Демпфер вертикального ротора

Демпфер вертикального ротора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к машиностроению, к устройствам подавления механических колебаний роторных систем, и может быть использовано в качестве элемента демпфирующей нижней опоры быстровращающихся машин и приборов с вертикальной осью вращения, например, в накопителях энергии, ультрацентрифугах.

Совершенствование центрифужных технологий, неразрывно связано с ростом значений рабочих скоростей вращения роторов и увеличением числа их звеньев, что предполагает вращение роторов в закритической области. Следствием этих тенденций является появление дополнительных зон неустойчивости вращающегося ротора, которые характеризуются сложными совместными колебаниями его элементов одновременно и в радиальном и в аксиальном направлениях. Последнее обстоятельство приводит к увеличению ширины эксплуатационного частотного диапазона, внутри которого могут проявиться все свойственные данной системе проблемы с устойчивостью и, как следствие, к невозможности справиться с этими проблемами при помощи демпфирующих устройств, имеющих ограниченное количество собственных реализуемых степеней свободы.

Известен демпфер ротора центрифуги [патент R.U 2044936, F16F 9/10, 15/023, 03.07.1992], состоящий из подвижного цилиндра с подшипником для опирания ротора и центрирующими пружинами в верхней части, шарнирно опертый нижней частью в резервуаре, заполненном демпфирующей жидкостью. Демпфирование осуществляется за счет перемещения жидкости в зазоре между корпусом и цилиндром. Конструкция описанного демпфера позволяет подавлять низкочастотные радиальные колебания ротора при прохождении им «пусковых» частот и прецессионные колебания на рабочей скорости вращения.

Недостаток известной конструкции состоит в том, что конструкция демпфера обеспечивает демпфирование только в радиальном направлении и только в двух зонах частот, что не приемлемо для подавления колебаний многочастотных роторных систем.

Известен также демпфер для высокоскоростных роторов [патент ФРГ 2337190, F16F 15/02, 21.07.1973], состоящий из подвижного цилиндра в виде двухстороннего стакана, опертого нижней стороной дна на пружину, установленную в корпусе опоры, заполненном демпфирующей жидкостью и имеющем внутренний ответный стакан меньшего диаметра, с подшипником для опирания ротора, смонтированным в дне стакана, с его верхней стороны. Демпфирование осуществляется за счет перемещения жидкости в зазорах между стенками корпуса, стакана и цилиндра. Конструкция описанного демпфера позволяет проходить через 2-3 «критических» скорости при разгоне ротора до его рабочей скорости вращения.

Недостаток известной конструкции состоит в том, что, несмотря на упругое опирание подвижного стакана демпфера и расширенный частотный диапазон демпфера, демпфирование осуществляется в нем только в радиальном направлении, что не обеспечивает подавления сложных (радиальных и аксиальных) колебаний многочастотных роторных систем.

Наиболее близким к изобретению является демпфер [патент Великобритании 1570358, В04В 9/12, F16C 23/04, 02.07.1980], состоящий из подвижного цилиндра в виде двухстороннего стакана, с подшипником для опирания ротора, смонтированном в дне стакана с его верхней стороны, поддерживаемого с верхней стороны гибкой мембраной, имеющего с нижней стороны ферромагнитный диск, перпендикулярный его оси, периферийной частью находящейся в подковообразной полости кольцевого магнита, размещенного в проточке корпуса, опертого нижней стороной дна на гибкую иглу, допускающую перемещение цилиндра только в радиальном направлении, который установлен в полости, заполненной демпфирующей жидкостью, в корпусе опоры, имеющем внутренний ответный стакан меньшего диаметра. Демпфирование осуществляется в радиальном направлении за счет перемещения жидкости в зазорах между стенками корпуса, стакана и цилиндра, а также за счет электромагнитного взаимодействия ферромагнитного диска и магнита. Конструкция описанного демпфера позволяет проходить через «критические» скорости при разгоне ротора до его рабочей скорости вращения.

Недостаток известной конструкции состоит в том, что, несмотря на упругое опирание подвижного цилиндра демпфера и наличие диска, установленного перпендикулярно цилиндру и размещенного в кольцевой проточке в полости, заполненной демпфирующей жидкостью, демпфирование в нем также осуществляется только в радиальном направлении, что не обеспечивает подавления сложных колебаний многочастотных роторных систем - одновременно радиальных и аксиальных.

Настоящее изобретение направлено на увеличение общей эффективности демпфирования и расширение частотного диапазона эффективного демпфирования в радиальном направлении, и на реализацию дополнительного демпфирования в аксиальном направлении.

