GAS-DYNAMIC FOIL BEARINGS APPLICATION IN
HIGH-SPEED TURBINES
ZASTOSOWANIA GAZODYNAMICZNYCH ŁOŻYSK
FOLIOWYCH JAKO PODPÓR
WYSOKOOBROTOWYCH TURBIN
Bolesław Giemza, Emil Nowiński, Marek Domański
Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych
boleslaw.giemza@itwl.pl, emil.nowinski@itwl.pl, marek.domanski@itwl.pl Abstract: Authors present the general characteristics of the gas-dynamic foil bearings in the paper. The short analysis of the application and possibilities of using gas-dynamic bearings in turbo machinery, especially in the aspect of aviation technology were described. Authors also pointed out possible directions of development and gas-dynamic foil bearings application in high-speed turbines, especially working in high temperature.
Keywords: gas-dynamic foil bearing, turbo machinery
Streszczenie: W artykule przedstawiono ogólną charakterystykę gazodynamicznych łożysk foliowych. Zaprezentowano krótką analizę zastosowań i możliwości wykorzystania gazodynamicznych łożysk ślizgowych w urządzeniach turbinowych, szczególnie w aspekcie techniki lotniczej. Wskazano możliwe kierunki rozwoju i wykorzystania gazodynamicznych łożysk foliowych w wysokoobrotowych turbinach, zwłaszcza pracujących w wysokiej temperaturze.
1. Wprowadzenie
Gazowe łożyska foliowe (Gas Foil Bearings GFB) pracują jako gazodynamiczne łożyska ślizgowe, wykorzystując lepkość otaczającego powietrza (atmosfery) do wytworzenia gazowego „klina smarnego”. Nazwę swoją zawdzięczają zasadzie działania oraz konstrukcji (rys. 1) opartej na:
a) zespole folii podpierająco-ślizgowych (typu leaf foil),
b) zespole folii ślizgowych (top foil) i folii podpierających (bump foil). Poprawnie pracujące gazodynamiczne łożysko foliowe charakteryzuje się:
bardzo małymi oporami ruchu,
dużą trwałością,
podatnością,
zdolnością do tłumienia drgań,
odpornością na obciążenia udarowe,
stabilną pracą przy wysokich prędkościach obrotowych.
Ograniczenie w stosowaniu tego typu łożysk wiąże się z koniecznością występowania stosunkowo dużej prędkości względnej tulei i czopa wału, co spowodowane jest względnie małą lepkością czynnika gazowego (powietrza, dostępnej atmosfery) w porównaniu z lepkością cieczy smarujących. Istotny jest również relatywnie duży moment rozruchowy łożysk foliowych, ograniczany poprzez stosowanie powłok niskotarciowych.
Rys. 1. Schematy typowych konstrukcji łożysk foliowych I generacji a) leaf-type GFB, b) bump-type GFB [4]
Rozwój i zastosowania
Obecnie rozwój GFB (bezolejowej technologii łożyskowania) ukierunkowany jest na dwa obszary:
modyfikacja lub wprowadzanie nowych konstrukcji (kształt i ilość folii, mocowanie folii, specjalne kształtowanie folii itp.) [3-5, 8, 11-13], mających na celu głównie zwiększenie nośności łożysk (rys. 2) [4],
stosowanie nowych materiałów i technologii powłok na folie ślizgowe (top foil) i czopy wałów, w celu zwiększania odporności termicznej oraz odporności na zużycie w warunkach rozruchu i wybiegu turbin [1, 3-5, 7, 8, 22].
Najszersze zastosowanie GFB znajdują obecnie w zakresie temperatury do 300C oraz w zastosowaniach kriogenicznych. Najwyższą temperaturę normalnej pracy odnotowano w [8] – 815C (1500F, Korolon™ 1350). Temperatura pracy GFB związana jest głównie ze stosowaniem odpowiednich materiałów i powłok ślizgowych (głównie z tworzyw sztucznych), zabezpieczających powierzchnię folii ślizgowej przed nadmiernym zużyciem. Stosowanie tych powłok ma również na celu istotne zmniejszenie oporów ruchu w zakresie małej prędkości obwodowej (warunki tarcia suchego lub mieszanego). Zastosowanie GFB, oprócz wyeliminowania oleju z gorących stref danych konstrukcji, spowodowało ich uproszczenie i zmniejszenie masy. We wszystkich tych rozwiązaniach nadal istotnym problemem jest temperatura pracy łożysk.
