Aplikace aerodynamických ložisek 1

Aplikace aerodynamických ložisek 1 Příklady aplikací aerodynamických ložisek a jejich chování v provozu Aerodynamická ložiska našla širší uplatnění v několika oblastech. Byla to např. rychloběžná dmychadla a cirkulátory plynu, expanzní turbíny, případně turboexpandéry a turbochladiče pro letadla. 1. Expanzní turbíny pro zkapalňování helia: Jednou z prvních a zároveň nejúspěšnějších aplikací aerodynamických ložisek bylo uložení rotoru expanzní turbíny pro zkapalňování hélia (obr. 1). Obr. 1 Heliová expanzní turbína Rotor 1 poháněný oběžným kolem 6 je uložen ve dvou radiálních aerodynamických ložiskách s naklápěcími segmenty 2 a jeho axiální polohu zajišťují aerodynamická axiální ložiska se spirálními drážkami 3. Konstrukce radiálních ložisek, umožňující nastavování vůle ložisek při montáži a naklápění segmentů ve směru obvodu i v příčném směru je patentována. Otáčky rotoru jsou regulovány elektrickou brzdou 5 pracující na principu vířivých proudů. Provozní podmínky jsou velmi náročné; jedním z problémů jsou velmi vysoké otáčky a dalším extrémně nízké teploty v místě oběžného kola dosahující až 5 K (-268ºC). Z počátku měly rotory expanzních turbín otáčky 230.000 až 250.000 min -1. Postupným vývojem došlo ke zvýšení provozních otáček až na 350.000 min -1. Současně s vývojem uložení musely být řešeny i otázky technologie výroby a vyvažování rotoru [např. 4]. Bylo vyrobeno více než 300 expanzních turbin různých modifikací, jejichž spolehlivost byla ověřena dlouhodobým bezporuchovým provozem. O náročných provozních podmínkách svědčí mj. maximální obvodová rychlost na vnějším obvodu axiálních ložisek, která v některých případech přesahuje 450 m/s (1,4 násobek rychlosti zvuku). Záznam vlevo ukazuje signály z relativních snímačů firmy Micro-epsilon, které jsou umístěny na obou koncích rotoru při otáčkách 330.000 min -1. Amplitudy kmitání rotoru při této extrémní rychlosti otáčení se pohybují od 2 do 5 µm; v daném případě je na obou koncích amplituda kmitání menší než 3 µm. Obr. 2 Kmitání rotoru heliové expanzní turbíny při 330.000 min -1

Aplikace aerodynamických ložisek 2 2. Rychloběžná dmychadla Za další úspěšnou aplikaci aerodynamických ložisek lze považovat uložení rotorů rychloběžných dmychadel různých velikostí a výkonů pro otáčky až 110.000 min -1. Tato dmychadla používají podobný způsob uložení jako expanzní turbíny. Na obr. 3 je uvedeno typické provedení dmychadla s aerodynamickým uložením rotoru a pohonem vysokofrekvenčním motorem [5]. Radiální ložiska 2 mají 3 naklápěcí segmenty, jejichž polohy vzhledem ke středu ložiska lze přestavovat pomocí podpěrných elementů, takže lze nejen měnit vůli, ale i posouvat osu rotace. Systém pružného podepření jednoho segmentu umožňuje radiální posuv segmentu v případě, že se vůle v důsledku teplotních dilatací snížila pod bezpečnou hodnotu. Axiální síly směřující k oběžnému kolu jsou zachyceny aerodynamickým ložiskem se spirálními drážkami 4. Náhodné síly opačného směru jsou zachyceny pomocným ložiskem 5, které slouží zároveň jako bezkontaktní ucpávka umožňující regulaci zatížení hlavního axiálního ložiska. Dmychadlo s příkonem 9 kw umožňuje při provozních otáčkách 90.000 min -1 dodávat plyn v množství až 450 Nm 3 /hod. Průměr radiálních ložisek tohoto stroje je 36 mm, axiální aerodynamické ložisko 4 má průměr 64 mm. svar Obr. 3 Dmychadlo o výkonu 9 kw s provozními otáčkami 80.000 min -1 Tab. 1 Amplitudy kmitání rotoru v závislosti na otáčkách otáčky (min -1 ) Amplituda v místě axiálního ložiska 2A A ot A ef (µm) (µm) (µm) Amplituda v místě oběžného kola 2A A ot A ef (µm) (µm) (µm) 50.000 45,3 3,1 6,9 104,3 12,0 13,9 60.000 57,2 3,6 7,4 108,9 11,3 15,0 70.000 57,3 9,5 9,4 86,5 20,8 16,9 75.000 46,0 11,0 10,0 87,8 20,2 18,2 80.000 57,0 15,1 12,0 94,4 23,2 18,4 82.500 78,9 16,8 14,1 98,2 22,4 18,1

