Разработка расчетной модели гидродинамического подшипника с самоустанавливающимися вкладышами и сравнительный анализ результатов аналитических и программных расчетов его характеристик

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

УДК 621.822.187

Е. Ф. Паровай Научный руководитель - С. В. Фалалеев Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет), Самара

РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДШИПНИКА С САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИМИСЯ ВКЛАДЫШАМИ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИТИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ РАСЧЕТОВ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК

Обозначены проблемы создания методики проектирования гидродинамических подшипников. Описана созданная расчетная модель подшипника с самоустанавливающимися вкладышами и её особенности. Проведен сравнительный анализ результатов расчетов характеристик подшипника «ручным» способом и современными программными средствами.

Ввиду постоянного ужесточения требований к динамическим характеристикам роторов и надёжности подшипников эффективным решением связанных с этим проблем является переход на гидродинамические подшипники в ГТД.

Успех разработки оптимальной конструкции гидродинамического подшипника напрямую связан с созданием методики проектирования, которую, в свою очередь, следует строить на основе постоянно растущих возможностей современных средств CAE-моделирования. Целью исследования является выявление зависимостей характеристик гидродинамического подшипника от различных факторов - частоты вращения ротора, температуры смазки в системе, а также анализ и учёт особенностей конструкции и режимов эксплуатации подшипников нового типа.

В работе для исследования влияния эксплуатационных факторов на характеристики подшипников были использованы так называемые псевдотрехмерные модели гидродинамического подшипника (толщиной в один конечный элемент), включающие в себя гидродинамическую модель твердого тела Rigid Body (имитация вращения и «всплытия» вала), подготовленные для нестационарных (Transient) расчетов в ANSYS CFX. Также следует отметить тот факт, что выбранная в программном расчете модель турбулентности [1] и теплопередачи в значительной степени влияла на характер сходимости расчета и на конечный результат, ровно как и качество конечно-элементной сетки, которая была создана «в ручную» в ANSYS APDL с учетом гидродинамических требований к форме конечного элемента.

Расчетная модель гидродинамического подшипника с самоустанавливающимися вкладышами интересна учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей гидродинамического подшипника нового типа, а именно расточки вкладышей в радиус вала и работы в условиях недостаточного маслоснабжения («масляного голодания») [2; 3]. В частности, модель учитывает малые величины зазора между валом и рабочей поверхностью вкладышей (от 5 мкм), являющиеся следствием расточки вкладышей в радиус вала.

В расчетах была применена модель деформации сетки Diplacement Diffusion, в которой задавалась повышенная жесткость деформируемой сетки около поверхностей (пристеночный слой), что при определенных условиях предотвращало сильное «смятие»

конечных элементов до нерасчетной формы при их деформации. В процессе подготовки модели к расчету была точно описана модель используемой смазки -турбинного масла Тп-22 [4]. В результате расчетов были получены распределения давлений в зазоре подшипников с аксиальной расточкой вкладышей (традиционная конструкция) и с расточкой вкладышей в радиус вала. Вид полученных зависимостей совпал с теоретическими: характер распределения давлений в случае расточки вкладышей в радиус вала более сглаженный (реализация «наполненной» эпюры), случае аксиальной расточки - «пиковый», максимальное значение давления почти в 2 раза выше, чем для расточки в радиус вала. Данная картина распределения давлений объясняет повышенный ресурс подшипников нового типа, полученные в ходе испытаний.

Характер распределений давления, полученный в результате программных расчетов, очень близок к теоретическим и полученным ручным способом (с использованием аналитических формул, в частности, из методики В. А. Воскресенского для расчета характеристик сегментных подшипников с самоустанавливающимися вкладышами [5]). Использование функции Rigid Bode Solution на первых этапах динамических расчетов стало адекватной заменой расчетам FSI.

Анализ решения гидродинамических задач вращающейся конической щели на прошлых этапах работ также показал высокую точность соответствия результатов программных и аналитических расчетов при условии хорошего качества КЭ. В результате проведенных ручного расчета по методике В. А. Воскресенского и программного расчета в ANSYS CFX были найдены соответствующие значения минимального зазора Hmm, разность которых составила 26 %, что является следствием несовершенности методики Воскресенского (двухитерационность, использование таблиц и аппроксимация их данных между расчётными значениями и т. д.), влияния выбранной модели турбулентности, отклонения характеристик смазки и пр. Также была получена динамическая характеристика поведения вала («всплытия») в процессе Tran-sient-расчета для твердого тела Rigid Body.