Istotne zalety umożliwiły badaczom i konstruktorom wykorzystanie GFB jako podpór wirników takich urządzeń jak:
turbosprężarki – Schwizter S410 FG (rys. 3) [3, 5, 6, 8],
układy obiegu powietrza (ACM) w systemach kontroli środowiska (ECS) stosowane w statkach powietrznych [1],
silniki turboodrzutowe – bezzałogowych celów powietrznych (Northrop BQM-74 Chukar), bezzałogowych platform (Beoning X-48), bomb szybujących (AGM-154 D/E) [8],
silniki turbowałowe helikopterów [3],
bezolejowe sprężarki (rys. 5) [8, 17],
turbogeneratory ORC (rys. 6) [17, 21],
dmuchawy chłodzące ogniwa paliwowe [23].
Szereg urządzeń turbinowych łożyskowanych GFB stosowanych jest od lat ’80 ubiegłego wieku w lotnictwie cywilnym i wojskowym, szczególnie statków powietrznych produkowanych w USA [1]. Urządzenia te stosowane są głównie w układach cyrkulacji powietrza (ACM Air Cycle Machine) w:
lotnictwie cywilnym – McDonnell Douglas DC-10, Cessna -550, Embraer EMB-120, ATR-42, ATR-72, Airbus A-300, Boeing 767, 757, 747, 777, Lockheed Martin L-1011, Saab 2000,
lotnictwie wojskowym - LTV A-7E Corsair II, Grumman F-14 Tomcat McDonnell Douglas F-15 Eagle, F-16 Fighting Falcon, F-18 Hornet, B-1B Lancer, F-22 Raptor, B-2 Spirit,
czołgach typu M1A1 Abrams.
Zastosowania te potwierdzone wieloma badaniami i wymaganą w przypadku lotnictwa certyfikacją świadczą niezbicie o przewadze tych rozwiązań nad konwencjonalnymi systemami łożyskowania wysokoobrotowych turbin. Potwierdzono również skuteczność tych rozwiązań w warunkach wysokiego zapylenia (czołgi M1A1 Abrams wykorzystywane w operacjach bojowych w Iraku i Afganistanie).
Rys. 3. Poprzeczne i wzdłużne łożyska foliowe wału turbosprężarki Schwitzer
S410FG [5]
Rys. 4 Sprężarka układu cyrkulacji powietrza bombowca stealth B-2,
łożyskowana GFB [1]
Rys. 5. Modelowa „hermetyczna” sprężarka przepływowa z foliowymi
łożyskami gazowymi [17].
Rys. 6. Mikro-turbogenerator ORC [17]
Nowe możliwości
W wysokoobrotowych turbinach do łożyskowania wału głównego stosowane są najczęściej łożyska toczne (silniki turboodrzutowe, turbośmigłowe, turbowentylatorowe, turbowałowe, samochodowe turbiny gazowe) lub hydrodynamiczne ślizgowe (np. turbosprężarki). Stosowanie takich rozwiązań posiada szereg wad:
1. Łożyska toczne:
konieczność smarowania łożysk,
niska trwałość łożysk przy skąpym smarowaniu i wysokiej temperaturze pracy,
zużycie zmęczeniowe łożysk – drgania wirnika, wysoka prędkość obrotowa,
możliwe nieszczelności – spalanie oleju – możliwe tworzenie nagarów i lokalnego przegrzewania elementów konstrukcyjnych,
konieczność stosowania podatnych elementów podpór łożyskowych (silniki turbinowe).
2. Hydrodynamiczne łożyska ślizgowe (turbosprężarki):
duża czułość na zanieczyszczenia oleju,
duża czułość na niskie ciśnienie oleju,
problemy z łożyskowaniem wzdłużnym przy krytycznie wysokiej prędkości obrotowej,
możliwe nieszczelności – spalanie oleju – możliwe tworzenie nagarów i lokalnego przegrzewania elementów konstrukcyjnych,
intensyfikacja procesów starzenia olejów smarowych na skutek wysokiej temperatury,
ograniczenie prędkości związane z niestabilnością hydrodynamiczną.
