Исследования системы смазки ротора турбокомпрессора

УДК 629.11

Исследования системы смазки ротора турбокомпрессора

, соискатель кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» (ЮУрГАУ), e-mail: *****@***ru

, д. т.н., профессор кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» (ЮУрГАУ), е-mail: *****@***ru

, д. т.н., профессор кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка», ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» (ЮУрГАУ), е-mail: *****@***ru

Аннотация. Одним из самых эффективных способов увеличения единичной мощности двигателей является применение турбонаддува. Но при этом форсирование двигателей наряду с положительными свойствами - увеличением мощности в пределах 5-50 % имеет существенный недостаток – снижение его эксплуатационной надежности. Проведенный анализ научно-технической литературы показывает на существенное увеличение  количества отказов турбокомпрессоров. Главными причинами этого выступают: несоблюдение операторами режимов пуска и остановки; нарушение нормативов технического обслуживания; высокая стохастичность нагрузочных режимов в пределах 10-150%. Обеспечение работоспособности и повышение безотказности турбокомпрессора и его элементов может быть получено применением предлагаемой системы смазки турбокомпрессора двигателей внутреннего сгорания. Использование системы смазки турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания с автономным смазочно-тормозным устройством и автоматической системой управления торможением ротора турбокомпрессора исключает возникновение закоксовывания остатков смазочного масла в каналах системы смазки турбокомпрессора при внезапной (аварийной под нагрузкой) остановке двигателя внутреннего сгорания в режиме выбега ротора турбокомпрессора, и заключается в регулируемой подаче (по объёму, времени и температуре) масла в подшипник турбокомпрессора а также регулируемую (по температуре) подачу на вход турбинного колеса турбокомпрессора сжатого насосным колесом турбокомпрессора воздуха, что приводит к снижению температуры деталей турбины, имеющих температуру 600-7000С, при этом повышается эксплуатационная надёжность подшипников, ротора, корпуса и турбокомпрессора в целом. Применение опытных образцов автономного смазочно-тормозного устройства на автотракторных и комбайновых дизелях машин позволило сократить количество отказов турбокомпрессоров на 10-15 %. Расчетный экономический эффект составляет 50-80 тыс. рублей за сезон эксплуатации мобильных энергетических машин повышенной единичной мощности.

Ключевые слова: система смазки, двигатель, турбокомпрессор, ротор, подшипники, подача масла, давление, время выбега.

В современных конструкциях двигателей практически исчерпаны возможности для увеличения мощности [7, 17]. Но из всех существующих способов увеличения мощности двигателей самым действенным является – применение турбонаддува. Однако положительный эффект увеличения мощности перекрывается существенным снижением надежности двигателя [3]. Известно, что отказы турбокомпрессора составляют 7 - 15% от общего числа отказов двигателя [1, 2]. При этом простои тракторов и комбайнов с поломками турбокомпрессора гораздо выше стоимости самого турбокомпрессора [3]. Анализ имеющихся работ по данной проблеме позволил выявить причины низкой эксплуатационной надёжности турбокомпрессоров (ТКР) [4, 5, 6]. Это, прежде всего, несоблюдение алгоритмов пуска, прогрева и самое главное остановки дизеля оснащённого ТКР, неправильный выбор режимов двигателя, конструктивные недостатки и упущения в работе эксплуатационной службы [7]. Исключить влияние перечисленных факторов на эксплуатационную надежность двигателя с ТКР позволяет его оснащение автономным смазочно-тормозным устройством (АСТУ) и электронной системой управления (ЭСУ) торможением ротора ТКР.

Исходя из вышеизложенного следует, что возникает необходимость в проведении исследований, направленных на повышение эксплуатационной надёжности ТКР [8, 9, 10]. Таким образом, целью работы является повышение надежности ТКР путем использования ЭСУ и АСТУ.

Теоретические исследования. Основной задачей нашей работы является разработка управляемой модели смазки подшипников ТКР, выбега ротора ТКР и его остановки [11, 12, 13]. Для этого была определена теоретическая зависимость штатного выбега ротора ТКР во времени. Эта взаимосвязь была получена на основании экспериментальных данных приведенных в [6]:

,  (1)

где - время выбега, с; 2817, 55,7, 0,289 – коэффициенты регрессии.

По данным уравнения (1) построен график (рисунок 1 а)).