В процессе расчетов было проведено исследование зависимостей характеристик подшипника от частоты вращения ротора, температуры смазки в системе. Результаты, полученные в работе, открывают пути

Секция «Двигательные установки и системы терморегулированияЛА и КА»

дальнейших исследований, программных расчетов в АКБУБ СБХ и создания рабочей методики проектирования гидродинамических подшипников нового типа. Используя полученные результаты, можно приступать к 3Б-моделированию подшипника с упругим подвесом вкладышей с учетом жесткостных и демпфирующих характеристик материала подвеса. Неточности, найденные в существующих методиках, дают толчок к совершенствованию методов расчета, создания программ автоматизированного моделирования, в том числе с использованием параметрических моделей типовых конструкций подшипников.

Библиографические ссылки

1. Проектирование сегментных гидродинамических подшипников скольжения сухого картера с расточкой вкладышей в радиус вала и силовым замыканием рабочего зазора : технический отчет НИР : исполнитель ОАО СКБМ [и др.]. Самара : ОАО СКБМ, 2008. 133 с. Инв. № ТО-44-К-2008.

2. Электронный журнал для пользователей CAE-системой ANSYS [Электронный ресурс]. 2010. URL: http://www.ansyssolutions.ru.

3. Гордеев В. Б. Сегментные гидродинамические подшипники скольжения «сухого картера» с расточкой вкладышей в радиус вала и упругим замыканием рабочего зазора. Самара, технический отчет № ТО-44-К-2007 ОАО СКБМ, 2007. 21 с.

4. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник / И. Г. Анисимов, К. М. Бадыштова, С. А. Бнатов и др. / под ред. В. М. Школьникова. 2-е изд. перераб. и доп. М. : Издательский центр «Техинформ», 1999. 596 с. : ил.

5. Воскресенский, В. А., Дьяков В. И., Зиле А. З. Расчет и проектирование опор жидкостного трения. М. : Машиностроение, 1983. 232 с.

© Паровай Е. Ф., 2013

УДК 629.19

В. Н. Рыбакова Научный руководитель - К. Ф. Голиковская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Рассматривается особенности теплообмена при анализе тепловых режимов космического аппарата.

Поддержание температур основных элементов конструкции, приборов, агрегатов и газовой среды в гермоотсеках КА в заданных диапазонах является одним из основных условий успешного выполнения программы космического полета. Под воздействием внешних и внутренних источников тепла устанавливается некоторый тепловой режим КА, под которым в общем случае понимают переменное по времени температурное поле в отдельных агрегатах, системах, отсеках и в целом в аппарате [1].

Обеспечение требуемого теплового режима КА и его элементов является сложной задачей из-за наличия многих граничных условий.

Во-первых, необходимо удовлетворять большому количеству внешних и внутренних условий. Из внешних условий следует выделить различные виды излучений: прямое излучение Солнца, излучение Земли и отраженное от нее солнечное излучение, а также энергия переотражения и переизлучения в элементах конструкции КА.

К внутренним условиям относится внутреннее тепловыделение, которое происходит при работе электронного оборудования на борту КА; величина этого тепловыделения изменяется в соответствии с программой полета.

Следует отметить, что для процесса теплообмена в КА строгое физическое моделирование невозможно. Условия приближенного моделирования также ограничены. Поэтому для подобного рода теплообменных

процессов математическое моделирование становится в принципе единственно возможным [2]. При тепловом проектировании сложных технических систем чаще всего используются методы обратных задач теплопроводности и обратных задач теплообмена.

Практически все постановки задач о теплообмене между некоторой системой и окружающей средой являются причинно-следственными. К причинным характеристикам заданной тепловой модели системы можно отнести граничные условия и параметры, начальные условия, теплофизические свойства материалов, геометрические характеристики самой системы и т. д. А к следственным - тепловое состояние объекта, определяемое температурным полем. Поэтому для решения поставленных задач необходимо разработать методику математического моделирования и анализа процессов динамики и управления системой термостабилизации.

Библиографические ссылки

1. Малоземов В. В., Рожнов В. Ф., Правецкий В. Н. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов. М. : Машиностроение, 1986, 584 с.

2. Нестационарные тепловые режимы космических аппаратов спутниковых систем : монография / М. В. Краев, К. Ф. Голиковская, В. М. Краев, О. В. Загар ; СибГАУ. Красноярск, 2004.

© Рыбакова В. Н., 2013