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

Г Л А В А ПЕРВАЯ

КОНСТРУКЦИИ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ ТУРБОАГРЕГАТА, СОПРЯЖЕННЫХ С МАСЛОМ

1-1. ВИДЫ ТРЕНИЯ И РЕЖИМЫ СМАЗКИ

По современным воззрениям внешнее трение является результатом смешанного механического и молекулярно­ го взаимодействия соприкасающихся поверхностей. Меж­ ду телами, находящимися в контакте, возникает связь за счет взаимно зацепившихся или внедрившихся не­ ровностей (шероховатостей). В возникновении силы тре­ ния существенную роль играют и молекулярные силы, действующие между поверхностями.

Различают следующие виды трения: чистое (ювениль­ ное), граничное и жидкостное [Л. 105]. Ювенильное тре­ ние характеризуется отсутствием всякой смазки на аб­ солютно чистых, не защищенных какими-либо пленками поверхностях. Оно может быть создано искусственно в условиях тонкого физического эксперимента. В прак­ тических условиях ювенильное трение возникает на отдельных участках трущихся поверхностей, обнажив­ шихся при удалении поверхностных пленок при износе.

Для граничного трения характерно образование на сопряженных поверхностях несущего моноили мультимолекулярного слоя смазочного вещества. Сопротивле­ ние сдвигу между слоями граничной смазки значитель­ но меньше, чем сопротивление сдвигу ювенильных по­ верхностей.

Механизм снижения смазочным маслом граничного трения основан на свойствах граничных пленок: а) пере­ носить (полно или частично) из металла в пленку сдвиг, возникающий при движении трущихся поверхностей, и уменьшать тем самым механическую составляющую си­ лы трения (рис. 1-1,а, б); б) ослаблять (экранировать)

10

силовое поле твердых поверхностей и тем самым умень­ шать адгезионную составляющую силы трения.

Разновидностью граничного трения считают «сухое» трение тел, хотя специально и не смазываемых, но все же покрытых тонкими пленками окислов, предупрежда­ ющих непосредственный контакт.

Граничное трение в чистом виде может быть только на незначительных участках. Обычным же видом трения при невозможности жидкостной смазки является сме-

стей R z\ взаимного внедрения поверхностей нет; между вершинами неровно­

11

шанное трение, характеризуемое сосуществованием на смежных участках поверхности сухого, граничного, полужидкостного, жидкостного, а в отдельных точках и ювенильного видов трения. Обычно такое трение назы­ вают «трением при несовершенной смазке». Оно возни­ кает в узлах при больших удельных нагрузках и малых скоростях скольжения, при пониженной вязкости под­ водимой смазки, при пуске и остановке механизмов, при перекосах вала, при скудной смазке.

Жидкостное трение возникает в том случае, когда сопряженные поверхности разделены достаточно толс­ тым слоем масла, препятствующим зацеплению неровно­ стей.

Для выражения величины сопротивления трению в за­ висимости от приложенной нагрузки применяется услов­ ная эмпирическая характеристика—-коэффициент тре­ ния

и нагрузкой, нормальной к поверхности трения. Эта за­ кономерность соблюдается лишь в ограниченном диапа­ зоне нагрузок и скоростей, поэтому при пользовании ею выбирают величину f, наиболее соответствующую част­ ным условиям трения.

Перечисленным видам трения— граничному, жидко­ стному — соответствуют одноименные режимы смазки; граничный и жидкостный.

Режим смазки может быть воспроизведен эмпириче­

дает значение статического коэффициента трения (при трогании детали, например вала, с места). При малых значениях параметра X коэффициент трения остается практически постоянным (участок АБ), а затем наблю­ дается резкое его падение, что соответствует переходу от сухого трения к полусухому и далее к граничному и полужидкостному (левая ветвь кривой). Правая ветвь

12

кривой ВГ соответствует режимам чисто жидкостного трения.

