Оценка эффективности применения гибридного газового подшипника в высокооборотных турбомашинах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Булат Михаил Павлович

• Булат Михаил Павлович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Булат Михаил Павлович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Аналитический обзор современной научно-технической литературы по проблеме разработки и применения oil free-трансмиссии с саморегулируемыми ГСДП

1.1 Анализ конструкций турбодетандерных агрегатов и история развития

1.2 Основные понятия и термины предметной области

1.3 Обзор применений подшипников на газовой смазке на современном этапе

1.4 Классические работы в области газовой смазки

1.5 Эволюции конструктивных схем газовых подшипников и методов решения проблем, возникающих при их проектировании и эксплуатации

2 Математическая модель и теоретические исследования гибридного газового подшипника

2.1 Постановка задачи исследования гибридного газового подшипника

2.2 Математическая модель смазочного слоя

2.3 Асимптотические приближения

2.4 Асимптотический анализ предельной несущей способности

2.5 Асимптотический анализ частоты вращения, при которой подшипник начинает работать в бесконтактном режиме

3 Численный эксперимент

3.1 Постановка задачи численного эксперимента

3.2 Методика расчета течения в смазочном слое сегмента 49 3.3. Методика расчета равновесного положения сегмента

3.4 Методика построения серповидной канавки сегмента

3.5 Методика проектирования и пример расчета подшипника

3.6 Разработка системы демпфирования колебаний вала

4 Экспериментальные исследования гибридного газового подшипника

4.1 Экспериментальные стенды, используемые в испытаниях

4.2 Методика проведения экспериментальных исследований радиальных газовых подшипников

4.3 Результаты и анализ экспериментальных исследований

5 Технико-экономический анализ

5.1 Границы эффективного применения ГСДП и технико-экономический анализ

5.2 Анализ стоимости жизненного цикла подшипников различных типов

Заключение

Список использованных источников

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АЭМП - активный электромагнитный подшипник;

ВСУ - вспомогательная силовая установка;

ГДП - газодинамический подшипник;

ГСДП - газостатодинамический подшипник;

ГСП - газостатический подшипник;

ГТУ - газотурбинная установка;

ГТЭУ - газотурбинная энергетическая установка;

ДТРД - двухконтурный турбореактивный двигатель;

ТДА - турбодетандерный агрегат;

ТНА - турбонасосный агрегат;

ТХА - турбохолодильный агрегат;

УТДУ - утилизационная турбодетандерная установка;

ЭМП - электромагнитный подшипник.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка эффективности применения гибридного газового подшипника в высокооборотных турбомашинах»

Актуальность работы

В современной детандерах, газовых турбинах, компрессорах и другой роторной технике используются все более высокие частоты вращения ротора, достигающие сегодня 150 тыс. об/мин и более. Это позволяет повысить производительность агрегата без существенного увеличения его габаритов и стоимости. Ключевой проблемой при таких высоких частотах вращения становится работа его подшипников, их надежность, ресурс, связанные с ними эксплуатационные расходы, а также потери на трение. В ряде агрегатов, например, в воздухоразделительных установках и установках для получения особо чистых газов, применение подшипников на масляной смазке приводит к загрязнению продуктов.

Получили распространение подшипники на газовой смазке, использующие для поддержания быстро вращающегося ротора аэродинамический эффект Бернулли. Это, так называемые, газодинамические подшипники. К недостаткам таких подшипников относят сравнительно низкую грузоподъемность и быстрый износ при частых стартах и торможениях ротора, когда подшипник работает в режиме сухого трения. Существуют газостатические подшипники, использующие внешнюю подачу газа под избыточным давлением в смазочный зазор, что позволяет устранить ограничение грузоподъемности. Им свойственны собственные недостатки: постоянный расхода газа, избыточная жесткость, склонность к возникновению сильных колебаний, плохую работу с небольшими диаметрами вала.

Таким образом, актуальной проблемой является разработка принципиальной схемы газового подшипника, сочетающего в приложении к детандерной технике лучших качеств газодинамических и газостатических подшипников, а также компенсирующих их недостатки. В настоящее время рабочие методики проектирования, проверочного расчета и экспериментальной отработки подобных подшипников отсутствуют, поэтому их создание также является актуальным.

Цели и задачи работы

Целью работы является создание методологических основ проектирования и производства гибридных газовых подшипников для применения в турбодетандерах, а также обоснование экономической эффективности их применения. Для этого в работе решаются несколько задач, связанных с разработкой методик анализа, проектирования, расчета, экспериментальных исследований гибридных подшипников, в том числе:

— Разработка концептуальной методики проектирования гибридных подшипников с

поворачивающимися и самоустанавливающимися на заданный угол сегментам, методики

их структурного анализа и производства;

— Разработка приближенной математической модели смазочного слоя для предварительной оценки параметров подшипника в рамках асимптотических приближений теории газовой смазки;

— Разработка методики расчета на заданную несущую способность гибридного газового подшипника с оптимальной формой распределяющих отверстий и сопел, обеспечивающих автоматическую установку поворачивающегося сегмента на заданный угол.

— Разработка методики экспериментальных исследований и исследовательских испытаний гибридных подшипников.

