Личен сайт - Безмаслен турборазширител с венчелистни газодинамични лагери
Захарова Н.Е., Зотов Н.И., Леонов В.П., Сигачев С.И., Шадрина В.Ю., Щедухин С.И.
Бюлетин на MSTU. сер. Инженеринг - 2000. Специален бр. -СЪС. 72-77.
В лабораторията на катедра "Криогенна и хладилна техника, климатизация и поддържане на живота" MSTU. Н.Е. Бауман, от много години работи стенд за тестване на експериментални турборазширители при различни температурни условия, както и за провеждане на студентска изследователска работа (KNIRS). Устройството на стенда позволява тестване на нискодебитни (до 0,15 kg/s) турборазширители с газово смазани лагери във въздуха. Налягането на входа на машината е до 0,6 MPa, а температурата на входа поради регенеративния топлообменник може да варира от 320 до 100 К. Наличието на ниска температура на входа на турборазширителя ще позволи при определени режими да се получи процесът на втечняване на въздуха на изхода от пътя на потока. При определяне на ефективността на турборазширител в двуфазни режими в изходящата тръба се монтира електрически нагревател с регулируема и измерена мощност. При двуфазни режими с изключен нагревател течната фаза се отделя в колектора за течност. Въздухът се подава към турборазширителя сух и без въглероден диоксид, за да се предотврати тяхното замръзване и утаяване в топлообменника и в пътя на потока на турборазширителя. Такова почистване не е предвидено в стойката, така че въздухът след компресора за високо налягане преминава през блока за сушене и почистване.
Стендът е снабден със затворен спирачен пръстен с воден охладител, който ви позволява да измервате характеристиките на нагнетателя, използван като спирачно устройство, както и да променяте характеристиките на етапа на турбината в много широк диапазон.
Въздушен поток през разширителя и производителностцентробежен вентилатор се измерват със стандартни диафрагми. Скоростта на въртене на ротора на турборазширителя се измерва с помощта на индуктивен сензор. Налягането в стенда се измерва с помощта на измервателен комплекс тип IKD27Df. Температурите се измерват с термодвойки. Системата за събиране и обработка на данни е базирана на CAMAC интерфейс и компютър. Системата работи в реално време. Времето на един цикъл на запитване на системата се определя от скоростта на използваните измервателни уреди и е около 10 секунди.
В момента на щанда е монтиран турборазширител, произведен от Turbocom M LLC с газодинамични лагери с венчелистчета и скорост на ротора 100 ... 150 хиляди об / мин. Този турборазширител служи като източник на студ в агрегати за разделяне на въздух със средно налягане (ASU), които преди това са използвали машини с маслени плъзгащи лагери.
Замяната на маслените плъзгащи лагери с газодинамични лагери с венчелистчета осигури следните предимства на турборазширителя:
- няма система за маслено смазване на опори и маслена спирачна система, която изключва навлизането на масло в работния въздух и елиминира замърсяването с масло на работните пътища на инсталацията;
- повишена пожарна и експлозивна безопасност на работата на ASU при получаване на кислород;
- увеличен капацитет на охлаждане чрез намаляване на изтичането на работен въздух;
- спестява се електроенергия, изразходвана за задвижването на маслената помпа;
- елиминиран рискът от повреда на опорите в случай на внезапно прекъсване на захранването;
- опростена поддръжка на ASU.
Устройството на турборазширител с венчелистни газодинамични лагери е показано на фиг.1.
Фиг. 1. Турборазширител с венчелистни газодинамични лагери. 1 - тяло, 2- ротор, 3 - радиални лагери на венчелистчетата, 4 - аксиални лагери на венчелистчетата, 5 - вал, 6 - пета, 7 - работно колело на турбината, 8 - спирачно колело, 9 - водеща лопатка.
В тялото на турборазширителя - 1 има шаси, включващо ротор - 2, базиран на венчелистче радиални - 3 и аксиални - 4 опори. Роторът се състои от вал - 5 с пета - 6, на конзолите на вала има турбинно колело - 7 и спирачно колело - 8.
Компресираният в компресора въздух навлиза в дюзите на направляващите лопатки - 9, разширява се, увеличава скоростта и навлиза в лопатките на работното колело. Придвижвайки се до центъра на работното колело и продължавайки да се разширява, въздухът върти ротора, докато извършва работа поради вътрешната си енергия, което води до неговото охлаждане. Мощността, развита от ротора, се използва за компресиране на въздух от спирачното колело в затворена въздушна верига, включително топлообменник въздух-вода. Тази въздушна верига замества маслената спирачна верига на стандартния турборазширител, която от своя страна се състои от маслена помпа, маслен резервоар, маслен филтър и топлообменник масло/вода. По този начин предложеният турборазширител направи възможно пълното премахване на системата за смазване с масло ASP.
Както бе споменато по-горе, характеристика на предложения турборазширител е използването на газодинамични лагери с венчелистчета. Лагерите с газови клапи имат значителни предимства пред маслените плъзгащи лагери. Газодинамичните лагери с венчелистчета осигуряват стабилна работа на ротора при високи скорости на въртене, работният температурен диапазон на тези лагери е +250 ... -180 ° C, екологичен. В случай на внезапно прекъсване на захранването, роторът спира плавно, без да изпитва "маслен глад", както в случая сизползване на смазани с масло плъзгащи лагери.
