Удосконалення функціональних властивостей систем утримання та стабілізації валопроводів суднових турбінних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

(ОНМА)

Кирюхін Олександр Львович

УДК [623.85:621.125]:62-233

УДОСКОНАЛЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

СИСТЕМ УТРИМАННЯ ТА СТАБІЛІЗАЦІЇ ВАЛОПРОВОДІВ

СУДНОВИХ ТУРБІННИХ УСТАНОВОК

Спеціальність 05.05.03 двигуни та енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса 2011

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Академії військово-морських сил імені П.С.Нахімова Міністерства оборони України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Романовський Георгій Федорович,

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова,

завідувач кафедри турбін

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Ханмамедов Сергій Альбертович,

Одеська національна морська академія,

завідувач кафедри суднових енергетичних установок

доктор технічних наук, професор

Дикий Микола Олександрович,

Національний технічний університет "Київський політехнічний інститут", професор кафедри

теоретичної та промислової теплотехніки

доктор технічних наук, професор

Хлопенко Микола Якович,

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри автоматики

Захист відбудеться 19 травня 2011 року о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідань вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий 18 квітня 2011 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор Тарапата В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність і конкурентоспроможність суднових енергетичних установок (СЕУ) забезпечується зростанням питомих потужностей і частот обертання двигунів, яке супроводжується збільшенням мас і габаритів валів, підвищенням діючих на підшипники сил і, відповідно, зростанням втрат механічної енергії на тертя та збільшенням експлуатаційних витрат на підтримку й відновлення працездатності СЕУ. Вирішальне значення у збереженні працездатності підшипників набуває удосконалення властивостей робочої рідини, що забезпечує розділення поверхонь тертя тонкими плівками і релаксацію зовнішніх навантажень шляхом структурно-енергетичних перетворень у мастильному шарі. Традиційні прогностичні й розрахункові методи, що застосовуються при регламентуванні режимів роботи підшипників і систем їх мащення, засновані на кінематичних моделях мастильного шару і в явному вигляді не враховують взаємозв'язок демпфування навантажень за рахунок сил рідинного тертя та тих сил, які діють на вал. Відомі термодинамічні моделі, що базуються на дослідженнях наукової школи Б. В. Дерягіна та розвинені у працях Ю. М. Поповського, Б. А. Алтоіза, Н. М. Бессонова, С. А. Ханмамедова та K. Kravchik'а, описують процеси трибокоординації мікроструктури тонких плівок під дією зовнішніх сил і градієнтів швидкості зсуву. Разом із тим, їх поширення на задачі підтримання валів у режимах рідинного мащення ускладнюється багатошвидкісним характером плину мастильного матеріалу, впливом сил інерції рідини, структурною і реологічною неоднорідністю потоку та іншими факторами.

Таким чином, забезпечення передачі потужності СЕУ на рушії вимагає вирішення проблеми підвищення ефективності утримання валів суднових агрегатів і валопроводів на протязі життєвого циклу морського транспортного засобу, що й визначає актуальність теми дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Робота виконувалася згідно Закону України “Про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні” (№ 433 від 16.01.2003 р.); Державної програми реформування та розвитку оборонно-промислового комплексу до 2010 р. (Постанова КМУ № 423 від 31.03.2004 р.); Комплексної державної програми енергозбереження України до 2010 р. (Указ Президента України № 457 від 10.03.2000 р.); Морської доктрини України до 2035 р. (Постанова ВР України № 1307 від 7.10.2009 р.).

Результати досліджень, які увійшли в дисертаційну роботу, відображені у звітах з НДР №№ ДР 0201U000226, ДР 0201U000316, ДР 0201U000322, ДР 0201U000616, НДР за господарським договором № 30-03/1 з виробничим об'єднанням “Калузький турбінний завод” (Росія), у розробці яких автор брав участь як науковий керівник, відповідальний за виконання тем і виконавець.

Метою дослідження є підвищення точності утримання осей і стабілізація коливань валів суднових турбінних енергетичних установок (СТЕУ).

Основною науковою ідеєю дослідження є тезис про те, що підвищення точності утримання осей валів суднових агрегатів і валопроводів забезпечується керованою потенційної енергією мастильного шару підшипників.

Для досягнення мети і підтвердження наукової ідеї вирішувались такі задачі дослідження.

Глобальна задача розробка методології наукових досліджень процесів утримання осей та стабілізації коливань валів СТЕУ.

Локальні головні задачі:

встановлення показників ефективності функціонування систем утримання та стабілізації валів СТЕУ і формалізація взаємозв'язків між процесами в елементах системи, її режимними параметрами та основними експлуатаційними факторами;

розвиток теорії утримання осей та стабілізації коливань валів суднових агрегатів і валопроводів;

встановлення механізмів і визначення ефективності впливу адаптивних і дисипативних процесів у робочому тілі підшипників на точність утримання осей і стабілізацію коливань валів, формалізація регулюючих впливів на об'єкт керування;

оптимізація конструктивних і режимних параметрів систем утримання та стабілізації валів СТЕУ;

удосконалення методів прогнозування працездатності систем утримання та стабілізації валів СТЕУ, забезпечення безаварійності режимів їх роботи та ефективності діагностики технічного стану.

Об'єкт дослідження: процеси утримання осей та стабілізації коливань валів СЕУ.

Предмет дослідження: робочі тіла систем утримання та стабілізації валів СТЕУ.