Obecnie konstruktorzy turbin ograniczeni są możliwościami łożysk (w szczególności tocznych i hydrodynamicznych ślizgowych) w aspekcie temperatury pracy, która zdecydowanie wpływa na ich trwałość. Są dodatkowo zobligowani do projektowania systemów smarowania i stosowania skomplikowanych często systemów uszczelnień. W przypadku turbinowych silników lotniczych istotnym elementem łożyskowania jest stosowanie specjalnych konstrukcji podatnych podpór, odpowiedzialnych za tłumienie drgań.
Obniżenie tych ograniczeń (lub ich zniesienie) w obszarze łożyskowania turbin umożliwi konstruktorom opracowanie nowatorskich konstrukcji turbin do zastosowań w różnych obszarach/gałęziach przemysłu.
Rozwój technologii materiałowych oraz technologii wytwarzania spowodował trwający od ponad 10 lat gwałtowny rozwój konstrukcji i zastosowań GFB w wielu wysokoobrotowych urządzeniach. Ma to odzwierciedlenie w opatentowanych różnorodnych rozwiązaniach konstrukcyjnych i materiałowych (Patenty 1…24) oraz literaturze naukowej (Literatura 1…23).
Nowoczesne materiały (m.in. na osnowie faz międzymetalicznych) [15, 16], w porównaniu z ogólnie dostępnymi stopami typu Inconel 738 oraz stalą 50H21G9N4, charakteryzują się znacznie większą żaroodpornością i żarowytrzymałością. Wytwarzane w postaci cienkich folii wyróżniają się spośród obecnie produkowanych i stosowanych rozwiązań na świecie możliwością pracy nawet w temperaturze 1000C. Wykorzystanie tego typu materiałów w konstrukcjach gazodynamicznych łożysk foliowych umożliwi poszukiwanie nowych zastosowań w obszarach wysokoobrotowych turbin, pracujących w warunkach wysokiej temperatury.
Nowa generacja GFB, dzięki zastosowanym w nich nowym materiałom konstrukcyjnym może znaleźć praktyczne zastosowanie w następujących obszarach:
przemysł motoryzacyjny – łożyskowanie wirnika turbosprężarki (temperatura gazów wylotowych 900…1100C); obecnie stosowane głownie hydrodynamiczne łożyska ślizgowe, niekiedy łożyska toczne kulkowe,
przemysł lotniczy – łożyskowanie silników turbinowych, w szczególności silników dolotowych szybowców i samolotów ultralekkich (ULM) oraz bezzałogowych platform powietrznych – wymaga szczegółowego sprawdzenia i weryfikacji w zależności od konstrukcji i skali; obecnie stosowane głównie łożyska toczne, z zastosowaniem podatnych elementów mocowań,
przemysł energetyczny – łożyskowanie wysokoobrotowych wytwornic gazowych, kogeneratorów, turbin gazowych, szczególnie pracujących w wysokiej temperaturze; obecnie stosowane są głownie hydrodynamiczne łożyska ślizgowe oraz łożyska toczne.
Wprowadzenie bezolejowej technologii łożyskowania w oparciu o nową generację GFB pozwoli na:
uproszczeniem konstrukcji – eliminacja uszczelnień, zmniejszenie wymiarów łożysk, brak elementów układu smarowania, możliwe skrócenie wału,
zmniejszeniem masy całego silnika spalinowego – ze względu na brak elementów układu smarowania, możliwe zmniejszenie wymiarów łożysk,
wyeliminowanie chłodzenia łożysk – zmniejszenie strat, zwiększenie sprawności,
polepszenie właściwości tłumiących układu wirnika – zwiększenie trwałości i stabilności pracy,
wyeliminowanie oleju z obszarów wysokotemperaturowych – nie występuje spalanie oleju (na skutek nieszczelności lub przyjętego rodzaju smarowania)
brak tworzenia tzw. „gorących punktów” niekorzystnie wpływających na proces spalania i zmiany w strukturze materiałów konstrukcyjnych – wzrost bezpieczeństwa i niezawodności urządzeń; zmniejszenie intensywności starzenia oleju smarowego
zwiększeniem odporności na zanieczyszczenia środowiska (zapylenie powietrza),
tańszą eksploatacją – zmniejszenie kosztów napraw i obsług.
