Файл: Казанский, В. Н. Системы смазки паровых турбин.pdf

Г Л А В А ПЕРВАЯ

КОНСТРУКЦИИ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ ТУРБОАГРЕГАТА, СОПРЯЖЕННЫХ С МАСЛОМ

1-1. ВИДЫ ТРЕНИЯ И РЕЖИМЫ СМАЗКИ

По современным воззрениям внешнее трение является результатом смешанного механического и молекулярно­ го взаимодействия соприкасающихся поверхностей. Меж­ ду телами, находящимися в контакте, возникает связь за счет взаимно зацепившихся или внедрившихся не­ ровностей (шероховатостей). В возникновении силы тре­ ния существенную роль играют и молекулярные силы, действующие между поверхностями.

Различают следующие виды трения: чистое (ювениль­ ное), граничное и жидкостное [Л. 105]. Ювенильное тре­ ние характеризуется отсутствием всякой смазки на аб­ солютно чистых, не защищенных какими-либо пленками поверхностях. Оно может быть создано искусственно в условиях тонкого физического эксперимента. В прак­ тических условиях ювенильное трение возникает на отдельных участках трущихся поверхностей, обнажив­ шихся при удалении поверхностных пленок при износе.

Для граничного трения характерно образование на сопряженных поверхностях несущего моноили мультимолекулярного слоя смазочного вещества. Сопротивле­ ние сдвигу между слоями граничной смазки значитель­ но меньше, чем сопротивление сдвигу ювенильных по­ верхностей.

Механизм снижения смазочным маслом граничного трения основан на свойствах граничных пленок: а) пере­ носить (полно или частично) из металла в пленку сдвиг, возникающий при движении трущихся поверхностей, и уменьшать тем самым механическую составляющую си­ лы трения (рис. 1-1,а, б); б) ослаблять (экранировать)

10

силовое поле твердых поверхностей и тем самым умень­ шать адгезионную составляющую силы трения.

Разновидностью граничного трения считают «сухое» трение тел, хотя специально и не смазываемых, но все же покрытых тонкими пленками окислов, предупрежда­ ющих непосредственный контакт.

Граничное трение в чистом виде может быть только на незначительных участках. Обычным же видом трения при невозможности жидкостной смазки является сме-

стей R z\ взаимного внедрения поверхностей нет; между вершинами неровно­

11

шанное трение, характеризуемое сосуществованием на смежных участках поверхности сухого, граничного, полужидкостного, жидкостного, а в отдельных точках и ювенильного видов трения. Обычно такое трение назы­ вают «трением при несовершенной смазке». Оно возни­ кает в узлах при больших удельных нагрузках и малых скоростях скольжения, при пониженной вязкости под­ водимой смазки, при пуске и остановке механизмов, при перекосах вала, при скудной смазке.

Жидкостное трение возникает в том случае, когда сопряженные поверхности разделены достаточно толс­ тым слоем масла, препятствующим зацеплению неровно­ стей.

Для выражения величины сопротивления трению в за­ висимости от приложенной нагрузки применяется услов­ ная эмпирическая характеристика—-коэффициент тре­ ния

и нагрузкой, нормальной к поверхности трения. Эта за­ кономерность соблюдается лишь в ограниченном диапа­ зоне нагрузок и скоростей, поэтому при пользовании ею выбирают величину f, наиболее соответствующую част­ ным условиям трения.

Перечисленным видам трения— граничному, жидко­ стному — соответствуют одноименные режимы смазки; граничный и жидкостный.

Режим смазки может быть воспроизведен эмпириче­

дает значение статического коэффициента трения (при трогании детали, например вала, с места). При малых значениях параметра X коэффициент трения остается практически постоянным (участок АБ), а затем наблю­ дается резкое его падение, что соответствует переходу от сухого трения к полусухому и далее к граничному и полужидкостному (левая ветвь кривой). Правая ветвь

12

кривой ВГ соответствует режимам чисто жидкостного трения.

В последнее время в связи с развитием эластогидродинамической теории смазки классическое деление на два основных вида смазки (граничная, жидкостная) изменилось. Ранее считалось, что сразу же после разру­ шения гидродинамической пленки возникает граничная смазка, при которой трение и износ резко возрастают. Позднее было показано, что возрастание трения после разрушения гидродинамической смазки не обязательно характеризует переход к граничной смазке. Существует промежуточная область смазки, несущий масляный слой при которой образуется между упругодеформируемыми твердыми поверхностями. Основное влияние на такой слой оказывают изменение вязкости в зависимо­ сти от давления (при этом увеличение вязкости может достигать 3—4 порядков) и модуль упругости материала деталей. Такой режим смазки называется эластогидродинамическим (вязкоупругим), квазигидродинамическим, при котором антифрикционные свойства материа­ лов и маслянистость смазки (см. § 3-6) имеют второсте­ пенное значение. Эластогидродинамика охватывает область смазки от тяжелонагруженных элементов ма­ шин (шестерен, подшипников качения) до мягких уплот­ нений и подшипников скольжения. И лишь только после разрушения эластогидродинамической пленки наступает граничное трение (или смешанное) [Л. 91].

