Грузоподъемность и динамические характеристики радиальных подшипников скольжения, смазываемых водяным конденсатом

Актуальность темы

Подшипники скольжения широко используются в энергетическом оборудовании тепловых и атомных электростанций, на транспорте, на объектахительной индустрии, на компрессорных станциях. В качестве смазочного материала в подшипниках и системах автоматического регулирования в основном используются дорогостоящие минеральные масла. Статистика свидетельствует, что примерно 20% аварий элементов турбоагрегатов составляют аварии с подшипниками, приводящие к тяжелым повреждениям и длительным простоям оборудования. Особое место в статистике аварий занимают пожары, возникающие в турбинных цехах электростанций главным образом из-за возгорания нефтяного турбинного масла, находящегося в системе смазывания подшипников турбоагрегатов и гидравлических системах регулирования. Пожары на электростанциях приносят громадный материальный ущерб, вызванный необходимостью замены и ремонта поврежденного оборудования иительных сооружений, недоотпуском электроэнергии.

Радикальным решением проблемы пожаробезопасности турбоагрегатов может стать применение для смазки подшипников водяного конденсата с добавлением ингибиторных антикоррозионных присадок. Использование водяного конденсата в системе смазки дает возможность повысить пожаробезопас-ность турбоагрегатов и электростанций в целом, увеличить надежность и безопасность эксплуатации, а также эффективность работы турбоагрегатов. Доступность и нетоксичность водяного конденсата позволяет снизить расходы на смазочные материалы и повысить экологические показатели котлотурбинных цехов станций.

Однако низкая вязкость водяного конденсата и его повышенная коррозионная активность создают значительные проблемы при замене минеральных масел на водяной конденсат. Снижение коррозионной активности достигается применением специальных ингибиторных присадок. Основное внимание в диссертационной работе сосредоточено на комплексном анализе возможности использования водяного конденсата в радиальных подшипниках турбин.

Однако в этом случае возникает необходимость обеспечения достаточной грузоподъемности подшипников скольжения и требуемых динамических характеристик, гарантирующих устойчивую работу ротора. Отсутствие надежных методик и инструментальных средств расчета, практических рекомендаций по использованию подшипников скольжения, смазываемых водяным конденсатом, а также очевидная практическая выгода от перехода на смазывание опор скольжения водяным конденсатом, обуславливают актуальность и целесообразность выполнения данной работы.

Объектом исследования являются подшипники скольжения турбомашин, смазываемые водяным конденсатом.

Предметом исследования являются статические и динамические характеристики подшипников скольжения, смазываемых водяным конденсатом.

Целью работы является совершенствование методик расчета подшипников жидкостного трения, работающих на водяном конденсате в условиях неизотермического турбулентного течения смазочного материала, разработка инструментальных средств расчета характеристик таких подшипников и повышение, на их основе, эффективности и безопасности подшипников жидкостного трения.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана математическая модель течения водяного конденсата в кольцевом зазоре подшипника жидкостного трения, отличающаяся учетом неизотермического турбулентного течения маловязкого смазочного материала и возможностью расчета характеристик подшипников в режиме пуска и остайЬйыполнено уточнение формулы Рейхардта для расчета коэффициентов турбулентной вязкости подшипников жидкостного трения, работающих в условиях смазки водяным конденсатом.

3. Получены критериальные уравнения, позволяющие моделировать реальные условия протекания физических процессов в подшипниках жидкостного трения и рассчитывать их характеристики в условиях смазки водяным конденсатом.

4. Выявлены закономерности влияния рабочих и геометрических параметров на несущую способность и динамические характеристики подшипников жидкостного трения, смазываемых водяным конденсатом.

5. Разработано программное обеспечение для расчета статических и динамических характеристик подшипников скольжения с учетом турбулентного неизотермического течения смазочного материала в зазоре подшипника.

Методы исследования. Расчет полей давлений в смазочном слое подшипника скольжения осуществлялся на основании совместного решения уравнений Рейнольдса, баланса энергий и расходов, а также соотношений для термодинамических параметров смазочного материала. Решение системы уравнений проводилось методом конечных разностей с использованием пятиточечного конечно-разностного шаблона. Численное решение задачи расчета статических и динамических характеристик подшипника, смазываемого водяным конденсатом проводилось с помощью разработанного в среде Borland Delphi программного обеспечения.

