Введение к работе
Актуальность темы. По данным исследований холдинга ОАО «РусГидро» на территории Российской Федерации работает около ста мощных ГЭС, суммарная мощность которых составляет около 45 миллионов киловатт. Учитывая богатые природные ресурсы России, это не слишком много. По ряду оценок на сегодня гидроресурсы нашей страны освоены лишь на четверть, поэтому любые исследования в области гидроэнергетики, позволяющие повысить процент использования природных ресурсов и получить экономическую выгоду, являются актуальными.
Основными преимуществами гидроэнергетики является независимость стоимости электроэнергии от стоимости топлива и использование возобновляемых источников энергии, обеспечивающих экологическую безопасность окружающей среды. В условиях бурного развития мировой гидроэнергетики и строительством большого количества крупных ГЭС в развивающихся странах: Бразилии, Китае, Индии и др. актуальным является обеспечение надежной безаварийной работы ключевых конструктивных элементов ГЭС.
Одним из таких наиболее значимых конструктивных элементов гидрогенератора
является упорный подшипник (подпятник), воспринимающий большую часть нагрузки,
складывающуюся из веса вращающихся частей и силы реакции воды на рабочее колесо
турбины. Основные задачи, возникающие при расчете и проектировании
гидродинамических подпятников, были сформулированы в монографии Кунина И.А опубликованной в 1960 году и являются актуальными до сих пор.
И здесь важно ещ на этапе проектирования гидрогенератора иметь математическую
модель, хорошо описывающую поведение подпятника и позволяющую с необходимой
точностью определять его гидродинамические, прочностные и термодинамические
характеристики, в первую очередь его несущую способность. Поскольку проведение
натурных испытаний подпятников затруднительно (а в части их оптимизации
принципиально невозможно), а финансовые затраты для этого достаточно велики, в
настоящее время, наряду с традиционными подходами, связанными, преимущественно с
инженерными методиками, вс более широко применяются передовые технологии
математического моделирования. Такие технологии, сегодня, опираются на программные
комплексы вычислительной механики и гидродинамики, позволяющие существенно
сократить временные и финансовые затраты на проведение исследований и на сам процесс
проектирования. Такой подход позволяет получить оценку работоспособности конструкции ещ на этапе проектирования, сделать сам процесс проектирования многовариантным и в дальнейшем избежать возникновения аварийных режимов в течение всего срока эксплуатации оборудования.
В основе работы лежат подходы гидродинамической теории смазки, которые были заложены трудами Н.П. Петрова в серии работ 1883-1905 гг. Позднее, в 1886 г.,
0. Рейнольдс получил уравнение для поля давления в смазочном слое между цапфой и
подшипником для вязкой несжимаемой жидкости. В 1905 году А. Митчел опубликовал
работу о смазке плоских поверхностей. Далее С.А. Чаплыгин и Н.Е. Жуковский (1906 г.)
получили точное решение задачи о движении смазочного слоя в подшипниковом узле.
Первое аналитическое выражение для поля давления в подшипнике нашел Зоммерфельд
(1904 г.). Решение Зоммерфельда отвечало случаю ламинарного течения смазочной
жидкости между двумя тврдыми поверхностями. Численные решения уравнения
Рейнольдса, преимущественно в части газовой смазки, восходят к работам Чарнеса,
Пинкуса, Штернлихта и Магинниса, Гаррисона М., Кинсбери A., Кастелли В., Элрода Х.,
Воора Д., Чау К., Фогга А., Доусона Д. и многих других. Среди отечественных ученых
назовем работы Агишева Г.Г., Болдырева Ю.Я., Григорьева Б.С., Дадаева С.Г., Дроздовича
В.Н., Емельянова А.В., Завьялова Г.А., Коровчинского М. В., Пинегина C.B., Прокопьева
В.Н., Левиной Г.А., Снопова А.И., Сипенкова И.Е., Шидловского В.П., Шейнберга С.А.
Проблема применения метода конечных элементов для решения уравнения Рейнольдса
была впервые рассмотрена в работе Болдырева Ю.Я. и Григорьева Б.С.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка подходов
математического моделирования гидродинамических характеристик упорных
подшипников скольжения на базе передовых компьютерных технологий, что в частности, предполагает создание пользовательского интерфейса для проведения многовариантных численных расчтов характеристик упорных подшипников гидрогенераторов в условиях заводского конструкторского бюро инженерами-конструкторами.
Задачи исследования.
1. Анализ существующих математических моделей течения вязкой жидкости в смазочном
слое подпятников.
2. Разработка методики определения угла положения колодки в потоке жидкой смазки с
учетом условия равновесия гидродинамических сил, действующих на колодку со стороны
жидкости и сил тяжести, обеспечивающих опрокидывающий момент.
-
Разработка моделей для различных установочных положений колодки и толщины смазочного слоя с учетом основных элементов конструкции для нереверсивного и реверсивного вариантов конструкции подпятников.
-
Расчт, в рамках рассматриваемых гидродинамических моделей течения смазки, характеристик упорных подшипников реверсивного и нереверсивного типа.
-
Исследование влияния различных элементов конструкции на ее пространственное тепловое состояние и гидродинамические характеристики.
6. Рассмотрение проблем оптимизации микрогеометрии упорных подшипников
реверсивного и нереверсивного типа по критерию максимума подъемной силы с учетом
технологичности изготовления микрогеометрии.