— При помощи разработанных в рамках работы методик решаются следующие задачи:

— Оценка эффективности применения гибридного газового подшипника в высокооборотных турбодетандерах и других турбомашинах, в том числе определение границы применимости гибридных подшипников и стоимости жизненного цикла подшипников различных типов;

— Анализ потерь на трение в подшипниках различных типов в сравнении с гибридными газовыми подшипниками;

— Анализ конструктивных схем газовых подшипников и методов решения проблем, возникающих при их проектировании и эксплуатации;

— Анализ влияния типа рабочего тела на грузоподъемность гибридного газового подшипника;

— Сравнение результатов аналитических и численных расчетов, экспериментов с данными литературы с целью параметрического анализа подшипников, выявления областей оптимальности по отдельным параметрам, накопления базы данных для подшипников наиболее распространенной размерности, а также верификации методик расчета. Научная новизна работы

Разработаны научные основы создания гибридного газового подшипника с поворачивающимися сегментами для турбодетандеров и другой роторной техники с новыми потребительскими качествами. Получены результаты, являющиеся новыми и существенно дополняющие теорию и практику проектирования газовых подшипников, в том числе:

— Разработана методика расчета характеристик гибридных газовых подшипников для высокооборотных холодильных турбомашин. Разработанная методика, в отличие от существующих, позволяет оптимизировать форму каналов для распределения рабочего тела и оценивать устойчивость сегмента подшипника по углу поворота. Используемая в методике математическая модель, основанная на уравнениях Навье-Стокса, позволяет учитывать при расчетах силы инерции, вязкие напряжения, массовые силы и разность температур, что важно при оценке характеристик подшипников в случае применения различных рабочих тел.

— Полученные в ходе технико-экономического анализа результаты расчета потерь на трение газовых и масляных подшипников позволили получить числовые данные, определяющие границы эффективного применения подшипников данного типа.

— Выполнены систематические расчеты и экспериментальные исследования, выявившие важный факт - в практически важном диапазоне нагрузок величина среднего зазора линейно зависит от нагрузки, что существенно упрощает проектирование.

— Выявлен диапазон экстремально малых средних зазоров, при которых подшипник разработанного типа начинает терять жесткость в результате запирания кромки сегмента с минимальным зазором и вытекания газа через три остальные стороны сегмента.

— Получены новые экспериментальные данные о работе гибридных газовых подшипников с различным числом сегментов.

— Разработана методика проектирования формы сопел сегментов подшипника, обеспечивающая их саморегулирование в широком диапазоне нагрузок и частот вращения. Личный вклад автора

Автором предложена методика расчета гибридных газовых подшипников для высокооборотных холодильных турбомашин, приведена соответствующая математическая модель. Автором выполнены расчетные исследования гибридных газовых подшипников. Автор участвовал в разработке экспериментальных стендов, методики экспериментальных исследованиях, а также во всех описанных в работе экспериментах. Практическая значимость

Разработанный новый класс гибридного газового подшипника, применение которого в высокооборотных холодильных машинах, согласно выполненной оценке, может снизить потери мощности, а также значительно упростить конструкцию за счет отказа от масляной системы, а также разработанные методики его проектирования, расчета и испытаний найдут непосредственное практическое применение у разработчиков и производителей детандерной, компрессорной и иной высокооборотной техники и турбомашин.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на IV Всероссийском конгрессе молодых ученых (г.Санкт-Петербург, 2015), XLIV научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО (г.Санкт-Петербург, 2015), XLШ научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (г.Санкт-Петербург, 2014), XLV научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО (г.Санкт-Петербург, 2016), VII Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (г.Санкт-Петербург, 2015). По результатам расчетных исследований были разработаны и изготовлены экспериментальные стенды для исследования радиальных гибридных

подшипников на газовой смазке с различным числом сегментов, которые были представлены на выставке Startup Village (Сколково, г.Москва, 2015).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в список, рекомендованных ВАК, а также в международную базу Scopus - 7.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 107 страницах и содержит 72 рисунка и 12 таблиц. Список использованных литературных источников составляет 105 наименований работ отечественных и иностранных авторов.

1 Аналитический обзор современной научно-технической литературы по проблеме разработки и применения oil free-трансмиссии с саморегулируемыми

ГСДП

1.1 Анализ конструкций турбодетандерных агрегатов и история развития

Наиболее активное применение турбодетандеры находят в газоперерабатывающей отрасли, нефтехимии и энергетике. С помощью холодильных установок на их основе можно эффективно проводить низкотемпературную обработку газа с целью осушки, сепарации и сжижения.

Турбодетандер позволяет получить максимальное количество холода и механической работы с низкой металлоемкостью конструкции, позволяя, тем самым, эффективно решить проблему подготовки газа. Это происходит за счет того, что процессы расширения газа в нем протекают с относительно небольшими энергетическими потерями. Вырабатываемая мощность при этом обычно передается осевому или центробежному компрессору, или электрическому генератору. Такая установка называется турбодетандерным агрегатом (ТДА).

Турбохолодильные установки на основе ТДА отличаются надежностью и простотой конструкции, требуют минимальное количество обслуживающего персонала, обладают высокой автономностью и большим диапазоном регулирования. Сочетание этих качеств с высокой эффективностью определило широкое распространение турбодетандеров в газоперерабатывающей отрасли. Так турбодетандерные агрегаты часто являются основными источниками холода на газоперерабатывающих заводах помимо их использования в технологических схемах переработки газа.

Успешное применение ТДА находят также и в сфере энергосберегающих технологий, где турбодетандер срабатывает избыточное давление газа в дроссельных системах газораспределительных станций, а механическую энергию, вырабатываемую в процессе, передает электрогенератору.

В наиболее полном виде конструкция и принцип действия ТДА описаны в монографиях В.И.Епифанова [1, 2]. Идею использования турбодетандеров впервые рассмотрел в своих работах академик П.Л.Капица [3]. Впоследствии эти идеи были реализованы в технологии получения жидкого воздуха. В 1947 г. применение турбодетандеров для срабатывания избыточного давления в газопроводах было предложено Рябининым Г.М., Дегтяревым А.А. и Строной П.А. под руководством профессора М.Д.Миллионщикова.

К 1948 г. была создана первая опытная турбодетандерная установка на газораспределительной подстанции Дашевского сажевого завода, вырабатывающая 50 кВт электрической мощности [4].

