И.В. Листопадов, Б. Б. Шершнев, ОМКБ «Горизонт»

Подшипники на газовой смазке применя­ются во многих областях деятельности — в энергомашиностроении, авиационном машиностроении, приборостроении, стан­костроении, медицине и т.д. Благодаря использованию в качестве смаз­ки газового слоя, отсутствуют те недостат­ки, которые свойственны опорам качения и скольжения на жидкостной смазке и вы­ражаются в ограниченном ресурсе опор, в изменении свойств жидкости при изме­нении температуры, в пожароопасности, сложности конструкции и пр.

Рис. 1. Схема сегментного радиального газового подшипника

Различают газодинамические, газостатические и гибридные подшипники.

Газодинамические опоры работают по принципу самопроизвольного поступления газа в зазор между двумя движущимися поверхнос­тями за счет наличия вязкого трения между эти­ми поверхностями и газом.

Работа газостатических опор связана с образованием в них газового слоя благодаря подаче газа под избыточным давлением, подво­димого от постороннего источника. К гибридным относятся подшипники, у которых преобладает тот или иной принцип действия в зависимости от режима работы. Например, при пуске-остановке подшипник работает как газостатический под­шипник, а на максимальной частоте вращения — как газодинамический с частичным или полным отключением внешнего наддува газа в зазор.

В данном случае объектом моделирования был сегмент гибридного радиального подшип­ника с самоустанавливающимися вкладышами, схема которого показана на рис. 1.

Рис. 2. Расчетная гибридная сетка

Основная цель моделирования заключалась в определении несущей способности (грузоподъ­емности) сегмента радиального газового подшип­ника в зависимости от таких факторов, как часто­та вращения, величина среднего зазора, влияние наддува воздуха от внешнего источника.

Особенностью расчета подшипников на га­зовой смазке является то, что согласно теории в рабочем зазоре между ротором и статором тече­ние является ламинарным, а в полости наддува и в раздающих отверстиях (дросселях) — турбу­лентным. Поэтому прямое использование какой- либо разновидности моделей турбулентности k-e- или k-ю-типов является некорректным. То же самое можно сказать и о моделях ламинарного течения жидкости (газа).

Однако в последней версии программного комплекса ANSYS CFX 10.0 появилась переход­ная модель турбулентности (Transition model), которая предусматривает применение, в зави­симости от числа Рейнольдса, разных подходов к моделированию течения (либо ламинарной модели течения, либо SST-модели турбулент­ности). Именно эта модель турбулентности и использовалась в газодинамических и тепловых расчетах для получения распределения давле­ний на поверхности ротора и определения по­догрева воздуха в зазоре.

Расчетная сетка была построена в ICEM CFD и представляла собой гибридную сетку: по­лость наддува подшипника была разбита тетра- эдрическими элементами, а рабочий зазор опи­сан гексаэдрическими элементами. Общее число элементов расчетной сетки составило порядка 2,3 млн. Внешний вид сетки показан на рис. 2.

Количество элементов по высоте радиаль­ного зазора в модели — 30. Установлено, что дальнейшее увеличение числа элементов по высоте зазора не влияет на точность решения.

Максимальное значение Y+ по результатам моделирования было получено в районе 0,8.

Использовались следующие граничные условия. При расчете сегмента с наддувом воз­духа от внешнего источника на входе и выходе задавалось давление. При отсутствии наддува на входе в зазор задавался расход, стремящий­ся к нулю. На поверхности ротора задавалась частота вращения вала, которая изменялась в пределах 8000—26 000 об./мин.

Ввиду того что граничным условием в модели (при наддуве воздуха) являлось давление на вхо­де и выходе, сходимость решения определялась по стабилизации расхода воздуха на выходе.

Рис. 3. Определение грузоподъемности сегмента

При навязанном шаге по времени (t) рав­ном 10-4 с сходимость результатов расчета до требуемой величины была получена на 550-й (600-й) итерации.

Рис. 4. Распределение давления на поверхности ротора

Для оценки несущей способности сегмента подшипника необходимо в первую очередь обес­печить условия равновесия сегмента относитель­но оси шаровой опоры. С этой целью методом последовательных приближений был произведен ряд расчетов, где для каждого среднего зазора (h0) в 50, 40, 30 мкм варьировались минимальный и максимальный зазоры (то есть конфузорность рабочего зазора между самоустанавливающим­ся сегментом и поверхностью вала).

Установившееся положение сегмента оп­ределялось из условия равенства моментов M1 и М2 сил давления относительно оси шаровой опоры сегмента (рис. 3):

М1 = М2 и P1 a1 = P2 a2, где P1, P2 — равнодействующие силы давления, действующие на левую и правую части сегмента относительно оси опоры сегмента; а1, а2 — рассто­яние от оси опоры сегмента до центра масс эпюр.

Задача интегрирования решалась в упро­щенной постановке с применением развертки эпюр давления на плоскость. Соответственно грузоподъемность сегмента оценивалась при­ближенным равенством:

P = P1 + P2.

Распределение давления на поверхности ротора с наддувом воздуха и без него при оди­наковом среднем зазоре (h0) равном 50 мкм и частоте вращения (n) в 26 000 мин-1 показано на рис. 4. Для удобства сравнения результаты вы­ведены в одной шкале значений.

На рис. 5 представлены графики распреде­ления давления на поверхности ротора при час­тоте вращения (n) равной 26 000 мин-1 в зависи­мости от величины среднего зазора с наддувом воздуха и без него. Кривые были получены путем осреднения давления в осевом направлении сег­мента подшипника и соответствуют трем средним зазорам 50, 40 и 30 мкм при наддуве воздуха.

Кроме того, на рис. 5 изображен график рас­пределения давления при отсутствии наддувоч­ного воздуха, то есть когда подшипник работает в газодинамическом режиме за счет поступления воздуха в рабочий зазор из свободного объема. По итогам моделирования были получены:

  • зависимость грузоподъемности сегмента от частоты вращения ротора;
  • зависимость грузоподъемности сегмента от величины среднего зазора;
  • зависимость расхода воздуха через один сегмент от среднего зазора.

Таким образом, с помощью расчетного комплекса ANSYS CFX можно получить все ос­новные параметры, необходимые для проекти­рования и доводки подшипников, работающих на газовой смазке.