Повышение единичной мощности одновальной энергетической микротурбины путем установки ротора на гибридные воздушные подшипники
Закрыть
Conţinutul numărului revistei
Articolul precedent
Articolul urmator
763 8
Ultima descărcare din IBN:
2022-12-22 10:36
Căutarea după subiecte
similare conform CZU
621.313.04 (1)
Электротехника (1146)
SM ISO690:2012
ВОЛОБУЕВ, Игорь, БУЛАТ, П., ПРОДАН, Николай. Повышение единичной мощности одновальной энергетической микротурбины путем установки ротора на гибридные воздушные подшипники. In: Problemele Energeticii Regionale, 2018, nr. 2(37), pp. 100-114. ISSN 1857-0070. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.1343410
EXPORT metadate:
Google Scholar
Crossref
CERIF

DataCite
Dublin Core
Problemele Energeticii Regionale
Numărul 2(37) / 2018 / ISSN 1857-0070

Повышение единичной мощности одновальной энергетической микротурбины путем установки ротора на гибридные воздушные подшипники

Increase of the Single-Shaft Power Microturbine Unit Capacity by Installing the Rotor on Hybrid Air Bearings

Majorarea puterii unitare a microturbinei energetice uni-axiale prin instalarea rotorului pe rulmenţi hibriziaerieni

DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.1343410
CZU: 621.313.04

Pag. 100-114

Волобуев Игорь, Булат П., Продан Николай
 
Санкт-Петербургский национальный исследовательский Университет информационных Технологий, Механики и Оптики
 
Disponibil în IBN: 14 septembrie 2018


Rezumat

Актуальна проблема повышения единичной мощности на валу энергетической микротурбины. В известных конструкциях она не превышает 200 кВт из-за недостаточной несущей способности газодинамических подшипников. Поставленная цель достигается за счет замены газодинамических подшипников гибридными со свободно поворачивающимися сегментами, обладающих большей несущей способностью. Задачами исследования являются разработка методов проектирования, обеспечение устойчивости сегмента по углу поворота, повышение несущей способности и оптимизации гибридного подшипника. Научными результатами исследования являются новый тип самоустанавливающегося сегмента и метод его проектирования, сочетающий асимптотический анализ уравнений смазочного слоя, численный и натурный эксперименты. Сегмент для подачи газа в смазочный слой под давлением имеет одну прямолинейную канавку, а также одну или несколько канавок, форма которых повторяет изолинии давления на поверхности сегмента, равного давлению подачи при работе микротурбины на номинальных частотах вращения. Разработанная система канавок обеспечивает статическую устойчивость сегмента на стационарных режимах и динамическую на переходных режимах. Сегмент, поворачиваясь автоматически, подавляет колебания в смазочном слое, реагирует на изменение нагрузки и частоты вращения. Метод расчета позволяет определять оптимальную толщину смазочного слоя с учетом точности изготовления поверхности вала и сегментов. В работе исследован эффект потери несущей способности подшипника при слишком малом зазоре. Показано, что гибридный подшипник обладает максимальной несущей способностью, когда равнодействующая сил нагрузки проходит через ось вращения сегмента. Проведенные численные и натурные эксперименты показали, что разработанный гибридный подшипник можно рассматривать как воздушный подшипник с наилучшей грузоподъемностью при заданном расходе воздуха для диапазона мощности на валу от 200 кВт до 2000 кВт, при нагрузке на вал до 300 кг и частоте вращения до 100.000 об/мин. Ключевые слова: микротурбинная энергетическая установка, газостатический подшипник, гибридный газовый подшипник, газодинамический подшипник, лепестковый подшипник.

The problem of increase of the unit power on the shaft of an energy microturbine is of current interest. One of the problems is the small single unit power of microturbines, limited by the low capacity of gas-dynamic air bearings. The problem could be solved by replacing gas-dynamic bearings with hybrid ones with a higher load-bearing capacity. Hybrid bearings use self-aligning turning segments and forcing gas into the lubricating layer. The scientific result of the work is the method of designing grooves that distributes gas, the shape of which repeats the pressure isoline on the segment’s surface when the microturbine is operating at the rated rotation speed. Method is based on solving Reynolds equations for a thin lubricating layer at the grooves. The developed system of grooves provides static stability of the segment in stationary modes and dynamic in transient modes, vibration suppression, automatic response to changes in load and speed. The calculation method allows finding the optimum thickness of the lubricant layer for a given accuracy of shaft and segment manufacture. It is shown that the load-bearing capacity is maximal when the resultant forces act on a segment, and not between segments. Numerical calculations and experiments have shown that the developed hybrid bearing has a maximum bearing capacity at a given air flow rate for the power range on the shaft from 200 kW to 2000 kW, with a load on the shaft up to 300 kg and a speed of up to 100.000 rpm

Scopul lansat este atins în urma substituirii rulmenţilor gazo-dinamici cu rotirea liberă a segmenţilor, ce dispun de o capacitate portabilă sporită. Subiecte de cercetare în domeniul dat constau în elaborarea metodelor de proiectare şi asigurarea stabilităţii segmentului după unghiul de rotire, sporirea capacităţii portante şi optimizarea rulmenţilor hibrizi. Rezultatele cercetărilor constituie un nou tip de segment cu auto-amplasare şi metoda sa de proiectare, ce combină analiza asimptotică a ecuaţiilor stratului lubrefiant, experimente numerice şi fizice. Segmentul pentru furnizarea gazului în stratul lubrefiant sub presiune are o canelură rectilinie, de asemenea una sau mai multe caneluri, forma cărora repetă contururile presiunii pe suprafaţa segmentului, egală cu presiunea de aplicare în timpul funcţionării microturbinei la frecvenţe nominale de turaţii. Segmentul, rotindu-se în mod automat, atenuează oscilaţiile în stratul lubrefiant, reacţionează la schimbarea sarcinii şi a frecvenţei de rotaţie. Metoda de calcul permite determinarea optimală a grosimii stratului lubrefiant. În lucrare este cercetat efectul pierderilor de capacitate portantă a rulmenţilor în cazul unui decalaj prea mic. A fost demonstrat, că rulmenţii hibrizi posedă o capacitate portabilă maximă, atunci când rezultanta forţelor sarcinii trece prin axa de rotire a segmentului. Experimentele numerice şi fizice efectuate au arătat, că rulmenţii hibrizi elaboraţi pot fi consideraţi ca rulmenţi cu aer cu cea mai bună capacitate de ridicare la un consum de aer stabilit în diapazonul de puteri pe arbore de la 200 kW până la 2000 kW, la sarcina pe arbore până la 300 kg şi la frecvenţa turaţiilor până la 100.000 tur/min. 

Cuvinte-cheie
микротурбинная энергетическая установка, газостатический подшипник, гибридный газовый подшипник, газодинамический подшипник, лепестковый подшипник.