В 1961 г. на киевской газораспределительной станции была испытана опытная турбодетандерная установка, разработанная для производства электроэнергии и холода [5] А.В. Александровым, однако после проведения исследований установка была демонтирована из-за недостижения требуемых параметров. Впоследствии к разработкам систем использования перепадов давления природного газа вернулись уже в 80-х годах. Так, в составе объединения «Союзтурбогаз» были проведены оценки потенциально доступной энергии газа и разработаны технологические схемы утилизационных турбодетандерных установок (УТДУ) [6,7]. По результатам этой работы были выпущены первые промышленные установки такого типа УТДУ-2500 и УКС2-300 [8].

Утилизационные установки имеют достаточно простую конструкцию. В их состав входит турбодетандер, расширяющий транспортируемый газ, устройство для снятия мощности турбодетандера, система смазки подшипников и система автоматического управления. Поскольку в данной установке газ не сжигается, в отличие от газотурбинных силовых установок, обеспечивается экологическая чистота процесса.

Другой важной особенностью турбодетандерных утилизационных установок является высокий показатель термо- и газодинамического совершенства входящих в их состав турбодетандеров. Эффективный к.п.д. таких установок составляет 0,75^0,8, тогда как современные газотурбинные энергетические установки (ГТУ) имеют аналогичный показатель на уровне 0,30^0,35. Кроме того, разница в капитальных затратах на единицу мощности между утилизационными турбодетандерными и газотурбинными установками также составляет 2,0^2,5 раза согласно данным современных исследований. Совокупность этих преимуществ делает турбодетандерные установки привлекательными на рынке энергосберегающих технологий, что объясняет рост патентной активности в последние десятилетия.

Например, разработана установка, в которой турбодетандер вращает электрогенератор, а затем - компрессор холодильной установки, соединенный через мультипликатор [9], в установке используется хладагент R-134a. В патенте [10] описана конструкция энергоутилизационного комплекса, вырабатывающего электроэнергию с использованием компоновки УТДУ и ГТУ. Ступенчатое использование нескольких турбодетандеров, соединенных последовательно, предложено в патентах [11,12] для выработки электроэнергии и холода. Описанная в [13] схема включает в себя турбодетандер, соединенный с генератором и компрессором. Газ после турбодетандера попадает в сепаратор, от которого жидкая фаза отводится в подогреватель, а газ идет дальше в компрессор. Оригинальный способ получения холода с последующим сжижением газа в диффузоре сверхзвукового сопла предложен в [14].

Схема применения УТДУ на теплоэлектростанциях, включающая в себя регулятор переключения турбодетандера на газопровод, приведена в [ 15 ]. Патент [ 16 ] описывает

установленный в контуре циркуляции газа в газораспределительной сети теплообменник, подогревающий газ перед входом в турбодетандер за счет сжигания топлива. В [17] энергия отводится в специальном тормозном контуре, содержащем компрессор, который подает теплый газ в специальный теплообменник.

В настоящий момент в России и за рубежом выпускаются турбодетандерные установки для различных применений. Все они основаны на схеме, разработанной в 1939 году П.Л.Капицей [18,19]. Для выработки электроэнергии такие установки производят АО «Турбогаз» и АО «Мотор Сич» (Украина), АО «Криокор», АО «ТурбоДЭН», АК «Турбогаз» (Россия). Продукция этих предприятий охватывает диапазон мощностей от 1 до 7 МВт.

Среди зарубежных производителей можно выделить мировых лидеров в этой области: Atlas Copco (США), Stewart and Stevenson (США) и Linde Aktiengesselschaft (Германия). Характерный диапазон мощностей остается таким же, что и у отечественных производителей.

Разработкой и производством непосредственно низкотемпературных турбодетандеров в России занимаются две основные фирмы: НПО «Криогенмаш» и НПО «Гелиймаш». Производимые НПО «Криогенмаш» агрегаты используются в ожижителях газов и крупных воздухоразделительных установках низкого давления. Предприятием также разработан типоразмерный ряд воздушных турбодетандеров низкого давления для передачи мощности на электрический генератор через редуктор. Ряд охватывает широкий диапазон расхода от 8 до 110 тыс. кг/ч и обладает высоким изоэнтропийным КПД на уровне 86-88%.

НПО «Гелиймаш» производит относительно небольшие турбодетандеры производительностью от 300 до 10000 кг/ч, которые используются в воздухоразделительных установках среднего и высокого давлений, а также установках ожижения гелия. Разрабатываемые НПО «Гелиймаш» гелиевые турбодетандеры применяются для ожижения гелия в установках производительностью от 40 до 800 л/ч и имеют частоту вращения от 100 до 450 тыс. об/мин. Турбодетандеры воздухоразделительных установок имеют частоту вращения от 120 до 150 тыс. об/мин и производительности от 320 до 1500 м /ч. Такие скорости вращения и относительно меньшие габариты определяют более низкий по сравнению с агрегатами НПО «Криогенмаш» изоэнтропийный КПД - 68-75%.

Высокие скорости вращения ротора ставят вопрос о создании надежных и высокоресурсных опор. Одним из решений могут стать "сухие" безмасляные трансмиссии, основанные на применении газовых подшипников [ 20 ]. Такие подшипники позволяют увеличить частоту вращения вала, что уменьшает массу и габариты ГТУ [21]. Снижается трение в трансмиссии до минимального уровня, что ведет к заметному увеличению КПД всего агрегата. Отказ от масла существенно упрощает конструкцию ГТУ за счет отказа от масляной системы и ряда сопутствующих систем [ 22 ], снижаются эксплуатационные расходы, нет расхода масла и

сопутствующих расходных материалов. Отказ от масла важен и в других отраслях техники, например, в криогенных машинах и газоразделительных установках [ 23 , 24 ], где отсутствие загрязнения хладагентов и чистых газов масляными продуктами - один из самых важных факторов. Стоит также отметить, что при высокой частоте вращения потери на трение в масляных опорах возрастают настолько, что это делает их использование невозможным.