Przykład analizy zastosowania systemu gazowych łożysk foliowych w turbinowych napędach statków powietrznych przedstawiono w [2]. Analizie poddano dwa rodzaje statków powietrznych – 50 osobowy samolot typu RJ (regional jet) o zasięgu około 800 mil morskich oraz 10 osobowy samolot typu SSBJ (supersonic business jet) o zasięgu około 4000 mil morskich. Wykazano następujące efekty zastosowania GFB:
zmniejszenie masy suchego silnika – 11% RJ, 9% SSBJ (bez zmiany konstrukcji turbiny), 26% RJ (przy przekonstruowaniu turbiny),
zmniejszenie całkowitej masy startowej (TOGW) – 3,41% RJ, 2,74% SSBJ,
zmniejszenie masy układu zasilania – 2,88% RJ, 2,09 % SSBJ,
zmniejszenie emisji NOx – 4,35% RJ, 1,70% SSBJ.
Kierunek rozwoju zastosowań wysokotemperaturowych potwierdza również fakt prób zastosowania łożysk foliowych jako podpory turbiny silnika pomocniczego (APU) najdroższego bombowca globalnego B-2 Spirit (ponad 2 mld $ /szt.). Prototypowe łożyska nie przeszły jednak testów trwałościowych (ze względu na zbyt wysoką temperaturę) [1].
Podsumowanie
Zastosowanie gazowych łożysk foliowych, pomimo pomyślnych badań i prób podejmowanych na świecie w turbinowych silnikach lotniczych [Literatura 1-5, 8] jest skomplikowane. Wynika to głównie z dużej odpowiedzialności tych zespołów napędowych, których konstrukcje są wynikiem wieloletnich doświadczeń, weryfikowanych w procesie eksploatacji. Bezpieczeństwo statku powietrznego zależy bezpośrednio od bezawaryjnej i właściwej pracy jednostek napędowych. Celowym wydaje się realizowanie prób zastosowań gazowych łożysk ślizgowych w łożyskowaniu silników turbinowych (w szczególności turboodrzutowych) w mikro skali mikro i małej. Ograniczenie masy silnika (poprzez eliminację systemu smarowania), przy zapewnieniu wysokiej niezawodności, sprzyja zastosowaniu gazowych łożysk foliowych w napędach bezzałogowych platform powietrznych (UAV) oraz napędach dolotowych szybowców i ultralekkich samolotów (ULM). Rynek lekkich i ultralekkich samolotów w Polsce mocno się rozwija (ok. 1200 statków powietrznych na koniec roku 2013 – dane ULC). We współczesnych tłokowych silnikach spalinowych, zarówno wysokoprężnych jak i o zapłonie iskrowym turbosprężarka jest standardowym elementem konstrukcyjnym. Wiąże się to głównie ze zwiększającymi się wymaganiami w zakresie oszczędności paliwa, ochrony środowiska naturalnego (zmniejszenie emisji NOx) oraz wzrastającym stosunkiem mocy do masy silnika.
Na świecie produkuje się rocznie kilkadziesiąt milionów samochodów rocznie (84,10 mln – 63,07 mln samochodów osobowych i 21,03 mln samochodów użytkowych – dane za 2012 rok wg International Organization of Motor Vehicle
Manufacturers OICA). Znakomita większość silników zasilających te pojazdy wyposażona jest w turbosprężarkę (lub turbosprężarki). Dotychczasowe nieliczne rozwiązania turbosprężarek z wykorzystaniem łożysk foliowych wymagało stosowania chłodzenia tych łożysk, ze względu na niewystarczającą odporność termiczną. Zastosowanie nowych materiałów posiadających wystarczającą odporność termiczną, umożliwią aplikację GFB bez dodatkowych systemów chłodzenia, zwiększając w efekcie sprawność silnika.
