Способ управления жесткостью гидродинамических демпферов опор турбомашин Российский патент 2020 года по МПК F01D25/04 F16F9/00 

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к роторам турбомашин, и может быть использовано в авиационных, энергетических силовых установках и испытательных стендах.

Известен способ регулирования жесткости опоры посредством изменения свойств и параметров рабочей жидкости, а именно вязкости, за счет поддержания температуры рабочей жидкости в демпферном зазоре величиной протечек через гидродинамический демпфер (Балякин, В.Б. Регулирование характеристик в опорах роторов авиационных газотурбинных двигателей / В.Б. Балякин // Проблемы и перспективы развития двигателестроения / Самар. гос. аэрокосм, ун-т; [Гл. ред. Е.В. Шахматов]. - Самара: СГАУ, 2000. - Вып. 4, ч. 1. - С. 134-141.).

Такой способ подразумевает поддержание заданной температуры согласно вязкостно-температурной характеристике в рабочем диапазоне частот вращения ротора с обеспечением потребного давления рабочей жидкости насосом-нагнетателем, что не обеспечивает управление жесткостью гидродинамических демпферов опор на неустановившихся режимах, например, при запуске турбомашины.

Недостатками способа является низкая управляемость гидродинамическим слоем рабочей жидкости посредством вязкости на неустановившихся режимах, а именно на запуске турбомашины.

Техническим результатом предлагаемого способа управления жесткостью гидродинамических демпферов опор турбомашин является снижение уровня вибрационных нагрузок опор турбомашин в момент запуска турбомашины и до выхода на установившийся режим за счет сокращения времени достижения расчетных значений жесткости гидродинамических демпферов опор турбомашин посредством дополнительного измерения и регулирования температуры рабочей жидкости в момент ее подачи в гидродинамический демпфер опоры турбомашины.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления жесткостью гидродинамических демпферов опор турбомашины за счет параметров вязкости, поддерживаемой за счет обеспечения заданной температуры путем протечек через демпфер, согласно изобретению дополнительно производится нагрев рабочей жидкости при идентификации разницы значений заданной и текущей температуры рабочей жидкости, в момент запуска турбомашины до выхода на установившийся режим, а также отключение подогрева при достижении заданной частоты вращения ротора или температуры рабочей жидкости.

Сущность изобретения заключается в дополнительном измерении температуры рабочей жидкости в гидродинамическом демпфере опоры турбомашины, сравнении ее с заданным значением и при выполнении условия T₁<Т₂, где Т₁ - текущее значение температуры рабочей жидкости, Т₂ - заданное значение температуры рабочей жидкости, нагреве рабочей жидкости до заданной температуры.

Запуск турбомашины сопровождается скачкообразным ростом частоты вращения, температуры газов, повышенными механическими колебаниями ротора (А.И. Евдокимов, С.В. Коцюбинский, В.Б. Фролов, А.Н. Горский, Д.В. Титов. Конструкция и прочность авиадвигателей. Издание ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского 2007 г. с 298.). Нагрузки, генерируемые ротором, воспринимаются подшипниковыми опорами, в том числе с гидродинамическими демпферами, что приводит к преждевременному износу подшипников, и как следствие, снижению надежности и ресурса турбомашины.

Наибольшие вибрации генерирует ротор турбомашины, за счет возникновения неуравновешенности (дисбаланса) различной природы происхождения при переходе через критические скорости вращения (резонансные частоты). Одним из эффективных способов уменьшения вибрационных нагрузок является регулирование жесткости опор, т.е. изменение их демпфирующих способностей.