В последнее время в связи с развитием эластогидродинамической теории смазки классическое деление на два основных вида смазки (граничная, жидкостная) изменилось. Ранее считалось, что сразу же после разру­ шения гидродинамической пленки возникает граничная смазка, при которой трение и износ резко возрастают. Позднее было показано, что возрастание трения после разрушения гидродинамической смазки не обязательно характеризует переход к граничной смазке. Существует промежуточная область смазки, несущий масляный слой при которой образуется между упругодеформируемыми твердыми поверхностями. Основное влияние на такой слой оказывают изменение вязкости в зависимо­ сти от давления (при этом увеличение вязкости может достигать 3—4 порядков) и модуль упругости материала деталей. Такой режим смазки называется эластогидродинамическим (вязкоупругим), квазигидродинамическим, при котором антифрикционные свойства материа­ лов и маслянистость смазки (см. § 3-6) имеют второсте­ пенное значение. Эластогидродинамика охватывает область смазки от тяжелонагруженных элементов ма­ шин (шестерен, подшипников качения) до мягких уплот­ нений и подшипников скольжения. И лишь только после разрушения эластогидродинамической пленки наступает граничное трение (или смешанное) [Л. 91].

В стационарных турбоагрегатах применяют подшип­ ники скольжения. Использование подшипников качения, несмотря на многообразие их типоразмеров и высокое качество изготовления, оказывается в данном случае нерациональным, а иногда и невозможным. В частности, подшипники качения недостаточно долговечны, они нена­ дежны при высоких окружных скоростях и динамиче­ ских нагрузках, непригодны в тех случаях, когда для удобства монтажа и демонтажа турбины нужны разъем­ ные опоры.

Для смазки подшипников скольжения турбомашин применяют жидкости (минеральные или синтетические масла, воду [Л. 160]), пар или газ. В современных тур­ бомашинах для смазки подшипников преимущественно применяется масло нефтяное или синтетическое.

Подшипники турбоагрегатов фиксируют надлежащее положение вращающегося водопровода относительно

13

неподвижных деталей статора и воспринимают различ­ ные по характеру действия и направлениям нагрузки: силу собственного веса ротора; усилия от неуравнове­ шенного давления пара на лопатки, диски и другие дета­ ли ротора; окружные усилия; центробежные силы не­ уравновешенной массы ротора; нестационарные возму­ щающие газодинамические силы в проточной части тур­ бины и электромагнитные в генераторе, другие цикличе­ ские нагрузки.

Опорные подшипники воспринимают радиальные на­ грузки и определяют необходимые радиальные зазоры в уплотнениях, в проточной части, между ротором и ста­ тором генератора.

Упорные подшипники воспринимают осевые нагруз­ ки, действующие на валопровод, и обеспечивают необ­ ходимые зазоры в осевом направлении.

ет трение при несовершенной смазке. При нормальной же эксплуатации турбоагрегата сопряженные поверхно­ сти трения (шейка вала и вкладыш опорного подшипни­ ка, упорный гребень и колодки упорного подшипни­ ка) полностью отделяются слоем масла, обеспечиваю­ щим жидкостное трение.

Жидкостная смазка создается двумя эффектами: гидродинамическим и гидростатическим; гидродинами­ ческий заключается в самопроизвольном создании гру­ зоподъемного масляного слоя между сопряженными по­ верхностями скольжения в результате затягивания мас­ ла в клиновой зазор без приложения внешнего давле­ ния; гидростатический возникает в результате приложе­ ния к масляному слою внешнего давления.

В подшипниках турбомашин используется в основном

скоростью и. Зазор между плоскостями заполнен мас­ лом. Высота щели на входе масла hi больше, чем на выходе h2. Примем вначале, что распределение скоро­ стей по высоте зазора имеет линейный характер. По­ верхность D увлекает за собой параллельные слои масла:

14

Первый (прилегающий к ней) — в результате адсорб­ ции и механического взаимодействия неровностей, сле­ дующий— в силу вязкости. На неподвижной поверхно­ сти Я скорость масла равна нулю, на поверхности D равна и, средняя скорость равна и/2. Секундный рас­ ход масла на единицу ширины плоскости Я (ширина

в клин получается больше расхода на выходе, что про­ тиворечит условию неразрывности течения (масло при­ нимается несжимаемым). Положение автоматически выправляется тем, что в смазочной щели возникает дав­ ление. На входе в клин поток масла должен преодоле­ вать положительный градиент давления. Это ограничи­ вает расход входящего в щель масла, вызывая искаже­ ние профиля скоростей: вместо прямолинейного профи­ ля образуется вогнутый криволинейный. На выходе из клина давление усиливает истечение масла из щели, превращает линейный профиль скоростей в выпуклый, вследствие чего расход вытекающего масла становится

больше ~2-uh2.

между плоскостями Я и Я устанавливается так, чтобы расход масла всюду оставался постоянным, т. е. чтобы площади под кривыми скоростей масла во всех попереч­ ных сечениях масляного слоя были одинаковыми. Ли­ нейный профиль скоростей существует только в щели высотой h0, где давление достигает максимального зна­ чения (производная др/дх равна нулю, градиент давле­ ния отсутствует). В итоге в зоне контакта трущихся по­ верхностей происходит сложение двух видов течения

диентом давления (течение Куэтта, характеризующееся линейным профилем скорости масла) и создающегося под действием градиента давления (рис. 1-1,е), которое развивается в масляном слое (течение Пуазейля, харак­ теризующееся параболическим профилем скорости мас­ ла). Результирующий профиль скорости масла при сме­ шанном течении показан на рис. 1-1,ж.

15

Если бы не было суживающего масляного клина (при параллельности поверхностей Н и D — на рис. 1-1,а), не было бы и надобности в образовании градиентов давле­ ния и вызываемого ими искажения профиля скоростей. Давление масла между плоскостями оставалось бы по­ стоянным, равным окружающему давлению среды: плоскость Н не могла бы нести никакой нагрузки. Таким образом, наличие суживающего зазора между поверх­ ностями приводит к самопроизвольному появлению не­ сущей способности масляного клина без приложения внешнего давления. В некоторых случаях подшипник с параллельными поверхностями скольжения может все же нести нагрузку. Так происходит при нагреве масла, протекающего через постоянный зазор. Объем вытека­ ющего нагретого масла должен быть равен объему по­ ступающего холодного, что возможно лишь при возник­ новении градиентов давления, ограничивающих приток и усиливающих истечение масла из щели, как это про­ исходит и в нормальном клиновом подшипнике. Этот эффект называется «тепловым клином» [Л. 72, 105].

При гидростатической смазке необходимый градиент давления в зазоре создается путем подачи масла от на­ соса высокого давления. В зазоре возникает течение Пуазейля с параболическим профилем скоростей. Отно­ сительное движение одной из сопряженных поверхностей становится необязательным. Жидкая масляная прослой­ ка будет существовать даже при невращающемся вале

[Л. 105].

В тонком смазочном слое подшипника при невысо­ ких скоростях скольжения устанавливается, как прави­ ло, ламинарное течение масла. В мощных паровых тур­ бинах (300 МВт и более) роторы вынуждены переда­ вать огромные крутящие моменты, вследствие чего возникла необходимость применять опорные подшипни­ ки с весьма большими диаметрами расточек вкладышей (420—600 мм и более). Окружные скорости шеек валов при этом достигают 66—94 м/с (при частоте вращения вала 3 000 мин-1) . В таких крупногабаритных подшип­ никах в смазочном слое возникает турбулентный режим течения масла.