Методи дослідження. При дослідженнях застосовані методи динамічного аналізу жорстких симетричних і несиметричних роторів на основі рівнянь Лагранжа, теплового балансу та систем рівнянь термогідродинаміки підшипників; положення термодинамічної теорії гетерогенних систем при описі впливу адаптивних і дисипативних процесів у підвісах на стабілізацію рухомої рівноваги валів; теоретико-імовірнісні методи, що базуються на часовому осередненні параметрів нестаціонарних процесів, для аналізу гідродинаміки просторового руху двофазних мастильних середовищ в підшипниках; розрахунково-аналітичні й чисельні методи математичного моделювання; методи планування експерименту й регресійного аналізу експериментальних даних; теорія імовірності й методи математичної статистики при обробці даних експериментів і підтвердженні адекватності математичних моделей; динамічне програмування при розв'язанні складних багатоступеневих задач, в яких результат одного етапу визначає характер розв'язання наступних; багаторівневий варіантний метод комплексної оптимізації, що базується на принципах локалізації цільової функції з узгодженням локальних зв'язків на різних етапах пошуку раціональних рішень.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що вперше розроблена методологія наукових досліджень щодо створення систем утримання та стабілізації валів СТЕУ, яка реалізує процеси гідростатодинамічного утримання осей і стабілізації коливань роторів, функціонуючих на принципах керування положенням шипів в зазорах підшипників шляхом зміни потенційної і кінетичної енергії робочої рідини в умовах трибокоординації і самоорганізації макроструктури мастильного шару при збурюючому впливі зовнішніх факторів.

При цьому вперше:

- встановлено, що при передачі потужності в СЕУ стабілізація динамічної рівноваги системи “вал мастильний шар підшипник”, яка функціонує в умовах гармонічних навантажень, здійснюється шляхом трибокоординації структури робочого тіла, стійкість руху якого забезпечується нормуванням відхилень кінематичних і реологічних параметрів мастильного матеріалу в шарах по висоті зазору, а компенсація впливу змінних навантажень в режимі утримання осі валу за умовами мінімізації відхилень її положення в зазорах підшипників забезпечується підвищенням потенціальної енергії робочого тіла за рахунок зміни параметрів системи мащення;

- виявлено закономірності взаємодії сил в'язкого тертя й інерції робочого тіла, що врівноважують квазістаціонарні й гармонічні навантаження на вал шляхом перерозподілу кінематичних, теплових і реологічних параметрів потоку в зазорах підшипників, а процеси утримання осі та стабілізації коливань валу представлено у вигляді математичної моделі;

- встановлено механізм релаксації пікових навантажень у дисперсному мастильному шарі, де підвищення потенційної енергії робочого тіла досягається за рахунок самоорганізації дисипативних структур у градієнтному швидкісному потоці та зменшення його кінетичної енергії; здійснено формалізацію описаного механізму у вигляді моделі дифузійної кінетики робочого тіла;

- визначено діапазони зміни конструктивних параметрів гідравлічних трактів підшипників, концентрацій компонент мастильних середовищ і режимів роботи систем мащення, що оптимізовані за умовами мінімізації відхилень положення осі валу в зазорах підшипників та компенсують вплив змінних навантажень шляхом керування потенціальною енергією робочого тіла при обмеженнях по стійкості робочого процесу за нормованими кінетичними, тепловими і реологічними параметрами системи утримання та стабілізації валів СТЕУ.

Удосконалено метод імітаційного прогнозування працездатності систем утримання та стабілізації валів СТЕУ, що реалізує принципи керування положенням осей валів в зазорах підшипників.

Дістали подальший розвиток способи підвищення ефективності передачі потужності в СТЕУ шляхом використання підшипників з водомісткими робочими тілами, зменшення кінетичної та підвищення потенційної енергії яких досягається застосуванням компонент з високими градієнтами сил міжфазної взаємодії.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі виконаного комплексу досліджень і отриманих наукових результатів розроблені й впроваджені:

- прогностичні моделі й розрахункові методики, інформаційне і програмне забезпечення для оптимізації режимів роботи систем утримання та стабілізації валів суднових агрегатів і валопроводів та підтримки прийняття рішення операторами СЕУ в специфічних умовах експлуатації, які суттєво підвищують інформативність та оперативність прогнозування сценаріїв розвитку подій у системі гарантованої безпеки функціонування засобів руху кораблів і суден;

- діагностичні моделі й програмне забезпечення, інструментальні засоби для ідентифікації технічного стану систем утримання та стабілізації валів СТЕУ, що забезпечують необхідну вірогідність діагностичного контролю у процесі експлуатації та спрощують архітектуру апаратно-програмних комплексів технічної діагностики;

- нові технічні рішення по удосконаленню радіальних підшипників суднових турбомашин із мащенням водяним конденсатом і композитними мастильними матеріалами на його основі, адаптовані до реалізації на етапах проектування, конструювання й модернізації серійних виробів;

- доробки й коректури положень експлуатаційної документації засобів руху кораблів і суден Військово-Морських Сил (ВМС) України.

Основні впровадження: у виробництво систем утримання та стабілізації валів турбоагрегатів ОК-1,5 і ОК-9 (ВО “Калузький турбінний завод”, Росія, акт від 06.02.1996 р.); в проекти енергетичних установок (КП “Дослідно-проектний центр кораблебудування”, акт від 12.03.2008 р.) і газотурбінних двигунів (НВКГ “Зоря” “Машпроект”, акт від 29.09.2010 р.) для перспективних кораблів ВМС України; в системи діагностики і підтримки прийняття рішення операторами енергетичних установок, експлуатаційну документацію засобів руху фрегата “Г. Сагайдачний”, корабля управління “Славутич”, підводного човна “Запоріжжя” (ВМС України, акт від 19.06.2006 р.); в комп'ютерні тренажерні комплекси виробництва СФ ПВНЗ “Інститут післядипломної освіти Одеський морський тренажерний центр” (акт від 14.12.2010 р.) і в навчальний процес Академії ВМС ім. П. С. Нахімова (акт від 03.03.2008 р.).

