Tribotechnické listy

 

 

Výzkum a vývoj turbopřevodovky s novým typem segmentových ložisek

V roce 2009 byla zřízena Technologická agentura ČR. Jejím hlavním cílem je podpora efektivního využití veřejných prostředků směřovaných zejména do aplikovaného výzkumu, experimentálního vývoje a inovací. Dále podporuje  spolupráci mezi výzkumnými organizacemi a podnikatelskou sférou. Stávající Grantová agentura ČR nadále podporuje zejména základní výzkum v přírodních, technických a dalších vědách.

 

Prvním programem vyhlášeným TAČR byl v roce 2010 program Alfa. Je zaměřen na podporu aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje v těchto třech oblastech:
1.  Progresivní technologie, materiály a systémy
2.  Energetické zdroje a ochrana a tvorba životního prostředí
3.  Udržitelný rozvoj dopravy

 

gtw


Poznatky získané v projektech programu Alfa povedou k posílení růstu výkonnosti a konkurenceschopnosti ekonomických subjektů i hospodářství České republiky jako celku.
V první výzvě programu Alfa uspěl v žádosti o podporu na období let 2011-2013 společný projekt čtyř plzeňských pracovišť nazvaný „Výzkum a vývoj turbopřevodovky s novým typem segmentových ložisek", který  vám přiblížíme. Při výrobě elektrické energie nebo dopravě plynů je stále důležitějším ukazatelem účinnost. Proto se stále více uplatňují vysokootáčkové stroje - parní či plynové turbíny a turbokompresory. Aby mohl být výkon těchto strojů využit, je potřeba redukovat jejich vysoké otáčky na běžně používané otáčky motorů nebo generátorů. K tomu slouží rychloběžné, tzv. turbopřevodovky. Ve světě existuje několik   výrobců, např. Renk, Lufkin, Flender a výroba turbopřevodovek celosvětově roste. Jediným českým výrobcem  je společnost Wikov Gear s.r.o., která je hlavním řešitelem (příjemcem) projektu. Druhým partnerem projektu je společnost GTW BEARINGS s. r. o. Dále se na projektu podílí Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s. r. o. (VZUP) dříve Škoda výzkum s.r.o. Záběr jeho činností je velmi široký, od výzkumu a zkoušení energetických zařízení, přes problematiku silničních a kolejových vozidel, až po nejrůznější výpočty v oblasti dynamiky, únavy, deformační odolnosti, aerodynamiky a termomechaniky či výzkum a vývoj žárových nástřiků. Čtveřici partnerů projektu Alfa uzavírá vysokoškolský ústav Nové technologie - Výzkumné centrum (NTC) působící již druhé desetiletí na Západočeské univerzitě v Plzni. Centrum působí v západočeském regionu s vazbami na české i mezinárodní výzkumné a vývojové týmy. Zabývá se zejména aplikovaným výzkumem. Mezi hlavní obory Centra patří vývoj nových speciálních  materiálů a výzkum jejich vlastností, například materiálů fotovoltaických a polymerních kompozitů. Dalším oborem je materiálový výzkum za použití řady speciálních technik, vývoj laserových technologií, měření teplotních polí a další technické obory. V roce 2010 pracoviště získalo významný projekt financovaný ze strukturálních fondů Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace a založilo novou součást - Centrum nových technologií a materiálů (CENTEM). Toto pracoviště navazuje a rozšiřuje stávající obory NTC. Je zaměřeno především na rozvoj materiálového výzkumu a transfer technologií průmyslovým a výzkumným subjektům zejména v oblasti aplikovaného výzkumu.
Cílem projektu je zkonstruování, výroba a testování experimentálního prototypu rychlo-běžné převodovky včetně nového typu segmentových naklápěcích ložisek pro radiální i axiální uložení hřídelí. Tato ložiska umožní konstrukci převodovky s vyšší účinností.
Výkony turbopřevodovek se obvykle pohybují od 500 kW až do 120 MW, otáčky od 3 000 do 30 000 ot/min. V současné době se v turbopřevodovkách společnosti Wikov Gear s.r.o. používají převážně pevná kluzná ložiska s válcovou nebo citronovou vůlí. Mají svá omezení a již neodpovídají požadavkům na výkon a účinnost moderních turbopřevodovek. Řešením, které umožní konstrukci převodovek s vyšší účinností, je náhrada používaných ložisek za nový typ ložisek s naklápěcími segmenty. Je známo, že rotory turbopřevodovek mají extrémní požadavky na tuhost a stabilitu uložení, aby se minimalizovaly vibrace a vlastní buzení kmitů. Právě naklápěcí segmentová ložiska, která mají největší odolnost proti nestabilitě rotoru, umožňují přenášet vyšší výkony při vyšších kluzných rychlostech. Originalita řešení navrhovaných typů segmentových ložisek spočívá zejména v novém systému rozvodů mazání, poměru průměru ložiska k jeho šířce, počtu naklápěcích segmentů v ložisku, v novém systému těsnění ložisek a novém materiálu kompozicové výstelky. Řešitelé projektu budou spolupracovat na výzkumu, vývoji a odzkoušení tohoto nového typu segmentového ložiska pro použití v turbopřevodovkách pro přenos vysokých výkonů. Aby převodovka vyhověla požadavkům americké normy API613 (stává se jedním z odvětvových standardů), musí být hřídele uložené v segmentových naklápěcích ložiskách. Splnění normy otevírá společnosti Wikov Gear s.r.o. možnost pronikat na nové perspektivní trhy. V současné době v případech, kdy už Wikov dodává převodovky se segmentovými ložisky, je odkázán na zahraniční dodavatele, kteří nejsou schopni splnit individuální požadavky. To snižuje konkurenceschopnost vyráběných převodovek.