7. Создание программной системы для расчта гидродинамического состояния опорных
нереверсивных и реверсивных подшипников в условиях заводского конструкторского
бюро.
Методы исследования. В основе методологии выполнения работы –
математическое моделирование с использованием передовых численных методов и
программных комплексов на базе современных теоретических подходов механики и
гидродинамики.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
- Рассмотрены математические модели течения вязкой жидкости в смазочном слое
подпятников, основанные на уравнениях Навье–Стокса и Рейнольдса и проведен их
сравнительный анализ при расчете полей давления и несущей способности подпятников.
- Предложена методика определения угла положения колодки в потоке жидкой смазки с
учетом условия равновесия гидродинамических сил, действующих на колодку со стороны
обтекаемой вязкой жидкости, и сил тяжести, обеспечивающих опрокидывающий момент.
- Рассмотрены математические модели течения жидкой смазки вблизи сегмента
подшипника для различных установочных положений и толщины смазочного слоя с
учетом основных элементов конструкции для нереверсивного и реверсивного вариантов конструкции.
Проведено исследование влияния элементов конструкции на ее пространственное тепловое состояние и гидродинамические характеристики.
Проведены исследования по построению семейства технологичных в изготовлении оптимальных форм микрогеометрии упорных подшипников скольжения нереверсивного типа по критерию максимума подъмной силы.
Проведены исследования по поиску оптимальной формы упорных подшипников скольжения реверсивного типа по критерию максимума подъмной силы, в процессе которых установлено, что традиционная постановка задачи оптимизации конструкции нереверсивного типа, не м.б. использована в реверсивном случае, при этом указано направление дальнейших исследований.
- Разработана программная система для расчта гидродинамического состояния опорных
подшипников в условиях заводского конструкторского бюро.
Достоверность результатов, выводов и рекомендаций определяется адекватностью используемых математических моделей реальной конструкции подпятника; строгостью используемого в работе математического аппарата механики, вычислительной гидродинамики и методов оптимального проектирования; обоснованным применением современных численных и конечно-объемных методов; сравнительным анализом результатов, полученных в диссертационной работе, с имеющимися экспериментальными данными, аналитическими оценками и результатами, приведенными в публикациях других авторов.
Практическая ценность работы связана с применением разработанной методики
для расчта гидродинамического состояния упорных подшипников в условиях заводского
конструкторского бюро инженерами-конструкторами. Результаты работы широко
используются для проектирования и оптимизации конструкций в научно-
исследовательской деятельности кафедры «Механика и процессы управления» в рамках выполнения НИР по заказам различных организаций и на заводе «Электросила» (ПАО «Силовые машины»).
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Методика определения угла положения колодки в потоке жидкой смазки с учетом условия равновесия гидродинамических сил, действующих на колодку со стороны обтекающей вязкой жидкости и сил тяжести, обеспечивающих опрокидывающий момент.
-
Исследование течения жидкой смазки вблизи сегмента подшипника на основе математических моделей Навье-Стокса и Рейнольдса с учетом основных конструктивных элементов для нереверсивного и реверсивного вариантов подшипникого узла.
-
Результаты исследования влияния различных элементов конструкции на ее пространственное тепловое состояние и гидродинамические характеристики.
-
Результаты построения семейства оптимальных технологичных микрогеометрий упорных подшипников скольжения нереверсивного типа по критерию максимума подъмной силы.
-
Результаты исследований по поиску оптимальной формы профиля упорных подшипников скольжения реверсивного типа по критерию максимума подъмной силы.
-
Программная система для расчта гидродинамического состояния опорных подшипников в условиях заводского конструкторского бюро.
-
Результаты сравнения полученных при помощи численного моделирования величин с экспериментальными данными.
Апробация. Основные результаты работы докладывались на российских и международных конференциях и семинарах: Политехническом симпозиуме (Санкт-Петербург, 2010), XXXVIII Conf. «Advanced Problems in Mechanics» (St.Petersburg, Russia,2010), IV Всероссийском форуме «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2010), Десятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010), Международных научно-практических конференциях «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2010 и 2015), 8-ой Международной конференции пользователей ANSYS (Москва, 2010), Круглом столе по тематическому направлению «Технические науки» в рамках XV Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2010),VII школе-семинаре
молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы
тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2010), Conf.
«Topical Problems Of Continuum Mechanics» (Dilijan, Armenia, 2010), Семинаре «Решения
ANSYS для энергетики» (Москва, 2011), XXXIX Conf. «Advanced Problems in Mechanics»
(St.Petersburg, Russia, 2011), Congress on Numerical Methods in Engineering 2017 (Валенсия,
Испания, 2017), 17th International workshop on new approaches to high-tech «Nano-design,
technology, computer simulations» (Минск, Беларусь, 2017), на VI Национальном
Суперкомпьютерном форуме «НСКФ -2017» (Переславль-Залесский, Институт
программных систем РАН им. А.К. Айламазяна, 2017) научных семинарах кафедр «Механика и процессы управления» и «Прикладная математика» СПбПУ (СПб, 2010-2017 гг.), научных семинарах на ПАО Силовые машины (Электросила) (СПб, 2010-2017 гг.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии. Работа изложена на 122 машинописных страницах, содержит 90 рисунков, 5 таблиц. Библиографический список содержит 117 источников. К диссертации прилагается приложения объмом 4 страницы, содержащее 7 рисунков.