Особиста участь автора в одержанні наукових результатів, викладених у дисертації, полягає в постановці мети й завдань дослідження; формулюванні наукових положень, які виносяться на захист, і їхньому теоретичному обґрунтуванні; розробці математичних моделей досліджуваних процесів і розрахункових методик їхньої параметризації; організації й участі в проведенні експериментів, обробці, аналізі й інтерпретації їхніх результатів; розробці алгоритмів оптимізації та участі в проведенні оптимізаційних експериментів; створені діагностичних моделей об'єкту і удосконаленні методів прогнозування працездатності систем утримання та стабілізації валів турбоагрегатів і валопроводів.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідалися на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми пожежної безпеки” (Донецьк, 2002 р.); III і VI науково-технічних конференціях “Перспективні напрямки розвитку суднобудування” (Севастополь, 2002, 2005 рр.); міжнародній науково-технічній конференції “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин” (Миколаїв, 2003 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Сучасне судноплавство і морська освіта” (Одеса, 2004 р.); III, IV, V і VI науково-технічних конференціях “Живучість корабля й безпека на морі” (Севастополь, 2003, 2005, 2007, 2009 рр.); III, IV і V науково-технічних конференціях “Стан і розвиток ВМС ЗС України на сучасному етапі” (Севастополь, 2003, 2005, 2007 рр.); III і VI міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні проблеми триботехніки” (Миколаїв, 2005, 2009 рр.); I, II, IV і V міжнародних науково-технічних конференціях “Енергоустановки” (Севастополь, 2006, 2007, 2009, 2010 рр.); III міжнародній науково-технічній конференції “Суднова енергетика: стан і проблеми” (Миколаїв, 2007 р.); III і IV міжнародній науково-технічній конференції “Суднова енергетика: експлуатація і ремонт” (Одеса, 2009, 2010 рр.); науково-технічному семінарі “Вдосконалювання технічної експлуатації суднових енергетичних установок” (Одеса, 2003, 2005, 2006, 2007 рр.) і науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Академії військово-морських сил (Севастополь, 2005, 2007, 2009, 2010 рр.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 29 наукових працях, з них 1 у патенті, 28 у наукових журналах і збірниках наукових праць, рекомендованих ВАК України для публікації результатів дисертаційних робіт, у тому числі 14 без співавторів.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку з 239 використаних джерел і чотирьох додатків. Загальний об'єм дисертації становить 362 сторінки, серед яких 247 сторінок основного машинописного тексту, 47 сторінок рисунків і 2 сторінки таблиць.

двигун коливання судновий турбінний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, сформульовані мета і завдання досліджень, визначена наукова новизна й практична значимість результатів. Показано особистий внесок автора в їх отримання, охарактеризовані повнота викладення матеріалів дослідження в публікаціях, апробація та впровадження результатів.

У першому розділі на основі аналізу аварійності елементів СЕУ, здійсненого з урахуванням можливих схем їхнього резервування, показано, що серед різних причин, які можуть призвести до зриву виконуваних завдань, а також до аварій з важкими наслідками й істотними збитками, одне з визначальних місць займають відмови двигунів і валопроводів внаслідок просторового зсуву осей та збільшення амплітуд коливань валів. Забезпечення працездатності роторних систем за рахунок подальшого підвищення надійності та резервування їх елементів вимагає надмірних матеріальних витрат і веде до неефективних конструктивних рішень, тому виникає необхідність у виділенні з ієрархії функціональних підсистем суднових енергетичних установок систем утримання та стабілізації валів і виявленні резервів підвищення ефективності їх функціонування.

Системи утримання та стабілізації валів СЕУ є складними технічними об'єктами, до складу яких входять різні пристрої (ротори двигунів і передач; упорні, проміжні й гребні вали суднового валопроводу; опорні й упорні підшипники з мастильними системами; радіальні й торцеві ущільнення; демпферні елементи та інше обладнання), в яких можлива взаємодія різних видів енергії (механічної, гідравлічної, електричної, теплової). Довговічність і безвідмовність таких систем, у першу чергу, залежать від режиму роботи трибоспряжень у підвісах. Підвищення частот обертання валів супроводжується ростом динамічних навантажень, що робить недоцільним або дорогим застосування підшипників кочення, а специфіка функціонування електромагнітних підвісів обмежує їхнє використання в суднових умовах. Тому при необхідності забезпечення тривалого ресурсу суднових турбомашин підвіс роторів здійснюється за допомогою радіальних підшипників ковзання. Беручи до уваги високий рівень технічної досконалості й специфічність виробництва суднового обладнання в контексті удосконалення питомих показників силових турбомашин і підвищення їхньої надійності при одночасному зниженні масогабаритних характеристик, об'єктом дослідження обрано робочий процес систем утримання та стабілізації валів СТЕУ з підшипниками рідинного тертя.

Розглянуто основні фактори, що впливають на стійкість рухомої рівноваги валів СТЕУ й показано, що спільний вплив стохастичних зовнішніх факторів і внутрішніх флуктуацій різних видів, особливо в неспецифікаційних експлуатаційних умовах, може стати причиною біфуркаційної зміни стійкості руху роторів навіть при незначному впливі. Під дією експлуатаційних факторів у підшипниках активізуються трибомеханічні й реологічні процеси, які сприяють розсіюванню підведеної механічної енергії як за механізмами деструкції, що приводять до зсуву осей валів, розвитку коливань та інтенсивного зношування поверхонь тертя, так і за захисними, у реалізації яких закладено ресурс підвищення працездатності систем утримання та стабілізації валів СТЕУ.

Аналіз досліджень провідних спеціалістів (Н. П. Артеменко, К. С. Ахвердієва, А. І. Белоусова, Н. М. Бессонова, А. Г. Бургвіца, Л. В. Горюнова, Б. В. Дерягіна, Ф. М. Діментберга, Н. Ф. Дмитріченко, Г. А. Зав'ялова, А. С. Кельзона, Д. С. Коднира, М. В. Коровчинського, М. К. Леонт'єва, М. І. Лаппи, В. А. Максимова, Є. Е. Малаховського, А. Н. Нікіфорова, В. И. Олимпієва, Є. Л. Позняка, В. В. Рухлінського, С. І. Сергєєва, Ф. П. Снеговського, В. П. Сторожева, В. П. Терських, І. Я. Токаря, М. Я. Хлопенко, І. Д. Ямпольского, D. W. Childs'а, B. J. Hamrock'а, G. G. Hirs'а, J. Lund'а, L. San Andres'а, V. K. Stokes'а, A. Z. Szeri, D. C. Sun'а, F. Zeidan'а та інших) підтвердив значний вплив експлуатаційних факторів, параметрів навколишнього середовища й властивостей підвісів на стійкість рухомої рівноваги роторів турбомашин. За результатами цих теоретичних і експериментальних досліджень обґрунтовано напрям підвищення точності утримання осей та стабілізації коливань валів шляхом регулювання пружно-демпфуючих властивостей мастильних шарів і самоустановлення конструктивних елементів опорних вузлів. Однак у більшості відомих досліджень недостатньо враховано анізотропію мастильних плівок внаслідок зміни вихідної реології та трибокоординації їх макроструктури в процесі експлуатації.