На современном этапе стоит задача создания бесконтактных газовых подшипников для быстроходных тяжелых роторов турбомашин, работающих в условиях вибраций и перегрузок. На этом пути имеется ряд сложностей принципиального характера, непреодолимых в случае применения газодинамических подшипников (ГДП) любых типов. Рекордная грузоподъемность фольговых подшипников (фирма MITI, США), составляющая около 4000 Н при диаметре вала 100 мм и длине подшипника 75 мм, достигнута при величине зазора всего 2 мкм [25 ], что явно исключает нормальную эксплуатацию таких устройств в сложных условиях. Более того, подшипник требует подогрева воздуха при первом запуске.

На газостатических подшипниках (ГСП) с небольшим диаметром вала (10-20 мм), применяемых в шлифовальных головках, достигнуты скорости вращения 250.000 об/мин. Ресурс практически не ограничен. С увеличением диаметра вала и нагрузки резко возрастает расход газа, что сказывается на экономичности.

Таким образом, существует настоятельная потребность в разработке гибридных газовых подшипников для тяжелых (вплоть до 3000 Н) роторов турбомашин, которые бы сочетали большую грузоподъемность и неограниченный ресурс работы ГСП с экономичностью работы на номинальных режимах работы, присущую ГДП.

1.2 Основные понятия и термины предметной области

1.2.1 Газовый подшипник скольжения и газовая смазка [26]

Газовая смазка - тонкий слой газа, разделяющий движущиеся друг относительно друга твердые поверхности, например, вращающуюся шейку вала (1 на рис.1.1) и неподвижную внешнюю муфту (2 на рис.1.1).

Рисунок 1.1 - Простейший газовый подшипник, состоящий из вращающегося вала 1 радиусом г и неподвижной муфты 2, центры которых расположены с эксцентриситетом е, а также слоя газовой смазки 3 переменного сечения, создающего подъемную силу Е, действующую на вал.

Газовый подшипник - устройство (узел), позволяющий обеспечивать бесконтактное перемещение поверхностей друг относительно друга с использованием газовой смазки. Простейшим подшипником является вращающийся цилиндрический вал внутри цилиндрической муфты. Пространство между муфтой и валом заполнено газом под атмосферным давлением. Действие сил тяжести смещает вал вниз. Вращение вала за счет действия сил трения увлекает газ в зазоре за собой, заставляя его двигаться по зазору переменного сечения в окружном направлении (рис.1.1). Это приводит к возникновению подъемной силы Е, которая уравновешивает силу тяжести при достижении некоторого эксцентриситета е, который для заданной скорости вращения является строго определенным.

Жёсткость подшипника эквивалентна понятию жёсткости пружины. В широком диапазоне уменьшение средней толщины газового слоя пропорционально нагрузке. Коэффициент пропорциональности называется жёсткостью газового слоя.

Существуют различные конструкции подшипников, рассмотренные далее, в которых используются различные методы создания подъемной силы [27].

Методы создания подъемной силы за счет газовой смазки:

• Использование эффекта Пуазейля.

• Использование эффекта клина.

• Принудительная подача газа под избыточным давлением.

• Использование эффекта колеблющейся стенки.

1.2.2 Газостатический подшипник [28]

Газостатический подшипник - устройство, в котором газ подается в смазочный слой через систему отверстий или сопел под избыточным давлением по отношению к давлению в окружающей среде (рис. 1.2).

ГСП способен работать в полностью бесконтактном режиме. При неподвижном вале подъемная сила создается за счет подачи газа под избыточным давлением. Варьируя давление и расход газовой смазки, можно регулировать жесткость и несущую способность ГСП в широких пределах.

Долгие годы основными недостатками ГСП считались слишком высокая жесткость смазочного слоя, а также возникновение нестационарных явлений типа "пневмомолоток", сопровождающихся сильными пульсациями давления в смазочном слое. В настоящее время эти проблемы смягчены за счет оптимизации опорной поверхности подшипника и геометрии дросселей системы подачи газа в смазочный зазор.

1.2.3 Газодинамический подшипник

Газодинамический подшипник (ГДП) - газовый подшипник, работающий при давлении газовой смазки, равном давлению в окружающей среде, подъемная сила в котором создается за счет эффектов Пуазейля и клина.

Эффект Пуазейля (рис.1.3) - возникновение подъемной силы F, действующей на вращающийся цилиндрический вал, обтекаемый потоком газа со скорость V.

Из схемы на рис.1.3 понятен механизм возникновения подъемной силы. За счет сил вязкого трения поверхность вала ускоряет струйки газа, которые обтекают верхнюю часть вала, и тормозят нижние. В соответствии с уравнением Бернулли, увеличение скорости струйки вызывает

Рисунок 1.2 - Газостатический радиальный подшипник.

уменьшение давления, и наоборот. Таким образом, на вращающийся вал, обтекаемый потоком газа, всегда действует подъемная сила.

Рисунок 1.3 - Эффект Пуазейля - возникновение подъемной силы Б, действующей на вращающийся вал, при обтекании его потоком газа со скоростью V.

Эффект клина - возникновение подъемной силы, образующейся при протекании газовой смазки через зазор, сечение которого уменьшается.

1.2.4 Гибридные подшипники с поворачивающимися сегментами

Гибридный газовый подшипник (рис.1.4) сочетает свойства газодинамического лепесткового подшипника и ГСП, т.е. является гибридным статодинамическим подшипником.

