Способ безопасного разгона массивного ротора турбомашины, установленного в активных магнитных подшипниках

Способ безопасного разгона массивного ротора турбомашины, установленного в активных магнитных подшипниках

Реферат

Изобретение относится к области турбостроения и энергомашиностроения.

В настоящее время выполнены и разрабатываются мощные турбокомпрессорные установки, применяемые в атомном энергомашиностроении для привода генератора и других функций.

Причем вес ротора этих машин может составлять десятки тонн.

Эти роторы устанавливаются в активные магнитные подшипники и несмотря на столь большие массы являются "гибкими", и в рабочий диапазон оборотов часто попадают не только параллельная, наклоняющая, но и первая, вторая и даже третья изгибные моды колебаний ротора.

Известный способ разгона ротора от нуля до рабочих оборотов и длительной работы на рабочих оборотах состоит в том, что резонансные режимы, попавшие в рабочий диапазон, проходятся на "проход", т.е. осуществлляется быстрый переход через опасные резонансные области (Скубачевский. Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1974. - стр.302), причем на всех оборотах автоматическая система управления (АСУ) подшипника обеспечивает такое управление, что магнитные силы обеспечивают такие смещения ротора в подшипнике относительно положения равновесия (центра подшипника) (Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение. - СПб: Политехника, 2003, стр.56, 62-72), что на всех оборотах в рабочем диапазоне турбокомпрессора должно выполняться условие

η<η_д, (1)

обеспечивающее безаварийную работу машины. Здесь η=P/G - безразмерная перегрузка, действующая на подшипник, Р - сила, действующая на подшипник, G - сила веса ротора, приходящаяся на подшипник, η_д - допустимое значение безразмерной перегрузки.

У массивных роторов η_д≪1 и для выполнения условия (1) резонансные области либо проходятся быстро, что требует больших энергетических затрат, либо пройти их известным способом на «проход» не удается.

Описанный способ разгона ротора принят за прототип.

В основу изобретения поставлена задача обеспечения и в этих случаях безопасного разгона ротора, установленного в активные магнитные подшипники, от нуля до рабочих оборотов и длительной работы машины на этом режиме с перегрузкой, меньшей допустимой.

Поставленная задача решается тем, что в способе безопасного разгона массивного ротора турбомашины, установленного в активных магнитных подшипниках, включающем быстрый переход ротора через критические числа оборотов первых двух мод ротора (мод, соответствующих ротору, как жесткому телу), у активных магнитных подшипников с помощью АСУ создается два режима: первый - с возможно большей жесткостью, которую могут обеспечить ресурсы управления с учетом отработки динамических воздействий в условиях длительной безопасной работы машины, и второй - с жесткостью, на один (и менее) - два - четыре порядка меньшей жесткости первого режима, и разгон ротора на «проход» начинается с первого режима, затем по мере набора оборотов ротором происходит согласно программе, осуществляемой АСУ подшипника, плавные (безударные) переключения с первого режима на второй и наоборот таким образом, что при разгоне полностью исключается работа ротора на резонансе и в резонансной области любой из мод в зоне от нуля до рабочих оборотов, и при этом на всех режимах слабо и, следовательно, легко проходятся известным способом на "проход", и вплоть до первого переключения режимов в дорезонансной области первой изгибной моды ротора в подшипниках с первым режимом перегрузки малы и условие η<η_д легко выполняется.

Так как жесткости подшипников обоих режимов существенно различаются, частоты критических режимов первого режима будут существенно сдвинуты в сторону увеличения частоты относительно частот соответствующих критических режимов второго режима.

Поэтому первое переключение с первого режима во второй режим произойдет в дорезонансной зоне первой изгибной моды первого режима в зарезонансную зону первой изгибной моды второго режима.

Затем обороты ротора будут набираться в зарезонансной зоне первой изгибной моды и в дорезонансной зоне второй изгибной моды второго режима до тех пор, пока не будет пройдена (по оборотам) резонансная область первой изгибной моды первого режима, и далее может быть осуществлено переключение из второго режима в первый и набор оборотов будет продолжаться в зарезонансной зоне первой изгибной моды и дорезонансной зоне второй изгибной моды первого режима.

Далее после прохождения по оборотам резонансной области второй изгибной моды второго режима произойдет плавное переключение во второй режим работы, и набор оборотов будет продолжаться в зарезонансной области второй изгибной моды этого режима. И так цикл переключения из режима в режим будет продолжаться вплоть до достижения рабочих оборотов, и на всех режимах в процессе разгона ротора, в том числе и на рабочих оборотах, будет выполнено условие η<η_д.

Таким образом, предлагаемый способ разгона ротора позволяет полностью исключить работу ротора в резонансных областях, где выполняется условие η<η_д, где η - безразмерная перегрузка, η_д - допустимая перегрузка.

Благодаря тому, что разгон начинается на первом режиме работы подшипника, параллельная и наклоняющая моды, соответствующие колебанию ротора как жесткого тела, не возбуждаются или проявляются перегрузка даже при "быстром" проходе через них может оказаться чрезмерной.

Рабочие обороты ротора могут попасть как в первый режим, так и во второй, но лучше стремиться, чтобы они попали в зарезонансную область какой-нибудь изгибной моды. Причем в случае попадания их во второй режим энергетические затраты на поддержание режима работы подшипника будут существенно меньшими.

Отметим, что чем больше уровень демпфирования динамической системы, тем шире резонансная область амплитудно-частотной кривой и выше перегрузка в зарезонансной области кривой.

Поэтому для более успешного применения предлагаемого способа следует обеспечить минимальное демпфирование в динамической системе "ротор - опоры - корпус", т.е. минимальное демпфирование самих активных магнитных подшипников.

Отметим, что точный количественный закон переключений с режима на режим в каждом конкретном случае может быть определен либо решением задачи о вынужденных совместных колебаниях системы "ротор - опоры - корпус", либо экспериментальным путем.

1. Способ безопасного разгона массивного ротора турбомашины, установленного в активных магнитных подшипниках, включающий быстрый переход ротора через критические числа оборотов первых двух мод ротора (мод, соответствующих ротору как жесткому телу), отличающийся тем, что у активных магнитных подшипников с помощью АСУ создают два режима: первый с возможно большей жесткостью, которую могут обеспечить ресурсы управления с учетом отработки динамических воздействий в условиях длительной безопасной работы машины, и второй - с жесткостью, на один (и менее) - два - четыре порядка, меньшей жесткости первого режима, и разгон ротора начинают с первого режима, затем по мере набора оборотов ротором происходят согласно программе, осуществляемой АСУ подшипника, плавные (безударные) переключения с первого режима на второй и наоборот таким образом, что при разгоне полностью исключается работа ротора на резонансе и в резонансной области любой из мод в зоне от нуля до рабочих оборотов и при этом на всех режимах выполняется условие η<η_д, где η - безразмерная перегрузка, η_д - допустимая перегрузка.

2. Способ разгона по п.1, отличающийся тем, что первое переключение осуществляют из дорезонансной зоны первой изгибной моды ротора первого режима в зарезонансную зону первой изгибной моды ротора второго режима.