В працях Н. П. Артеменко, В. Н. Доценко, В. А. Максимова, В. В. Рухлінського, Л. А. Савіна, О. В. Соломіна, H. G. Elrod'а, P. Holmes'а, T. Yamamoto опис еволюції структури мастильного шару підшипників здійснюється на основі гомогенних реологічних моделей, які уточнюються в процесі ітераційного розрахунку за умови задоволення рівнянням руху рідини й динаміки ротора. Такий підхід потребує апріорного завдання закономірностей зміни теплофізичних і реологічних параметрів мастильного середовища, які можуть бути визначені тільки експериментально для обмеженого спектра експлуатаційних режимів.

В дослідженнях М. Я. Хлопенко, W. J. Сhen'а, J. M. Georges'а, B. J. Ham-rock'а, I. I. Kudish'а, C. Zhang'а для моделювання плину багатофазного мастильного матеріалу в зазорах підшипників використовується концепція взаємопроникаючого руху континуумів, запропонована М. Є. Жуковським і надалі розвинена Л. Д. Ландау, Х. А. Рахматулліним, Р. І. Нігматулліним, А. І. Накорчевським. Перевагами такого підходу є врахування взаємозв'язків між зовнішніми збурюючими факторами та кінематичними, тепловими й дифузійними процесами в мастильному шарі на етапі формалізації математичної моделі, уніфікація розрахункових схем для середовищ з різними фізичними властивостями і звідність законів збереження імпульсу й маси багатофазних мастильних середовищ до модифікованих рівнянь Нав'є Стокса в природних змінних (швидкість тиск). Однак для вказаних праць характерно осереднення теплофізичних і реологічних параметрів мастильних матеріалів по товщині плівки, що призводить до заниження розрахункових оцінок впливу дисперсності рідини на ексцентричність положення шипів, розподіл гідродинамічних тисків і, відповідно, реакцій підшипників. Малодослідженими залишаються аспекти дифузії у шарах мастильного матеріалу по висоті зазору, умови інверсії фаз для середовищ близької в'язкості, характер кінематичного впливу дисперсної фази на турбулізацію потоку двофазного мастильного матеріалу в клиноподібному зазорі підшипника.

Істотно розширити спектр розглянутих факторів і розкрити специфічні особливості функціонування систем утримання та стабілізації валів СТЕУ дозволяють концепції енергоперетворення, що ґрунтуються на структурному аналізі стійкості складних технічних систем. Огляд праць термодинамічної теорії гетерогенних трибосистем (Е. Д. Брауна, Н. А. Буше, В. А. Войтова, І. С. Гершмана, Д. Г. Громаковського, О. В. Дихи, І. М. Єлманова, В. Л. Заковоротного, К. Кравчика, К. С. Кужарова, Р. Г. Мнацаканова, С. В. Федорова, С. А. Ханмамедова, G. Biresaw, H. Cheng'а, C. Edwards'а, O. Pinkus'а, Q. J. Wang'а) вказує на перспективність застосування структурно-енергетичного підходу при розробці моделей динаміки роторних систем, які здатні врахувати значні зміни структури мастильних шарів підшипників у процесі експлуатації.

Розвиваючи положення термогідродинамічної теорії автор показує, що гідромеханічні й реологічні процеси у підшипниках є субструктурними явищами внаслідок зовнішнього впливу, що визначає їх дисипативний характер, який викликає розсіювання підведеної механічної енергії. Реалізація еволюційних (адаптивних) механізмів внутрішнього тертя в підшипниках дозволяє підвищити ступінь упорядкованості роторної системи, що сприяє реалізації такого стану рухомої рівноваги, якому відповідає мінімум необоротних втрат енергії на дисипацію в підшипниках. В свою чергу, однією з основних умов збереження стійкості відкритої системи утримання та стабілізації валів СТЕУ при екстремальних зовнішніх впливах є активізація нерівноважних процесів самоорганізації та формування дисипативних структур в мастильному шарі, наслідком чого стає здатність системи трансформувати зовнішню енергію великої потужності без значної зміни інтенсивності зношування поверхонь тертя.

На підставі проведеного аналізу обґрунтована актуальність науково-прик-ладної проблеми підвищення ефективності утримання валів суднових агрегатів і валопроводів на протязі життєвого циклу морського транспортного засобу і визначені шляхи її вирішення. Математичний опис досліджуваних процесів здійснено на основі рівнянь динаміки ротора і системи рівнянь гідродинаміки й енергії робочого тіла підшипників. Наведено співвідношення для визначення питомих теплових потоків, функцій розподілу компонент мастильного шару і характеристик турбулентності, що необхідні для замикання рівнянь руху й енергії мастильного матеріалу.

У другому розділі дисертації наведено методологію дослідження процесів утримання та стабілізації валів СТЕУ. На базі аналізу стану питання обґрунтовано вибір напряму дисертаційної роботи й уточнено об'єкт дослідження. Для розв'язання глобальної задачі дослідження здійснено її декомпозицію на ряд локальних задач, вказаних у загальній характеристиці автореферату.

Систематизовані функціональні зв'язки й принципи взаємодії на границях оболонок підсистем СЕУ (табл. 1). На кожному з рівнів обґрунтовується вибір показників ефективності функціонування систем утримання та стабілізації валів у складі СЕУ, методів розв'язання основних і допоміжних задач, спрямованих на досягнення мети й задоволення запиту практики.

