РАСЧЕТ РАДИАЛЬНЫХ ГАЗОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ ТУРБОМАШИН АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

РТМ 108.129.101-76

Издание официальное

РАЗРАБОТАН Научно-производственным объединением по исследованию и проектированию энергетического оборудования (ЦКТИ)

Н. М. МАРКОВ

В. Л. МАРКОВ П. А. АНДРЕЕВ, Г. А. ЛУЧИН В. В. АФОНИН, Н. Н. СИДОРА, В. А. СЕМЕНОВ, Л. Г. КУЗУБ, Н. П. НЕЗЛОБИНА, Г. П. ЮРГЕНЕВА

Ростовским-на-Дону государственным университетом

Ректор    Ю.    А.    ЖДАНОВ

Руководитель темы    А. И. СНОПОВ

Исполнители:    В.    Ф.    ДАН    ИЛЬЧЕНКО,

В. А. МОРДВИНКИН

ВНЕСЕН Научно-производственным объединением по исследованию и проектированию энергетического оборудования (ЦКТИ)

Генеральный директор    Н. М. МАРКОВ

Заведующий базовым отраслевым отделом стандартизации    В. Л. МАРКОВ

ПОДГОТОВЛЕН К УТВЕРЖДЕНИЮ Техническим управлением Министерства энергетического машиностроения

. 1ачальник Технического управления    В.    П.    ПЛАСТОВ

¹'ачальник отдела опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ

по турбостроению    В.    К.    ЛЕОНТЬЕВ

СОГЛАСОВАН с Государственным научно-исследовательским институтом машиноведения им. акад. А. А. Благонравова

Заместитель директора    С.    В.    ПИНЕГИН

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ указанием Министерства энергетического машиностроения от 5 октября 1976 г. № ВЛ-002/6994

Заместитель министра    В.    П.    ЛОБАНОВ

РАСЧЕТ РАДИАЛЬНЫХ ГАЗОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ ТУРБОМАШИН АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Указанием Министерства энергетического машиностроения от б октября 1S76 г. N2 ВЛ-002/6994 срок введения установлен

с 01.04.78

Настоящий руководящий технический материал (РТМ) распространяется на газовые турбины и компрессоры газотурбинных установок (ГТУ), газодувки к компрессоры вспомогательного оборудования атомных электростанций (АЭС) с газоохлаждаемыми реакторами, а также на газовые турбины и компрессоры ГТУ, нагнетатели и компрессоры различного назначения.

РТМ устанавливает метод расчета статических характеристик радиальных газостатических подшипников (ГСП) с гладкой рабочей поверхностью и принудительной подачей газа в смазочный слой через два ряда питателей типа «кольцевая диафрагма».

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

L—длина подшипника, м;

D—диаметр подшипника, м; г— радиус шипа вала, м;

I — длина торцевого участка, м; d—диаметр питателя, м; п— число питателей в ряду; с—средний радиальный зазор подшипника, м; е—эксцентриситет, м;

Издание официальное

Стр. 2 РТМ 108.129.101—76

в

е = —— относительный эксцентриситет;

И— толщина смазочного слоя, м;

Л=—— безразмерная толщина смазочного слоя;

1 ^L

к = -jj— удлинение подшипника;

X_x=-L.— удлинение торцевой части подшипника;

p_s—абсолютное давление питания, кгс/см² (Н/м²); р_г— абсолютное противодавление, кгс/см² (Н/м²);

р_х = ~— безразмерное торцевое давление;

Р—р²— функция давления;

P_d— квадрат давления на выходе из питателя; р—коэффициент динамической вязкости газа,

КГС'С /Н-с \ м- V м- / *

T_s—абсолютная температура питающего газа. К; а— показатель политропы газа;

п    ^4,2    .

Н— газовая постоянная,    ;

а₅— скорость звука в газе, подаваемом на смазку, м/с;

Q— массовый расход газа, кг/с;

Q—безразмерный расход газа; q (х)—функция истечения;

Ръ —характерное давление, кгс/см² (Н/м²); а— коэффициент расхода питателя;

(о— частота вращения вала, рад/с; т— масса вала, кг; g—ускорение земного тяготения, м/с²;

Q'— частота колебаний вала в подшипнике, рад/с; 2—частота прецессии вала, рад/с;

W—несущая способность подшипника, кгс (Н);

W_s—статическая несущая способность, кгс (Н);

W_d—динамическая несущая способность, кгс (Н); О—угол нагрузки, рад;

c_w — (^    —коэффициент несущей способности;

К— радиальная статическая жесткость, кгс/м (Н/м);

Мо,ь— момент сил трения, кгс • м (Н • м);

^V_K—мощность компрессора, Вт; г' — декартовы координаты; ср— угловая координата.

