«

скольжения, расчета толщины смазочного слоя в эластичных ...» -- [ Страница 2 ] -- Эксцентриситет 11,6 %; удельное давление 10,15 МПа; мощность 115 МВт; АМКБ – исходный профиль; АМ К Б – профиль упругого слоя после нагружения; А – входная кромка сегмента; Б – выходная кромка сегмента; 1 – диск пяты; 2 – фторопластовое покрытие; 3 – упругий материал МР; 4 – стальное основание сегмента Рисунок 18 – Форма зазора в среднем окружном сечении наружного ЭМП сегмента гидроагрегата А-8 ВоГЭС имени В.И. Ленина (р = 10,15 МПа) Эксцентриситет 11,6 %; удельное давление 10,15 МПа; мощность 115 МВт; 1 – диск пяты; 2 – фторопластовое покрытие; 3 – упругий материал МР; 4 – стальное основание сегмента Рисунок 19 – Форма зазора в радиальном сечении наружного ЭМП сегмента гидроагрегата А-8 ВоГЭС имени В.И. Ленина (р = 10,15 МПа). На всех режимах работы гидроагрегата, включая холодные и горячие пуски, а также выбеги ротора без торможения, эластичные сегменты работали надежно более 25 лет. Проведенные испытания открыли реальную перспективу для проектирования и создания гидроагрегатов нового поколения с единичной мощностью 1 млн. кВт и осевым усилием на подпятник 6000–7000 тс, что подтверждено актами о внедрении. Дальнейшие численные решения контактногидродинамической задачи были выполнены к.т.н. Ю.И. Байбородовым, к.т.н. В.А.Садыковым, к.т.н. М.И. Курушиным, к.т.н. А.И. Данильченко, к.т.н. А.В. Терещенко, к.т.н. Е.П. Жильниковым, к.т.н. Дьяченко, к.т.н. В.Н. Васиным, к.т.н. А.Н. Тихоновым, к.т.н. В.П. Тукмаковым, к.т.н. М..Я. Савкой, к.т.н. Ю.А. Инциным и другими, подтвердившими справедливость выводов, сделанных в выполненном анализе в общей математической форме уравнения (29). Следует особо отметить, что теоретическое решение по определению радиальной координаты центра гидродинамических давлений ЭМП сегментов имеет научно-технический приоритет, защищенный патентом РФ № 2262013 от 02.02.2004 г., и подтверждено натурными испытаниями на гидроагрегатах Жигулевской ГЭС, Саяно-Шушенской ГЭС и ГЭС-2 «Каскада Кубанских ГЭС» филиалов ОАО «ГидроОГК», что подтверждено актами о результатах испытаний и технической справкой.