  а)  б)

Рисунок 1 – Зависимости: а) частоты вращения ротора щ(t), рад/с от времени , с; давления масла P(t) в главной масляной магистрали от времени t, с; давления R(t) в масляной магистрали подшипника ТКР от времени t, с при свободном выбеге ротора турбокомпрессора; б) замедления е(t), рад/с2

от времени выбега , с

Для определения тормозного момента ротора ТКР при выбеге необходимо определить величину замедления. Продифференцируем уравнение (1), в результате чего получим выражение для определения замедления ротора ТКР при свободном выбеге:

,  (2)

Рисунок 1 б) характеризует представленную в выражении (2) связь.

Тормозной момент ротора ТКР М определим умножением значения замедления (формула 2) на момент инерции ротора ТКР. В результате получим зависимость тормозного момента М, Н·м, от времени выбега t, с:

,  (3)

где J – момент инерции ротора ТКР, кг·м2.

По выражению (3) построим график зависимости тормозного момента М, Н·м, в процессе выбега ТКР от времени выбега t, с (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость тормозного момента М, Н·м, в процессе выбега ТКР от времени выбега t, с: 1 – при свободном выбеге; 2 – при искусственном торможении ротора ТКР при помощи воздушной заслонки

На графике 2 линия 1 характеризует свободный выбег ротора ТКР. Однако как показывает практика эксплуатации ТКР и научные работы в этом направлении, ротор ТКР можно остановить за существенно меньшее время [14, 15, 16]. Так, например, если обеспечить режим торможения воздушного потока компрессорного колеса ТКР специально установленной управляемой заслонкой, то искусственно создается тормозной момент М (линия 2, рисунок 2), дополнительно противодействующий вращению ротора ТКР. Данный процесс представлен в виде уравнения:

,  (4)

где – величина замедления, связанная с торможением воздушного потока заслонкой, рад/с2; – дополнительный момент противодействия вращению ротора ТКР, Н·м.

Как видно из рисунка 2 и выражений (1, 2) в практике эксплуатации ТКР для обеспечения более быстрой остановки ротора требуется создание дополнительного момента противодействия вращению. Для чего необходимо на практическом уровне разработать методы и средства для автоматического управления процессом смазки и выбега ротора ТКР.

Методика исследований.

Для проведения экспериментальных исследований был разработан комплекс, с установленным на него турбокомпрессором ТКР-11Н2, АСТУ, ЭСУ торможением ротора ТКР (рисунок 3).

                       

Рисунок 3 – Внешний вид стенда с установленным на нем АСТУ и ЭСУ торможением ротора ТКР

Опишем общее устройство и работу системы смазки турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания с АСТУ и автоматической системой управления торможением ротора ТКР (рисунок 4).

Результаты экспериментальных исследований.

На описанном выше стенде с АСТУ и автоматической системой управления торможением ротора ТКР-11Н2 проведены экспериментальные исследования. В результате которых установлены закономерности изменения частоты вращения ротора ТКР и времени его свободного выбега, а также изменение давления масла в подшипниках при различных начальных оборотах ротора (рисунок 4).

Рисунок 4 – Изменение частоты вращения ротора ТКР-11Н2 n, рад/с, давления P, МПа перед подшипником ротора ТКР и продолжительности выбега при штатной системе смазки и его различных начальных оборотах t, с: 1, 4 – при nН=40000 мин-1; 2, 5 – при nН=20000 мин-1; 3, 6 – при nН=10000 мин-1

При обработке экспериментальных исследований получены уравнения свободного выбега ротора ТКР-11Н2:

а) nН=40000 мин-1,

б) nН=20000 мин-1,  (5)

в) nН=10000 мин-1.

Из графиков на рисунке 4 видно, что при различных режимах свободного выбега ротора ТКР-11Н2 (40000, 20000 и 10000 мин-1) и штатной системе смазки его подшипников значительная часть продолжительности выбега ротора осуществляется при масляном голодании.

При включении в штатную систему смазки гидроаккумулятора продолжительность выбега ротора продолжается при полном обеспечении подачи масла и давления в системе смазки (рисунок 5).

