СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 2 1. ТИПЫ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АВИАЦИОННЫХ ГТД .......................................................................................... 3 2. ВЫБОР ПОДШИПНИКА ПЕРЕДНЕЙ ОПОРЫ РОТОРА КОМПРЕССОРА ................................................................................................................................... 7 3. МАТОДИКА ОЦЕНОЧНОГО РАСЧЕТА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ . 9 4. РАСЧЕТ ПОДШИПНИКА ............................................................................... 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 15 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .................................................. 16 1 ВВЕДЕНИЕ В данной научно-исследовательской работе приводится метод расчета долговечности авиационных подшипников качения с учетом точности изготовления, качества материала и условий эксплуатации. Авиационные подшипники, как правило, имеют долговечность выше рассчитанной по стандартным методикам. Это объясняется рядом причин: более высокая точность изготовления, более высокое качество применяемых подшипниковых материалов, лучшие условия организации смазывания подшипников и другие факторы. Обширные исследования и большой опыт работы позволили ЦИАМ [1] и фирме FAG [2] разработать рекомендации по уточнению методики расчета долговечности авиационных подшипников качения. Большое значение имеет понимание тонких особенностей работы подшипников в процессе эксплуатации, а также в ходе работ по повышению ресурса и разработки мероприятий с целью устранения выявленных при эксплуатации дефектов. Уровень современных требований к опорам роторов предопределяет проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований для определения наиболее оптимального варианта конструкции подшипника взамен стандартной «комплектующей детали» по каталогу, как это делалось раньше. 2 1. ТИПЫ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АВИАЦИОННЫХ ГТД Подшипники, используемых в современных газотурбинных двигателях, можно разделить на несколько групп по конструкционным и технологическим признакам. В данной работе будут рассмотрены следующие конструкционные типы подшипников: —роликовые радиальные подшипники —шариковые радиально-упорные подшипники; Так же, в данной работе был рассмотрен такой вид технологического исполнения подшипников, как керамические (и в частном случае— гибридные подшипники), что обусловлено актуальностью их использования в современных газотурбинных машинах. В современных авиационных ГТД применяются, преимущественно, подшипники качения, так как, по сравнению с последними, они обладают рядом преимуществ: —меньшим коэффициентом трения —возможностью работы в большем диапазоне частот вращения —большей устойчивостью при работе с перекосом —меньшие размеры длины Роликовый и шариковый подшипники изображены на рис.1 Рисунок 1— Шариковый и роликовый подшипники. 3 Шариковый подшипник воспринимает все виды нагрузок, роликовый— только радиальные. В рамках данной работы был рассмотрен такой перспективных подшипников, как керамические и гибридные. Современные подшипники авиационных двигателей работают при параметрах быстроходности dmn до 3,5*106 мм*об/мин. В перспективных двигателях, по оценкам специалистов компаний-производителей подшипников SKF и Koyo, подшипники опор главных роторов будут работать при параметрах быстроходности dmn=3*106 …4*106 мм*об/мин. С ростом требований к надежности двигателя разрабатываемые технологии должны быть направлены на обеспечение работоспособности подшипников в условиях высоких частот вращения. Одним из перспективных подходов является применение подшипников качения с керамическими элементами. Преимущества и проблемы применения гибридных подшипников. Плотность безоксидной керамики (нитрид кремния, карбид кремния) в 2,5 раза ниже плотности