Проблемы создания высокооборотных машин

ГСП на СПР принципиально лишен  такого недостатка. Наличие САР позволяет  легко подавить прецессию, т.к. нерегулярные внешние возмущения по «закону гироскопа» приводят только к регулярным колебаниям углов эйлера оси гироскопа.

Применение в шпиндельных  узлах станков и пневмоинструменте

Одним из самых привлекательных  является рынок  станков  и пневмоинструмента. Здесь проблема высокой вирбрации  и большого числа оборота является ключевой. ГСП с САУ на СПР имеет принципиальное преимущество перед лепестковыми и фольговыми газовыми подшипниками, т.к. встроенная система управления будет обладать свойством подавлять вибрации. Сравнительная характеристика приведена в таблицах 4 и 5.

Таблица 4. Сравнительная характеристика шпиндельных узлов.

Сравниваемое свойство	Шпиндельные узлы на опорах качения (ВШГ 000.000РЭЭ)	Шпиндельные узлы на гидроопорах (ГПШУ 45-009)	Шпиндельные узлы на газовых опорах
Наличие масляной системы смазки	есть	есть	нет
Ремонтопригодность	низкая	низкая	высокая
Время выхода на рабочий режим	4-5 час.	1.5-2 часа	сразу после включени
Тепловыделение	значительное	значительное	практически отсутствует
Износ шлифовального круга	высокий	средний	низкий

Таблица 5. Сравнительная характеристика шпиндельных узлов.

Сравниваемое свойство	Пневмоинструмент на опорах качения	Пневмоинструмент на газовых опорах
Ремонтопригодность	низкая	высокая
Тепловыделение	значительное	Практически отсутствует
Износ шлифовального круга	высокий	низкий
Вибрация	выше ГОСТ 17770-86	ниже ГОСТ 17770-86
Шум	выше ГОСТ 12.2.030-83	ниже ГОСТ 12.2.030-83
Ресурс, час	2000	неограничен

 

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.

ГСП на СПР принципиально лишен  такого недостатка. Наличие САР позволяет легко подавить прецессию, т.к. нерегулярные внешние возмущения по «закону гироскопа» приводят только к регулярным колебаниям углов эйлера оси гироскопа.

Двигатель - генератор

В связи с введением в РФ специального технического регламента на выбросы  вредных веществ автотранспортом стало актуально создание средств транспорта, основанных на комбинированном приводе, в котором мотор внутреннего сгорания используется в качестве привода электрогенератора.

Появление ГСП с САУ на СПР позволит, наконец, реально приступить к созданию комбинированных двигателей для общественного транспорта на основе электрического привода и двигателя внутреннего сгорания в качестве источника энергии. Используемые сегодня дизель-электрические моторы привосходят традиционные ДВС с точки зрения экономичности и чистоты выброса. Однако они существенно сложнее с точки зрения трансмиссии поскольку совмещают обычный и электрический привод.

Использование выскооборотной  бесшумной  газовой турбины на ГСП, которую можно вообще не выключать (она будет постоянно подзараяжать аккумуляторы) позволит создать комбинированную установку нового качества.

Электрогенератор служит для подзарядки аккумуляторных батарей, а также  привода электромоторов, например, встроенных в автономные движители типа мотор-колес. Транспортное средство (автобус) с такой комбинированной силовой установкой будет иметь большое преимущество благодаря гибкости трансмиссии и повышенной экономичности.  На рис.4 показано опытное устройство, основанное на  базе серийного турбокомпрессора ТКР-11. Эффективная мощность двигателя генератора составляет 30 кВт, частота вращения ротора 72000 мин^-1, расход газа через турбину 0,340 кг/с, температура газов перед турбиной 1023 К, степень повышения давления в компрессоре π=3,5. 

Рис.4. Газотурбинный двигатель-генератор на лепестковых газодинамических подшипниках.