Aplikace aerodynamických ložisek 3 Tab. 1 uvádí velikosti rozkmitu amplitudy kmitání 2A, amplitudy kmitání s otáčkovou frekvencí A ot a efektivní hodnoty amplitudy kmitání A ef dmychadla z obr. 3. Je zřejmé, že od otáček cca 75.000 min -1 dochází k rychlejšímu nárůstu amplitudy kmitání. Nárůst je následkem přibližování k oblasti ohybových kritických otáček, které jsou podle výpočtu v okolí 149.000 min -1, ale v důsledku nedokonalých svarů rotoru (v místech označených v obr. 3) byly ohybové kritické otáčky zřejmě nižší. Podobnou konstrukci mají také menší dmychadla o výkonu 3, resp. 5 kw s provozními otáčkami 70.000, resp. 110.000 min -1. Rovněž cirkulátor dodaný do výzkumného střediska CERN (viz obr. 4) je koncipován podobně. ( 38) ( 52) Obr. 4 Cirkulátor argonu pro výzkumné středisko CERN Následující záznamy z testování cirkulátoru ukazují kmitání rotoru měřené jednak na čepu ložiska za oběžným kolem, jednak na disku axiálního ložiska. Amplitudy kmitání v místě axiálního ložiska jsou poněkud zkresleny run-outem měřené plochy vzhledem ke kluzné ploše ložiska. Ve spektru kmitání se vyskytuje prakticky jen otáčková frekvence, což svědčí o stabilním běhu rotoru. Obr. 5 Časový průběh signálů a frekvenční spektra kmitání rotoru cirkulátoru CERN při otáčkách 65.000 min -1 Pro zkušební okruh výzkumného střediska CERN byla dodána dvě cirkulační dmychadla argonu s velmi přísnými požadavky na čistotu plynu. Větší ze strojů s výkonem motoru 6,3

Aplikace aerodynamických ložisek 4 kw a provozními otáčkami 77.000 min -1 je zachycen na obr. 4 [5]. Menší cirkulátor měl výkon 2,5 kw a provozní otáčky 55.000 min -1. Oba stroje jsou dlouhodobě v provozu. Turbo-cirkulátor CEA je rovněž podobné konstrukce jako předcházející stroje, pracuje však v prostředí vysokého tlaku cca 8 MPa. Byl navržen pro testovací okruh DIADEMO s heliem (He), dusíkem (N 2 ) nebo směsí He (61,5%) a N 2 (38,5%) jako procesním médiem. Návrhové otáčky: 77.000 min -1 pro He, 49.500 min -1 pro směs He-N 2 a 38.000 min -1 pro N 2. Obr. 6 Turbo-cirkulátor CEA Pro testování byl stroj opět vybaven relativními snímači kmitání; snímač u oběžného kola byl však při montáži poškozen, takže k dispozici byl pouze signál ze snímače umístěného nad diskem axiálního ložiska. Obr. 7 ukazuje časový průběh signálu z relativního snímače při otáčkách 76.500 min -1 a příslušné frekvenční spektrum, ve kterém je opět pouze otáčková složka. Ze záznamu je patrné, že rozkmit amplitudy je pouze 19 µm, v čemž je ještě obsažen určitý run-out. Obr. 7 Časový průběh a frekvenční spektrum z relativního snímače Aby bylo možné alespoň odhadnout kmitání rotoru v místě oběžného kola, byl stroj opatřen akcelerometry uchycenými na skříni v místě obou radiálních ložisek. Záznam v obr. 8 ukazuje časový průběh rozběhu na všech měřených kanálech: shora dolů jsou signály z relativního snímače v místě axiálního ložiska (AL), z akcelerometru v místě oběžného kola (OK) a z akcelerometru v místě AL. Ze záznamu je zřejmé, že zrychlení v místě OK je menší, než