закрытого типа открытого типа Рисунок 6 – Структура эластичного металлопластмассового подшипника скольжения Исследование физико-механических свойств ЭМП опор скольжения показало, что за счет указанных выше факторов можно получать опоры скольжения, различающиеся между собой по модулю упругости в десятки и сотни раз. Это дает возможность создавать работоспо­собные и долговечные тяжелонагруженные опоры скольжения для роторов энергетических установок. В Главе 4, п.п. 1, 4, 8, 9, 15-18, 20, 22, 27, 52 («Разработка конструкций эластичных металлопластмассовых опор скольжения для подпятников гидроагрегатов действующих ГЭС») дано обоснование применения ЭМП опор скольжения в подпятниках гидроагрегатов при наличии волнистости зеркала диска пяты, изложено исследование работоспособности и износостойкости ЭМП сегментов подпят­ника на насосе откачки Волжской ГЭС имени В.И. Ле­нина [37], описана выполненная конструкторская разработка ЭМП опор скольжения для подпятников гидроагрегатов Волжской ГЭС имени В.И. Ленина, приведено аналитическое обоснование влияния эластоэффекта на работоспособность и макрогеометрию сегментов подпятников гидроагрегатов, приведены результаты выполненных натурных испытаний ЭМП сегментов в подпятниках насосов откачки Волжской ГЭС им. В.И. Ленина и первых натурных испытаний опытных крупногабаритных ЭМП сегментов в подпятнике гидроагрегата № 9 Волжской ГЭС им. В.И. Ленина. Кроме того, приведены результаты проведенных натурных испытаний тяжелонагруженных ЭМП сегментов в подпятнике гидроагрегата № 8 Волжской ГЭС им. В.И. Ленина при удельной нагрузке 10,15 МПа. На основании анализа эксплуатации, характера и последовательности дефектов, имевших место в баббитовых опорах скольжения Волжской ГЭС имени В.И. Ленина, проведенного Лауреатом Государственной Премии СССР в области науки и техники Александровым А.Е., было сделано следующее заключение, что основной причиной ненадежной работы подпятников гидроагрегатов являются: 1) недопустимо высокая неровность (волнистость) зеркальной поверхности диска, достигающая величины 0,35–0,40 мм в зоне наружных сегментов и 0,15–0,20 мм - в зоне внутренних сегментов; 2) биение пяты в подпятнике, вызы­вающее дополнительную динамическую нагрузку на сегменты; 3) неравномерное распределение нагрузки по сегментам ряда; 4) относительно высокие нагрузки на сегменты в период пуска агрегата. Качественная картина деформаций и напряжений при волнистости зеркала диска пяты для баббитового и ЭМП сегмента показана на рисунках 7 и 8. На основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы: 1. ЭМП сегменты подпятников насо­сов откачки обладают высокой работоспособностью и износостой­костью в условиях частых пусков при удельной нагрузке в период пуска 1,47 МПа. 2. Эластичные сегменты обеспечивают устойчивый режим жидкостного трения при удельной нагрузке 5,39 МПа и скорости сколь­жения 11,55 м/с при смазке турбинным маслом. 3. Средний износ поверхности трения после наработки 2472 ча­сов и выполнения 3112 пусков имеет величину 8,8–14,4 мкм.

14

19

Рисунок 7 – Картина деформаций и напряжений в баббитовом сегменте Рисунок 8 – Картина деформаций и напряжений в сегменте с ЭМП покрытием 4. Интенсивность износа после приработки (выполнения 1140 пусков) значительно снижается. 5. Нестабильность геометрии эластичных сегментов в пределах 20–40 мкм не приводит к повреждениям и выходу из строя, т.е. практически не сказывается на работоспособности и надежности подпятника. 6. Качество фторопластовой поверхности трения после выполнения 3112 пусков и наработки 2472 часов практически не ухудшилось. 7. Механическая прочность новой конструкции отвечает требованиям эксплуатации. Нарушения структуры эластичного вкладыша из материала «МР», а также паяного соединения не обнаружено. 8. Нарушения механического соединения фторопластового поверхностного антифрикционного слоя со спрессованными проволочными спиралями не обнаружено. 9. ЭМП опоры скольжения могут применяться в гидроагрегатах Волжской ГЭС им. В.И. Ленина и других машинах, работающих в условиях частых пусков и остановок под нагрузкой. В подразделах 3.3 и 4.4 диссертации было доказано, что для получения оптимальных конструкций упругодеформирующихся опор скольжения необходимо учитывать влияние эластоэффекта на их гидродинамические характеристики, начальную (исходную) макрогеометрию и координату центра гидродинамических давлений. Если в период пуска агрегата при наличии волнистости зеркала пяты податливость выполняет положительную роль и приводит к снижению контактных напряжений, как показано на рисунках 8 и 9, то в период уста­новившегося движения эта же податливость может привести к отрицатель­ному и нежелательному явлению – снижению гидродинамической грузоподъемности опоры скольжения за счет существенного изменения формы зазора. Качественный анализ показал, что при начальной геометрии поверх­ности трения сегмента, выполненной в форме плоскости, на входном участке сегмента в результате деформации образуется расширяющиеся зазор, как видно на рисунке 9. В соответствии с общеизвестными положениями гидродинамичес­кой теории смазки при расширяющемся зазоре не могут возникать гидродинамические давления, следовательно,