Критериальные уравнения, описывающие теплофизические процессы в смазочном слое получены на основе методов теории подобия и размерностей. Экспериментальные данные обрабатывались методами множественной регрессии в программе MS Excel.

Динамические характеристики смазочного слоя (коэффициенты жесткости и демпфирования) определялись на основе метода возмущений после нахождения равновесного положения цапфы ротора на кривой подвижного равновесия численным дифференцированием по соответствующим кинематическим параметрам.

Устойчивость движения ротора определялась в рамках линейного подхода на основе решения характеристического уравнения с учетом рассчитанных данных для динамических коэффициентов жесткости и демпфирования подшипников скольжения, смазываемых водяным конденсатом.

Достоверность полученных 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, а также внедрением полученных результатов в промышленности.

Теоретическая значимость и практическая ценность работы.

В разработанной математической модели, учитывающей неизотермическое турбулентное течение маловязкого смазочного материала в кольцевом зазоре подшипника жидкостного трения, выполнено уточнение формулы Рейхардта для расчета коэффициентов турбулентной вязкости подшипников жидкостного трения при смазке водяным конденсатом.

Выполнены исследования статических и динамических характеристик подшипников скольжения, смазываемых водяным конденсатом, и выявлено влияние на них рабочих и геометрических параметров подшипников. На основе полученных результатов обоснована работоспособность опоры скольжения, использующей в качестве рабочего тела водяной конденсат.

Полученные критериальные уравнения для подшипников жидкостного трения, смазываемых водяным конденсатом, позволяют моделировать реальные условия протекания физических процессов в них и рассчитывать их характеристики в практических условиях.

Разработано программное обеспечение, позволяющее выполнять проектировочные и проверочные расчеты несущей способности и динамических характеристик подшипников, смазываемых водяным конденсатом.

По результатам исследований разработаны рекомендации по практическому использованию водяного конденсата в качестве смазочного материала в системах смазки турбомашин, смазываемых водяным конденсатом.

Реализация работы. Результаты расчетных исследований радиальных подшипников скольжения турбоагрегата № 3 Губкинской ТЭЦ при замене в системе смазки масла на водяной конденсат и эскизы реконструкции данных подшипников рекомендованы в ОАО «Белгородэнерго». Результаты диссертационной работы также внедрены в ЗАО «Энергомаш (Белгород)» и в учебном процессе в Белгородском государственном технологическом университете им. В. Г. Шухова.

Личный вклад. Выполнен анализ современного состояния проблемы замены минеральных масел на водяной конденсат в радиальных подшипниках скольжения турбомашин. На основе результатов сравнительного анализа экспериментальных и теоретических исследований подшипников скольжения, смазываемых маловязкой жидкостью (водяным конденсатом), получен уточненный коэффициент турбулентной вязкости, который используется в разработанной математической модели расчета радиальных подшипников скольжения, работающих в условиях неизотермического турбулентного течения смазочного материала.

Получены новые экспериментальные и теоретические обобщающие критериальные уравнения, позволяющие моделировать реальные условия протекания физических процессов и рассчитывать характеристики подшипников жидкостного трения при условии использования в качестве смазочного материала водяного конденсата. Исследовано влияние рабочих и геометрических параметров подшипников жидкостного трения на их несущую способность, динамические характеристики (коэффициенты жесткости и демпфирования) и статические характеристики в условиях турбулентного неизотермического течения маловязкого смазочного материала (водяного конденсата).

Разработано программное обеспечение, позволяющее прогнозировать несущую способность, динамические и статические характеристики радиальных подшипников скольжения, работающих на водяном конденсате.

Выработаны рекомендации по практическому применению водяного конденсата в качестве смазочного материала в системах смазки турбомашин.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Международной научно-практической конференции-школе-семинаре молодых ученых, аспирантов и докторантов, посвященной памяти В. Г. Шухова «Современные проблемы строительного материаловедения», Белгород, 2001 г.- VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2004 г.- Международной научно-практической конференции «Достижения ученых XXI века», Тамбов, 2005 г.- Международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий», Тамбов, 2005 г., а также на научных семинарах профессорско-преподавательского состава кафедры «Энергетика теплотехнологии» БГТУ им. В. Г. Шухова, научном семинаре кафедры «Динамика и прочность машин» Орловского государственного технического университета (2006 г.) и научном семинаре кафедры «Информатика и вычислительная техника» Белгородского государственного университета (2006 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в семи печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы -211 страниц. В ней содержится 73 рисунка, 35 таблиц, список литературы из 81 наименования.