В стационарных турбоагрегатах применяют подшип­ ники скольжения. Использование подшипников качения, несмотря на многообразие их типоразмеров и высокое качество изготовления, оказывается в данном случае нерациональным, а иногда и невозможным. В частности, подшипники качения недостаточно долговечны, они нена­ дежны при высоких окружных скоростях и динамиче­ ских нагрузках, непригодны в тех случаях, когда для удобства монтажа и демонтажа турбины нужны разъем­ ные опоры.

Для смазки подшипников скольжения турбомашин применяют жидкости (минеральные или синтетические масла, воду [Л. 160]), пар или газ. В современных тур­ бомашинах для смазки подшипников преимущественно применяется масло нефтяное или синтетическое.

Подшипники турбоагрегатов фиксируют надлежащее положение вращающегося водопровода относительно

13

неподвижных деталей статора и воспринимают различ­ ные по характеру действия и направлениям нагрузки: силу собственного веса ротора; усилия от неуравнове­ шенного давления пара на лопатки, диски и другие дета­ ли ротора; окружные усилия; центробежные силы не­ уравновешенной массы ротора; нестационарные возму­ щающие газодинамические силы в проточной части тур­ бины и электромагнитные в генераторе, другие цикличе­ ские нагрузки.

Опорные подшипники воспринимают радиальные на­ грузки и определяют необходимые радиальные зазоры в уплотнениях, в проточной части, между ротором и ста­ тором генератора.

Упорные подшипники воспринимают осевые нагруз­ ки, действующие на валопровод, и обеспечивают необ­ ходимые зазоры в осевом направлении.

ет трение при несовершенной смазке. При нормальной же эксплуатации турбоагрегата сопряженные поверхно­ сти трения (шейка вала и вкладыш опорного подшипни­ ка, упорный гребень и колодки упорного подшипни­ ка) полностью отделяются слоем масла, обеспечиваю­ щим жидкостное трение.

Жидкостная смазка создается двумя эффектами: гидродинамическим и гидростатическим; гидродинами­ ческий заключается в самопроизвольном создании гру­ зоподъемного масляного слоя между сопряженными по­ верхностями скольжения в результате затягивания мас­ ла в клиновой зазор без приложения внешнего давле­ ния; гидростатический возникает в результате приложе­ ния к масляному слою внешнего давления.

В подшипниках турбомашин используется в основном

скоростью и. Зазор между плоскостями заполнен мас­ лом. Высота щели на входе масла hi больше, чем на выходе h2. Примем вначале, что распределение скоро­ стей по высоте зазора имеет линейный характер. По­ верхность D увлекает за собой параллельные слои масла:

14

Первый (прилегающий к ней) — в результате адсорб­ ции и механического взаимодействия неровностей, сле­ дующий— в силу вязкости. На неподвижной поверхно­ сти Я скорость масла равна нулю, на поверхности D равна и, средняя скорость равна и/2. Секундный рас­ ход масла на единицу ширины плоскости Я (ширина

в клин получается больше расхода на выходе, что про­ тиворечит условию неразрывности течения (масло при­ нимается несжимаемым). Положение автоматически выправляется тем, что в смазочной щели возникает дав­ ление. На входе в клин поток масла должен преодоле­ вать положительный градиент давления. Это ограничи­ вает расход входящего в щель масла, вызывая искаже­ ние профиля скоростей: вместо прямолинейного профи­ ля образуется вогнутый криволинейный. На выходе из клина давление усиливает истечение масла из щели, превращает линейный профиль скоростей в выпуклый, вследствие чего расход вытекающего масла становится

больше ~2-uh2.

между плоскостями Я и Я устанавливается так, чтобы расход масла всюду оставался постоянным, т. е. чтобы площади под кривыми скоростей масла во всех попереч­ ных сечениях масляного слоя были одинаковыми. Ли­ нейный профиль скоростей существует только в щели высотой h0, где давление достигает максимального зна­ чения (производная др/дх равна нулю, градиент давле­ ния отсутствует). В итоге в зоне контакта трущихся по­ верхностей происходит сложение двух видов течения

диентом давления (течение Куэтта, характеризующееся линейным профилем скорости масла) и создающегося под действием градиента давления (рис. 1-1,е), которое развивается в масляном слое (течение Пуазейля, харак­ теризующееся параболическим профилем скорости мас­ ла). Результирующий профиль скорости масла при сме­ шанном течении показан на рис. 1-1,ж.

15