Aplikace aerodynamických ložisek 5 v místě AL. Z toho lze usuzovat, že rovněž relativní výchylky rotoru v místě OK jsou menší než v místě AL, tedy že rozkmit amplitudy je menší než 19 µm. Obr. 8 Rozběh rotoru cirkulátoru CEA na 77.000 min -1 V rámci grantového projektu AV ČR bylo navrženo a ověřeno aerodynamické uložení rotoru dmychadla o výkonu 100 kw s provozními otáčkami 18.000 min -1 (obr. 9). kardanový závěs axiálního ložiska Obr. 9 Dmychadlo o výkonu 100 kw Původní uložení rotoru v keramických valivých ložiskách, které nemělo potřebnou trvanlivost, bylo nahrazeno aerodynamickým uložením; radiální ložiska mají průměr 120 mm, hlavní axiální ložisko má vnější průměr 250 mm. Axiální ložisko s relativně velkým průměrem se však stalo zdrojem obtíží, protože se nepodařilo dosáhnout potřebné přesnosti ustavení jeho disku. Proto bylo původně pevně uchycené axiální ložisko uloženo do kardanového závěsu. Při otáčkách nad 14.000 min -1 však docházelo k rozkmitání závěsu a kontaktům kluzných ploch v axiálním ložisku. Radiální aerodynamická ložiska pracovala bez problémů až do maximálních otáček18.000 min -1, přičemž k úplnému oddělení kluzných

Aplikace aerodynamických ložisek 6 ploch vzduchovým filmem došlo již při otáčkách cca 1500 min -1. Obr. 10 dokumentuje funkci pružného uložení jednoho segmentu radiálního ložiska v situaci, kdy následkem přehřívání axiálního ložiska docházelo ke zmenšení vůle v sousedícím radiálním ložisku. Obr. 10 Záznam signálu z relativních snímačů při zmenšování vůle radiálního ložiska Shora dolů jsou v obr. 10 uvedeny signály: radiální ložisko u oběžného kola - svislý směr, radiální ložisko u axiálního ložiska - svislý směr, radiální ložisko u axiálního ložiska vodorovný směr. Na prostředním signálu je vidět ořezávání v důsledku zmenšení vůle v tomto ložisku, které je ještě zřetelnější na záznamu vpravo, pořízeném o několik sekund později. Přestože došlo k výraznému zredukování ložiskové vůle, k žádnému poškození kluzných ploch nedošlo. 3. Turbo-expandéry Pro ORC cyklus využívající odpadní teplo byly vyvinuty dva typy turbo-expandérů s aerodynamickým uložením, a to s výkonem 5 kw (obr. 11), resp. 50 kw (obr. 13). Obr. 11 Turbo-expandér o výkonu 5 kw

Aplikace aerodynamických ložisek 7 Oba stroje mají rotor s permanentními magnety, který může být provozován jako motor (např. pro usnadnění rozběhu) nebo generátor. Menší stroj má provozní otáčky v rozmezí 50.000 až 95.000 min -1. V obr. 12 jsou uvedeny časové průběhy signálů z relativních snímačů rotoru (1. a 2. signál shora) a z akcelerometrů uchycených na skříni (3. a 4. signál shora) a rovněž příslušná frekvenční spektra při otáčkách 88.000 min -1. Rozkmit amplitudy relativních kmitů cca 20 µm, resp. 28 µm je opět poněkud zkreslen run-outem, protože snímače nebylo možné umístit vedle ložisek. Ve frekvenčních spektrech je opět pouze synchronní složka kmitání, což dokumentuje stabilní běh rotoru. Obr. 12 Vibrační signály turbo-expandéru 5 KW při 88.000 min -1 Větší turbo-expandér o výkonu 50 kw s provozními otáčkami 37.000 min -1 je prezentován v obr. 13. Je zřejmé, že koncepce obou strojů je stejná, liší se jen rozměry. Např. průměr radiálních ložisek se zvětšil z 24 na 45 mm. Obr. 13 Turbo-expandér pro ORC cyklus o výkonu 50 kw Větší stroj vycházel z hlediska výpočtu velmi příznivě, a to se projevilo i na jeho chování při funkčních testech. V obr. 14 jsou prezentovány záznamy časových průběhů signálu a frekvenční spektra při otáčkách 36.700 min -1. Relativní snímače bylo nutno opět umístit mimo ložiskové plochy (na disku axiálního ložiska a části hřídele, vyčnívající před oběžným kolem), což jsou plochy vykazující poměrně velký run-out. Po odečtení run-outu je však zřejmé, že relativní výchylky rotor jsou velmi malé. To potvrzují i hodnoty efektivní rychlosti měřené na vnějším povrchu skříně, jejichž maximální hodnota 0,47 mm.s -1 je významně menší než obecně uznávaná úroveň pro třídu I dle ISO 10816-0,71 mm/s.