Эта задача решается за счет того, что в демпфере вертикального ротора, содержащем корпус, установленный в его полости, заполненной демпфирующей жидкостью, основной подвижный элемент в виде тела вращения, снабженный, по крайней мере, одним дополнительным демпфирующим элементом, подшипник для опирания ротора и центрирующие пружины, закрепленные в верхней части основного подвижного элемента, который шарнирно оперт своей нижней частью через опорную иглу и подпятник на упругий элемент основного подвижного элемента, по меньшей мере, один дополнительный демпфирующий элемент присоединен в кольцевой проточке основного подвижного элемента и расположен с демпфирующими зазорами в кольцевой проточке корпуса.

Кроме того, в демпфере вертикального ротора упругий элемент подвижного элемента демпфера может быть выполнен в виде, по крайней мере, одного гибкого диска, закрепленного по контуру в корпусе демпфера.

Кроме того, по меньшей мере один дополнительный демпфирующий элемент может быть выполнен в виде кольца, присоединенного к основному подвижному элементу через упругий элемент подвески.

Кроме того, по меньшей мере, один дополнительный демпфирующий элемент демпфера выполнен в виде диска, перпендикулярного к оси основного подвижного элемента. Кроме того, дополнительные демпфирующие элементы демпфера расположены вблизи торцев основного подвижного элемента.

Кроме того, дополнительные демпфирующие элементы выполнены в виде колец, имеющих одинаковую или различную жесткость упругих элементов подвески.

Кроме того, дополнительные демпфирующие элементы выполнены в виде дисков, имеющих одинаковую или различную изгибную жесткость.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг.1 - демпфер вертикального ротора;

фиг.2 - демпфер с основным подвижным элементом, опертым на гибкий диск, где закрепленный по контуру в корпусе демпфера;

фиг.3 - демпфер с дополнительным элементом в виде кольца;

фиг.4 - демпфер с дополнительным элементом в виде диска;

фиг.5 - демпфер с двумя дополнительными элементами.

Демпфер содержит корпус 1, установленный в его полости 2, заполненной демпфирующей жидкостью 3, основной подвижный элемент 4 в виде тела вращения с, по крайней мере, одной кольцевой проточкой 5, подшипник 6 для опирания ротора 7, центрирующие пружины 8, закрепленные в верхней части основного подвижного элемента 4, который шарнирно оперт своей нижней частью через опорную иглу 9 и подпятник 10 на упругий элемент 11, допускающий перемещение в осевом направлении и обеспечивающий жесткую центровку в радиальном направлении. В корпусе 1 выполнена, по крайней мере, одна кольцевая проточка 12, в которую с демпфирующими зазорами 13 помещен один дополнительный демпфирующий элемент 14, присоединенный к основному подвижному элементу 4 в кольцевой проточке 5.

Дополнительный демпфирующий элемент может быть выполнен в виде кольца 15, присоединенного к основному подвижному элементу 4 в кольцевой проточке 5 через упругий элемент подвески 16.

Дополнительный демпфирующий элемент может быть выполнен в виде диска 17, перпендикулярного к оси основного подвижного элемента 4 и жестко связанного с ним в кольцевой проточке 5.

Дополнительные демпфирующие элементы 14, присоединенные в разных кольцевых проточках 5 основного подвижного элемента 4, могут находиться как в его средней части, так и вблизи его торцев, и могут быть помещены, соответственно, в разных кольцевых проточках 12 корпуса.

Присоединение дополнительных демпфирующих элементов 14 к основному подвижному элементу 4 в кольцевых проточках 5, позволяет значительно увеличить демпфирующую поверхность демпфера при практически неизменных массе и моментах инерции его подвижных элементов.

Причем в случае, если дополнительные демпфирующие элементы выполнены в виде колец 15, то упругие элементы их подвески 16 могут иметь либо одинаковую жесткость, либо различную.

Если дополнительные демпфирующие элементы выполнены в виде дисков 17, то диски 17 могут обладать либо одинаковой изгибной жесткостью, либо различной.

Основной подвижный элемент 4 может быть оперт своей нижней частью через опорную иглу 9 и подпятник 10 на упругий элемент 18, выполненный в виде одного или нескольких гибких дисков, закрепленных по контуру в корпусе 1 демпфера.

Работа демпфера происходит следующим образом.