Таблиця 1. Функціональні зв'язки в ієрархії підсистем СЕУ і їхніх елементах

Ранг і найменування системи	Досліджувані питання	Показники ефективності взаємодії
СЕУ і судно в цілому	Маневрені якості, безпека життєдіяльності	Критерій техніко-економічної ефективності (ТЕЕ)
Суднові турбінні енергетичні установки	Ефективність і безпека функціонування, ресурс, взаємний вплив (вібрація, режими використання, параметри робочих середовищ)	Механічні ККД турбіни, передачі та валопроводу (м), коефіцієнти технічного використання будівельної потужності (kN), собівартості технічної експлуатації (kс)
Система утримання та стабілізації валів	Рухома рівновага, мінімізація необоротних втрат енергії	Коефіцієнти стійкості (kу) і енергетичних витрат (kе.е), екологічний коефіцієнт (kек)
Підшипники	Утримання валів, демпфірування коливань, дисипація енергії	Коефіцієнти вантажопідйомності (kF), економічності по витратах потужності на тертя (kе.тр) і по витраті мастильного матеріалу (kеQ)

Запропоновано структурно-енергетичне трактування трибомеханічних і реологічних механізмів релаксації напружень і дисипації енергії в підшипниках. Показано, що стабілізація динамічної рівноваги роторної системи, яка функціонує в умовах гармонічних навантажень, здійснюється шляхом трибокоординації структури робочого тіла підшипників, стійкість руху якого забезпечується нормуванням відхилень кінематичних і реологічних параметрів мастильного матеріалу в шарах по висоті зазору, а компенсація впливу зовнішніх збурюючих факторів та повернення системи в початковий незбурений стан забезпечується шляхом підвищення потенціальної енергії робочого тіла за рахунок зміни параметрів системи мащення. Трибокоординація структури робочого тіла супроводжується приростом ентропії, пов'язаним з дисипацією енергії деформації рідини. Тому підвищення енергоефективності робочого процесу передбачає нормування відхилень положення осей валів у зазорах підшипників. Виключеннями є режими екстремальних зовнішніх впливів, забезпечення працездатності підшипників в яких здійснюється шляхом підтримання стійкості рідинного тертя за традиційними критеріями по мінімальній товщині та максимальному перегріву шару.

Обґрунтовано застосування методів математичного моделювання досліджуваних процесів як засобу одержання ефективних рішень, що найбільш повно описують функціонування об'єкта досліджень і відповідають необхідній точності. У зв'язку з порівняно високою кількістю та складною функціональною залежністю значимих параметрів моделі розв'язання багатоступеневих нелінійних задач статики й динаміки виконується чисельними методами. Для розв'язання вихідної системи рівнянь використано відомий метод збурень, відповідно до якого поле швидкостей і тиску в підшипниках задається у вигляді суми параметрів сталого плину та збурюючих функцій, які обумовлені гармонічними коливаннями ротора. Як показано у працях Є. Л. Позняка, такий підхід дозволяє врахувати просторову анізотропію мастильних плівок та вплив сил інерції на динамічні відхилення кінематичних і дифузійних параметрів мастильного шару при малих переміщеннях шипів від центрів рухомої рівноваги.

Для перевірки адекватності моделей, коректності прийнятих гіпотез і правильності інтерпретації результатів теоретичних досліджень здійснюються експерименти на фізичних моделях, що імітують дію найбільш значимих факторів. Мінімальна похибка вимірювань параметрів при експериментах (не більше 3,5% для квазістаціонарних теплофізичних параметрів і не більше 5% для лінійних переміщень ротора) досягнута застосуванням повірених приладів та інструментів, індивідуальним таруванням і дублюванням вимірювальних каналів, автоматизацією процесів збору, аналого-цифрового перетворення, обробки й аналізу експериментальних даних. Для встановлення вірогідності результатів моделювання неспецифікаційних режимів досліджуваного об'єкта здійснено перевірку збіжності отриманих даних з результатами напівнатурних досліджень працездатності систем утримання та стабілізації валів корабельних паротурбоагрегатів в екстремальних експлуатаційних умовах, проведених співробітниками Академії ВМС під керівництвом М. Ф. Клементьєва. Порівняльним аналізом підтверджена достовірність використаних методів математичного й фізичного моделювання та обґрунтованість теоретичних положень дисертації.

Для виявлення оптимальних умов функціонування систем утримання та стабілізації валів СТЕУ обґрунтовано застосування багаторівневого методу комплексної оптимізації, що ґрунтується на принципах локалізації цільової функції з узгодженням локальних зв'язків на різних етапах пошуку раціональних рішень. Прийнята цільова функція, яка визначає рівень досконалості системи за функціональними, енергетичними та економічними ознаками.

Порядок комплексного вирішення проблеми відображено у загальній методиці дослідження, що встановлює зміст теоретичного й експериментального етапів та систематизує їх результати з метою наступного впровадження.

Третій розділ присвячений розвитку теорії утримання осей та стабілізації коливань валів СТЕУ.

Сучасною тенденцією проектування й динамічного аналізу роторних систем є розробка кінцево-елементних моделей з розподіленими пружними й інерційними параметрами на основі рівнянь Лагранжа, теорем динаміки й канонічних рівнянь Гамільтона, однак їх застосування ускладнює побудову моделей рухомих систем з потоками енергії різних видів, що вимагає значних обчислювальних ресурсів при розв'язанні. Прийнятною альтернативою, що підходить для одержання рівнянь руху багатоелементних роторних систем, є застосування моделей і методів розрахунку динамічних систем із зосередженими параметрами.

На рис. 1 представлені схеми для аналізу динамічних систем із зосередженими параметрами, що враховують просторове зміщення і прецесію ротора відносно центрів рухомої рівноваги. Наслідуючи працям А. С. Кельзона, О. В. Соломіна описуємо рух несиметричного жорсткого ротора такими рівняннями:

;

;

;

,(1)

Де

,

проекції зміщення центра цапфи по траєкторії рухомої рівноваги; I_z, I полярний і екваторіальний моменти інерції ротора;

? = (?₁ + ?₂)

довжина вала між опорами (рис. 1, а); кутова швидкість обертання;

W_1,3 = (F_Х1,2 + Р_Х1,2),

W_2,4 = (F_Y1,2 + m g + Р _Y1,2)

функції від реакцій підшипників (F_Х, F_Y) і зовнішніх сил (Р_Х, Р_Y); m, е_р маса й ексцентриситет ротора.

