охлаждаемые несмазываемые подшипники малорасходных турбоагрегатов : моногр. / В. Л. Юша, Н. А. Рай-ковский. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 128 с.
5. Вибронадежность и герметичность центробежных машин : моногр. (кол.) / Под ред. В. А. Марцинковского, А. В. За-горулько. — Сумы : СумГУ, 2011. — 351 с.
6. Stachowiak G. W. and Batchelo A. W., 'Engineering Tribo-logy', Third Edition, Elsevier Butterworth Heinemann Publication, 2011. — 802 p.
7. Harnoy A., 'Bearing Design in Machinery: Engineering Tri-bology and Lubrication', M. Dekker, New York, 2003. — 652 p.
РАИКОВСКИЙ Николай Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры холодильной и компрессорной техники и технологии. ТРЕТЬЯКОВ Александр Валерьевич, аспирант кафедры холодильной и компрессорной техники и технологии.
АБРАМОВ Сергей Александрович, студент гр. ВК-510 нефтехимического института. ПОТАПОВ Виталий Валерьевич, магистрант гр. ХТМ-514 факультета элитного образования и магистратуры.
ЗЮЛИН Дмитрий Викторович, магистрант гр. ХТМ-514 факультета элитного образования и магистратуры.
ВЕТЛУГИН Алексей Витальевич, студент гр. ТМО-
411 нефтехимического института.
Адрес для переписки: n_raykovskiy@mai1.ru
Статья поступила в редакцию 14. 04.2015 г. © Н. А. Райковский, А. В. Третьяков, С. А. Абрамов, В. В. Потапов, Д. В. Зюлин, А. В. Ветлугин
Книжная полка
Диагностика и ремонт трубопроводов. Методы, совершенствование, применение / А. Г. Гумеров [и др.] ; под ред. А. Г. Гумерова. - М. : Недра, 2014. - 147 c. - ISBN 978-5-8365-0422-9.
Проведен анализ существующих и предложены новые методы диагностики самых распространенных осложнений трубопроводов — утечек и уменьшения проходного сечения. Предложены технологии и технические средства для ремонта трубопроводов по методу «труба в трубе» и без остановки перекачки.
