книги из ГПНТБ / Казанский, В. Н. Системы смазки паровых турбин

Пикнометром. С повышением температуры пЛотн'ость масла уменьшается. Температурный коэффициент объелТ ного расширения масла а характеризует относительное' изменение объема (а следовательно, и плотности) при повышении температуры на 1 °С.

'Значения температурного коэффициента объемного расширения масла изменяются в зависимости от плот­

Справочные данные по температурной зависимости плотности турбинного масла марки 22 приведены в при­ ложении 4.

При повышении давления плотность масла несколько возрастает вследствие его сжимаемости. Сжимаемость масла характеризуется величиной коэффициента объем­ ного сжатия р, равного относительному изменению объема жидкости ЛУ/У при воздействии перепада дав­ ления Ар.

Величина Е, обратная коэффициенту объемного сжа­ тия |3, называется модулем объемной упругости.

120

С увеличением температуры модуль объемной упру­ гости масла понижается, а с увеличением давления — повышается. Для турбинного масла марки 22 зависи­ мость модуля упругости от абсолютного давления р и температуры t показана на графике (рис. 3-1,а). Раство­ ренные газы незначительно снижают модуль объемной упругости жидкостей. Известна следующая эмпириче­ ская зависимость |[Л. 50]:

давлении и температуре 20—50 °С коэффициент т = 0,324,

на упругость газомасляной смеси. Коэффициент объем­ ного сжатия Рем такой смеси подчиняется закону адди­ тивности:

(3-3)

где ср — объемное содержание нерастворенных газов; Р" и р'— коэффициенты объемного сжатия газа и масла. Даже при незначительном содержании газа (0,1—0,5%) сжимаемость смеси (при атмосферном давлении) повы­ шается в сотни и тысячи раз. При повышении давления

содержания газа ф, измеренного при атмосферном дав­ лении ра (т. е. до сжатия).

Эффект сжимаемости масла является важным фак­ тором при определении динамических характеристик подшипников скольжения, при расчете гидравлических сервомеханизмов, насосов высокого давления и др.

т

б] Вязкость масла

Одним из важнейших свойств турбинных масел явля­ ется вязкость —■способность жидкости сопротивляться деформации сдвига ее слоев под действием приложенной силы |[Л. 3, 50, 77, 86, 93, 94, 158]. Вязкость влияет на несущую способность масляного слоя в подшипниках; от нее зависят потери мощности на трение в насосах, гидромуфтах, опорах скольжения; вязкость определяет величину утечки масла через уплотнения, пропускную способность маслопроводов и дроссельных элементов, скорость отстоя примесей от масла в баке, скорость опорожнения емкостей и др.

Различают динамическую и кинематическую вяз­ кость; динамическая применяется для выражения абсо­ лютных сил сдвига, действующих между слоями масла, кинематическая— для выражения сил сопротивления при скольжении слоев масла под действием собственной силы тяжести.

Математически коэффициент динамической вязкости р выражается следующим образом:

динамической вязкости р в системе СИ будет измерять­ ся единицей абсолютной вязкости, называемой Паскальсекундой (П а-с).

Кинематическая вязкость v представляет отношение коэффициента динамической вязкости р к плотности р при одних и тех же температуре и атмосферном дав­ лении.

В системе СИ величина v измеряется в м2/с.

На практике вязкость масла довольно часто опреде­ ляют в условных единицах, получаемых измерением времени истечения определенного объема масла из со­ суда через относительно короткие трубки, изготовлен­

122

Энглера, Сейболта, Редвуда, Барбэ и др. В настоящее время наблюдается тенденция выражать вязкость в аб­ солютных, а не условных единицах, основанных на геометрии уникальных испытательных аппаратов. Ныне действующий стандартный метод определения вязкости турбинных масел (ГОСТ 33-66) состоит в установлении времени истечения определенного объема масла через круглый калиброванный капилляр под влиянием силы тяжести. Применяемые в этом случае приборы типа Пннкевича или типа ВПЖ-2 позволяют сразу опреде­ лить кинематическую вязкость в сантистоксах (1 сст = = 10~6 м2/с ).

Вязкость нефтяных масел в значительной мере за­ висит от температуры. С понижением температуры мас­ ло постепенно загустевает, его подвижность снижается, а вязкость растет. Существует температура, называе­ мая температурой застывания, при которой охлажден­ ное в пробирке масло загустевает настолько, что при наклоне пробирки на 45° уровень масла в ней остается неподвижным в течение 1 мин. При температуре засты­ вания парафин, несмотря на его небольшое содержание, образует объемистую и хрупкую кристаллическую ре­ шетку, однако достаточно прочную для того, чтобы сделать жидкость неподвижной и создать впечатление застывшего состояния. По ГОСТ 32-53 предельная температура застывания турбинного масла марки 22 не должна превышать 15 °С ниже нуля.