а) б)

Рисунок 1.4 - Гибридный газостатодинамический подшипник, совмещающий принципы действия

газодинамического подшипника за счет поворота сегментов и эффекта клина (а) с принципом газостатического подшипника за счет принудительной подачи газа под избыточным давлением в

смазочный слой (б).

Каждый сегмент подшипника может в определенных пределах поворачиваться вокруг своей оси (рис.1.4-а). За счет этого возникает эффект клина. Это позволяет организовать работу оптимальным образом. При старте и торможении подъемная сила полностью создается за счет подачи газа в смазочный зазор под избыточным давлением, т.е. подшипник работает как ГСП. По мере раскрутки вала из-за изменения распределения давления по поверхности сегмента сегмент начинает поворачиваться, что создает дополнительную подъемную силу. По мере увеличения частоты вращения подачу газа под давлением можно уменьшать вплоть до полного прекращения.

1.3 Обзор применений подшипников на газовой смазке на современном этапе

Перспективы развития газовых подшипников рассмотрены в работах Гаврилова (ЦИАМ) [29, 30], Леонова (МВТУ) [31], Равиковича (МАИ) и Бесчастных (Салют) [32].

1.3.1 Основные разработчики и производители

Capstone (http://www.capstoneturbine.com/) разрабатывает ГДП для новой установки мощностью 270 кВт. Это двухвальная ГТЭУ с параллельными некоаксиальными валами, фактически представляющая собой симбиоз С-200 и С-65, объединенных общей камерой сгорания и теплообменником. Использование столь неординарной компоновочной схемы указывает на наличие проблем с несущей способностью имеющихся ГДП.

NASA Glenn Research Center (http://www.nasa.gov/centers/glenn/about/fs14grc.html) разрабатывает ГДП для легких роторов ГТД авиационного назначения.

Mohawk Innovative Technology (http://miti.cc/) разрабатывает ГДП для легких роторов нагнетателей, компрессоров и газоразделительных установок.

R&D Dynamics Co (http://www.rddynamics.com/products/foil.html) разрабатывает фольговые ГДП, в том числе и сегментные, в основном, для промышленных турбокомпрессоров.

Williams. Разработка авиационного ДТРД FJX-2 с тягой 318 кг на газодинамических фольговых подшипниках (http://www.minijets.org/index.php?id=86). Работы в настоящее время прекращены.

НПО "Наука". Разработаны и выпускаются штучно лепестковые ГДП для турбо-холодильного аппарата системы кондиционирования самолетов Ту-204/214. Ученики Н.А. Брагина в ОАО «НПО «Наука», МАИ и ООО «Турбоком» штучно производят опытные лепестковые подшипники первого поколения для диаметров цапф от 11 до 70 мм. В 2012 - 2015 гг. они нашли применение в опытных турбомашинах ООО «Сименс-Рус» и прототипах генераторов транспортно-энергетического модуля (ВНИИЭМ). Достигнуты: наработка свыше 2000 часов и более 250 циклов «пуск-останов», предельная температура опор 350 °С.

ОАО "Климов". Велась разработка лепесткового радиального ГДП для наземного варианта двигателя ТВ3-117. Разработка закончилась неудачей - подшипники постоянно выходили из строя, хотя сама наземная ГТЭУ получилась удачной.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Булат Михаил Павлович, 2017 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Епифанова В.И. "Низкотемпературные радиальные турбодетандеры", М.: Машиностроение, 1974 г.

2 Епифанова В.И. "Компрессоры и расширительные турбомашины радиального типа", Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998 г.

3 Капица П.Л. "Турбодетандер для получения низких температур и его применение для ожижения воздуха". Техническая физика, 1939 г., т. 9.

4 Зарницкий Г.Э "Теоретические основы использования энергии давления газа", М.: Недра, 1968 г.

5 Клименко А.П. "Использование перепада давления природного газа", Труды Ин-та использования газа АН УССР, 1960 г., вып. 9.

6 Мальханов В.П., Браславский И.Д., Деревянченко Г.В. и др. "Исследование и выбор рациональных способов использования потенциальной энергии газа на ГРС", 1981 г. 95 с.

7 Мальханов В.П., Деревянченко Г.В., Победимский Е.Н. и др. "Исследование технологических схем и выбор оборудования", 1982г. УДК 622.691.4.054 1-1. № гос. регистрации 01825027803, 140 с.

8 В.И.Твердохлебов, В.П.Мальханов. "Утилизационные турбоустановки для ГРС и КС", "Газовая промышленность", №7, 1985 г., М.

9 Патент №174165, Б 25 В 30/02, Польша

10 Патент №2091592, Б 17 Б 1/04, Россия.

11 Патент №2096640, Б 17 Б 1/04, Россия.

12 Патент №2096640, Б 17 Б 1/04, Россия.

13 Патент №2156368, Б 02 С 1/00, Россия.

14 Патент №2137065, Б 25 I 1/00, Россия.

15 Патент №2161751, Б 17 Б 1/65, Россия.

16 Патент №55606858, Б 01 К 25/10, США.

17 Патент №5553458, F 25 В 1/00, США.

18

Капица, П.Л. Адиабатический метод ожижения гелия / П.Л. Капица - Успехи физических наук, т. 16, вып. 2, 1935.

19 Капица, П.Л. Детандерная установка для ожижения гелия / П.Л. Капица, И.Б. Данилов -М.: Ж.Т.Ф., т. 31, вып. 4, 1961.

20 Гаврилов В.В. «Проблемы и технология создания газовых подшипников для перспективных турбомашин безмасловых систем. Аналитический обзор № 415». ЦИАМ, Москва 2004 г.

