К расчету опорных подшипников горизонтальных гидротурбин
В ПО «Ленинградский металлический завод» были проведены испытания по измерению толщины и температуры гидродинамического масляного слоя в отдельных точках одного из сегментов опорного подшипника горизонтальной капсульной гидротурбины. Конструкция подобного подшипника рассмотрена в литературе [1], интерес к ним вызван большими удельными нагрузками, доходящими до 4,0 МПа, и связанными с этим вопросами надежности их работы.
Для измерения толщины масляного слоя были разработаны и изготовлены малогабаритные индуктивные датчики [2]. Температура вблизи исследуемых точек измеряли стандартными термосопротивлениями ТСМ-410.
Четыре датчика в сегменте установили с уступом в 0,20 ... 0,25 мм относительно поверхности трения: два у входной и два у выходной кромки. Перед сборкой подшипника датчики были протарированы непосредственно в сегменте с помощью приспособления, основанного на использовании механического индикатора часового типа. При тарировке и измерениях использовали специальный балансировочный четырехканальный прибор без усиления сигнала, содержащий по две индуктивные катушки в каждом канале, дополняющие обмотки датчиков до измерительного моста, и схему температурной компенсации. Перед тарировкой датчики были собраны в одну измерительную схему с прибором и шлейфным осциллографом Н700, протарированы и в таком виде схему использовали во время испытаний.
Принцип работы схемы заключался в измерении тока в диагонали измерительного моста, одним из плеч которого являлся датчик толщины масляной пленки. Величина разбаланса моста определялась изменением индуктивного сопротивления датчика при перемещении стального вала относительно сегмента (сердечника датчика).
Результаты испытаний представлены на рисунке в виде показаний датчиков № 3 и 4, установленных в зоне минимальных толщин смазочного слоя (у выходной кромки) исследуемого сегмента, от температуры масла (сегмента) в зоне трения. Толщина масляного слоя с возрастанием температур убывает, что находится в соответствии с теорией гидродинамической смазки, и при 7,= 40°С составляет 23—29 мкм.
Для определения границы существования гидродинамической смазки на этом же рисунке показана величина критической толщины смазочного слоя Л= 19 мкм, подсчитанная с десятипроцентным запасом по следующей формуле.
Микронеровности поверхностей трения вала и сегмента были определены непосредственными измерениями и равнялись соответственно /?2в=4,2 мкм и /?2с= 10,0 мкм. Величина прогиба вала на длине сегмента #0=3,0 мкм найдена расчетным путем.
В рассматриваемом случае предельной температурой существования гидродинамического трения (/*!= =Лкр) в той точке сегмента, где расположен датчик № 3, является 43 °С.
На рисунке построена теоретическая зависимость Л1=/ (Т), подсчитанная для различных температур по формуле, приведенной в книге: где Н1 — минимальная толщина смазочного слоя в мкм;
Ср — безразмерный коэффициент несущей способности;
х — динамическая вязкость масла, Н-с/м2; и — окружная скорость вала, м/с; Ь — размер сегмента в направлении вращения вала, м; В — размер сегмента в направлении оси вала, м; № — нагрузка на сегмент, Н.
Расчетная кривая хорошо согласуется с опытной, 3. особенно в области высоких температур. Так, при Т=40 °С расчетное значение толщины масляного слоя 4. точно совпадает с показанием датчика № 3 и приблизительно на 20 % меньше толщины слоя, измеренного датчиком № 4. Поэтому по формуле (1) можно предварительно рассчитать опорные подшипники на стадии их конструирования.
Сила трения, необходимая для теплового расчета подшипника, согласно упомянутой методике определяется из выражения, где С — безразмерный коэффициент сопротивления сдвигу.
Коэффициенты Ср и Су зависят только от отношения толщины масляного слоя на входе и на выходе. Как правило, это отношение равно или близко двум.
Потеря несущей способности и уменьшение толщины гидродинамического слоя от влияния боковой утечки сегмента учитывается с помощью коэффициента т|, меньшего единицы и полученного в результате решения численным методом двухмерного уравнения смазки
В литературе показано, что несущая способность сегмента практически не зависит от его формы.
Параметры подшипника, подвергшегося испытаниям, следующие: \Г~25Х 104 Н; « — 4,17 м/с; /,= 0,24 м; В= = 0,30 м; [х= 0,045 (Н-с)/м2 для турбинного масла при 7'=40 °С; Т]= 0,52 для В/Ь=\>25; Ср=0,156; С#=0,775 для Н21Нх~2.
Тогда /1^23,4 мкм; Р=447,Ъ Н, /=0,0018.
Таким образом, в результате проведенных исследований на сегменте подшипника действующей горизонтальной гидротурбины определена фактическая величина гидродинамической масляной пленки. Опытные данные хорошо согласуются с расчетными. На основании сопоставления соответствующая методика расчета рекомендуется для предварительной оценки характера трения в процессе проектирования опорных подшипников.