بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی متغیرهای طراحی لازم پرداخته شده است. مهمترین پارامترهای طراحی این گونه یاتاقانها عبارتند از: ورق بالایی یاتاقان - Top Foil - ، تعداد و هندسه ورق بامپ زیرین - Bump Foil - ، دبی هوای فشرده مورد نیاز، چیدمان محفظه- های اریفیس، چیدمان بامپها، نحوه اتصال بامپها به بدنه - Housing - ، تعداد رشتههای بامپها، پوشش و... . با محاسبهی میزان پارامترهای مشخص شده، طراحی و ساخت نوعی از یاتاقانها با قابلیت سرعتهای دورانی بیش از 100 هزار دور بر دقیقه امکان پذیر می شود.
مقدمه
همزمان با پیشرفت صنایع هواپیماسازی، صنعت ساخت موتورهای پیش برنده نیز در حال توسعه می باشد. از میان قطعات موتورهای جت، بیرینگها نقش بسزایی در کارکرد موتور بر عهده دارند. نسل جدید بیرینگهای بهکار برده شده در موتورهای جت، نوعی از یاتاقان با سیال روانکار هوای فشرده می باشند.بیرینگهای هوایی فویلدار، نوعی از یاتاقانهای ژورنال میباشند که هوای فشرده به همراه پوشش کم اصطکاک اعمال شده بر یاتاقانها، وظیفهی روانکاری را بر عهده دارند
شکل -1 شماتیک بیرینگ های هوائی فویل دار و یاتاقان های ژورنال با روانکار روغن
از فویل بیرینگها، استفاده وسیعی درتوربوماشینهایی میشود که سیال روانکار آنها به جای روغن، هوا میباشد. موضوعات فنی و بحرانی قابل بررسی در این نوع یاتاقان ها مسائل مربوط به تحمل بارفویل بیرینگها در سرعتهای دورانی بالا، تولید حرارت و انتقال حرارت، تحت کنترل بودن میزان لقی بین شافت و بیرینگ می باشد. در این مقاله دانش طراحی و تست مجموعهی فویل بیرینگ هوایی ارائه شده است.
مقایسهی یاتاقانهای با روانکار گاز - هوا - و سیال - روغن -
یاتاقانهای ژورنال معمولی، سیال روانکار - روغن - با چرخش محور تشکیل فیلم هیدرودینامیکی روغن میدهد و موجب میشود محور بر روی این فیلم روغن شروع به چرخش نماید. در این یاتاقان ها نیاز به سیستم تأمین روانکار میباشد و محدودیتهایی همچون حداکثر و حداقل میزان دور، دمای کاری، میزان بار قابل تحمل یاتاقان و ... موجود میباشد . عمده محدودیتهای این نوع یاتاقان وابسته به سیال روانکار میباشد. به عنوان مثال روغنها دارای دمای کاری مشخصی میباشد و با بالاتر رفتن دما، روغن ظرفیت تحمل بار خود را از دست میدهد.
بیرینگهای هوایی فویلدار دستهای دیگر از بیرینگها میباشند که به جای استفاده از روانکار بر پایه روغن، از روانکار هوا به همراه پوششهای کم اصطکاک مقاوم به سایش استفاده میشود.[1] این نوع پوشش در واقع نوعی روانکار جامد میباشد که وظیفهی کم کردن اصطکاک بین سطوح را همانند روغن برعهده دارد همچنین نیاز به سیستمهای روغنرسانی نمیباشد و دیگر معایب استفاده از روغن همچون محدودیت سرعت و دما و وزن اضافی تجهیزات را ندارد. در این نوع بیرینگها، روانکار تشکیل شده از موادی با چقرمگی و قابلیت فنریت بالا به عنوان زیر لایه و موادی با ضریب اصطکاک پائین به عنوان رویه استفاده میشود. در شکل2 شماتیک بین دو سیستم اشاره شده را مشاهده مینمایید.
شکل -2 شماتیک یاتاقان های با روانکار روغن - چپ - و بیرینگ های با روانکار هوا - راست -
بررسی متغیرهای طراحی بیرینگهای با روانکار هوا:
با توجه به ساختار تشکیل دهنده این نوع بیرینگها - بدنه، ورق زیرین، ورق بالایی و شافت - متغیرهای طراحی با توجه به این موارد و رابطه بین آنها مورد بررسی قرار می گیرد.
مشخصات مربوط به ورقهای زیرین شامل مواردی در هندسه این اجزاء، نحوه اتصال این اجزاء، تعداد رشته ها و جنس این اجزاء می باشد. در ساختار هندسی این اجزاء پارامترهای تعداد برآمدگی، طول برآمدگی، گام برآمدگی، ارتفاع برآمدگی و تعداد ورقها می بایست بسته به شرایط کاری شافت - سرعت - نیرو - دما - محاسبه شود
شکل - 3 شماتیک مشخصات هندسی ورقه زیرین در یاتاقان های هوائی با روانکار هوا
در ساختار اتصال این ورقها به بدنه، نوع اتصال، مکانهای اتصال و تعداد مکانهای اتصال حائز اهمیت میباشد. با توجه به دادههای بدست آمده جوش نقطهای در 4 تا 5 موضع کفایت مینماید و زاویهی قرار گرفتن نقطه جوشها از انتهای آزاد ورق بالایی در جهت خلاف حرکت شافت محاسبه میگردد. همچنین بسته به شرایط کاری محور و طول مورد نیاز از این نوع یاتاقان، نوع ماده مورد استفاده و تعداد رشتههایی که مورد نیاز می باشد مشخص می شود. بسته به نیاز بین 3 تا 6 رشته مورد نیاز است
شکل - 4 شماتیک نحوه اتصال ،زاویه اتصال و تعداد مکان های اتصال ورقه زیرین در یاتاقان های هوائی با روانکار هوا
مشخصات مربوط به ورقهای بالایی شامل ضخامت ورق، تعداد، قطر و چیدمان سوراخهای اریفیس، نوع پوشش به کار رفته بر روی آن، جنس ماده مورد استفاده آن میباشد. با توجه به شرایط کاری اجزاء و میزان نیرو و گرمای تولید شده در حین کار، موادی با ضریب انبساط حرارتی کم و مدول الاستیسیته با وابستگی کمتر به تغییرات دما همچون سوپرآلیاژ اینکونل - Inconel - ، هستالوی ایکس - Hastalloy X - استفاده میشود.
مشخصات مربوط به شافت مجموعه شامل هندسه توخالی آن، میزان لقی مورد نیاز بین شافت و ورقه بالایی ، جنس شافت و ضخامت مینیمم بدنه آن میباشد. با توجه به تولید حرارت بین ورقه بالایی و شافت و انبساط یافتن هر دو قطعه - نامساوی - میزان لقی در نظر گرفته شده در حین دوران متغییر میباشد، لذا بهکمک قرار دادن یک کارتریج حرارتی - - Cartridge Heater در انتهای شافت میزان انبساط حرارتی آن را تحت کنترل قرار می دهند
مشخصات مربوط به بدنه شامل هندسه، جنس و نگهدارندهی آن میشود. با توجه به بارگذاری دینامیکی موجود در حین دوران، صلب نبودن نگهدارنده شافت سبب بدست آوردن اطلاعات ناصحیح توسط سنسورهای دستگاه میشود لذا از تجهیزات لرزهگیر الکترومگنت - Electromagnetic shaker test rig - استفاده میشود. فرم هندسی خاص شافت به سبب افزایش سطح جهت انتقال حرارت می بایست محاسبه شود. مشخصات نمونه ساخته شده به همراه تصویر تجهیزات اندازه گیری مربوطه به ترتیب در جدول 1 و شکل 5 آورده شده است.
جدول -1 مقادیر مربوط به متغیرهای بیرینگ