3. Увеличить маневренность гидроагрегата в 40 и более раз. (Эластичные металлопластмассовые опоры скольже­ния не ограничивают время выстоя агрегата перед последующим пуском, предусмотренного инструкцией по эксплуатации гидроагрегатов). 4. Исключить лавинный процесс повреждения сегментов. 5. Исключить повреждение зеркала диска пяты. 6. Уменьшить потери на трение при пусках в 2,5–3 раза. 7. Уменьшить потери на трение в установившемся режиме работы агрегата. 8. Исключить трудоемкую ручную операцию - шабровку поверхностей трения. 9. Сократить время простоя агрегата в ремонте. 10. Исключить подъем ротора на гидроцилиндрах с пос­ледующим его опусканием на подпятник перед пуском агрегата после того, как агрегат не работал более 100 часов. 11. Обеспечить проворот ротора краном во время ремонтов без подъема ротора на гидроцилиндрах и без смазки поверхностей трения органическим жиром (говяжьим салом). Результаты проведенных исследований показали, что новые эластичные опоры скольжения весьма эффективны в подпятниках гидроагрегатов при удельной нагрузке 5,5 МПа. Аналогичные испытания ЭМП опор скольжения при удельных нагрузках 6,0 МПа были проведены на Саратовской ГЭС, Братской, Усть-Илимской, Плявиньской и Саяно-Шушенской ГЭС. Более того, в дальнейшем нами были проведены натурные испытания в супернагруженных ЭМП сегментах в подпятниках гидроагрегата № 8 Волжской ГЭС им. В.И. Ленина при удельной нагрузке 10,16 МПа и на гидроагрегате № 12 Братской ГЭС при нагрузке 10,6 МПа. На рисунках 12, 13, 14, 15, 16, 17 приведены определенные в процессе натурных испытаний рабочие параметры супернагруженных сегментов, включающие в себя распределение температур и гидродинамических давлений по поверхности трения испытуемых сегментов и найденную расчетно-экспериментальным путем форму зазора в среднем окружном сечении и радиальном сечении ЭМП сегментов, что показано на рисунках 18 и 19. Рисунок 12 – Распределение температуры в среднем окружном сечении ЭМП сегмента № 17 наружного ряда гидроагрегата А-8 ВоГЭС им. В.И. Ленина (р = 10,15 МПа) Рисунок 13 – Распределение температуры в среднем окружном сечении ЭМП сегмента № 17 внутреннего ряда гидроагрегата А-8 ВоГЭС им. В.И. Ленина (р = 10,15 МПа) Рисунок 14 - Распределение температуры в радиальном сечении наружного ряда гидроагрегата А-8 ВоГЭС им. В.И. Ленина (р = 10,15 МПа) Рисунок 15 - Распределение температуры в радиальном сечении внутреннего ряда гидроагрегата А-8 ВоГЭС им. В.И. Ленина (р = 10,15 Па)

Рисунок 17 – Распределение температуры на поверхности трения сегмента № 17 наружного ряда гидроагрегата А-8 ВоГЭС имени В.И. Ленина Рисунок 18 – Распределение гидродинамического давления в окружном направлении по среднему радиусу ЭМП сегмента № 15 наружного ряда гидроагрегата А-8 ВоГЭС им. В.И. Ленина Рисунок 19 – Распределение гидродинамического давления в радиальном сечении сегмента № 15 наружного ряда гидроагрегата А-8 ВоГЭС им. В.И. Ленина Эксцентриситет 11,6 %; удельное давление 10,15 МПа; мощность 115 МВт; АМКБ – исходный профиль; АМ К Б – профиль упругого слоя после нагружения; А – входная кромка сегмента; Б – выходная кромка сегмента; 1 – диск пяты; 2 – фторопластовое покрытие; 3 – упругий материал МР; 4 – стальное основание сегмента Рисунок 20 – Форма зазора в среднем окружном сечении наружного ЭМП сегмента гидроагрегата А-8 ВоГЭС имени В.И. Ленина (р = 101,5 кгс/см2) Эксцентриситет 11,6 %; удельное давление 10,15 МПа; мощность 115 МВт; АМКБ – исходный профиль; АМ К Б – профиль упругого слоя после нагружения; А – входная кромка сегмента; Б – выходная кромка сегмента; 1 – диск пяты; 2 – фторопластовое покрытие; 3 – упругий материал МР; 4 – стальное основание сегмента Рисунок 21 – Форма зазора в радиальном сечении наружного ЭМП сегмента гидроагрегата А-8 ВоГЭС имени В.И. Ленина (р = 101,5 кгс/см2)