стали, поэтому величина центробежных сил, направленных от керамических тел качения на дорожку качения наружного кольца, будет ниже. Размеры керамических тел качения при повышении рабочей температуры увеличиваются незначительно из-за низкого значения коэффициента теплового расширения. Это позволяет уменьшить номинальный радиальный зазор в подшипнике и обеспечить большую жесткость опор и низкие вибрации ротора при эксплуатации. Разделяют полностью керамические подшипники, кольца и тела качения которых изготовлены из керамики, и гибридные подшипники, имеющие керамические тела качения и стальные кольца. 4 В настоящее время полностью керамические подшипники качения применяют в коррозионно-активных средах (в химической и пищевой промышленности) в условиях низких нагрузок и частот вращения. Материал колец и тел качения – частично стабилизированный диоксид циркон ия, оксид алюминия, карбид кремния или нитрид кремния. Рисунок 2—Варианты установки полностью керамического подшипника: а – использование конусообразного внутреннего кольца [4]; б – установка при помощи упругого гофрированного вкладыша [5]; в – установка при помощи компенсирующей втулки на наружном кольце [5] Гибридные подшипники с телами качения из нитрида кремния уже более 30 лет успешно используют в шпинделях металлообрабатывающих станков. В авиакосмической отрасли гибридные подшипники начали применять в высокооборотных малонагруженных и малогабаритных изделиях. 5 Например, переход от стальных к гибридным подшипникам в турбонасосе высокого давления окислителя Шаттла позволил решить проблемы, связанные с износом подшипников. Результаты исследований применительно к турбокомпрессорам кондиционирования воздуха доказали, что внедрение гибридных подшипников позволяет снизить стоимость жизненного цикла изделия и увеличить ресурс подшипников Подшипники авиадвигателей должны соответствовать строгим требованиям надежности и безопасности. В гибридном подшипнике разрушение керамических тел качения может быть критичным, поэтому они должны характеризоваться низкой концентрацией и малым размером имеющихся дефектов, однородностью свойств по сечению и высокой точностью обработки. Для изготовления керамических тел качения используют горячее изостатическое прессование (ГИП), изготовленные тела качения проходят 100% неразрушающий контроль. 6 2. ВЫБОР ПОДШИПНИКА ПЕРЕДНЕЙ ОПОРЫ РОТОРА КОМПРЕССОРА В ходе выбора силовой схемы машины была выбрана схема с роликовым подшипником в «горячей части» и с шариковым в «холодной», рис. 2 Рисунок 3—Схема расположения подшипников ротора компрессора В качестве передней опоры был выбран, шарикоподшипник 2СА— 126208 Р3, рис. 3. Рисунок 4—Подшипник 2СА—126208 Р3 Технические характеристики Обозначение : 2СА-126208 Р3 Производитель : ГПЗ-4 Диаметр внутренний, мм : 40 Диаметр наружный, мм : 80 Технические данные из каталога производителя : Внутренний диаметр (d) - 40 мм. Наружный диаметр (D) - 80 мм. 7 Ширина (высота) (B) - 18 мм. Ширина наружной обоймы (C) - 18 мм. Масса - 0.4901 Кг Количество дорожек качения - 1 Уплотнение – Нет 8 3. МАТОДИКА ОЦЕНОЧНОГО РАСЧЕТА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ На базе рекомендаций [1] и [2] расчет долговечности авиационных подшипников предлагается выполнять по формуле: 𝐿д = 𝐿ℎ ∗ а1 ∗ а23 ∗ аф где Lh – расчетное значение номинальной долговечности подшипника, определяемое по [3]; a1, a23 и aф – поправочные коэффициенты. При этом долговечность Lh подшипника в миллионах оборотов вращающегося кольца с учетом рекомендаций ЦИАМ определяется по формуле: 𝐿ℎ = ( 𝐶𝑎𝑏 𝑚 ) 𝑃 Здесь: Сab – динамическая грузоподъемность авиационного подшипника с учетом точности изготовления и материала подшипника; Р – приведенная динамическая нагрузка. При расчете приведенной динамической нагрузки значения коэффициента безопасности Кб рекомендуется определять с учетом рекомендаций ЦИАМ по табл. 1 Таблица 1—Значения коэффициентов безопасности 