ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ СО СМАЗКОЙ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТЬЮ В КОНСТРУКЦИЯХ ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВЫХ МАШИН
Жидкостно-кольцевые машины широко используются в различных отраслях народного хозяйства, таких, как пищевая, химическая, строительная и др., благодаря своей способности сжимать агрессивные, токсичные, взрывоопасные и пожароопасные газы при работе на разных рабочих жидкостях, сухие насыщенные и влажные пары, которые при этом не загрязняются маслом в их рабочей полости. К другим их преимуществам относятся близкий к изотермному процесс сжатия, уравновешенность, простота конструкции, надежность эксплуатации. Заводами-изготовителями стран СНГ серийно выпускаются жидкостно-кольцевые машины простого действия с осевым газораспределением, которые для производительностей 3 м3/мин и более имеют двухсторонний подвод и отвод сжимаемого газа и рабочее колесо, насаженное на двухопорный вал [1]. В качестве подшипниковых опор ротора этих жидкостно-кольцевых машин в настоящее время используются шариковые или роликовые подшипники качения с консистентной смазкой.
Однако при повышении окружной скорости рабочего колеса жидкостно-кольцевой машины свыше 24м/с возникает необходимость использования в ее конструкции подшипников скольжения. В качестве смазочной жидкости в таких подшипниках может использоваться либо масло, подаваемое из системы смазки, либо подаваемая в машину рабочая жидкость, если она химически нейтральна по отношению к материалам подшипников, при этом последний вариант более целесообразен экономически, а также для устранения загрязнения маслом газа, сжимаемого в рабочей полости. В обоих случаях для подачи смазывающей жидкости в подшипники скольжения жидкостно-кольцевой машины необходимо иметь внешнюю систему смазки со своим насосом, напор которого необходим для преодоления гидравлических сопротивлений данной системы и поддержания условий образования жидкостного клина при нормальной работе подшипников скольжения. Неисправность во внешней системе смазки приводит к выходу из строя подшипников скольжения и всей машины, а эксплуатационные затраты, связанные с работой жидкостно-кольцевой машины, возрастают из-за наличия насоса и связанных с его приводом потерь мощности. Система смазки должна обеспечивать очистку смазывающей жидкости и ее охлаждение до температур, при которых вязкость смазывающей жидкости находится в пределах, обеспечивающих нормальную работу подшипников скольжения. В жидкостно-кольцевых машинах вследствие близости их процесса сжатия к изотермному нагрев рабочей жидкости в жидкостном кольце при работе в режимах вакуумного насоса не превышает 45оС, а в режимах компрессора – 60оС, поэтому устройств для охлаждения смазывающей жидкости в системе смазки можно не использовать, поскольку вязкость рабочих жидкостей при таких нагревах изменяется незначительно. Если в качестве рабочей жидкости машины и смазывающей жидкости подшипников используется вода, то выпадение из нее солей может привести к уменьшению радиальных зазоров между валом и вкладышами подшипников скольжения и нарушению условий для их нормальной работы. В этом случае в системе смазки подшипников скольжения должна использоваться дистиллированная или обессоленная вода, которая не должна смешиваться с обычной рабочей водой, подаваемой в водо-кольцевую машину.
Этого неудобства можно избежать в водо-кольцевых вакуумных насосах с замкнутой системой водоснабжения, применяемых для периодической кратковременной работы в тех случаях, когда отсутствует сетевое или насосное водоснабжение машины рабочей жидкостью (например, в сельской местности). Машина сама подсасывает в необходимом количестве воду из водяного бака во всасывающий трубопровод, из которого она вместе с откачиваемым воздухом через всасывающее окно попадает в водяное кольцо. Сжатый в машине воздух, смешанный с водой из водяного кольца, выходит через нагнетательное окно в полость нагнетания и нагнетательный трубопровод, попадая в водоотделитель инерционного типа, где вода отделяется из водо-воздушного потока и возвращается в водяной бак, а воздух выходит в атмосферу. Поскольку вода в водяном кольце отводит теплоту сжатия от откачиваемого воздуха, она нагревается и в нагретом виде смешивается с водой, имеющейся в водяном баке, повышая ее температуру. Однако значительный объем водяного бака, близость процесса сжатия к изотермному и небольшой период работы (до нескольких часов), приводят к повышению температуры воды в водяном баке не более, чем на 2-4оС. И хотя с увеличением температуры рабочей воды, подаваемой в водо-кольцевую машину, ее объёмные характеристики ухудшаются и должны пересчитываться на температуру воды 15оС с помощью температурного коэффициента Кт [1], для водо-кольцевого вакуумного насоса с замкнутой системой водоснабжения это ухудшение можно считать незначительным. Оно вполне компенсируется простотой работы замкнутой системы водоснабжения, отсутствием дополнительных затрат энергии на подачу рабочей воды в машину и загрязнения сетевой воды, подводимой из окружающей среды.