Безразмерные комплексы

Д_п = In параметр дискретности питателей;

PTM 108.129.101—76 Стр. 3

24 чапЛ V'rJlTg

Т =*-jt?--конструктивный параметр подшипника с пита

телями типа «кольцевая диафрагма»;

.    6    а<ог2

А =-^-^--число сжимаемости;

12;

³ = —г-77--число сдавливания.

Ра^с~

1.2.    Подшипник скольжения, в котором ю качестве смазочного вещества используется газ, называется подшипником скольжения с газовой смазкой или газовой опорой.

1.3.    По принципу образования несущей способности различают два типа подшипников скольжения с газовой смазкой — газодинамические^ газостатические.

1.4.    Подшипник скольжения с газовой смазкой, основная часть несущей способности которого создается за счет относительного движения поверхностей трения, называется газодинамическим подшипником (ГДП).

ГДП относятся к разряду легконагруженных и высокоскоростных опор. Обычно их используют при удельных давлениях на подшипник не более 0,2 кгс/см².

1.5.    ГДП могут быть применены в газодувках и компрессорах вспомогательного оборудования АЭС мощностью не более 500 кВт.

1.6.    Подшипник скольжения с газовой смазкой, основная часть несущей способности которого создается наддувом в смазочный слой сжатого газа от внешнего источника, называется газостатическим подшипником (ГСП). ГСП используются при удельных давлениях на подшипник не более 4 кгс/см².

1.7.    У ГСП имеется ряд существенных преимуществ перед ГДП:

способность нести нагрузку при отсутствии вращения вала;

большая несущая способность;

возможность применения сравнительно больших зазоров (с/г = = 0,0005^-0,002);

большой срок службы, который определяется не механическим износом, а конструктивной прочностью пары трения;

интенсивное охлаждение подшипника за счет прокачки газа через рабочий зазор;

повышенная виброустойчивость;

меньшая чувствительность опоры к изменению рабочего зазора.

Недостаток ГСП — потребность во внешнем источнике сжатого газа.

1.8.    Среди многочисленных видов ГСП наиболее распространенным, технологически освоенным и экспериментально изученным является подшипник с принудительной подачей газа в смазочный слой через один или два ряда питателей типа «кольцевая диафрагма».

1.9.    Исходя из требования создания ГСП повышенной грузоподъемности, при разработке РТМ за основу была взята модель ГСП с двумя рядами кольцевых диафрагм, равномерно расположенных по окружности.

1*

Стр. 4 РТМ 108.129.101—76

1.10. Радиальный двухрядный ГСП с кольцевыми диафрагмами, показанный на черт. 1 настоящего РТМ, работает следующим образом: газ от внешнего источника поступает во внутреннюю полость подшипника под давлением р₉₉ проходит через два ряда питателей в зазор между цапфой вала и вкладышем и течет по направлению к торцам опоры, где он выходит в окружающую среду с давлением р_л. Газ, проходящий через каждый питатель, испытывает действие двух последовательно соединенных гидравлических сопротивлений— сопротивления самого питателя и участка в зазоре между валом и подшипником. Перемещение вала под действием приложенной нагрузки создает различные условия работы для каждого питателя. Неравенство сопротивлений течению газа в нагруженной и ненагруженной областях зазора подшипника при эксцентричном положении вала обусловливает различие расходов газа через питатели и потерь давления в них, а следовательно, различные давления газа на выходе из питателя и при входе в смазочную щель. Образующаяся разность давлений и вызывает появление «подъемной силы» или несущей способности ГСП.

2. РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ РАДИАЛЬНОГО ГАЗОСТАТИЧЕСКОГО

ПОДШИПНИКА

2.1.    Общие положения

2.1.1.    Основными характеристиками ГСП являются несущая способность, жесткость смазочного слоя и расход газа на смазку.

2.1.2.    Если распределение давлений в смазочном слое ГСП таково, что реакция газового слоя на шип может уравновешивать некоторую нагрузку, приложенную к цапфе вала, не допуская при этом контакта шипа и подшипника, то говорят, что подшипник обладает несущей способностью.

Несущую способность ГСП определяют по формуле

\V = c_wLD (p_s -г- p_a)_t    (1)

где c_w—коэффициент несущей способности, являющийся ограниченной функцией геометрических и конструктивных параметров подшипника

^CW^^CWm*x ^

Газостатические подшипники обладают ограниченной несущей способностью:

< СО.

2.1.3.    Производная несущей способности ГСП по эксцентриситету называется радиальной жесткостью ГСП и определяется по формуле

^ _ dW _ LD (Ps - Рш) ^dcw    _(t>x

К— de ~~ с    dt    '    W

ti с «,

где --коэффициент радиальной жесткости смазочного слоя.