𝑃 = 𝐹 ∗ 𝐾б Динамическая радиальная расчетная грузоподъемность подшипников для авиационных изделий, в которых размеры тел качения и их число не отличаются от подшипников, приводимых в каталогах, может быть принята по каталогу для стандартных подшипников общего применения или 9 определена по ГОСТ 18855—94, но с учетом коэффициента качества изготовления подшипника: С𝑎𝑏 = С ∗ Ккач Ккач – коэффициент качества, принимаемый в зависимости от точности изготовления подшипника, материала деталей подшипника, твердости поверхности и их конструкции. С—базовая динамическая радиальная расчетная грузоподъемность подшипника по общему каталогу нулевого класса точности или определенная по ГОСТ 18855 94; Коэффициент качества подшипников рекомендуется определять, как произведение: 𝐾кач = 𝐾т ∗ 𝐾ст Кт, Кст —коэффициент температурный и коэффициент точности, определяются из таблиц 2, 3 Таблица 2— Значение температурного коэффициента для подшипников Таблица 3— Коэффициент качества Кст 10 Таблицы 2,3 справедливы для подшипников, изготовленных предприятиями авиационной промышленности из цементуемой стали 12Х2Н4А обычной плавки и электрошлакового переплава, коэффициенты качества принимаются по таблице 3 равными коэффициентам качества подшипников, изготовленных из стали ШХ15 или ШХ15Ш соответственно. Для подшипников всех типов, изготовляемых из сталей электрошлакового или вакуумного переплава значение а1 можно принять по табл. 4: Таблица 4— Значения параметра а1 (параметр вероятности безотказной работы). а23 = К𝜇 ∗ 𝐾𝑑𝑛 где а23 — параметр, характеризующий устойчивость и долговечность гидродинамических процессов, К𝜇 —учитывающего влияние вязкости масла, 𝐾𝑑𝑛 —учитывающего влияние скорости вращения, определяются по таблицам 5,6 Таблица 5— Значения параметра К𝜇 Таблица 6— Значения параметра 𝐾𝑑𝑛 11 аф —коэффициент, учитывающий влияние чистоты масла, выбирается из таблицы 7. Таблица 6— Значения параметра аф . 12 4. РАСЧЕТ ПОДШИПНИКА Рисунок 5—К определению газодинамических осевых усилий Определение газодинамической нагрузки: 𝐷2 𝑘 𝐷211 0,9202 0,4682 𝐹1 = 𝜋 ( − − ) = 𝜋( ) = 0,492 4 4 4 4 𝐷2 𝑘 𝐷2 34 0,9202 0,7422 𝐹2 = 𝜋 ( − − ) = 𝜋( ) = 0,232 4 4 4 4 𝐴 = 𝐺 ∗ (𝐶𝑎1 − 𝐶𝑎2 ) + 𝑃2 𝐹2 − 𝑃1 𝐹1 = 100 ∗ (100 − 45) − 105 ∗ 0,492 + 4 ∗ 105 ∗ 0,232 = 49100 Н Следовательно, необходимо изменить направление оси. Определение нагрузки от силы тяжести: Рисунок 6—К расчету радиальных нагрузок Из рисунка: 13 R1=800 H R2=590 H Эквивалентная нагрузка: 𝐹 = 𝑘𝜎 𝑘𝑘 𝑘т (𝑅1 + 𝑚𝐴) = = 1,35 ∗ 1 ∗ 1,225 ∗ (800 + 0,6 ∗ 49100) = 50000 H Определение приведенной динамической нарузки: 𝑃 = 𝐹 ∗ 𝐾б 𝐾б = 1,3 𝑃 = 50000 ∗ 1,3 = 65000 Н 𝐾кач = 𝐾т ∗ 𝐾ст = 0,956 ∗ 1,55 = 1,48 С𝑎𝑏 = С ∗ Ккач С = 368000 Н С𝑎𝑏 = 368000 ∗ 1,48 = 544640 Н dmn=60*9000=540000, 𝐾𝑑𝑛 = 1 К𝜇 = 1 (для МС20 —20,5 сСт при 288 К) а23 = К𝜇 ∗ 𝐾𝑑𝑛 = 1 𝐿ℎ = ( 𝐶𝑎𝑏 𝑚 544640 3 𝑃 65000 ) =( ) = 588 ч m=3, для шариковых подшипников; 𝐿д = 𝐿ℎ ∗ а1 ∗ а23 ∗ аф = 588 ∗ 1 ∗ 0,44 ∗ 1,331 = 344 ч 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе были рассмотрены основные типы подшипников, в настоящее время использующихся в ГТД, а так же некоторые виды перспективных подшипников. Был выполнен оценочный расчет первой опоры КНД авиационного ГТД. Следует уточнить, что осевое усилие было определено при отсутствии ТНД, при появлении ТНД ротор будет разгружен частью осевого усилия, возникающего в венцах ТНД. 15 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1.Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969 г. – 547 с. 2. Методика расчетной оценки долговечности подшипников качения авиационных двигателей и их агрегатов, требования к конструктивным параметрам опор. ЦИАМ. М: 1996 30 с. 3. A Practical Method of Calculating the Attainable Life in Aerospace Bearing Applications. AG Publ. №FL 4. ГОСТ 18855 94 (ИСО 281 90). Подшипники качения. Динамическая расчетная грузоподъемность. Расчетный ресурс (долговечность). Москва, 1996 29 с. 16