Экспериментальные исследования процессов в рабочей полости жидкостно-кольцевой машины показывают, что после закрытия нагнетательного окна давление в жидкостном кольце достигает наибольшего значения в той его области, где внутренняя поверхность жидкостного кольца больше всего приближается к втулке рабочего колеса [2-5]. Оно не соответствует области с наименьшим радиальным зазором между рабочим колесом и внутренней поверхностью корпуса, что следует из результатов, представленных в работе [6]. Положение этой области зависит от создаваемого машиной отношения давлений, окружной скорости на выходе рабочего колеса, размеров колеса и его элементов, свойств рабочей жидкости и других факторов. Давление жидкости в жидкостном кольце обусловлено как центробежными массовыми силами, так и силами давления сжимаемого в рабочей полости газа, а его наибольшая величина такова, что эту ее энергию можно использовать для смазки этой водой подшипников скольжения машины, правильно организовав систему ее отвода из жидкостного кольца и подвода к подшипникам. Вход в радиальные каналы в стенках корпуса для отвода рабочей жидкости должен выполняться с угловым смещением от кромки закрытия нагнетательного окна по направлению вращения колеса на величину не более половины углового размера рабочей ячейки 2/Z, где Z – число лопаток рабочего колеса. Каналы подвода рабочей жидкости к подшипникам скольжения выполнены в виде радиальных сверлений в торцовых стенках лобовин с окнами. Каналы, соединяющие каналы отвода и подвода рабочей жидкости, можно выполнить либо в виде сверлений в стенке корпуса, параллельных оси вращения рабочего колеса, либо в виде внешних трубопроводов. Заполнив водяной бак машины с замкнутой системой водоснабжения обессоленной водой, можно обеспечить надежную работу её подшипников скольжения и водоснабжение самой машины без дополнительных затрат энергии на подачу воды [7]. Потери воды при испарении из водяного бака и за счет неполноты ее отделения от воздуха в водоотделителе будут незначительны и компенсируются периодическим пополнением очищенной водой замкнутой системы водоснабжения.
Работоспособность такой системы подачи воды в подшипники скольжения была подтверждена экспериментально при создании опытного образца двухступенчатого водо-кольцевого вакуумного насоса с замкнутой системой водоснабжения ВВН-1/0,1 на заводе “Темп” (г. Лебедин). Подшипник скольжения с водяной смазкой был установлен со стороны второй ступени, а со стороны первой ступени был установлен радиально-упорный роликоподшипник, воспринимающий также и остаточное осевое усилие. Канал, соединяющий каналы отвода воды из водяного кольца и ее подвода к подшипнику скольжения через торцовую стенку лобовины второй ступени с окнами был выполнен в виде внешнего трубопровода из прозрачной пластмассы, позволяющего наблюдать за водоснабжением подшипника при работе машины. Проведенные испытания машины ВВН-1/0,1 показали, что водоснабжение подшипника скольжения осуществлялось непрерывно и в количестве, достаточном для его нормальной работы. Отводимая из водяного кольца второй ступени вода содержала и пузырьки откачиваемого воздуха, однако их наличие не приводило к нарушению условий образования водяного клина в подшипники скольжения. Предложенная внутренняя система водяной смазки подшипника скольжения позволяет снизить эксплуатационные затраты и стоимость водо-кольцевой машины, а также повысить надежность ее эксплуатации. Ее выполнение не приводит к изменению технологии производства завода-изготовителя, существенному усложнению конструкции машины, увеличению ее размеров и металлоемкости или изменению ее основных геометрических размеров.
Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004