Aplikace aerodynamických ložisek 8 Obr. 14 Záznam kmitání rotoru TE 50 kw při otáčkách 36.700 min -1 4. Klimatizační jednotky pro letadla Dosud používané klimatizační jednotky s valivým uložením vyžadují mazání olejem, který znečišťuje vzduch přiváděný do kabiny. Řešení spočívá v použití aerodynamických ložisek, která vzduch neznečišťují a navíc umožní zvýšit otáčky a tak při stejném výkonu snížit rozměry stroje. V rámci projektu TAČR bylo navrženo a úspěšně odzkoušeno aerodynamické uložení turbochladiče pro klimatizaci kabiny vrtulníku. Řez turbochladičem je uveden v obr.15. Obr. 15 Řez turbochladičem s aerodynamickým uložením rotoru Rotor 1 je uložen ve dvou radiálních ložiskách s naklápěcími segmenty 3, podepřenými pružnými podložkami 6. Pružné podložky jsou deformovány pomocí čepů 7 a matic 8 tak, aby jejich poloměr zakřivení byl větší než vnější poloměr segmentů. Tím je umožněno, aby segmenty mohly volně naklápět v obvodovém směru. Zároveň je pomocí čepů se závitem 7 a matic 8 nastavena základní ložisková vůle, která zajišťuje snadný rozběh rotoru. Pružné podložky zajišťují adaptabilitu ložisek na změny provozních podmínek; např. při poklesu vůle v důsledku teplotních dilatací (rozdílné teploty hřídele a ložiska) umožňují posunutí segmentů v radiálním směru a obnovení původní vůle. V případě vnějšího buzení omezují pružné podložky přenos vibrací na rotor. Axiální síly jsou zachyceny oboustranným axiálním aerodynamickým ložiskem se spirálními drážkami 4, 5. Aerodynamické uložení zajišťuje bezpečný provoz rotoru do otáček 65.000 min -1 (cca 10% nad provozní otáčky). Amplitudy

Aplikace aerodynamických ložisek 9 kmitání rotoru v celém rozmezí provozních otáček nepřekračují 3 µm (efektivní amplituda kmitání < 2 µm). To je zřejmé z diagramu závislosti efektivní hodnoty amplitudy kmitání na otáčkách v obr. 16. 3,00 Efektivní hodnoty vibrací rotoru 2,50 2,00 A ef (µm) 1,50 1,00 0,50 0,00 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 otáčky (min -1 ) vert. LT hor. LT vert. LD hor. LD ax. Obr. 16 Efektivní amplitudy kmitání v obou radiálních ložiskách a v axiálním směru Malé amplitudy kmitání rotoru jsou dokumentovány v záznamech vibračních signálů na obr. 17. Shora dolů jsou uvedeny tyto signály: - svislý a vodorovný směr v ložisku na straně turbíny (levá strana v obr. 15), - svislý a vodorovný směr v ložisku na straně dmychadla (pravá strana v obr. 15), - axiální směr. Obr. 17 Zvyšování otáček z 55.000 na 59.000 min -1 (levý záznam) a z 59.400 na 63.700 min -1 (pravý záznam) Ze záznamů v obr. 17 je rovněž patrné, že při změně axiální síly (axiální posuv) dochází rovněž k naklopení rotační osy tak, aby kluzné plochy axiálního ložiska a disku axiálního ložiska na rotoru byly rovnoběžné. To je zřejmé z radiálních posuvů zejména ve vodorovném směru na straně dmychadlového ložiska, které je od axiálního ložiska dále. Aerodynamické uložení turbochladiče bylo testováno rovněž opakovanými režimy rozběhu a doběhu. Těchto cyklů absolvovalo uložení 1000 bez známek opotřebení, přestože do axiálního ložiska pronikl olej ze systému tlakového vzduchu. Stav po ukončení těchto testů dokumentují fotografie pořízené po demontáži obr. 18. Kromě krátké fáze zvýšených