Известно, что демпфирующая способность гидродинамического демпфера опоры зависит от гидродинамической реакции слоя рабочей жидкости в демпферном зазоре, включающая вязкостную и инерционную составляющую. Вязкостная составляющая гидродинамической силы обратно пропорциональна вязкости смазки и может регулироваться за счет температуры. При этом температура рабочей жидкости в демпферном зазоре поддерживается за счет величины протечек через демпфер согласно заданной программы управления (Балякин, В.Б. Регулирование характеристик в опорах роторов авиационных газотурбинных двигателей / В.Б. Балякин // Проблемы и перспективы развития двигателестроения / Самар. гос. аэрокосм, ун-т; [Гл. ред. Е.В. Шахматов]. - Самара: СГАУ, 2000. - Вып. 4, ч. 1. - С. 134-141.). Данный способ эффективен на установившихся режимах работах турбомашины, т.е. когда не изменяются параметры силовой установки с течением времени. Задача управления параметрами жесткости опор особенно актуальна при эксплуатации турбомашины при отрицательных значениях температуры окружающей среды.

На основании статистических данных эксплуатации силовых установок государственной авиации, роторов наземных энергетических машин установлено, что с момента запуска турбомашины и до выхода ее на установившийся режим работы ротор высокого давления проходит несколько резонансных режимов, что сопровождается высоким уровнем вибраций (Амелькин А.С. Выбор рациональных параметров конструкции опор газотурбинных двигателей с межроторными подшипниками. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук.// Москва, МАИ, 2010 год, с. 43, https://search.rsl.ru/ru/record/01004614232). Нагрузки, генерируемые ротором, воспринимаются опорами, в частности подшипниками. Подшипниковые опоры являются ответственным элементом силовой схемы ротора, которые отвечают за надежность турбомашины в целом.

Известно, что при прохождении резонансных режимов имеют место повреждения элементов подшипника: сепаратора, роликов или шариков, в зависимости от типа подшипника (Звонарев С.Л., Зубко А.И. О возможных причинах отказов подшипников качения. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3 (34), 2012 г.).

Полученные повреждения имеют накопительный эффект и в дальнейшем могут вывести силовую установку из строя, что подтверждается статистикой эксплуатации некоторых авиационных турбомашин.

Известно, что снижение жесткости опоры ротора приводит к изменению упругой динамической системы турбомашины. При этом снижаются частоты собственных колебаний системы, устраняются резонансы (см. М.К. Леонтьев Конструкция и расчет демпферных опор роторов ГТД: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1998. - 44 с.:ил.). Таким образом, с целью снижения вибрационных нагрузок необходимо изменять параметры жесткости. В свою очередь, это возможно за счет изменения параметров вязкости в заданном диапазоне.

При проектировании опор, в частности с гидродинамическими демпферами, в том числе с целью создания эффективной демпфирующей способности, в расчет закладываются оптимальные параметры динамической вязкости, которые рассчитываются при температуре в 100°С (см. М.К. Леонтьев. Конструкция и расчет демпферных опор роторов ГТД: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1998. - 44 с.:ил.).

На неустановившемся режиме (запуске) параметры температуры, вязкости и жесткости значительно отличаются от расчетных значений, что негативно сказывается на вибрационном фоне турбомашины. Высокая вязкость масла при запуске увеличивает силы трения и при работе двигателя вызывает повышенную потерю мощности. При низких температурах из-за высокой вязкости масла затрудняется запуск холодного двигателя, а после запуска замедляется прокачка и ухудшается разбрызгивание масла. Масло к узлам трения своевременно не поступает, а находившееся в зазорах при трении разогревается и вытекает. Возникают масляное голодание и повышенный износ трущихся элементов.

Выход на установившийся режим может достигать от 60 с до 150 с (Системы запуска авиационных двигателей: Метод, указания/ Самар. гос. Аэрокосм, ун - т; Сост. И.В. Таммекиви. Самара, 2002 34 с). В этот период наблюдаются максимальные вибрационные нагрузки.

В этой связи с целью уменьшения вибрационных нагрузок на запуске турбомашины, повышения надежности трущихся элементов подшипниковой опоры необходимо уменьшить время выхода на расчетные значения вязкости и жесткости опоры в момент ее запуска, посредством нагрева рабочей жидкости согласно вязкостно-температурной характеристике (см. вязкостно-температурную характеристику, например ИПМ-10. М.Е. Резников. Авиационные топлива и смазочные материалы (авиационная химмотология). Москва // Военное издательство-2004 г. с. 175) до выхода на установившийся режим. После чего подогрев рабочей жидкости не обязателен, так как процесс трения в результате вращательного движения ротора в опорах обеспечивает рост температуры по экспоненциальному закону.