18

15

Координата центра давления Хц определяется соотношением (35) Величина деформаций ЭМП покрытия определялась в предположении гипотезы Винклера-Циммермана о пропорциональности деформаций действующим нагрузкам: (36) где p – гидродинамическое давление в рассматриваемом сечении, МПа; – толщина ЭМП покрытия, м; E– приведённый модуль упругости; m– коэффициент Пуассона. Безусловно, это было первым приближением решения контактно-гидродинамической задачи для плоских поверхностей и требовалось более точное обобщённое решение. Но это более точное решение требовало дополнительного времени. В крайне острой ситуации, связанной с неудовлетворительной работоспособностью подпятников на гидроагрегатах крупнейших ГЭС (Волжской имени В.И.Ленина, Саратовской, Волгоградской, Плявиньской, Братской, Красноярской и других ГЭС СССР), обнадёживающие теоретические приближенные решения и положительные результаты натурных испытаний ЭМП сегментов на насосе откачке ВоГЭС им. В.И.Ленина позволили нам и руководству ВоГЭС принять смелое по тем временам решение об изготовлении ЭМП сегментов для натурных испытаний в подпятнике гидроагрегата № 9. На рисунке 11 показаны расчетные эпюры гидродинамических давлений и расчётные формы зазоров в наружном сегменте с новой макрогеометрией. Рисунок 11 - Расчетные эпюры гидродинамических давлений и форма зазора в ЭМП сегменте наружного ряда с новой геометрией и учетом деформаций для подпятника гидроагрегата ст. №9 ВоГЭС имени В.И. Ленина Изготовленные в соответствии с расчетной макрогеометрией ЭМП сегменты были установлены на гидроагрегат № 9 Волжской ГЭС им. В.И. Ленина, где были проведены всеобъемлющие натурные испытания. Результаты этих натурных испытаний приведены в подразделе 4.4.5 диссертации. Проведенные испытания и опыт безремонт­ной эксплуатации эластичных металлопластмассовых опор скольжения в подпятнике гидроагрегата № 9 Волжской ГЭС имени В. И. Ленина по­казали, что применение новых конструкций позволило: 1. Восстановить и обеспечить длительную высокую работо­способность и надежность подпятника гидроагрегата № 9. 2. Снять все ограничения по пускам и режимам работы аг­регата в условиях, когда баббитовые серийные сегменты становится полностью неработоспособными (сплошной грубый задир и подплавление поверхности трения после выполнения двух-трёх пусков агрегата).

часть сегмента, прилежащая к зоне расширяющегося зазора не будет нести гидродинамическую нагрузку. Это обстоятельство, в свою очередь, приведет к общему снижению грузоподъемности всего сегмента до уровня, при котором будет неосуществим режим жидкостного трения. Рисунок 9 – Схема проявления эластоэффекта в ЭМП сегменте подпятника с традиционной макрогеометрией поверхности трения Рисунок 10 – Схема новой, оптимальной макрогеометрии ЭМП сегмента подпятников Выполненный нами анализ показал, что для устранения отрицательного влияния податливости на гидродинамическую несущую способность в эластичных сегментах подпятников необходимо изменить начальную макрогеометрию сегментов. Это стало возможным за счёт выполнения макрогеометрии ЭМП сегмента в форме выпуклой кривой, форма которой близка к асимметричной параболе, как это показано пунктирной линией на рисунке 10. Причём амплитуда этой кривой относительно плоскости, проходящей через набегающую и сбегающую кромки, показанной штрих-пунктирной линией, определяется величиной упругих деформаций, при которых форма зазора будет представлять сужающийся, возможно нелинейный клин на всей длине сегмента, как это показано на рисунке 10 сплошной линией. Таким образом, определение начальной макрогеометрии ЭМП сегментов требует знания величин деформаций в каждой из рассматриваемых точек относительно базовой плоскости, показанной на рисунке 10 штрих-пунктирной линией. Иными словами, требовалось решить гидродинамическую задачу с учётом местных деформаций ЭМП сегмента по всей зоне трения. Сущность решения состояла в определении суммарной несущей способности эластичного сегмента и сравнении её с несущей способностью жёсткого баббитового сегмента. Для решения контактно-гидродинамической задачи была применена общепринятая схема анализа грузоподъёмности плоских самоустанавливающихся сегментов. При этом ; ; ХЭ; 0Э Тогда, с учетом деформаций ЭМП сегмента, которые показаны на рисунке10, для общего случая формулировки и решения контактно-гидродинамической задачи основные уравнения были получены в следующей форме: (26) ( 27) где - вязкость смазки; и - толщины смазочного слоя на сбегающей и набегающей кромках сегмента; hхБ, hхЭ - толщина смазочного слоя в произвольном сечении для баббитового и эластичного сегментов; h0Б, h0Э - толщина смазочного слоя для баббитового и эластичного сегментов в сечении экстремума