Experimentální převodovka (zkušební stand) bude vycházet ze standardního návrhu jednostupňové turbopřevodovky Wikov Gear s převodem čelním ozubením se šikmými zuby. Bude poháněna na straně pomaloběžného hřídele. Takto se již stávající převodovky zkoušejí. Nejsou ale zatíženy brzdou, takže přenášejí jen zanedbatelný ztrátový výkon. Tomu odpovídá i síla vznikající v ozubení a velikost reakcí do ložisek. Brzda pro velké výkony je poměrně nákladné zařízení vyžadující mj. výkonný chladící okruh. To už by přesáhlo možnosti projektu a proto bude statické zatížení ložisek vybuzeno jinak. Na výstupu rychloběžného hřídele, vně skříně převodovky, bude přidán domeček s dalším segmentovým ložiskem, na které bude hydraulicky vybuzována statická radiální síla. Tak bude možno zatížit rychloběžné zkoušené ložisko statickým zatížením odpovídajícím libovolnému přenášenému výkonu, aniž by musela být použita brzda. Aby dynamické síly v ložiscích nevytvářely další zatížení, musí být zatěžovací ložisko uloženo v přídavném domečku upraveném tak, že jeho pozice nebude pevně svázána se skříní převodovky. Toto řešení umožní zkoušet provozní stavy prototypů ložisek pro různě velká statická zatížení. Budou se měřit posuvy a vibrace hřídele, jak absolutní, tak i relativní vzhledem k ložisku, dále teploty na několika místech ložiska (případně jeho okolí)  a ztrátový výkon. Ten bude měřen jednak nepřímo podle množství a oteplení oleje v samostatném chladícím okruhu zkušebního ložiska a jednak přímo, měřením silových účinků kroutícího momentu působícího na těleso domečku zatěžujícího ložiska.
Vlastní řada segmentových naklápěcích ložisek bude navržena v rozsahu velikostí a výkonů požadovaných návrhem řady turbopřevodovek Wikov. Pro návrh budou použity pokročilé softwarové nástroje určené  specielně pro návrh kluzných ložisek. Jde jednak o numerický simulační program ve vlastnictví firmy GTW pro výpočet statických i dynamických vlastností kluzného kontaktu radiálních i axiálních, pevných i naklápěcích kluzných ložisek. Tento program detailně zohledňuje mnoho geometrických i provozních parametrů ložisek. Výpočet je založen na řešení Reynoldsovy rovnice hydrodynamického mazání, která váže rychlost a tlak maziva v klínové mezeře v energetické bilanci, uvažuje proudění oleje laminární nebo turbulentní, jednofázové nebo dvoufázové, přestup a vedení tepla v mazivu, ložisku i hřídeli, vliv teplotní dilatace, tvaru mazacích kapes a přívodu maziva. Respektuje změny vlastností maziva (viskozity, tepelné vodivosti a kapacity) s teplotou, teplotní dilatace, tuhost podpor segmentů a další vlivy. Dále bude využit program SEGLOZ pro numerický výpočet naklápěcích ložisek od firmy Techlab s.r.o. Využíva mnohaletých zkušeností někdejšího Státního výzkumného ústavu pro stavbu strojů  v Běchovicích. Program obdobně řeší termo-elasto-hydrodynamický problém proudění v olejovém filmu, ale mírně odlišnou skupinu parametrů.
Výzkum vlivu mikrogeometrie kluzných ploch na chování ložisek bude zároveň prováděn experimentálně. Vyrobené prototypy ložisek budou ověřovány na zkušební rychloběžné převodovce zatížené způsobem popsaným výše. Výpočty tím budou verifikovány, což posílí spolehlivost dalších návrhů (pro jiné převodovky z nové řady). Především budou konstrukce ložisek a zejména geometrie kluzných ploch korigovány tak, aby bylo dosaženo jejich optimálních provozních vlastností. Výhodnost testování ložisek společně se zařízením, pro které budou dále navrhována je zřejmá. U složitých technických celků, jako je turbopřevodovka, musí výrobce spolupracovat s dodavatelem ložisek již ve fázi konstrukčního návrhu stroje. Při stále rostoucí rychloběžnosti rotorů nestačí sledovat pouze statické charakteristiky ložisek. Na významu nabývá znalost dynamických vlastností - koeficientů tuhosti a útlumu olejového filmu, které rozhodují nejen o poloze kritických otáček a velikosti jejich tlumení, ale také o stabilitě rotoru. Proto je nutné znát a případně korigovat právě dynamické charakteristiky použitých ložisek, protože pozdější úpravy zejména rotoru jsou velmi nákladné a nemusí být vždy dostatečně účinné.
Přesto, že nebude ložisko uměle zatěžováno dynamickou silou, bude rotorová dynamika celé soustavy převodovky s novými ložisky jak počítána (použitím speciálního software ARMD-TM společnosti RBTS), tak i ověřována experimentálně. Dynamické chování soustavy tak může ovlivnit vývoj návrhu ložiskové řady. Očekáváme, že experimentální ověření vlastností celé soustavy ložisko-hřídel-skříň bude náročné na použité metody, přesnost měření a vyhodnocení výsledků. Je to však jediná možnost, jak přesnost výpočetních metod návrhu turbopřevodovek a segmentových ložisek spolehlivě ověřit.