Процесс возникновения турбулентности может быть представлен следующим образом. При относительно не­ большой скорости вращения вала частицы масла имеют круговую траекторию. С увеличением этой скорости

16

слой Масла, находящиеся вблизи шейки вала, начинают перемещаться к расточке вкладыша под действием цен­ тробежных сил, и при определенном числе Рейнольдса в масляном слое возникают правильно чередующиеся вихри с левым и правым вращением и с осями, парал­ лельными направлению окружной скорости вала. Такую картину впервые наблюдал Тейлор [Л. 72] при изучении движения жидкости между двумя концентрическими цилиндрами, из которых внутренний вращался. Им же теоретически исследовано условие возникновения таких вихрей и получено совпадение теории с экспериментом. Это условие может быть представлено в таком виде:

этому появление турбулентности следовало бы ожидать при Re—830. Однако более поздние эксперименты дали основание сделать вывод о том, что нарушение ламинарности задерживается из-за эксцентричного расположе­

с цилиндрической расточкой, установили, что критиче­ ское число Re, подсчитанное по кинематической вязко­ сти масла при температуре на выходе его из подшип­ ника, оказалось равным 1 300. Испытания крупногаба­ ритных подшипников на стенде УралВТИ показали, что критическое число Re, определенное по среднеинтеграль­ ной вязкости смазочного слоя, равно 2 000. Следует подчеркнуть, что для довольно большой области чи­ сел Re, превышающих значения, вычисленные по фор­ муле (1-2), вихри остаются устойчивыми и течение сохраняется ламинарным. При Re>2 000 в подшипнике лишь нарушается ламинарный режим течения масла и наступает переходный, а развитая турбулентность появ­ ляется, по-видимому, при значительно^бшшдщх—ч-и&

1-2. ОПОРНЫЕ ПОДШИПНИКИ

а] Конструкции опорных подшипников

Опорный подшипник состоит из корпуса (картера), вкладыша и крышки. Корпус устанавливается отдельно1 от цилиндра турбины и, кроме того, нередко отгоражи­ вается тепловыми экранами. Вкладыш подшипника со­ стоит из двух половин, скрепленных по разъему болтами. Внутренняя поверхность вкладыша заливается бабби­ том и расточивается. Известно большое количество типов расточек вкладышей (рис. 1-2). Наиболее часто применяют цилиндрическую и овальную (двухцентро? вую) расточки, реже — трехклиновую, четырехклиновую, спиральную и др. Цилиндрическая расточка является наипростейшей, но она не всегда обеспечивает надле­ жащую виброустойчивость шейки вала на масляной пленке |[Л. 72, 130]. При овальной расточке в верхнем вкладыше образуется дополнительный масляный клин, отжимающий вал к нижнему вкладышу: возникшая вибрация вала будет гаситься за счет демпфирующих свойств обоих клиньев. При многоклиновой расточке образуется ряд масляных клиньев, нагружающих вал со всех сторон, что повышает устойчивость шипа на масляной пленке.

Опорный подшипник характеризуется следующими геометрическими размерами: диаметром вала D, диа­ метром расточки вкладыша Do, длиной опорной части /, диаметральным вертикальным 2бв и боковым 2бг. зазо­ рами, толщиной прокладки 2Д, устанавливаемой в разъе­ ме вкладыша при расточке овального подшипника (рис. 1-3); кроме того, задаются безразмерные харак­ теристики: относительная длина опорной части вклады­ ша IjD, относительный вертикальный — 26B/D и боко­ вой (горизонтальней) фг=2бг/П зазоры, коэффициент формы расточки вкладыша

Зазоры в подшипниках в большинстве случаев вы­ бираются исходя из того, чтобы обеспечить расход мас­ ла, достаточный для отвода тепла при сравнительно

1 Со стороны выхлопной части ЦНД конденсационных турбин корпус подшипника устанавливается заодно с цилиндром.

18

небольшом нагреве. В некоторых подшипниках верти­ кальный зазор ограничивается условием устойчивости масляной пленки. Для турбинных подшипников с цилин­ дрической расточкой вкладыша принимают ч|)в = 0,0013 =

Й-Й

Рис. 1-2. Типы опорных вкладышей,

а — с цилиндрической расточкой; б —с верхней канавкой; в —с верхним усту­