Gazodynamiczne łożyska foliowe sprawdzają się od ponad 30 lat w eksploatacji układów cyrkulacji powietrza statków powietrznych cywilnych i wojskowych, pojazdach lądowych, urządzeniach kosmicznych, turbinach kriogenicznych (turbo rozprężarkach) oraz innych turbinowych „bezolejowych” urządzeniach. Zwiększenie odporności termicznej łożysk foliowych do poziomu 1000C umożliwi konstruktorom urządzeń turbinowych ich wykorzystanie w układach pracujących wysokiej temperaturze, przy wysokich obrotach, szczególnie w systemach długotrwałej pracy ciągłej (np. kogeneratory, wytwornice gazu). Zastosowanie GFB w wymienionych rodzajach urządzeń, istotnych w obszarach transportu i produkcji energii, ma istotne znaczenie ekonomiczne i społeczne:
zmniejszenie kosztów produkcji,
zmniejszenie kosztów eksploatacji – w szczególności układów kogeneracji,
zmniejszenie kosztów regeneracji i napraw,
zmniejszenie niekorzystnego oddziaływania na środowisko – zmniejszenie emisji NOx, zmniejszenie zużycia olejów smarowych,
zwiększenie bezpieczeństwa w eksploatacji,
zwiększenie konkurencyjności nowych urządzeń na rynku,
Literatura:
[1] Agrawal G.L.: Foil air/gas bearing technology – an overview, ASME Publication 97-GT-347.
[2] Bruckner R.J.: A Propulsion System Analysis of Oil Free Turbomachinery for Avation Turbofan Engines, 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit 11-14 July 2004, Florida, USA.
[3] NASA Reports 2006-2010: 214115, NASA/TM–2006-214343, NASA/TM–2007-214489, NASA/TM–2008-215062, NASA/TM– 2008-215064, NASA/TM–2009-215826, NASA/TM–2010-216094, NASA/TM–2010-216354, NASA/TM–2010-216762, NASA TM –107082. [4] DellaCorte Ch., Zaldana A.R., Radil K.C.: A Systems Approach to the Solid
Lubrication of Foil Air Bearings for Oil-Free Turbomachinery, Transactions of the ASME, vol. 126, January 2004, str. 200-207.
[5] DellaCorte Ch.: Oil-Free shaft support system rotordynamics: Past, present and future challenges and opportunities, Mechanical Systems and Signal Processing 29 (2012), str. 67-76.
[6] Heshmat C.A., Valco M.J., DellaCorte Ch., Heshmat H., Radil K.C.: Foil Bearings Make Oil-Free Turbocharger Possible, Proceedings of WTC2005
World Tribology Congress III, September 12-16, 2005, Washington, D.C., USA.
[7] Heshmat H., Hryniewicz P., Walton J.F., Willis J.P., Jahanmir S., DellaCorte Ch.: Low-friction wear-resistant coatings for high-temperature foil bearings, Tribology International 38 (2005) 1059–1075.
[8] MiTi Developments, Vol. 4, 6, 13, 16-19, 21, 23, 25,26 1998-2006.
[9] NASA Facts FS-2001-07-014-GRC, Creating a Turbomachinery Revolution, Research at Glenn Enables an Oil-Free Turbine Engine.
[10] Oil-free turbomachinery – foil gas bearings, Lighter Weight Vehicles, Automotive Industry Workshop, www.nasa.gov
[11] San Andrés L., Chirathadam T.: A Metal Mesh Foil Bearing and a Bump-Type Foil Bearing: Comparison of Performance for Two Similar Size Gas Bearings, ASME Turbo Expo 2012 June 11-15, 2012, Copenhagen, Denmark [12] San Andrés L.: Current Developments in Gas Bearings for
Microturbomachinery, Foil Gas Bearings for Microturbomachinery, 8th Congreso Iberoamericano de Ingenieria Mecancia October 2007 Cusco-Peru. [13] Tae Ho Kim, San Andrés L.: Analysis of advanced gas foil bearings with
piecewise linear elastic supports, Tribology International 40 (2007) 1239– 1245.
[14] Dessornes O., Kozanecki Z. et al., Advances in the Development of a Micro-Turbine Engine at ONERA, Procds. of the ASME Turbo Expo 2013, San Antonio, Texas, USA, paper GT2013-94005, June 2013,
[15] Jóźwik P., Polkowski W., Bojar Z., Thermal stability of Ni3Al-based
intermetallic alloys structure upon-lasting annealing, Inżynieria Materiałowa nr 3 (175), 2010, pp. 646.