 

gtw2


V současné době je téměř hotov konstrukční návrh samotné turbopřevodovky a dokončuje se řešení zatěžovacího zařízení. Zatěžovací ložisko musí být uloženo jako „plovoucí". Konstrukce domečku musí zároveň umožňovat otáčení vůči skříni převodovky, aby bylo možno přímo měřit vznikající ztrátový kroutící moment. Spolu s tím jsou testovány programy pro návrh ložisek a výpočet rotorové dynamiky. Probíhají návrhy mikrogeometrie (vůle, předpětí) zkušebních segmentových ložisek a jejich konstruování. Ložiska budou pěti nebo čtyřsegmentová. Je navržen nový systém rozvodu přímého mazání. Trysky umístěné mezi segmenty budou zároveň sloužit k jejich upevnění. Variantně je možný rozvod přímo v segmentu. Segmenty se o těleso ložiska budou opírat přímo svojí zadní plochou. Je navržen také nový systém těsnění ložisek. Výstelka kluzných ploch bude z cínové kompozice s velkým množstvím zušlechťujících legur. Volba konkrétní kompozice ale závisí až na výsledku výpočtů a zejména experimentů.
Nové poznatky a inovace získané při řešení tohoto projektu budou zavedeny do výroby nových turbopřevodovek i řady nového typu ložisek s naklápěcími segmenty. Výrazným způsobem posílí konkurenceschopnost obou výrobců.
Nové výrobky (turbopřevodovka, nový typ segmentových ložisek) budou mít větší užitné vlastnosti oproti stávajícím výrobkům. Protože slouží jako komponenty náročných technických zařízení, budou mít přímý vliv na snížení energetické i materiálové náročnosti provozu takových zařízení.

 

 

Dr. Ing.Štefan Morávka, Ing. Jan Dolejš

 

Článek byl podpořen Technologickou agenturou ČR prostřednictvím projektu Alfa, č. TA01011251 „Výzkum a vývoj turbopřevodovky s novým typem segmentových ložisek."

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
2 + 5 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd