Проблемы создания высокооборотных машин

1. Проблемы создания высокооборотных  машин

1.1. Виды высокооборотных машин  (ВСУ, шиндели токарных станков,  турбодетандеры, микротурбины, бормашинки)

 

Одним из направлений повышения  надёжности и ресурса вращающихся  машин  является применение бесконтактных  опор различных конструкций, обеспечивающих вращение и стабилизацию пространственного положения роторов без непосредственного  контакта металлических частей. Отсутствие контакта на рабочих режимах, а  следовательно, контактного трения, отсутствие необходимости в смазке, возможность  обеспечения высоких частот вращения, минимум потерь, относительная простота и малый вес конструкции делают такие  опоры весьма привлекательными для тех отраслей  техники, где требуется продолжительная и надёжная работа без обслуживания, лёгкость и компактность.

Создание таких подшипников  позволит радикально упростить трансмиссии  ряда устройств (ГТД, компрессоров, насосов, вентиляторов), исключив систему смазки (экологический и экономический  аспекты), при одновременном увеличении ресурса трансмиссий этих устройств (Таблица 1).

Таблица 1. Сравнительная характеристика исполнения опор ГТД.

Параметры сравнения	Главные опоры ГТД
	На базе шариковых и роликовых  подшипников	На базе газостатических автоматически  управляемых подшипников
Наличие зон трения	Трение качения и как следствие  наличие зон значительного тепловыделения	Отсутствует
Потребность смазки трущихся поверхностей	Предусмотрены системы смазки маслом трущихся поверхностей и отвода тепловыделения из зон трения, с последующим охлаждением масла топливом, что приводит к его перегреву.	Отсутствует
Ограничения по температуре в зонах  трения	Не более (150… 200)°С	Не более (800… 900)°С
Ресурс ГТД	Ограничен по подшипникам	Нет ограничения по ГСП ГТД
Сравнительная масса главных опор ГТД с присоединенными системами обеспечения их работаспособности	До 30% от массы  снаряженного для эксплуатации ГТД	Не более (5… 6)% от массы снаряженного для эксплуатации ГТД
Надежность ГТД	0.999	0.99999
Относительная стоимость главных  опор ГТД с системами обеспечения их работоспособности от цены снаряженного для эксплуатации ГТД	Более 20%  серийных образцов ГТД	Не более 5% серийных образцов ГТД
Общий кпд ГТД	Уменьшается по ресурсу из-за износа подшипников	Стабилен по ресурсу
Перспективы совершенствования ГТД за счет увеличения частоты вращения роторов ГТД	Ограниченна подшипниками качения	Ограничений нет, за счет увеличения частоты вращения роторов ГТД  возможно уменьшение габаритных размеров ГТД пропорционально (n2/n1)2, массы  ГТД пропорционально (n2/n1)3, где n1- частота вращения базового ГТД , n2 – перспективного ГТД

 

Ожидается снижение стоимости конструкции  и снижение стоимости эксплуатации, а также увеличение КПД устройств  за счёт исключения отбора мощности на систему смазки. В настоящее время  на опоры приходится от 20 до 30% стоимости ГТД. Невозможность увеличить грузоподъемность газодинамического подшипника ограничивает единичную мощность газотурбинных энергоблоков, что влияет на их стоимость. Переход на ГСП с САУ на СПР позволит сделать кластеры выгоднее газопоршневых машин.

Воздушные турбохолодильные агрегаты (ТХА)

Обострение экологической обстановки, связанное с разрушением озонового  слоя земли, развивающимся глобальным потеплением, потребовало создания холодильных машин нового поколения, работающих на озонобезопасных природных хладагентах, в число которых входит вода, воздух, диоксид углерода, аммиак, углеводороды. Наиболее универсальным из них является атмосферный воздух. К достоинствам воздуха как хладагента относятся его доступность, нетоксичность, пожаро-взрывобезопасность, возможность применения для непосредственного охлаждения продуктов. Установки с воздушным холодильным циклом способны работать в диапазоне температур от комнатных до температуры жидкого воздуха. Воздух имеет нулевые потенциалы разрушения озонового слоя и глобального потепления и полностью отвечает всем требованиям Монреальского и Киотского протоколов по экологической безопасности. ТХА представляют собой (рис.1) высокооборотные турбины на ГСП.  На смазку подшипников подается тот же воздух, который идет на расширение в турбину. Применение ГСП полностью исключает какое-либо загрязнение объекта продуктами смазки.

Рис. 1. Турбохолодильные агрегаты.

ТХА предназначены для работы:

в системах шоковой заморозки рыбы, морепродуктов, мясных полуфабрикатов, овощей и фруктов, закалки мороженого;

в технологических линиях низкотемпературной переработки резины, шин, пластмасс, минерального сырья и т. п.;

в составе установок переработки  попутных и факельных газов и  установок низкотемпературной очистки опасных газовых выбросов.

Также могут использоваться для:

комплектации низкотемпературных испытательных камер;

охлаждения низкотемпературных хладоносителей;

заморозки эвтектических аккумуляторов  холода.

Одновременно с холодом установки производят высокопотенциальное тепло, которое можно использовать в производственных целях. Установки работают по открытому холодильному циклу с расширением воздуха в турбохолодильных агрегатах.

Турбодетандерные агрегаты на газостатических опорах

Этот тип турбоагрегатов используется в установках разделения воздуха. Особенностью турбоагрегата является то, что вместо  масляной системы смазки подшипников  используется рабочий газ . Такая  конструкция имеет ряд преимуществ: гарантируется чистота потока газа, упрощается эксплуатация и повышается надежность агрегата. Известное ограничение размерности обычных газостатических подшипников не позволяет увеличивать производительность. По расходу рабочего газа агрегаты на газостатических опорах уступают классическим турбодетандерам на порядок (Таблица 2-3, Рис.2). Применение ГСП с САУ на СПР позволит снять ограничение размерности.