16

17

давлений; - местное давление; хэ- деформация ЭМП покрытия в произвольном сечении; 0Э- деформация ЭМП покрытия в сечении экстремума давления; – скорость скольжения; jpg">- теплоёмкость масла; - плотность смазочной среды. В этом случае местное гидродинамическое давление определяется соотношением Или Погонная нагрузка определится соотношением (30) Решение полученной системы уравнений представляет собой сложную задачу, поскольку величина деформаций ЭМП покрытия является функцией гидродинамических давлений, а сами местные давления определяются формой зазора, т.е. деформациями ЭМП покрытия, являющимися функцией гидродинамических давлений. Вместе с тем, уже на первом этапе разработки и изготовления опытных ЭМП сегментов для мощного гидроагрегата Волжской ГЭС им. В.И. Ленина было важно иметь сопоставление классического решения гидродинамической задачи для жёстких самоустанавливающихся сегментов с новым решением, учитывающим деформации ЭМП покрытия, ведущие к изменению формы зазора и, следовательно, к изменению несущей способности ЭМП сегментов. Для оценки изменения несущей способности эластичных металлопластмассовых сегментов был проведен анализ в общей математической форме. Сущность этой оценки заключается в следующем. Для жесткого, баббитового сегмента деформации покрытия равны нулю. При этом в выражении (29) второй интеграл равен нулю, а знаменатель подынтегральной функции первого интеграла равен единице. Для эластичного сегмента второй интеграл есть величина отрицательная, так как 0Э >, а первый интеграл меньше первого интеграла для жесткого баббитового сегмента, так как у него знаменатель подынтегральной функции больше единицы. Таким образом, местные гидродинамические давления в одноименных сечениях для ЭМП сегмента будут меньше соответствующих местных гидродинамических давлений для баббитового сегмента. При этом согласно (30) погонная нагрузка для ЭМП сегмента будет меньше погонной нагрузки для жесткого баббитового сегмента. Проведенный анализ в общей математической форме без выполнения численных расчетов показал, что податливость ЭМП сегментов при отсутствии степени свободы ротора в осевом направлении приводит к снижению местных гидродинамических давлений (29). В связи с тем, что в гидроагрегатах ротор обладает степенью свободы в осевом направлении, произойдет уменьшение толщины смазочного слоя до такого значения, что возрастающие местные гидродинамические давления восстановят грузоподъемность в прежнем значении,