Система рівнянь (1) описує гармонічні коливання вала, які обумовлені дисбалансом ротору, гіроскопічними ефектами, дією зовнішніх сил і неконсервативних гідродинамічних реакцій мастильних шарів. Вплив технологічних неточностей і дефектів елементів роторної системи, внутрішнього тертя валопроводу та його осьових, крутильних і згинаючих коливань вважається детермінованим при проектних розрахунках і в подальшому аналізі не враховується.

Згідно з положеннями гідродинамічної теорії мащення найбільш інформативним є вивчення динаміки роторів на основі аналізу траєкторій руху центрів шипів, за формою й розмірами яких можна судити про динамічні процеси з урахуванням нелінійності реакцій підшипників. У розділі описано теоретико-імовірнісний підхід до визначення положень статичної і динамічної рівноваги валів СТЕУ в зазорах і траєкторій їх прецесії на базі розрахунку реакцій гідродинамічних (ГДП), гідростатичних (ГСП) і гідростатодинамічних (ГСДП) підшипників із точковою подачею мастильного матеріалу в зазор і з мастильними канавками різної конфігурації (рис. 2). Основними величинами, за якими здійснюється оцінка працездатності системи утримання та стабілізації валів СТЕУ, є відхилення осі вала від положень, які номінуються проектними розрахунками для кожного з експлуатаційних режимів та коректуються з урахуванням особливостей функціонування конкретного об'єкта, а також зміна гідродинамічних тисків і реакцій підшипників у процесі руху шипів у зазорах.



Рис. 1. Схеми для аналізу просторового зміщення (а) і руху (б) ротора в підшипниках: О центр підшипника; О₁ центр шипа; О₂ центр мас ротора

Рис. 2. Розрахункові схеми радіальних підшипників ковзання:

а конструктивна схема; б розрахункова схема ГДП; в розрахункова схема ГСДП; г розгорнення поверхні втулки ГСДП; 1 верхній вкладиш; 2 антифрикційний шар; 3 корпус підшипника; 4 мастильна канавка; 5 нижній вкладиш

Як показано у працях М. Я. Хлопенко, Л. А. Савіна, W. J. Сhen'а для підшипників з багатофазними мастильними матеріалами у більшості випадків, коли інерційні ефекти відносного руху фаз не істотні через відносно невисокі градієнти швидкостей зсуву та малу окружну довжину зазорів, для опису гідродинаміки шару уявляється можливим використовувати дифузійне наближення. Закони дифузії у цьому випадку встановлюють залежність кінематичних параметрів потоку від градієнтів тиску і концентрацій компонент середовища.

Рух робочого тіла в зазорах радіальних підшипників ковзання в декартовій системі координат і в тензорній формі описано такими відомими рівняннями у дифузійному наближенні.

Рівняннями збереження маси й імпульсу:

; (2)

; (3)

; (4)

, (5)

де проекції вектора швидкості часток рідини; і густина і в'язкість мастильного матеріалу; р манометричний тиск; х, у, z координати у декартовій системі (рис. 2, б); t час.

Рівняннями переносу кінетичної енергії турбулентності:

; (6)

, (7)

де k кінетична енергія турбулентності; швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентності; кінематична в'язкість мастильного матеріалу; С₁, С₂, _k, коефіцієнти.

Рівнянням дифузії дисперсної фази:

, (8)

де C концентрація дисперсної фази; т функція коефіцієнта дифузії (D), чисел Шмідта (Sc) і Рейнольдса (Re).

Неоднорідність реологічних і теплофізичних характеристик мастильного матеріалу, особливості його вихрового плину в гідравлічному тракті в формулах (2) (8) виражаються через комплекси, що мають розмірність в'язкості:

; ,

де ,

, ,

молекулярна і турбулентна складові динамічної і кінематичної в'язкості мастильного матеріалу; С коефіцієнт.

Початкові умови для (2) (8) визначаються при розв'язанні статичної задачі на базі рівнянь, запропонованих у працях В. А. Максимова і В. В. Рухлінського. При допущеннях, які звичайно використовуються в термогідродинамічній теорії мащення, ці рівняння подаються у вигляді, що враховує змінні реологічні й теплофізичні властивості мастильного матеріалу за всіма координатами.

Рівняння Рейнольдса:

, (9)

Де

товщина мастильного шару; h₀ радіальний зазор; e ексцентриситет; R радіус вала; кутова частота його обертання; ₀ кут нахилу лінії центрів;

;

функції, що описують зміну параметрів мастильного матеріалу по товщині шару (k = 0, 1, 2).

Рівняння енергії:

. (10)

де Т функція розподілу температури в шарі;

=_еф +_Т

коефіцієнт теплопровідності мастильного матеріалу; _еф,

молекулярна і турбулентна складова коефіцієнта теплопровідності; Pr число Прандтля; с_р теплоємність при постійному тиску.

Рівняння теплопровідності валу й корпусу підшипників:

; (11)

, (12)

де Т_в, _в, _в, с_в температура, теплопровідність, густина і теплоємність вала; температура корпусу i-го підшипника.

Система (9) (12) доповнюється наведеними у дисертації реологічними й теплофізичними залежностями для найбільш поширених у судновій енергетиці одно- й двофазних мастильних середовищ. Сіткові функції в'язкості й густини уточнюються в процесі розрахунку після встановлення характеристик турбулентності, розподілів температури і концентрації фаз у мастильному шарі за стаціонарними аналогами рівнянь (6) (8) і (10).

Граничні умови для стаціонарних тисків задаються на контурі мастильних канавок і на зовнішньому контурі несучої поверхні втулки, причому в загальному випадку цей тиск може бути різним по краях підшипника. Тиски в мастильних канавках заздалегідь не відомі й визначаються в процесі розв'язання із системи рівнянь балансу витрат для кожної канавки підшипника.