21 Small Aircraft Propulsion: The Future Is Here. Glen Propulsion PROGRAM Opens the Door to a New Era in General Aviation. NASA Facts FS-2000-04-001-GRC.

22 Air Force Research Laboratory I AFRL. Compliant Foil Bearings for Advanced Oil Free Turbomashiner Sucessfully Tested

23 Булат П.В., Усков В. Н. Об исследовании колебательного движения газового подвеса ротора турбохолодильных и детандерных машин. Часть I. Постановка задачи. // Вестник международной академии холода. - 2012 - №3 - 3-7 С. http://vestnikmax.com/vestnikmax.ru/?q=ru/node/413

24 Булат П.В. Практика проектирования газовых подшипников для холодильных машин. Часть I. Обзор газовых подшипников. Холодильная техника. 2015. №8, с.2-6.

25 http://www.miti.cc/coatings.html.

26 Bulat P.V. The history of the gas bearings theory development. / P.V. Bulat, M.P. Bulat // World Applied Sciences Journal. - vol. 27, №7. - 2013.

27 Bulat M.P., Bulat P. V. Basic classification of the gas-lubricated bearing. // World Applied Sciences Journal. - 2013 - 28, 10 - 1444-48 С. http://www.idosi.org/wasj/wasj28(10)13/17.pdf. DOI: 10.5829/idosi.wasj.2013.28.10.13924.

28 Bulat M.P., Bulat P. V. Design of gas-static bearing - statement of problem. // World Applied Sciences Journal. - 2013 - 27, 7 - 888-92 С. http://www.idosi.org/wasj/wasj27(7)13/14.pdf. DOI: 10.5829/idosi.wasj.2013.27.07.13717

29 Гаврилов В.В. «Проблемы создания ВГТД с ротором на газовых подшипниках. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Авиационная иракетно-космическая техника. № 1, 2009, с. 41 - 55.

30 Гаврилов В.В., Темис Ю.М., Темис М.Ю., Егоров А.М., В.Н.Огородов. Расчетно-экспериментальное исследование в обеспечение создания перспективных "сухих" МГТД с роторами на газодинамических опорах». ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова. Двенадцатый Международный салон. "Двигатели - 2012".

31 В.П.Леонов. Системы подвески ротора турбомашин. М.: МГТУ им.Баумана, 2004, 44 с.

32 В.Н.Бесчастных, Ю.А.Равикович. Газовый подшипник тяжелого ротора газотурбинных двигателей. Опыт разработки и перспективы внедрения. Вестник МАИ. т.17, 2010, №3, с.84-94.

33 H. Heshmat, P. Hryniewicz, J. F. Walton, J. P. Willis, S. Jahanmir, and C. Dellacorte, Trib. Intern. 38, 1059-1075 (2005).

34 Abercade Research Company. Marketing Research Analysis of the 2005-2007 Market of Low-capacity Gas Turbine Electric Generator Plants . 2008 с

35 Петров Н.П. Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости // Инж. журнал,

1883.

36 A.Kingsbury. Experiments with an air—lubricated bearing. J. Am. Soc. nav. Engnrs., 9, 267,

1897.

37 W.J.Harrison. The hydrodynamic theory of lubrication with special reference to air as a lubricant. Trans. Cambr. Phil. Soc. 22, 39, 1913.

38 O.Reynolds. On the theory of lubrication and its application to Mr. Beauchamp Tower's experiments, including an experimental determination of the viscosity of olive oil'. Royal Society, Phil. Trans., Pt. 1, 1886, 114 p.

39 Зоммерфельд А. К гидродинамической теории смазки. В кн.: Гидродинамическая теория смазки /Йод общ.ред. Л.С. Лейбензона. М.-Л., 1934, с. 363-448.

40 Жуковский Н.Е., Чаплыгин С.А. О трении смазочного слоя между шипом и подшипником. В кн.: Н.Е. Жуковский. Собрание сочинений. Т. 4. М.-Л., 1935-1937, с. 279-298.

41 С.А.Шейнберг. Опоры скольжения с газовой смазкой, М:Машиностроение, 1969, 336 с.

42 Constantinescu V. N. Lubrificatia cu gaze. Bucuresti, 1963.

43 Проектирование гидростатических подшипников. Под ред. Гарри Риппела. Перевод с английского Г.А.Андреевой. М.:Машиностроение, 1967, 135 с.

44 Подшипники с газовой смазкой. Под ред. Н.С.Грэссема., Дж.У.Пауэлла. М.:Мир, 1966,

415 с.

45 Gas Lubricated Bearing. Editors N.S.Grassam, J.W.Powell. Micro Turbine Developments Ltd. London, Butter-worths, 1964. 398 p.

46 Castelli V., Elrod H. G. Solution оf the stability problem for 360° sell-acting, gas-lubricated bearings// Trans. ASME, March 1965, series D, p. 199.

47 Степанянц Л.Г. Некоторые методы газодинамической теории смазки // Труды ЛПИ, 1967, №280, С.27-43.

48 Лойцянский Л.Г., Степанянц Л.Г. Гидродинамическая теория сферического подвеса // Труды ЛПИ, 1958. No198. С.89-98.

49 Колмогоров В.Л., Орлов С.И., Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая подача смазки. М.:"Металлургия", 1975. 256 с.

50 Пешти Ю.В. Газовая смазка: Учебник для вузов. -М.:МГТУ, 1993.

51 Лучин Г.А., Пешти Ю.В., Снопов А.И. Газовые опоры турбомашин. - Машиностроение, 1989 г.

52 Brushan B. Nanotribology and Nanomechanics. An Introduction. Second Edition. Springer. 2002, 1516 p.

53 Завьялов О.Г., Марков Ю.Г. Динамика качения шара, контактирующего с поверхностью, с учетом нестационарного слоя вязкой жидкости // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал / Москва: ин-т Машиноведения, No 4, 2003. С. 44-49.

