Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

1 1
1

Наиболее широко в судовых системах различного назначения используются центробежные насосы. Основной причиной выхода из строя центробежных насосов является износ (до 53%) [1]. Наименее надёжными узлами являются сальниковые уплотнения и подшипники. Отказы, связанные с износом центробежных насосов, зависят от ряда конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов. Результаты изучения основных причин характерных отказов свидетельствуют о возможностях дальнейшего совершенствования центробежных насосов, включая разработку альтернативных конструкций основных узлов.

schal1.wmf 

Выпуск полупогружного переносного центробежного турбонасоса ранее был освоен на Амурском судостроительном заводе в г. Комсомольске-на-Амуре. Применение турбонасоса чрезвычайно разнообразно, в том числе для осушения частично заполненных водой помещений и отсеков судов, как в период повседневной эксплуатации, так и в условиях аварийных ситуаций. Параметры турбонасоса: подача-32 м3/ч, напор-22 м, турбонасоса частота вращения вала-8000 мин-1, расход воздуха на турбину-0,13 кг/с, масса-26 кг. Внешний вид турбонасоса представлен на рис.1. В состав турбонасоса входят одноступенчатый центробежный насос с осевым подводом жидкости и приводная воздушная радиальная турбина, рабочие колёса которых закреплены на одном валу. Для привода турбины на судне предполагается использовать сжатый воздух давлением 0,6-0,8 МПа. В качестве опор вала применены подшипники качения с консистентной смазкой.

В период эксплуатации новых насосов выявились серьёзные конструктивные недостатки. В частности, таким недостатком стал преждевременный износ нижнего подшипникового узла. Этот дефект был первоначально устранен силами специалистов конструкторского отдела завода. Была установлена сплошная втулка, объединяющая верхний и нижний подшипниковые узлы. Однако при высокой частоте вращения ротора (8000 мин-1) в условиях консистентной смазки шарикоподшипники, как показала дальнейшая эксплуатация, оставались слабым местом насоса. Таким образом, приемлемой надёжности роторного узла так и не было достигнуто.

Для повышения надежности и долговечности подшипниковых узлов предлагается осуществить реконструкцию насоса путём установки вместо шарикоподшипников опор на газовой смазке.

Учитывая воздушный привод турбины, наиболее приемлемым вариантом реконструкции подшипниковых узлов турбонасоса для работы в судовых условиях следует признать применение опор на воздушной смазке. Эти подшипники используются при больших скоростях вращения и малых удельных нагрузках (p < 0,1 МПа). Однако несущая способность газовых опор существенно повышается, если использовать пористые или частично пористые вкладыши, в которых уменьшаются перетечки воздуха из нагруженной части подшипника.

Функцию подачи газа, входящего в несущую пленку газовой опоры, выполняют пи­татели дискретного или капиллярного вида. Пористые материалы рассмат­риваются, как совокупность питателей через капилляры.

Привлекательность пористого питателя становится очевидной, так как его применение устраняет необходимость прецизионного сверления отверстий малых диаметров порядка (0,1-1,2) мм. При этом пористый ма­териал допускает определённый объём засорений твёрдыми частицами без серьёзного изменения величины сопротивления потоку, что позволяет соз­давать подшипники с достаточной несущей способностью и жесткостью смазочного слоя.

При использовании пористых материалов профиль давления в под­шипниках улучшается из-за увеличения площади нагнетания газа в зазор подшипника. Поэтому, если вместо дискретного ограничения струи при­менить пористое ограничение, то при заданных геометрических парамет­рах подшипника, это приводит к повышению величины его несущей спо­собности.

Выбор материала для газовых подшипников определяется многими факторами. Детали подшипников с газовой смазкой должны быть подобраны по коэффициенту термического расширения и более точно обработа­ны, чем детали подшипников с жидкой смазкой. Кроме того, они должны обладать наиболее совершенными характеристиками трения и износа, a также определенными прочностными и физико-механическими свойства­ми. Поэтому выбор материалов для деталей газовых подшипников приоб­ретает первостепенное значение и выделяется в самостоятельную и слож­ную проблему, от решения которой завесит работоспособность подшипни­ков.

 

schal2.wmf 

Материалы пористых газовых подшипников должны иметь доста­точную газопроницаемость, характеризуемую вполне определенным зна­чением такого критерия как коэффициент проницаемости. Определение коэффициента проницаемости и выбор материала для пористых вкладышей опор проведены в соответствии с методикой, изложенной в монографии профессоров КнАГТУ А.В. Космынина и В.С. Виноградова [2].

Предлагаемая конструкция ротора турбонасоса на воздушной смазке показана на рис.2.

Для восприятия радиальной нагрузки в конструкции ротора предусматривается нижний радиальный и верхний радиально-упорный газостатические подшипники на воздушной смазке. Осевое усилие, возникающее на роторе насоса, воспринимается упорным подшипником, роль которого выполняет упорный диск, выполненный заодно с валом, и торцевая поверхность увеличенного диаметра верхней радиальной опоры. Вкладыши газовых опор выполнены из углеграфита.

Расчётная оценка энергетических параметров модернизированного насоса показала, что его КПД возрастает на 1,83 %. В связи с уменьшением мощности приводной турбины до значения, равного мощности насоса Nт = Nн, снижается расход воздуха, приводящего её в действие, что компенсирует дополнительную подачу сжатого воздуха на газовые опоры.

Выводы

1. В судовых условиях, когда расход сжатого воздуха в опоры турбонасоса ограничивается определёнными энергетическими затратами, выбор материала с установленной пористостью является оптимизационной задачей.

2. Техническое решение о замене подшипников качения газостатическими опорами с пористыми или частично пористыми вкладышами связано с проведением большого числа экспериментальных исследований модели турбонасоса на опытном стенде для выбора его работоспособной и надёжной конструкции.