Для рівнянь енергії і теплопровідності задаються умови теплообміну з навколишнім середовищем на циліндричних і торцевих ділянках валу, на зовнішньому контурі підшипників і значення температури на контурі їхніх мастильних канавок, а на обмежуючих мастильний шар поверхнях приймаються умови періодичності та граничні умови третього роду, які визначають величину теплових потоків між валом (втулкою) і шаром. Для визначення компонент швидкості руху мастила в (6) (8), (10) використовуються такі відомі вирази:

;

,

де

; ; k = 0, 1, 2.

Для рівнянь турбулентного переносу й дифузії задаються граничні умови як першого, так і другого роду, до яких відносяться умови прилипання та симетрії.

Слід зазначити, що в рамках дифузійного наближення деформівна в процесі зсувного руху мастильна рідина розглядається як відкрита, багатокомпонентна система, яка є ієрархією статистично рівномірно розподілених по об'єму локальних метастабільних дисперсних елементів, що рухаються зі швидкістю несучої фази. Однак для процесів з енергійним перемішуванням взаємодіючих компонент, що супроводжується істотними деформаціями міжфазної поверхні та локальною інверсією фаз, необхідно враховувати багатошвидкісний характер плину мастильного матеріалу.

На рис. 3 зображена розрахункова схема для розгорнення клиноподібного двофазного мастильного шару. Сталий шаруватий плин рідини в зазорі подається у вигляді двох сполучених підобластей центральної, в яку переноситься ковзання, а також адсорбованого шару і переважно однофазного підшару, що примикає до нього, який формується за рахунок основного зсувного плину.

Размещено на http://www.allbest.ru/

З використанням точкового методу механіки гетерогенних систем, запропонованого у працях А. І. Накорчевського, процеси еволюції структури мастильного шару внаслідок просторової дифузії дисперсної фази для турбулентного плину суміші з великомасштабних полідисперсій, які взаємно не розчиняються, формалізовані у вигляді:

, (i = 1, 2);

;

, (13)

де B_i функція індикатор i-ої фази (індекс 1 відноситься до дисперсійного середовища, а 2 до дисперсної фази); V_xi окружний компонент швидкості руху кожної з фаз; V_1x швидкість обертання вала; h, b товщина мастильного шару й пристінної області відповідно; напруження турбулентного тертя.

Система (13) доповнюється умовами гладкого сполучення для підобластей і розв'язується чисельно. Розв'язання задачі дозволяє встановити границі пристінного шару, а також обчислити розподіли поперечних швидкостей кожної з фаз і питому силу міжфазної взаємодії, за якими уточнюються розподіли концентрації компонент і прогнозуються зміни пружно-демпфуючих властивостей робочого тіла.

Розв'язання статичної задачі після приведення системи вихідних рівнянь до безрозмірного вигляду та представлення кінцево-різницевими аналогами виконано за ітераційним методом. При розв'язанні різницевих аналогів рівнянь (9), (10) використовується метод змінних напрямків у сполученні з методом верхньої релаксації, оскільки при цьому досягається більша швидкість збіжності й необхідна стійкість ітераційного процесу. Визначення функцій розподілу тиску й температур в підшипниках здійснюється за методом прогону. Рівняння турбулентного переносу й дифузії розв'язуються за методом інтегральних тотожностей. Як критерій збіжності використовується малість відносної зміни величини від ітерації до ітерації.

Розв'язання системи стаціонарних рівнянь дозволяє визначити розподіл тис-ку, температури й концентрації компонент у підшипниках, а на їхній основі несучу спроможність F, витрати потужності на тертя N_тр і прокачування мастильного матеріалу N_пр:

; ;

, (13)

де одиничний вектор нормалі до опорної поверхні;

витрата мастила через торцеві ділянки втулки; р₀ тиск у напірній магістралі; р_р1, р_р2 надлишкові тиски на торцях втулки.

При розв'язанні вихідної нестаціонарної системи рівнянь (2) (8) для визначення додаткових компонент тисків, що виникають при переміщенні вала зі стаціонарного положення, використовується методологічний підхід А. І. Накорчевського, що базується на циклічних послідовностях операцій за схемою “предиктор коректор”. Застосовано трьохетапний ітераційний метод, що спирається на розрахунок поля швидкостей руху мастильного матеріалу по передбачуваних збільшеннях тиску в шарі з наступним коректуванням значень тиску й швидкості за умовою задоволення рівнянню нерозривності. Реалізація цього методу знижує неточність розрахунку, пов'язану з апріорним уявленням про характер кінематичних, енергетичних і дифузійних процесів у підшипниках.

Чисельне інтегрування системи рівнянь (1) здійснюється за методом Адамса Башфорта. При розрахунку вимушених поперечних коливань багатопрогонового суднового валопроводу використаний метод матриць переходу з допущеннями про незалежні коливання кожної ділянки та дії зовнішніх зосереджених сил або взаємодії між сусідніми прольотами тільки на їхніх торцях. Граничними умовами для розрахунку динамічних характеристик систем утримання та стабілізації суднового валопроводу є крутний момент і поперечні сили на фланці відбору потужності турбоагрегату, гідродинамічні сили й моменти на гвинті.

За розробленими для чисельного розв'язання статичної і динамічної задач програмами виконані розрахунки характеристик систем утримання та стабілізації валів турбоагрегатів типу ОК-1,5 з підшипниками різних типів (рис. 4).

Рис. 4. Параметри процесів утримання ротора турбіни ОК-1,5 в підшипниках ковзання:

а зміщення осі вала в ГДП (R = 0,065 м; L = 0,1 м; h₀ = 280 і 180 мкм; р₀ = 0,13 МПа) на масляному змащенні (1) і на Акванолі 7 (4, штрих-пунктир в режимі гідропідйому валу), ГСДП (h₀ = 125 мкм; р₀ = 0,5 МПа; z_k = 6 і 4) на водяному змащенні із прямокутними вузькими (2) і двотавровими (3) у профілі камерами; б, в максимальний тиск у шарі та несуча спроможність ГДП на маслі Т_п46 і емульсіях з об'ємною водомісткістю k = 10 50% ( за описаною моделлю; за моделлю В.В. Рухлінського; за моделлю В.А. Максимова)

Багатоваріантними розрахунками доведено, що в умовах, несприятливих для релаксації напружень в ізотропній мастильній рідині, застосування дисперсних мастильних середовищ ініціює реологічні дисипативні процеси в мастильному шарі, які ефективно знижують інтенсивність динамічних дестабілізуючих явищ у підшипниках.