1-корпус электрогенератора, 2-уплотнение  компрессора, 3-подшипник осевой  лепестковый, 4-кольцо дистанционное, 5-лопаточный диффузор компрессора, 6-улитка компрессора, 7- направляющий аппарат компрессора, 8-корпус подшипника турбины,9-втулка уплотнительная, 10-улитка турбины, 11-сопловый аппарат турбины, 12-ротор электрогенератора с вставками из постоянного магнита, 13-гайка колеса компрессора, 14-диск упорный с лопатками вентилятора, 15-колесо компрессора, 16-шайба балансировочная, 17-ротор турбогенератора.

По отраслям рынок  сбыта предлагаемой к разработке продукции сегментируется следующим  образом:

• Авиационная промышленность
• Газотурбинные двигатели;
• Защищенные системы управления летательными аппаратами;
• Дистанционные системы управления БПЛА;
• ВПК;
• Системы управления газотурбинными и дизельными двигателями танков и другой военной техники;
• Системы управления судовыми машинами;
• Гироскопические стабилизаторы частоты вращения;
• Газодобывающая промышленность;
• Компрессорные установки;
• Газоперекачивающие агрегаты;
• Автономные газотурбиные установки;
• Системы промышленной автоматики;
• Нефтяная промышленность;
• Системы утилизации попутного газа;
• Электромеханические, электропневматические, электрогидравлические распределенные системы промышленной автоматики для специальных применений;
• Компрессорные установки в системах трубопроводного транспорта;
• Энергетика;
• Газотурбинные ТЭЦ;
• Распределенные АСУ энергосистем;
• Криогенная техника;
• Компрессорные и детандорные агрегаты;
• Турбохолодильные аппараты;
• Жилищно - коммунальное хозяйство - насосные станции высотных зданий;
• Железнодорожный транспорт - опоры силового агрегата лоуомотива;
• Станкостроение.

 

1.2. Повышение частоты вращения как способ увеличения кпд при заданных габаритных размерах

 

Традиционные  подходы  повышения  термодинамического  КПД  газотурбинных  двигателей требуют  все  большего  увеличения  давления  и  температуры  сжигания  топлива  в  камерах сгорания. Это требует либо  увеличения габаритов компрессоров, либо  увеличения частоты вращения  ротора.  В ряде  зарубежных  модульных энергетических  мини-турбин  частота вращения доведена до  90.000 об/мин,  что позволило получить КПД около 42%. Дальнейшему увеличению  термодинамической эффективности препятствует  низкий  коэффициент восстановления  полного давления  традиционных  центробежных  компрессоров  при таких частотах вращения. Повышение производительности газотурбинных установок неразрывно связано с увеличением частоты вращения ротора.

Высокая  частота  вращения  ротора  требует  применения  газового  подвеса  вместо традиционных  подшипников  качения.  В  работе  исследуется  газостатический  подшипник, использующий  принудительную  подачу  сжатого  воздуха  под  избыточным  давления  в качестве рабочего тела в смазочный слой между статором и ротором.  

 

1.3. Требования увеличения ресурса  опоры ротора до величины равной  ресурсу всей установки.

 

Для  того,  чтобы  в  условиях  малых  габаритных  размеров  получить  высокий КПД требуется  раскрутить  ротор  до  числа  оборотов  порядка  40.000 - 100.000  Об/мин.  Естественно,  что при такой частоте вращения  обычные подшипники  качения будут быстро изнашиваться, требуя обслуживания всей установки.

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.

Газостатические  опоры  обеспечивают  работоспособность  роторов  весом  до  300  кг  с частотами  вращения  до  100.000  об/мин.  Основой  обеспечения  уникальных  параметров является  конструкцияс  применением  плавающих  колодок  с  контактными  поверхностями, воздух  на  которые  попадает  по  системе  дросселей  внутри  каждой  из  колодок.  Ресурс  таких опор  практически  бесконечен  в  связи  с  отсутствием  контактного  трения  как  на  старте  и выбеге,  как  и  на  режимной  работе.  Их  особенностью  является  необходимость  постоянной подачи  сжатого  воздуха  с  давлением  около  3-4  ата  в  количестве  15-20  грамм  в  секунду.

Применение струйных  систем  управления подачей  воздуха  обеспечивает высокую жёсткость поддержания  положения валов и минимизацию  расхода воздуха в опоры.