54 Матвеев С.К., Завьялов О.Г. Нестационарное течение тонкого слоя вязкой жидкости между колеблющимися параллельными плоскостями // Проблемы машиностроения и автоматизации. Международный журнал / М.: ин-т Машиноведения, том, No 3, 2007. С. 65-69.

55 Бурков М.С. Вибрация валов в подшипниках скольжения высокооборотных машин // Сб.: Развитие гидродинамической теории смазки подшипников быстроходных машин - М.: АН СССР, 1962. - С. 5-128.

56 Бесчастных П.В., Булат П.В. Практика проектирования газовых подшипников для холодильных машин. Часть II. Проектирование и методика расчета гибридных подшипников. Холодильная техника. 2015. №8, с.17-20.

57 Булат П.В., Усков В. Н. Об исследовании колебательного движения газового подвеса ротора турбохолодильных и детандерных машин. Часть II. Колебания давления в соплах питающей системы на сверхкритическом режиме работы. // Вестник международной академии холода. - 2013 - Ч.2, В.1 - 57-60 С. http://vestnikmax.com/vestnikmax.ru/?q=ru/node/349.

58 Newkirk B.L., Taylor H.D / Shaft Wipping due to Oil Action in Journal Bearing // General Electric Review / 1925. v.28. Pp.559-568.

59 A Test Stand for Dynamic Characterization of Oil-Free Bearing for Modern Gas Turbine Engines. E.E.Swanson, J.F.Walton, H.Heshman. Proceedings of ASME TURBO EXPO2002 June 3-6, 2002, Amsterdam, Netherland (GT-2002).

60 Капица П.Л. Устойчивость и переход через критические обороты быстро вращающихся роторов при наличии трения // ЖТФ. 1939. т.1Х. в.2. - С. 124-147.

61 Гусаров А.А Балансировка роторов машин. В 2 кн. М.: Наука, 2004.

62 Rieger N.F. Balancing of Rigid and Flexible Rotors. Washington, USA: Shock and Vibration Information Center, 1986. 614 p.

63 Натанзон В.Я. Критическая скорость ротора и зазоры в подшипиниках качения // Сборник статей "Колебания в турбомашинах". Институт машиноведения АН СССР, 1959. С. 87-90.

64 Nikiforov A., Banakh L., Panovko G., Shohin A. Disappearance of Critical Rotor Speed /

SealingRing as Suppressor of Rotor Oscillations // Proc. 12th IFToMM World Congress, Besançon (France), 2007.

65 Bently D.E. Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics. Canada: Bently Pressurized Bearing Press, 2002. 726 p.

66 Oravsky V. Some Types, Classification and Definitions of Instability in Rotating Machinery // st

Proc. 1 Int. Symp. On Stability Control of Rotating Machinery. South Lake Tahoe (California), 2001. 17 p.

67 Muszynska A. The Fluid Force Model in Rotating Machine Clearances Identified by Modal

st

Testing and Model Applications: An Adequate Interpretation of Fluid-Induced Instabilities // Proc. 1 Int. Symp. On Stability Control of Rotating Machinery. South Lake Tahoe (California), 2001. 50 p.

68 Болотин В.В. Неконсервативные задачи теории упругой устойчивости. М.: ФИЗМАТГИЗ, 1961. 339 с.

69 Кальменс В.Я. Исследование автоколебаний гибкого ротора на подшипниках скольжения / Сб.: Колебания валов на масляной пленке. М.: Наука, 1968, с.48-61.

70 Tondl A. Some Problems of Rotor Dynamics. Publishing House of the Czechoslovak Academy of Sciences, Prague; London: 1965. 434 p.

71 Zheng T., Hasebe N. Nonlinear Dynamic Behaviors of a Complex Rotor-Bearing System // Applied Mechanics. Trans. of the ASME. J. 2000. Vol.67, p. 485-495.

72 Muszynska A. Whirl and Whip - Rotor/Bearing Stability Problems // J. of Sound and Vibration, 1986. Vol.110, №3, p. 443-462.

73 Zhang W., Guo J., Qiu P. Nonlinear Dynamic Analysis of Rotor Supported by Finite Journals with a New Unsteady Nonlinear Oil-Film Force Model // Dynamics, Acoustics and Simulations. Trans. of the ASME. J. 2000. De-Vol.108/DSC-Vol.68, p. 171-176.

74 Эрих Ф.Ф. Явления хаотических вибраций в динамике высокоскоростных роторных систем // Современное машиностроение. Сер.Б. 1991, №5, с. 72-80.

75 Позняк Э.Л. Влияние масляного слоя в подшипниках скольжения на устойчивость и критические скорости высокоскоростных роторов // Колебания валов на масляной пленке. Сборник статей. М.: Наука, 1968. С. 10-38.

76 Рейнхарт И., Лунн Дж.В. Влияние сил инерции жидкости на динамические характеристики радиальных подшипников // Проблемы трения и смазки, 1975. Т.97, №2. С. 15-23.

77 Константинеску В.Н., Галетудзе С. Рабочие характеристики радиальных подшипников скольжения в турбулентном инерционном потоке // Проблемы трения и смазки, 1982. Т.104, №2. С. 24-30.

78 Полецкий А.Т. Интегрирование дифференциальных уравнений неустановившегося течения смазки и определение реакции смазочного слоя // Труды III Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах, т. III. - М.: ИМАШ АН СССР. 1960. - С. 115-121.

79 Бургвиц А.Г., Завьялов Г.А. О влиянии сил инерции смазочного слоя на устойчивость движения шипа конечной длины // Изв. вузов. Сер. Машиностроение. 1963. №12. - С. 38-49.