[16] Jozwik, Z. Bojar, Influence of heat treatment on structure and mechanical properties of Ni3Al – based alloys, Archives of Metallurgy and Materials, vol.
55, 2010, pp. 237.
[17] Kozanecki Z., 2010, Systemy wirujące maszyn przepływowych małej i średniej mocy, Biblioteka Problemów Eksploatacji, Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji PIB w Radomiu.
[18] Kozanecki Z., Dessornes O., et al., 2006, Tilting Pad Gas Bearings for Microturbine, Proc. of 6th International Workshop on Micro Technology for Power Generation and Energy Conversion Applications, 2006, Berkeley, [19] Kozanecki Z., Dessornes O., Nicoul F.X., Helin P., Orain M., Guidez J,
Poirson N., Josso P., Mercier S., Parlier M., Roux P., Valle R., 2007, Préparation d’un prototype de micro-turbine a gaz, Rapports ONERA RT7/10804/DEFA – Juin 2007,
[20] Kozanecki Z., Kozanecka D. , Łagodziński J., Tkacz E., 2013, Theoretical and Experimental Investigations of Oil-Free Support System to Predict High-Speed Rotor-Bearing Dynamics, Procds. of the 11th International Conference on Vibration Problem (ICOVP 2013), Lisbon, Sept.2013, AMPTAC, ISBN 978-989-96264-4-7.
[21] Kozanecki Z., Kozanecka D., Tkacz. E., Miazga K., 2011, Investigations of Oil-Free Support Systems to Improve the Reliability of ORC Hermetic High-Speed Turbomachinery, Mechanics and Mechanical Engineering, Vol.15 No 3(2011), pp. 355-365,
[22] Kozanecki Z., Miazga K., Tkacz E., Łagodziński J., 2011, Investigations of Coating Materials for Air-Foil Bearings, CMP-Turbomachinery, No 140, pp.149-156,
[23] Do-Kwan H., Byung-Chul W., Ji-Young L., Dae-Hyun K.: Ultra High Speed Motor Supported by Air Foil Bearings for Air Blower Cooling Fuel Cells, IEEE Transactions on magnetics, Vol. 48, No 2, Ferbuary 2012.
Patenty: 1. CN 101733963 B, 16.06.2010, 2. CN 101799044 A, 11.08.2012, 3. CN 101839281 B, 11.07.2012, 4. CN 101846133 B, 16.05.2012, 5. CN 101881300 A, 11.10.2010, 6. EP 2375089 A2, 12.10.2011, 7. EP 2455629 A1, 23.05.2012, 8. EP 2487376 A2, 15.08.2012, 9. JP 2011144845 A, 28.07.2011, 10. JP 2011144846 A, 28.07.2011, 11. JP 2012197887 A, 18.10.2012, 12. JP 201292967, 17.05.2012, 13. KR 101131920 B1, 20.07.2010, 14. KR 101133257 B1, 25.02.2010, 15. KR 101165607 B1, 19.08.2010, 16. US 2005/0271311 A1, 08.12.2005, 17. US 2011/0052110 A1, 03.03.2011, 18. US 2011/0194933 A1, 11.08.2011, 19. US 2011/0229065 A1, 22.09.2011, 20. US 2011/033142 A1, 10.02.2011, 21. US 2011/171020 A1, 14.07.2011, 22. US 2012/0027327 A1, 02.02.2012, 23. US 2012/0251300 A1, 04.10.2012, 24. WO 2006/053153 A1, 18.05.2006.
Dr inż. Emil Nowiński – starszy specjalista badawczo – techniczny w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych.
Dr inż. Bolesław Giemza - główny specjalista badawczo – techniczny w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych.
Mgr inż. Marek Domański, absolwent Wojskowej Akademii Technicznej na kierunku Mechanika i budowa maszyn, specjalista badawczo-techniczny w latach 2000 – 2005 w WOBR Sł. MPS, a od 2005 w ITWL w Zakładzie Materiałów Pędnych i Smarów, do 2013 r. pełnił funkcję kierownika Pracowni Cieczy Roboczych.