Фигура 2 показва радиален лобов лагер.
Фиг.2. Радиален венчелист лагер. 1 - корпус на лагера, 2 - надлъжен жлеб, 3 - лоб, 4 - вал.
В корпуса на лагера - 1 са направени надлъжни канали -2, в които са монтирани венчелистчета - 3, изработени от пружинна стомана. На повърхността на всяко венчелистче, обърнато към ствола, е нанесено антифрикционно покритие - 4. Венчелистчетата, частично припокриващи се, образуват непрекъснат ред от клиновидни повърхности. Когато валът е неподвижен, венчелистчетата докосват вала и се стремят да го задържат в центъра на лагера. Въртящият се вал вкарва въздух в зоните на конфузора между вала и венчелистчетата, с увеличаване на скоростта на въртене на вала, налягането на въздуха в зоните на конфузора се увеличава и накрая става достатъчно, за да отдели венчелистчетата от вала. Между стеблото и венчелистчетата се появява слой газ-носител. Когато валът вибрира, венчелистчетата „проследяват“ тези вибрации, т.е. валът, заедно със слоя газ-носител, прецесира в еластичен пакет от венчелистчета. Многобройни зони на сухо триене, образувани по време на относителното изместване на венчелистчетата в процеса на тяхната деформация, разсейват осцилаторната енергия на вала, осигурявайки стабилното му въртене. Отсъствието на механични контакти между вала и венчелистчетата след образуването на разделителен газов слой позволява реализирането на много високи относителни скорости в работните режими при осигуряване на дълъг експлоатационен живот. Износването на антифрикционното покритие на лагерите става само в моментите на изкачване и спиране на ротора. Проведохме ускорени тестове за живот на турборазширителя в размер на 10 000 старт-стоп цикъла. Анализът на състоянието на опорите, извършен след приключване на тестовете, потвърди тяхната работа. Износването на покритието е 30%дебелината на слоя, а износването на 20% от покритието се дължи на разработването през първите 50 цикъла.
Трябва да се отбележи, че носещата способност на лагерите с венчелистчета е по-малка от носещата способност на маслените лагери. И ако радиалните опори трябва да носят малко натоварване - 3 ... 5 N, с което опорите на венчелистчетата могат лесно да се справят, тогава аксиалните сили, действащи върху ротора на турборазширителя (100 ... 200 N), са значителни и задачата за увеличаване на носещата способност на аксиалната опора (аксиален лагер) става актуална.
LLC "Turbocom M" създаде петлен газодинамичен аксиален лагер с външен диаметър на опорната повърхност 44 mm, способен да развие носеща способност, достатъчна за балансиране на аксиалните сили, действащи върху ротора на ASU турборазширител със средно налягане.
Конструкцията на този петлен газодинамичен опорен лагер е показана на фиг.3. Фиг. 3a показва изглед отгоре на аксиалния лагер, Фиг. 3b показва плочата без носещи уши в изглед отгоре, Фиг. 3c показва подложния пружинен елемент, Фиг. 3d - фрагмент от профила на опорния лагер.
Фиг.3. Аксиален лагер с венчелистче: a - изглед на лагера в план, b - дъска без носещи венчелистчета, c - опорен пружинен елемент, d - фрагмент от профила на аксиалния лагер. 1 - профилно венчелистче, 2 - конзолна секция, 3 - опорен сегмент, 4 - пръстен, 5 - опорна пружина.
Носещата повърхност на опорния лагер е оформена от множество профилирани венчелистчета. -1 . Всеки лоб има конзолна секция - 2 и е прикрепен към борда на пръстена - 4 с помощта на точкова заварка заедно с опорния сегмент - 3. На повърхността на всеки лоб, обърната към петата, е нанесено антифрикционно покритие. Работните участъци на венчелистчетата частично се припокриват, образувайки непрекъснат ред от клиновидни повърхности, поради което се появяват зони по време на въртене на петата.високо налягане, осигуряващо слой носещ газ. Когато роторът е натоварен с аксиална сила, петата през слоя газ-носител действа върху аксиалния лагер, еластичните венчелистчета се деформират и опират със задната си страна върху пружините на подложката - 5. Всяка пружина е направена под формата на сектор с дъгови прорези, необходими за намаляване на твърдостта на пружината в посока към центъра на аксиалния лагер. Пружината е профилирана по радиуса в напречна посока, както е показано на фиг. 3d. При по-нататъшно натоварване на упорния лагер опорните пружини се деформират заедно с венчелистчетата, твърдостта на упорния лагер се увеличава и опорната повърхност не се дегенерира в равнина, а продължава да поддържа оптимална клиновидна форма, способна да развие голяма носеща способност. Аксиалните лагери се монтират лесно в турборазширителя.
Успешната работа на турборазширители с опори за венчелистчета в редица ASU със средно налягане в продължение на 4 години потвърди тяхната екологичност, надеждност и удължен експлоатационен живот.
Захарова Н.Е. и др. Газодинамичен лагер. А.с.637563 (СССР), кл. F 16s 17/08. Бик. фиг. № 46, 1978.
Захарова Н.Е. и др. Газодинамичен опорен лагер. Като. 846835 (СССР), кл. F 16c 17/04. Бик. фиг. № 26, 1981.