Встановлені межі області застосовності термогідродинамічної моделі в дифузійному наближенні, в якій еволюція трибомеханічних і реологічних явищ в підшипниках супроводжується плавною зміною макропараметрів процесів утримання та стабілізації валів. На прикладі аналізу стійкості руху ротора в ГДП на обводненому маслі показано, що зростання концентрації дисперсної фази викликає активізацію дисипативних процесів у мастильному шарі та може супроводжуватися біфуркаційною зміною характеристик підшипників (рис. 4, в). У таких режимах значимим стає вплив дисперсної компоненти шару на перерозподіл витрат мастильного матеріалу в зазорі, локальну інтенсивність характеристик турбулентності двохфазного потоку, дифузійні процеси в шарах мастильного матеріалу по висоті зазору, що недостатньою мірою враховано у відомих моделях (В. А. Максимова, В. В. Рухлінського, Л. А. Савіна, О. В. Соломіна, W. J. Сhen'а, J. M. Georges'а, B. J. Hamrock'а та інших).

Рис. 5. Залежність максимальної температури у шарі та потужності тертя від навантаження: 1 - ГСДП на водяному мащенні; 2--- ГДП на турбінному маслі (ѕѕ--- Т; ------------- Nтр)

У розділі наведені порівняльні результати розрахунків показників працездатності систем утримання і стабілізації валопроводів СТЕУ з опорами на ізотропних і гетерогенних мастильних матеріалах; показана перспективність використання водомістких рідин у системах мащення підшипників при високих швидкостях ковзання і градієнтних теплових потоках у всій роторній системі (рис. 5).

Четвертий розділ дисертації присвячений експериментальному дослідженню процесів утримання та стабілізації валів в радіальних підшипниках ковзання; підтвердженню обґрунтованості гіпотез і допущень, прийнятих при математичному моделюванні; перевірці адекватності математичних моделей натурним зразкам.

Розроблено експериментальні стенди (рис. 6), що дозволяють досліджувати параметри систем утримання та стабілізації валів з підшипниками різних типів. Стенди обладнані контрольно-вимірювальною апаратурою для реєстрації таких параметрів (рис. 6, б): тиску, температури й витрат мастильного матеріалу; рівня у всіх ємностях; напруги й струму приводного електродвигуна. Траєкторії руху цапфи у втулці підшипника визначаються за допомогою струмовихрових датчиків, розташованих у взаємно перпендикулярних площинах.

Автоматизована керуюча система здійснює опитування вимірювальних каналів, аналогово-цифрове перетворення вимірюваних величин і передачу їх в ЕОМ, генерацію, видачу й мультиплексування керуючих сигналів, статистичну обробку і відображення даних експериментів.

Рис. 6. Конструкція експериментальних стендів:

а загальний вигляд стенда для випробування підшипників: А підшипник; В апаратура контролю й реєстрації параметрів; 1 електродвигун; 2 навантажувальний пристрій; 3, 4 штуцери для підводу та відводу мастильного матеріалу; 5, 8 щити електроживлення й керування електродвигуном; 6 генератор звукових сигналів; 7 цифровий датчик обертів вала; 9 осцилограф; 10 мастильний бак; 11 насос; 12 реостат; б схема системи мащення стенда для дослідження процесів утримання валів турбоагрегатів: 1, 14 масляна й водяна цистерна; 2, 10 клапани; 3, 12 насоси; 4 пневмогідроакумулятор; 5 балон; 6 гідроциліндр; 7 навантажувальний пристрій; 8 дюритові муфти; 9 напірний колектор; 11 фільтр; 13 мірна ємність

У розділі наведені результати порівняння розрахункових і дослідних даних, обробка яких з використанням апарата математичної статистики показала їхній якісний збіг (рис. 7) і збіжність у межах 5 16%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Розрахункові й експериментальні залежності ексцентриситету (а) і температури робочої рідини (б) у ГДП від частоти обертання вала і ступеня обводнювання масла Т_п46 (L = 0,1 м; R = 0,05 м; h = 180 мкм; F = 400 Н): розрахунок; , , ?, , експеримент

Значення критеріїв адекватності Фішера по ексцентриситету F_р = 2,3 5,2 (при припустимих менш 6,9), по температурі робочого тіла F_р = 1,5 2,9 (при припустимих менш 5,4)



Рис. 8. Експериментальна залежність несучої спроможності ГСДП від частоти обертання вала та тиску живлення (L = 0,1 м; R = 0,05 м; zk = 4; h = 125 мкм; c = 0,3): ѕѕѕ--- ГСДП на водяному мащенні; ------------- ГСДП на ВРПФ

Обґрунтовано використання дисперсних середовищ із високими градієнтами сил міжфазної взаємодії для активізації дисипативних процесів у мастильному шарі. Вперше виявлено ефект структуроутворюючої дії речовин групи полігексаметиленгуанідин фосфатів (ВРПФ) у приповерхневих шарах гідростатодинамічних підшипників на водяному мащенні (рис. 8), який забезпечує стійкість рідинного тертя в гідродинамічному режимі роботи опорного вузла.

Представлені нові експериментальні дані, що свідчать про можливість зниження витрат енергії на підтримку валопроводів і розширення діапазонів безаварійного функціонування систем утримання та стабілізації валів СТЕУ при зовнішніх силових і теплових впливах, зміні вихідної реології мастильних матеріалів внаслідок утворення багатофазних середовищ у процесі експлуатації, відхиленні параметрів системи мащення від специфікаційних.

Доповнено науково-методичний апарат дослідження емпіричними закономірностями зміни реологічних і дифузійних параметрів водомістких мастильних середовищ (рис. 9). Вимірювання велись як з використанням стандартних методів, так і на створених лабораторних установках за розробленими автором методиками.

...