Рисунок 5 – Изменение частоты вращения n, рад/с и давления масла P, МПа перед подшипником ротора ТКР от времени выбега t, с: 1 - выбег ротора при штатной системе смазки; 2 - выбег ротора с включённым гидроаккумулятором; 3 - выбег ротора с включённым гидроаккумулятором и тормозным устройством; 4 - линия разрядки (изменения давления масла) гидроаккумулятора; 5 – линия изменения давления масла перед подшипником ротора ТКР и штатной системе смазки

Анализ экспериментальных данных по рисунку 5 показывает на более эффективную остановку ротора ТКР (линия 3) при выбеге ротора с включённым гидроаккумулятором и тормозным устройством. При этом подача масла к подшипнику ротора ТКР продолжается еще 18 секунд после его остановки.

Выводы: Применение предлагаемой системы смазки турбокомпрессора ДВС исключает возникновение закоксовывания остатков смазочного масла в каналах системы смазки турбокомпрессора при внезапной (аварийной под нагрузкой) остановке двигателя внутреннего сгорания в режиме выбега ротора турбокомпрессора, и заключается в регулируемой подаче (по объёму, времени и температуре) масла в подшипник турбокомпрессора, а также регулируемую (по температуре) подачу на вход турбинного колеса турбокомпрессора сжатого насосным колесом турбокомпрессора воздуха, что приводит к снижению температуры деталей турбины, имеющих температуру 600-700 С0, при этом повышается эксплуатационная надёжность подшипников, ротора, корпуса и турбокомпрессора в целом. Применение опытных образцов АСТУ на автотракторных и комбайновых дизелях мобильных энергетических средств позволило сократить количество отказов ТКР на 10-15 %. Расчетный экономический эффект составляет 50-80 тыс. рублей за сезон эксплуатации мобильных энергетических средств повышенной единичной мощности.

Литература

1. и др. Повышение эксплуатационной надежности турбокомпрессоров ТКР 7Н. Вестник СГТУ. 2004. № 1 (2). С. 69–76.

2. Малаховецкий безотказности турбокомпрессоров ТКР-7Н-1. Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: межвуз. науч. сборник. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. С. 8–13.

3. и др. Исследование переходных тепловых процессов при остановке ДВС. Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: сб. науч. трудов. Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2010. С. 13–20.

4. , Савастин двигателей внутреннего сгорания наддувом. М.: Легион-Автодата, 2007. 176 с.

5. Костюк и прочность турбомашин. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МЭИ, 2000. 480 с.

6. , , Свечников системы газотурбинного наддува тепловозных дизелей. Наука и образование транспорту. 2014. № 1. С. 31-32.

7. Бурцев, повышения эксплуатационной надеж­ности турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания // Материалы V междунар. науч.-практ. конф. «Инновации в техноло­гиях и образовании» / КузГТУ. – 2012. – Ч. 1. – С. 17–20.

8. Задорожная и смазка неньютоновскими жидкостями сложнонагруженных трибосопряжений поршневых и роторных машин: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Челябинск, 2013. 36 с.

9. Рождественский задачи динамики и смазки сложнонагруженных опор скольжения: дис. … д-ра техн. наук. Челябинск, 1999. 347 с.

10. Коркин использования гидроаккумуляторов в системах смазки турбокомпрессоров // Механики – XXI веку / Бр. гос. ун-т. Братск, 2008. С. 284–285.

11. , , Становова исследования работы турбокомпрессора в момент начала вращения и в момент остановки. Вестник транспорта Поволжья. 2014. № 1 (43). С. 15-19.

12. , , Янковский -экспериментальное моделирование агрегатов наддува тепловозного дизеля на стенде. Вестник транспорта Поволжья. 2015. № 4 (52). С. 79-82.

13. , , Нафиков помпажа в центробежных компрессорах. Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 8. С. 262-266.

14. Forsthoffer, B. Turbocompressor performance condition monitoring. B. Forsthoffer, I. F. Santos. Forsthoffer's rotating equipment handbooks. - 2005. - Vol. 3. - P. 279-287.

15. Estupinan, E. A. Active lubrication strategies applied to dynamically loaded fluid film bearings. E. A. Estupinan, I. Santos. Proceedings of the World Tribology Conference. - Orland (FL), USA, 2009. - P. 46.

16. Harnoy, A. Bearing design in machinery: engineering tribology and lubrication / A. Harnoy. - New York: Marcel Dekker, 2003. - 440 p.

17. Бурцев, обеспечения работоспособности тур­бокомпрессора дизелей применением автономного смазочно-тормоз­ного устройства / // Материалы LV междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки – агропромышленному произ­водству» / под ред. проф., д-ра с.-х. наук . – Челябинск: ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2016. – Ч. II. – С. 20–25.