Таблица 2. Турбодетандеры с подшипниками на газовой смазке.

	ДТ-1.1/0.4-A	ДТ-2.6/0.4-A	ДТГ-0.6/2-A	ДТГ-0.6/11-A
			I ступень	II ступень
Рабочий газ	Воздух		Гелий	Гелий
Расход газа, кг/ч
детандер	1500	2386	634	634
компрессор	950	1510	965	425
Давление газа, МПа Детандер
На входе	0.433	0.418	2.03	1.13
На выходе	0.126	0.134	1.44	0.33
Компрессор
На входе	0.1	0.1	1.44	0.33
На выходе	0.14	0.14	1.47	0.34
Температура газа на входе, К
детандер	122	113	95	26.8
компрессор	277	293	323	323
Изоэнтропийный КПД , %			75	80
детандер	82	83
компрессор	65	73
Максимальная мощность (холодопроизводительность) , кВт	12	16.7	8.4	7.1
Габаритные размеры, м	2.12x1.07x2.26	2.12x1.07x2.26	0.4x0.45x0.9	0.4x0.45x0.9
Масса агрегата, кг	1200	1200	150	150
Наружный диаметр рабочего колеса, мм
детандер	95	125	45	36
компрессор	125	160	44	52

 

 

Таблица 3. Технические характеристики стандартных детандеров.

	Низкое давление				Среднее давление
	ДТК 16/0.8	ДТК 10/0.86	ДТК 24/0.9	ДТК 30/0.9	ДТК 43/5
Рабочий газ	Воздух				Воздух
Расход газа, кг/ч
детандер	15100	9895	22900	30500	44300
компрессор	15250	10000	23150	30800	58000
Давление газа, МПа Детандер
На входе	0.85	0.88	0.87	0.85	5.0
На выходе	0.13	0.14	0.136	0.136	0.6
Компрессор
На входе	0.58	0.59	0.59	0.57	3.6
На выходе	0.87	0.9	0.89	0.87	5.1
Температура газа на входе, К
детандер	165	179	174	175	190
компрессор	288	288	290	290	313
Изоэнтропийный КПД , %
детандер	85	85	88	88	85
компрессор	76	75	72	78	75
Максимальная мощность (холодопроизводительность) , кВт	209	163	420	514	765
Габаритные размеры, м	2.9x2.9x2.1	2.9x2.9x2.1	3.1x3.0x2.18	3.1x2.9x2.18	2.9x2.9x2.1
Масса агрегата, кг	3000	3000	4000	4300	3000
Наружный диаметр рабочего колеса, мм
детандер	190	190	220	250	160
компрессор	215	205	238	275	170

 

Рис.2. Турбодетандер компрессорный агрегат.

 

Воздушная опора для центробежно-ударных дробилок

Центробежно-ударные дробилки (по западной терминологии – дробилки с вертикальным валом) находят все большее применение в процессах дробления и измельчения рудных и нерудных материалов, они имеют большой КПД и высокий коэффициент измельчения. Проблема обеспечения приемлемого ресурса подшипниковых узлов дробилки до сих пор не имеет удовлетворительного решения в рамках традиционных схем механического привода с фиксированной подшипниками осью. В дробилках на подшипниковой опоре крупность кусков исходного материала ограничена размером 40 мм, диаметр ускорителя не превышает одного метра, а максимальная частота вращения ускорителя составляет 1500 об/мин, ограничивая линейную скорость измельчаемого материала на выходе из ускорителя значениями 60–70 м/с для максимальных типоразмеров дробилок.

При таких ограничениях область  применения ударной дезинтеграции  сводится, в основном, к получению кубовидного щебня, а измельчение руды до крупности ниже 5–10 мм становится неэффективным вследствие низкого коэффициента измельчения и высокой степени возврата на додрабливание. Поэтому центробежные дробилки на традиционных подшипниковых опорах не могут составить серьезную конкуренцию конусным дробилкам мелкого дробления и стержневым мельницам в существующих схемах рудоподготовки.

Для преодоления этого ограничения  были разработаны дробилки на воздушных  опорах (рис. 3). В существующих конструкциях компенсация внешних возмущений и вибраций происходит за счет гироскопического момента дробилки.  

 

Рис. 3. Центробежно-ударная дробилка на воздушной опоре. 1 – Статор; 2 – ротор; 3 – карданный  вал; 4 – электродвигатель; 5 – воздушный вентилятор; 6 –  вал; 7 – ускоритель; 8 – концевая  лопатка ускорителя; 9 – камера измельчения; 10 – предохранительный узел на случай аварийного отключения воздуха; 11 – крышка опорной части; 12 – патрубок для выгрузки дроблённого продукта; 13 – центробежная муфта; 14 –  пыльник

Таким образом, можно скомпенсировать  дисбаланс масс около 3 кг при массе  вращающегося узла около 1 т и его  диаметре 1,25 мм. Величина воздушного зазора при этом составляет около 2 мм. Взаимодействие внешних воздействий и гироскопического момента приводит к возникновению прецессии вертикальной оси. В реально существующей конструкции центробежной дробилки регулярная прецессия большой амплитуды все же остается нежелательным явлением. Проявляется это в моменты прохождения резонансных частот при разгоне и остановке дробилки, что требует тщательной и дорогостоящей настройки узла.