которое будем считать предельным для баббитового сегмента. ЭМП сегмент будет работать в режиме гидродинамического трения. Дальнейшее увеличение осевой нагрузки приведет к дальнейшему уменьшению толщины смазочного слоя. Однако благодаря прекрасным противозадирным свойствам фторопласта надежная работоспособность ЭМП сегментов сохранится. Таким образом, мы можем говорить об увеличении грузоподъемности ЭМП сегментов по сравнению с жесткими, баббитовыми сегментами. Ранее мы показали, что также имеет место увеличение грузоподъемности радиальных ЭМП подшипников скольжения по сравнению с жесткими баббитовыми. Это свойство увеличения грузоподъемности мы и определяем как эластоэффект. Податливость определяет также начальную макрогеометрию поверхности трения в окружном направлении при проектировании ЭМП сегментов для подпятников гидроагрегатов. Это решение является наиболее точным среди опубликованных в технической литературе, поскольку ни в одной из указанных работ не учитывается влияние эластоэффекта на распределение гидродинамических давлений в окружном и радиальном направлении. Таким образом, была создана научная, теоретическая, конструкторско-технологическая и экспериментальная база для проектирования ЭМП сегментов подпятников гидроагрегатов и других машин. Теоретически начальная макрогеометрия поверхности трения ЭМП сегмента должна быть в форме кривой линии, выпуклая часть которой направлена в сторону зеркала пяты, т.е. быть зеркально отражённой эпюре возникающих деформаций. Однако выполнение такой геометрии на столь крупных сегментах в то время технологически не было освоено. В связи с этим мы приняли решение апроксимировать эпюру отражённых деформаций тремя плоскими участками и произвести расчет эпюры гидродинамических давлений на основании общих уравнений гидродинамической теории смазки. С учётом выполненных расчетов уравнение для погонной нагрузки будет иметь вид . (31) С достаточной точностью можно предположить, что обрыв смазочного слоя происходит в зоне выходного наклонного участка III при толщине смазочного слоя hIII=h0. По найденному h0 определим параметры интегрирования на третьем участке (32) С учётом найденных h0 и пределов интегрирования уравнения (31) находим погонную нагрузку P0 и далее полную несущую способность сегмента . (33) –- коэффициент, учитывающий конечность ширины сегмента: (34) где Lp– длина сегмента; B – ширина сегмента.

испытаний ЭМП сегментов на насосе откачке ВоГЭС им. В.И.Ленина позволили нам и руководству ВоГЭС принять смелое по тем временам решение об изготовлении ЭМП сегментов для натурных испытаний в подпятнике гидроагрегата № 9. На рисунке 12 показаны расчетные эпюры гидродинамических давлений и расчётные формы зазоров в наружном и внутреннем сегментах, с новой конструктивной макрогеометрией. Рисунок 12 - Расчетные эпюры гидродинамических давлений и форма зазора в ЭМП сегментах с новой конструктивной геометрией и учетом деформаций для подпятника гидроагрегата ст№9 ВоГЭС имени В.И. Ленина Изготовленные в соответствии с расчетной макрогеометрией ЭМП сегменты были установлены на гидроагрегат № 9 Волжской ГЭС им. В.И. Ленина, где были проведены всеобъемлющие натурные испытания. Результаты этих натурных испытаний приведены в подразделе 4.4.5 диссертации. Проведенные испытания и более чем 9-ти летний опыт безремонт­ной эксплуатации эластичных металлопластмассовых опор скольжения в подпятнике гидроагрегата № 9 Волжской ГЭС имени В. И. Ленина по­казали, что применение новых конструкций позволило: 1. Восстановить и обеспечить длительную высокую работо­способность и надежность подпятника гидроагрегата № 9. 2. Снять все ограничения по пускам и режимам работы аг­регата в условиях, когда баббитовые серийные сегменты становится полностью неработоспособными (сплошной грубый задир и подплавление поверхности трения после выполнения 2–3-х пусков агрегата). 3. Увеличить маневренность гидроагрегата в 40 и более раз. (Практически эластичные металлопластмассовые опоры скольже­ния нисколько не ограничивают время выстоя агрегата перед последующим пуском и указанная цифра определяется временем подготовки агрегата к пуску после очередной его остановки, а также временем ограничения по пускам, предусмотренным инструкцией по эксплуата­ции агрегатов). 4. Исключить лавинный процесс повреждения сегментов. 5. Исключить повреждение зеркала диска пяты. 6. Уменьшить потери на трение при пусках в 2,5–3 раза. 7. Уменьшить потери на трение в установившемся режиме работы агрегата. 8. Исключить трудоемкую ручную операцию - шабровку поверхностей трения. 9. Сократить время простоя агрегата в ремонте. 10. Исключить подъем ротора на гидроцилиндрах с пос­ледующим его опусканием на подпятник перед пуском агрегата после того, как агрегат не реработал более 100 часов. 11. Обеспечить проворот ротора краном во время ремонтов без подъема

Pages:     | 1 |

2

|