Выгоднее применять масла, у которых зависимость вязкости от температуры является наиболее пологой. Это важно для обеспечения максимальной несущей спо­ собности масляного клина в подшипниках, для стабиль­ ной работы системы регулирования. Степень пологости вязкостно-температурных кривых турбинных масел оце­ нивается так называемым индексом вязкости (ИВ), устанавливающим характер изменения вязкости v в за­ висимости от температуры t по сравнению с двумя эталонными маслами, вязкость которых при 98,8 °С рав­ на вязкости испытуемого масла. Индекс вязкости масла

123

характеризуют хорошие вязкостно-температурные свой­ ства масла; значения ИВ, равные 50—60 и ниже, — неудовлетворительные. ИВ турбинных масел ГОСТ не регламентирует. По ТУ 39-1-01-100-71 ИВ турбинного масла марки Ткп должен быть не менее 90.

Рис. 3-2. Изменение вязкости масла от температуры и давления.

Справочные данные по вязкости турбинного масла марки 22 приведены в таблице (приложение 4).

Вязкость масел возрастает с повышением давления. Взаимосвязь между вязкостью, температурой и давле­ нием турбинного масла показана на графике (рис. 3-2,6). У высоконагруженных деталей (зубчатые передачи, подшипники качения и др.) локальные давления в мас­ ляном слое иногда достигают 4 - 109 Па и масло превра­ щается в пластическое («квазитвердое») состояние. Возрастание вязкости масла при повышенных давле­ ниях учитывается при точных расчетах подшипников, в масляном клине которых могут возникать локальные давления до 3 • 107 Па.

124

Во врёМя эксплуатаций турбины вязкость масла по­

вышается за счет окисления, загрязнения, зашламления, обводнения и аэрации масла. Растворенные продукты старения масла, как правило, обладают большей вяз­ костью, чем исходный для окисления материал. Частич­ но вязкость масла увеличивается за счет испарения летучих фракций, вследствие чего так же повышается плотность и температура вспышки. Вода, растворенная в масле, практически не влияет на его вязкость. Вязкость же масловодяной эмульсии (т. е. эмульсии типа «вода в масле») всегда оказывается выше вязкости воды и масла, взятых отдельно1. Например, содержание 5% (по объему) диспергированной воды (в виде капель) увеличивает коэффициент динамической вязкости эмуль­ сии на 15—20% (Л. 93], что служит причиной повыше­ ния потерь напора в трубопроводах и дроссельных эле­ ментах, увеличения потерь энергии в подшипниках. Воздух и другие газы, растворенные в масле, несколько снижают его вязкость. Наоборот, вязкость аэрированно­ го масла цсм (механической смеси масла и пузырьков воздуха) оказывается выше и вязкости масла ц', и воз­ духа ц", рассматриваемых отдельно [Л. 158]. Известна

с газами: атмосферным воздухом, водородом, газообраз­ ными продуктами окисления углеводородов. Наиболь­ ший контакт образуется между маслом и воздухом, по­ скольку масляные системы паровых турбин не гермети­ зированы. Часть воздуха растворяется в масле, часть же образует с маслом механическую смесь различной структуры: в виде больших пузырей, «снарядов» и по-

1 Увеличение содержания воды в масле приводит к росту дина­ мической вязкости эмульсии до определенного значения, после чего наступает или разрушение эмульсии, или ее обращение (образуется эмульсия типа «масло» в воде, для которой аномального роста дина­ мической вязкости не наблюдается).

125

лостей, не заполненных маслом; в виде взвеси (эмуль­ сии) мелких пузырьков (диаметром 50—500 мкм), рав­ номерно распределенных по всему объему масла; в виде пены — ячеистой системы, в которой масло вытянуто в тонкие пленки, обволакивающие воздушные пузырьки.

а| Растворимость газов в масле

Нефтяные смазочные масла обладают способностью растворять в себе газы [Л. 3, 20, 50, 85]. При нормаль­ ных температуре и давлении турбинное масло может содержать растворенный воздух в количестве до 8—12% своего объема. С увеличением давления растворимость газов, в том числе и воздуха, в масле увеличивается, подчиняясь закону Генри:

растворимости, характеризующий концентрацию полного насыщения масла газом. Для нефтяных масел закон Генри справедлив при давлениях не выше 7 0 -105 Па.

Для турбинного масла марки 22 (ГОСТ 32-53) коэф­ фициенты растворимости а принимают значения, приве­ денные в табл. 3-1.