PTM 108.129.101—76 Стр. 5

Радиальная жесткость ГСП является одним из элементов так называемой матрицы жесткости ГСП — характеристики динамических свойств смазочного слоя.

rff уг*

2.1.4. Коэффициенты c_w и определенные при невращаю-

щемся вале и при воздействии постоянной нагрузки W, называются статическими коэффициентами несущей способности и жесткости смазочного слоя.

........1^

_Р„ ^У/М\ /Z//W//

2.i.5. Масса газа, протекающая в единицу времени через подшипник, называется массовым расходом газа и определяется по формуле

(3)

где Q — безразмерный расход газа.

2.1.6. Расчет основных статических характеристик ГСП производится при следующих допущениях и ограничениях (черт. 1):

удлинение подшипника не меньше единицы

подшипник имеет два симметрично расположенных ряда одинаковых круглых питателей, отстоящих от торцов на расстояниях /> 0,25Z>;

дросселирование газа происходит в кольцевых диафрагмах, т. е. выполняется условие 4Hj<d (см. приложение 1, п. 3.3);

питатели в каждом ряду наддува распределены равномерно; число питателей в каждом ряду наддува должно быть не меньше шести;

Стр. 6 РТМ 108.129.101—76

оси шипа 1 (см. черт. I) и подшипника 2 параллельны; минимальный зазор c_mJn приходится на перемычку между двумя соседними питателями 3\

газ подается в питатели под постоянным давлением; коэффициенты расхода кольцевых диафрагм (а) не зависят от смещений шипа и одинаковы для всех питателей;

течение газа в питателях близко к одномерному изэнтропиче-скому процессу и подчиняется законам газовой динамики.

Установившееся ламинарное и изотермическое течение газа в смазочном слое ГСП описывается уравнением Рейнольдса [1]

2.1.7.    Для расчета статических характеристик ГСП используется модель осевого течения газа в зазоре ¹, учитывающая дискретность распределения питателей и их размеры.

2.1.8.    Влияние окружных перетечек на несущую способность смазочного слоя ГСП учитывается с помощью поправочных коэффициентов (см. п. 2.3), определяемых теоретическим путем.

2.1.9.    Для расчета ГСП в соответствии с осевой моделью течения используется следующая схема:

смазочный слой разбивается осевыми линиями на п равных секторов, симметричных относительно питателей

Ь--7Г<? <?;+£• J ~ 1> 2,.... я;

зазор на участке /-го сектора принимается постоянной толщины, равной толщине слоя в зоне соответствующего питателя

И_} — с (1 — s cos = chj;    (5)

распределение давлений на каждом секторе определяется по методу точечных источников согласно гидродинамической аналогии Котл яра ЯМ. [2];

давления на выходе из питателей определяются по уравнениям баланса расходов через сектор и соответствующие питатели;

принимается, что осредненное по ширине сектора значение давления равно корню квадратному из осредненного квадрата давлений, как и в большинстве инженерных методик расчета ГСП;

несущая способность подшипника вычисляется по формуле

W = 2k_] \V_X -Г k₂W₂,    (6)

где W_x и W₂— соответственно величины несущих способностей торцевых и средней частей подшипника, вычисленные в рамках модели осевого течения газа в ГСП, k_x и k₂— коэффициенты окружных перетечек.

2.2.4. Формула (8) достаточно точно определяет распределение давлений на секторе в случае соосности шина и подшипника. При этом линии равного давления р=р_а отклоняются от торцевых линий z'=0 nz'=L на величину не более чем

2 nL ~D~

делах точности обработки торцевых поверхностей.

2.2.5. Квадрат среднего давления на выходе из питателя определяется по формуле

(9)

Г

где Г — контур питателя.

При вычислении интеграла (9) с точностью до величин выс-

мi ,, .

шего порядка малости при условии, что    1»    получаем

_L 2л/ _unL _и n(L-l) sh—-sh—-sh---

|n-—------\-    p².

kH* ¹¹ 111 nd n(L — 21) . n (L + /) ⁿ —— sh---sh---

.    _/l/44    2/i/____ /I (Z.—2/)___{_}

Формулу (10) для случая -^^3 и —~> 3 можно упростить и записать в следующем приближенном виде:

2.2.6. Течение газа в питателе рассчитывают как одномерное течение в конфузоре с минимальным сечением A=ndH. Расход газа через питатель

M=*M*q(x)_%    (12)

где х—^-;

P_s

М* =    —

функция истечения

Я(х) =

показатель политропы газа.

1

Здесь и далее зазором называем смазочный слой в подшипнике.