Aplikace aerodynamických ložisek 10 vibrací, způsobených přítomností oleje, nedošlo k prakticky žádné změně chování rotoru ve srovnání se stavem bez oleje. Obr. 18 Olej v axiálním ložisku nalezený po demontáži 5. Potenciální možnosti uplatnění aerodynamických ložisek a) Malé energetické jednotky: Stále stoupá poptávka po mobilních energetických jednotkách s výkonem v desítkách kw. Takové jednotky vyrábí např. firma Capstone. V podstatě se jedná o rotory turbodmychadla a generátoru s permanentními magnety, které jsou spojeny pevnou spojkou a uloženy ve čtyřech aerodynamických fóliových ložiskách. Netradiční spojení dvou rotorů na 4 ložiskách s pevnou spojkou je zřejmě umožněno určitou poddajností fóliových ložisek. Podobné vlastnosti mají i aerodynamická ložiska se segmenty uloženými na pružných položkách podle čs. patentu č. 300 719. c) Přeplňovací turbodmychadla: V současné době již probíhají pokusy o uložení rotorů malých turbodmychadel do aerodynamických ložisek. Aerodynamické uložení by konstrukci turbodmychadel i spalovacích motorů zjednodušilo, neboť by odpadla nutnost připojení na olejový systém motoru. Tím by se otevřely i nové možnosti na umístění TD, což by mohlo mít pozitivní vliv na účinnost přeplňování. d) Konzervace energie: V souvislosti s využíváním obnovitelných zdrojů energie (slunce, vítr) jsou stále potřebnější prostředky pro uskladnění přebytků energie vyrobených za příznivých povětrnostních podmínek. Jednou z možností konzervace energie jsou gyroskopy s vysokým počtem otáček, aby jejich rozměry byly co nejmenší. Pro uložení gyroskopu by bylo vhodné použít s ohledem na ztráty aerodynamická ložiska. Vzhledem k tomu, že největší ztráty vznikají třením na povrchu disku, bylo by nutné použít prostředí s malou hustotou, tj. např. helium. Viskozita helia je srovnatelná se vzduchem, zatímco vodík má viskozitu významně nižší, což je pro funkci ložisek nepříznivé. Využití magnetických ložisek, která by umožnila provoz setrvačníku ve vakuu, je s ohledem na dosud relativně vysokou cenu aktivních magnetických ložisek nereálné.

Aplikace aerodynamických ložisek 11 Další oblasti použití aerodynamických ložisek 1. Cirkulační dmychadla jaderných reaktorů Cirkulátory zajišťovaly oběh chladicího plynu reaktorem nebo smyčkou pro čištění plynu. Výkony hnacích motorů se pohybovaly v desítkách až stovkách kw, otáčky od 10.000 do 25.000 min -1. V převážné většině případů byl rotor uložen v aerodynamických ložiskách se třemi naklápěcími segmenty, aerodynamická axiální ložiska byla rovněž segmentová nebo se spirálními drážkami. Pracovním médiem bylo většinou helium nebo CO 2. Přestože tyto stroje pracovaly při relativně velmi vysokých teplotách (i přes 500 C), dosahovaly velkou spolehlivost a značnou trvanlivost i více než 25.000 hod bezproblémového provozu. Typické příklady těchto cirkulátorů jsou uvedeny na obr. 19 a 20 [1]. Obr. 19 Cirkulátor helia Union Carbide, 150 kw. Obr. 20 Cirkulátor CO 2. 190 kw, 11.500 min -1 Reaktory chlazené plynem byly později z bezpečnostních důvodů vytlačeny tzv. vodovodními reaktory, takže potřeba cirkulátorů plynu a tedy i jejich další vývoj byly silně omezeny. V posledních letech se však intenzivně pracuje na vývoji tzv. vysokoteplotních reaktorů (HTR, ev. VHTR very high temperature reactors). Tyto reaktory jsou chlazeny opět plynem, jehož teplota dosahuje až 1000 C. Pro tyto podmínky bude opět nutno vyvinout cirkulační dmychadla. Prakticky jedinou alternativou jsou stroje s aerodynamickým uložením,