При растворении воздуха в масле соотношение меж­ ду входящими в состав воздуха газами изменяется. Так, атмосферный воздух содержит азота и кислорода соот­ ветственно 78 и 21% объемных долей. В масле же рас­ творяется азота 69,8, а кислорода 30,2%' объемных до­ лей. При снижении давления выделяющийся из раствора воздух будет содержать кислорода примерно на 40— 50% больше, чем его содержится в атмосферном воз­ духе. Вследствие этого значительно повышается взрыво­ опасность таких масляных паров. С повышением тем­

1 аза резко снижается.

Снижение поверхностного натяжения масла на гра­ нице с газом, вызванное, например, введением специаль­ ных присадок (полиметилсилоксана и др.), не умень-

126

Т а б л и ц а 3-1

Растворимость газов в турбинном масле

шает максимально возможного (равновесного) объема растворенного газа, но заметно замедляет скорость диффузии газа в масло, иначе говоря, увеличивает вре­ мя для полного насыщения масла данным газом.

Насыщение масла газами растянуто по времени. В поверхностном слое масла, находящемся в непосред­ ственном соприкосновении с газом, при повышении дав­ ления практически мгновенно устанавливается концен­ трация растворенного газа а, соответствующая полному насыщению при данных условиях. В частности, в этот первоначальный период времени (длительностью не бо­ лее 1 с) может раствориться сразу до 25% общего объема воздуха, заключенного в диспергированных пу­ зырьках. Затем наступает режим стационарного раство­ рения воздуха. В результате конвективной диффузии частицы масла с повышенным содержанием растворен­ ного воздуха постепенно переходят в более отдаленные слои объема масла. Практически во всем объеме масла (за исключением поверхностного слоя) концентрация раствора с поддерживается одинаковой. Скорость же проникновения воздуха через поверхностный слой ока­ зывается прямо пропорциональной разности концентра­ ций воздуха а—с. Время, необходимое для полного на­ сыщения заданного объема масла растворенным газом, можно найти, решив следующую систему дифферен­ циальных уравнений:

127

чие поверхностно-активных веществ и, главное, интен­ сивность перемешивания масла с газом. Ниже приведе­ на зависимость коэффициента скорости адсорбции воз­ духа в турбинном масле марки 22 от температуры t при отсутствии перемешивания масла и воздуха:

Скорость растворения воздуха в масле при переме­ шивании увеличивается в 20—30, а в некоторых случаях даже в 100 раз.

Кислород, растворенный в масле, является основной причиной окисления углеводородов. Все остальные газы, растворенные в масле, не оказывают существенного влияния на его свойства до того времени, когда при определенных условиях (например, при снижении дав­ ления ниже атмосферного) они не выделятся в виде пузырьков и не образуют механическую смесь с маслом.

б] Объемная прочность масла

Объемная прочность масел, как и любых других жидко­ стей, характеризуется тем отрицательным давлением (напряжением растяжения), при котором происходит «разрыв сплошности» однородной среды, образуется га­ зожидкостная смесь. Знание величины объемной проч­ ности масла необходимо при решении задач о повыше­ нии виброустойчивости подшипников турбомашин, при разработке методов повышения кавитационной стойкости элементов маслосистемы (насосов, редукционных клапа­ нов, золотников), работающих на новых маслах (синте­ тических или нефтяных, но с присадками). Для опреде­ ления объемной прочности масел разработано много при­ боров, работа которых основана на различных принци­ пах: капиллярном, ультразвуковом, механическом [Л. 78].

Для экспресс-анализа объемной прочности масла в УралВТИ разработан простой прибор, основанный ца

12&

Рис. 3-3. Прибор для определе­

фонной камере. В нем в отличие от аналогичных приборов исследуемое ма­ сло заливается в прозрач­ ную камеру с наружной стороны сильфона (рис. 3-3). Это позволяет обна­ руживать скопление воз­ духа между гофрами силь­ фона, легко и быстро уда­ лять его, визуально опре­ делять места разрыва ма­ сла при нагружении силь­ фона, получать более до­ стоверные результаты эксперимента [Л. 51].

В результате деформа­ ции сильфона происходит

разрыв масла, сопровождающийся характерным щелчком; одновременно идет бурное «кипение» масла с выделением пузырьков газа. Давление р, при котором происходит «разрыв сплошности» масла, подсчитывается по формуле

сильфона; х, у, — перемещение дна сильфона и нижнего конца пружины; р а — барометрическое давление; k i, k 2 —

коэффициенты жесткости сильфона и пружины.

Опыты УралВТИ показали, что объемная прочность

для масла марки ТСп-22 с антипенными (0,001%) и де­ эмульгирующими (0,005%) присадками.