При приведении ротора 7 во вращение, на различных скоростях могут возникать его радиальные и аксиальные колебания. При этом ротор 7 через подшипник 6 приводит в радиальное или аксиальное колебательное движение основной подвижный элемент демпфера 4. Связанный с ним, по крайней мере, один дополнительный демпфирующий элемент 14 демпфера, также приходит в радиальное или аксиальное колебательное движение. Таким образом, перемещаясь совместно в полости 2, заполненной демпфирующей жидкостью 3, оба подвижных элемента осуществляют работу демпфирования как в радиальном, так и в аксиальном направлении.

При низкочастотных радиальных колебаниях ротор 7 через подшипник 6 раскачивает основной подвижный элемент 4 без изгиба опорной иглы 9 на подпятнике 10 в полости 2 с демпфирующей жидкостью 3.

Перемещение основного подвижного элемента 4 и дополнительного демпфирующего элемента 14 в демпфирующей жидкости 3 вызывает частичное поглощение энергии колебаний ротора 7, эффективность которого зависит от суммарной площади демпфирующих поверхностей подвижных элементов. В результате, амплитуда радиальных колебаний ротора уменьшается.

На этой форме колебаний основного подвижного элемента 4, повышение эффективности демпфирования за счет добавления демпфирующей поверхности дополнительного демпфирующего элемента 14 к демпфирующей поверхности основного подвижного элемента 4 не столь значительно.

Однако при высокочастотных радиальных колебаниях ротор 7 через подшипник 6 раскачивает основной подвижный элемент 4 вокруг его центра давления, расположенного примерно в его средней части, уже с изгибом опорной иглы 9.

На этой форме колебаний основного подвижного элемента 4 происходит существенная добавка демпфирующей поверхности к поверхности основного подвижного элемента 4, за счет поверхности дополнительного подвижного элемента 14, что выражается в виде общего подъема эффективности радиального демпфирования, особенно в области собственной частоты колебаний основного подвижного элемента 4, и расширении за счет этого эффективного частотного диапазона демпфера.

При аксиальных колебаниях ротор 7 через подшипник 6 раскачивает основной подвижный элемент 4 в демпфирующей жидкости 3 на упругом элементе 11. Вместе с основным подвижным элементом 4 в кольцевой проточке 12 корпуса синхронно перемещается дополнительный демпфирующий элемент 14, имеющий значительную демпфирующую поверхность.

Перемещение дополнительного демпфирующего элемента 14 вызывает перетекание демпфирующей жидкости 3 в демпфирующих зазорах 13 кольцевой проточки 12 корпуса 1, что приводит к поглощению энергии колебаний ротора 7 и уменьшению амплитуды его аксиальных колебаний.

Таким образом, введение в конструкцию демпфера дополнительных демпфирующих элементов описанной конструкции позволило при практически неизменных массе и моментах инерции подвижных элементов демпфера значительно увеличить его рабочие поверхности. В результате, суммарная угловая жесткость на основном элементе демпфера увеличилась, обеспечив общий подъем эффективности, особенно в области частотных настроек основного элемента, и существенное расширение частотного диапазона при меньших рабочих перемещениях основного подвижного элемента.

Кроме того, демпфер приобрел дополнительную эффективность в аксиальном направлении.

1. Демпфер вертикального ротора, содержащий корпус, установленный в его полости, заполненной демпфирующей жидкостью, основной подвижный элемент в виде тела вращения, снабженный по меньшей мере одним дополнительным демпфирующим элементом, подшипник для опирания ротора и центрирующие пружины, закрепленные в верхней части основного подвижного элемента, который шарнирно оперт своей нижней частью через опорную иглу и подпятник на упругий элемент основного подвижного элемента, отличающийся тем, что по меньшей мере один дополнительный демпфирующий элемент присоединен в кольцевой проточке основного подвижного элемента и расположен с демпфирующими зазорами в кольцевой проточке корпуса.

2. Демпфер по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент основного подвижного элемента демпфера выполнен в виде, по крайней мере, одного гибкого диска, закрепленного по контуру в корпусе демпфера.

3. Демпфер по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один дополнительный демпфирующий элемент выполнен в виде кольца, присоединенного к основному подвижному элементу через упругий элемент подвески.

4. Демпфер по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один дополнительный демпфирующий элемент демпфера выполнен в виде диска, перпендикулярного к оси основного подвижного элемента.

5. Демпфер по п.1, отличающийся тем, что дополнительные демпфирующие элементы демпфера расположены вблизи торцов основного подвижного элемента.

6. Демпфер по п.3, отличающийся тем, что дополнительные демпфирующие элементы выполнены в виде колец, имеющих одинаковую или различную жесткость упругих элементов подвески.

7. Демпфер по п.4, отличающийся тем, что дополнительные демпфирующие элементы выполнены в виде дисков, имеющих одинаковую или различную изгибную жесткость.