Aplikace aerodynamických ložisek 12 protože použití hydrodynamických nebo magnetických ložisek v těchto podmínkách je těžko představitelné. Ani pro aerodynamická ložiska nejsou provozní podmínky HTR jednoduché, ale problémem bude pouze nalezení vhodných materiálů pro takto vysoké teploty. S ohledem na dynamickou viskozitu plynů rostoucí s tlakem a teplotou lze dosáhnout vyšší únosnosti, tuhosti a útlumu ložisek než v obvyklých podmínkách. Na obr. 21 je zachycen cirkulátor zkušebního zařízení HENDEL [2], které je instalováno v Japonském výzkumném ústavu pro atomovou energii. Cirkulátor má otáčky regulované v rozmezí 3.000 až 12.000 min -1 a výkon motoru 119 až 139 kw. Rotor o hmotnost rotoru 140 kg je uložen ve dvou radiálních aerodynamických ložiskách s naklápěcími segmenty o průměru 160 mm, axiální ložisko je opět segmentové. Max. teplota dopravovaného plynu je 400 C, jeho max. tlak činí 4,5 MPa a dopravované množství 4 kg/s. Obr. 21 Cirkulátor helia firmy ALSTHOM RATEAU pro výzkum vysokoteplotních reaktorů 2. Gyroskopy Dalším oborem, ve kterém se aerodynamická ložiska v širším měřítku uplatnila, jsou gyroskopy. Typické provedení aerodynamické uložení gyroskopu je zřejmé z obr. 22 [2]. Obr. 22. Aerodynamické uložení gyroskopu [2].

Aplikace aerodynamických ložisek 13 Obr. 23. Aerodynamické uložení gyroskopu [2] Obr. 24 Schéma uspořádání gyroskopu s aerodynamickým uložením [2] V obvyklém řešení byl gyroskop uložen v jednom aerodynamickém radiálním ložisku a jeho axiální poloha byla zajištěna dvěma axiálními ložisky po stranách, tzv. H uspořádání (obr. 22 a 23). Pro zajištění stability bylo nutno použít nekruhový tvar kluzné plochy radiálního ložiska nebo vytvořit na čepu spirální drážky (obr. 25 vlevo). Axiální ložiska byla obvykle opatřena spirálními drážkami na stacionárním nebo rotujícím členu (obr. 25 vpravo).

Aplikace aerodynamických ložisek 14 Obr. 25 Radiální a axiální ložisko se spirálními drážkami V některých případech bylo pro uložení gyroskopu použito sférické ložisko (obr. 26), které zajišťovalo funkci radiálního i axiálního ložiska. Výhodou bylo zjednodušení konstrukce, ale současně s tím výrazně stouply nároky na technologii a přesnost výroby. Obr. 26 Uložení gyroskopu ve sférických ložiskách

Aplikace aerodynamických ložisek 15 Reference: [1] Sternlicht, B.: Gas-Bearing Turbomachinery Trans. ASME, J. of Lubr. Technology, No. 4, vol. 90, 1968, p. 665 [2] Patterson, A. G.: Review of Gas-Bearing Gyro Development in the United Kingdom Trans. ASME, J. of Lubr. Technology, No. 4, vol. 90, 1968, p. 741 [3] Shimomura, H., et al.: Operating experience of gas bearing helium circulators in HTGR development facility [4] Šimek, J. - Korec, L.: Vývoj technologie vyvažování rotorů expanzních turbin Technická zpráva TECHLAB č. 97-2401 [5] Šimek, J.: Návrh aerodynamického uložení rotoru dmychadel o výkonu 5 a 9 kw Technická zpráva TECHLAB č. 01-407 a 02-416 [6] Šimek, J.: Návrh aerodynamického uložení rotoru Ar cirkulátoru o výkonu 6,3 kw Technická zpráva TECHLAB č. 05-407 [7] Šimek, J.: Experimentální ověření vlastností vzduchových ložisek. Technická zpráva TECHLAB č. 13-413