4.4. Выводы.

1. Проведенные численные исследования подшипников турбоагрегатов подтвердили принципиальную возможность использования в них водяного конденсата в качестве смазочной жидкости.

2. В режиме номинальных параметров для всех исследуемых подшипников минимальная толщина смазочного слоя находится в допустимых пределах.

3. При снижении частоты вращения вала происходит снижение минимальной толщины смазочного слоя до опасно малых значений. Следовательно, для обеспечения безаварийной работы турбины в режимах малых частот вращения (пуски и остановы) требуется применение гидростатического подъема ротора.

4. Получены критериальные уравнения для расчета расхода смазочной жидкости, потерь на трение и максимальной температуры несущей поверхности для каждого исследованного подшипника, а также получены обобщающие критериальные зависимости для всей серии исследованных подшипников турбоагрегатов, что позволило дополнительно определить влияние относительной т /гл ширины подшипников 1Л) и относительного зазора у = ^.

5. Разработаны рекомендации по практическому использованию водяного конденсата в качестве смазочного материала в системах смазки и регулирования турбомашин.

6. Выполненная оценка экономической эффективности показала, что перевод систем смазки турбоагрегатов с турбинного масла на водяной конденсат экономически выгодно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача повышения эффективности и обеспечения надежности и безопасности роторно-опорных узлов турбинных агрегатов с подшипниками жидкостного трения, смазываемых водяным конденсатом, на основе совершенствования методики их расчета и разработки программного обеспечения для их проектирования.

При реализации поставленных в работе задач были получены следующие основные результаты и сформулированы выводы:

1. На основании сделанного анализа литературных данных установлено:

• проблема замены нефтяного турбинного масла огнестойким или негорючим заменителем занимает одно из центральных мест среди актуальных проблем теплоэнергетики. Существующие заменители обладают недостатками, препятствующими их широкому внедрению;

• перспективным направлением замены нефтяных смазочных материалов в подшипниках скольжения турбомашин является использование водяного конденсата. По сравнению с огнестойкими синтетическими маслами водяной конденсат имеет ряд существенных преимуществ, к которым относятся его доступность, незначительная стоимость подготовки, нетоксичность и хорошая де-аэрируемость.

2. Разработана математическая модель и проведены теоретические исследования неизотермического турбулентного течения маловязкого смазочного материала в зазоре подшипника жидкостного трения. Повышение адекватности разработанной математической модели для расчета гидродинамических реакций смазочного слоя подшипников достигается уточнением формулы Рейхард-та для расчета коэффициентов турбулентной вязкости.

3. Разработана математическая модель и проведены расчеты несущей способности и динамических характеристик (коэффициентов жесткости и демпфирования) подшипников, работающих в режиме гидродинамического и гидростатического подъема и являющихся основой расчета колебаний и устойчивости ротора.

4. Установлено, что в режимах пуска и останова турбины для создания приемлемых толщин несущего смазочного слоя подшипников, смазываемых водяным конденсатом, необходимо применение гидростатического подъема ротора.

5. Экспериментальные данные и результаты численных исследований подшипников жидкостного трения были обобщены критериальными уравнениями, позволяющими моделировать реальные условия протекания физических процессов и прогнозировать характеристики подшипников на стадии выполнения проектировочных расчетов.

6. Разработано и практически апробировано программное обеспечение, позволяющее выполнять расчеты несущей способности и динамических характеристик подшипников скольжения, смазываемых водяным конденсатом. Проведенные исследования и расчеты статических и динамических характеристик подшипников жидкостного трения, смазываемых водяным конденсатом, доказывают их работоспособность при эксплуатации в качестве опорных узлов турбинных агрегатов.

7. Выработаны рекомендации по практическому использованию водяного конденсата в качестве смазочного материала в системах смазки и регулирования турбомашин. Выполненная оценка экономической эффективности на примере турбины К 300−240 показала, что перевод систем смазки турбоагрегатов с турбинного масла на водяной конденсат оправдан с точки зрения обеспечения динамических характеристик и экономически целесообразен.