В целях снижения вибрационных нагрузок, повышения надежности подшипникового узла и турбомашины в целом необходимо активное регулирование жесткостью гидродинамического демпфера опоры на запуске с целью обеспечения требуемой демпфирующей способности при прохождении критических (резонансных) частот в диапазоне частот вращения при запуске и до выхода на установившийся режим.

На чертеже приведена функциональная схема способа управления жесткостными характеристиками опор, где 1 - элемент сравнения; 2 - регулятор температуры рабочей жидкости в опорах турбомашины; 3 - нагревательный элемент; 4 - объект управления (опора турбомашины); 5 - датчик температуры рабочей жидкости в опорах турбомашины.

Устройство работает следующим образом: при запуске турбомашины в элементе сравнения 1 происходит сравнение заданного значения температуры рабочей жидкости (Т₂) с текущим значением температуры рабочей жидкости (T₁). При выполнении условия Т₁<Т₂ разностный сигнал поступает в регулятор температуры 2, который вырабатывает управляющее воздействие в виде силы тока (U_упр) на нагревательный элемент 3, осуществляющий нагрев рабочей жидкости в опоре турбомашины 4 с изменением вязкости рабочей жидкости U. Измерение текущей температуры рабочей жидкости T₁ в опоре двигателя осуществляется датчиком измерения температуры 5.

Схема сравнения может быть выполнена, например, в виде компаратора (см., например, Антипенский Р.В., Змий Б.В., Клочков Г.Л. Электроника и схемотехника. Воронеж: ВАИУ, 2009., с. 289).

В качестве датчика температуры масла может быть использован датчик (см. https://alligator-boat.ru/internet-magazin/product/datchik-temperatury-masla-50-150-gr-3)

В качестве нагревателя может быть использован нагреватель (см. http://www.defa.com.ru/defa_info/defa_heaters_series).

Регулятор температуры может быть использован регулятор (см. http://products.danfoss.ru/productrange/refrigeration/pressure-and-temperature-regulating-valves/pressure-and-temperature-regulating-valves/orv-temperature-regulating-valve-for-oil-regulation/#/).

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к роторам турбомашин, и может быть использовано в авиационных, энергетических силовых установках и испытательных стендах. Техническим результатом предлагаемого способа управления жесткостью гидродинамических демпферов опор турбомашин является снижение уровня вибрационных нагрузок опор турбомашин в момент запуска турбомашины и до выхода на установившийся режим за счет сокращения времени достижения расчетных значений жесткости гидродинамических демпферов опор турбомашин посредством дополнительного измерения и регулирования температуры рабочей жидкости в момент ее подачи в гидродинамический демпфер опоры турбомашины. Изобретение от известных отличается тем, что дополнительно измеряют температуру рабочей жидкости в гидродинамическом демпфере опоры турбомашины, сравнивают ее с заданным значением и при выполнении условия T₁<Т₂, где Т₁ - текущее значение температуры рабочей жидкости; Т₂ - заданное значение температуры рабочей жидкости; производят нагрев рабочей жидкости до заданной температуры. 1 ил.

Способ управления жесткостью гидродинамических демпферов опор турбомашин, включающий регулирование жесткости на основе изменения вязкости рабочей жидкости посредством регулирования температуры, поддерживаемой протечками через гидродинамический демпфер, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру рабочей жидкости в гидродинамическом демпфере опоры турбомашины, сравнивают ее с заданным значением и при выполнении условия Т₁<Т₂, где Т₁ - текущее значение температуры рабочей жидкости; Т₂ - заданное значение температуры рабочей жидкости; производят нагрев рабочей жидкости до заданной температуры.