80 Бургвиц А.Г., Завьялов Г.А. К теории колебаний высокооборотных легконагруженных валов на масляной пленке // Сб.: Современные проблемы теории машин и механизмов. - М.: Наука, 1965. - С. 287-296.

81 Позняк Э.Л. Исследование устойчивости движения роторов на подшипниках скольжения. Изв. АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение, 1963, №2.

82 Подольский М.Е. Некоторые вопросы динамики роторов в гидродинамических подшипниках // 12th International Scientific and Engineering Conference: Hermetic sealing, vibration reliability and ecological safety of pump and compressor machinery. Kielce-Przemysl, 9-12 September 2008. Volume 1. - Kielce, 2008. - C. 173-179.

83 Olszewski O., Strzelecki S., Someya T. Dynamic Characteristics of Tilting 12-Pad Journal Bearing // Proc. 2nd Int. Symp. on Stability Control of Rotating Machinery. Gdansk, 2003. P. 131-139.

84 Strzelecki S. An Effect of Pad Support Position on the Dynamic Characteristics of Tilting 4- Pad

st

Journal Bearing // Proc. 1 Int. Symp. on Stability Control of Rotating Machinery. South Lake Tahoe (California), 2001. 9 p.

85 Yu X., Davies G., Krodkiewski J. Modeling the Oil Flow Beneath the Flexible Sleeve of an

Active Oil Bearing // Proc. 2nd Int. Symp. on Stability Control of Rotating Machinery. Gdansk, 2003. P. 436-445.

86 Adams M.L., Payandeh S. Self-Excited Vibration of Statically Unloaded Pads in Tilting-Pad Journal Bearings // J. of Lubrication Technology, 1983. Vol. 105. P. 377-384.

87 Yu X., Davies G., Krodkiewski J. Influence of Oil Flow Under the Flexible Sleeve of the Active

Bearing on the Stability of the Rotor Bearing System // Proc. 2nd Int. Symp. on Stability Control of Rotating Machinery. Gdansk, 2003. P. 446-455.

88 Нельсон, Д., Холлингсворт, Л. Радиальный подшипник с самоустанавливающимися вкладышами, снабженными жидкостными опорами // Проблемы трения и смазки. Серия F, N1, 1977. С. 127-134.

89 Марцинковский В.С., Симоновский В.И., Юрко В.И. Динамические характеристики подшипников скольжения с вкладышами на гидростатической пленке // Труды международного научного симпозиума "Гидродинамическая теория смазки - 120 лет". Орел, 2006. Т.1, с. 539-544.

90 Castelli V., McCabe J.T. Transient dynamics of a tilting pad gas bearing system // Journal of lubrication Technology (Trans. ASME, ser.F) 1967, vol.89.

91 Pan C.H. Spectral analyses of gas bearing system for stability studies // Dynamics and Fluid Mechanics, vol.3, p.2 of Developments of Mechanics, N.Y., Wiley, 1965, P. 431-447

92 Marsh H. The stability of aerodynamic gas bearing. / Mechanical engineering Science Monograph. N2. Institute of Mechanical Engineering, Westminster,1965, 44p.

93 Blok, H., and vanRossum, J., 1953. "The Foil Bearing - A New Departure in Hydrodynamic Lubrication". Lubrica- tion Engineering, 9(6), pp. 316-320.

94 DellaCorte, C., and Edmonds, B. J., 1995. Preliminary Evaluation of PS300: A New Self-Lubricating High Tem- perature Composite Coating for Use to 800C. NASA TM 107056, National Aeronautics and Space Administration, Cleveland, OH.

95 Lubell, D., DellaCorte, C., and Stanford, M.K. (2006), "Test Evolution and Oil-Free Engine Experience of a High Temperature Foil Air Bearing Coating," Proc. of GT2006: ASME Turbo Expo 2006, Barcelona, Spain, GT2006-90572.

96 Gray, S. and Bhushan, B. (1981), "Support Element for Compli- ant Hydrodynamic Journal Bearings," U.S. Patent No. 4,274,683.

97 S. Korcek, J. Sorab, M. D. Johnson and R. K. Jensen, Industrial Lubrication and Tribology, 52, 5, 209 (2000).

98 Dykas B., Bruckner R., Prahl J. Design, Fabrication, and Performance of Foil Gas Thrust Bearings for Microturbomachinery Applications. NASA/TM—2008-215062.

99 Valco, M.J., and DellaCorte, C.:" Emerging Oil-Free Turbomachinery Technology for Military Propulsion and Power Applications," Proceedings of the ARMY Sciences Conference, Ft. Lauderdale, FL. February 2003.

100 Reynolds O. On the theory of lubrication and its application to Mr. Beauchamp Tower's experiments, including an experimental determination of the viscosity of olive oil'. Royal Society, Phil. Trans., Pt. 1, 1886, 114 p.

101 Бесчастных В.Н., Равикович Ю.А. Определение статической грузоподъемности сегментного газостатического подшипника. Вестник МАИ. т.16, 2009, No1, с.91-98.

102 Бесчастных В.Н. Разработка метода расчета и экспериментальное определение характеристик радиальных сегментных газовых подшипников для тяжелых роторов ГТУ. Диссертация, 2011, с.30-38.

103 Бесчастных В.Н., Ильина Т.Е Опыт проектирования подшипников на газовой смазке [Experience of designing bearings with gas lubrication]. Холодильная техника. 2015, с.10-11.

104 Бесчастных В.Н. Разработка метода расчета и экспериментальное определение характеристик радиадльных сегментных газовых опор: дис. канд.техн.наук:05.07.05 - М., 2011. -144 с.

105 Чернавский С. А. Подшипники скольжения. М.: МАШГИЗ, 1963. 243 с.