Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструктивных исполнений, оптимизационных и общих вопросов теории электромагнитных подшипников (эмп) компрессоров газоперекачивающих агрегатов (ГПА) 10
1.1. Анализ конструктивных исполнений электромагнитных подшипников для машин различной массы и компрессоров газоперекачивающих агрегатов 12
1.2. Обзор оптимизационных задач и общих вопросов создания электромагнитных подшипников компрессоров газоперекачивающих агрегатов 28
1.3. Выводы 55
2. Технико-экономическое обоснование применения ЭМП в компрессорах газоперекачивающих агрегатов 56
2.1. Расчёт экономических показателей применения ЭМП в компрессорах ГПА 56
2.2. Выводы 67
3. Концепция создания ряда эмп для серии компрессоров ГПА 68
3.1. Оптимизация, математические модели и расчеты магнитных систем ЭМП 68
3.2. Выбор структуры и параметров системы управления электромагнитным подвесом ротора компрессора ГПА 86
3.3. Определение допустимых отклонений параметров системы управления электромагнитным подвесом ротора компрессора ГПА 111
3.4. Организационно-технические вопросы и особенности приемо-сдаточных испытаний при серийном выпуске электромагнитного подвеса для компрессоров ГПА 124
3.5. Унифицированный ряд ЭМП для серии компрессоров ГПА 149
3.6. Выводы 170
4. Научно-технические проблемы создания эмп для серии компрессоров ГПА 173
4.1. Особенности создания ЭМП для серии компрессоров ГПА 173
4.2. Выводы 188
5. Опыт создания, эксплуатации и испытаний эмп для компрессоров ГПА 189
5.1. Разработка первых отечественных компрессоров с ЭМП для ГПА 189
5.2. Серийное внедрение ЭМП в компрессоры ГПА 194
5.3. Выводы 203
Заключение 204
Список литературы
- Обзор оптимизационных задач и общих вопросов создания электромагнитных подшипников компрессоров газоперекачивающих агрегатов
- Расчёт экономических показателей применения ЭМП в компрессорах ГПА
- Выбор структуры и параметров системы управления электромагнитным подвесом ротора компрессора ГПА
- Особенности создания ЭМП для серии компрессоров ГПА
Введение к работе
В мировой практике при создании магистральных газопроводов широкое распространение получили электромагнитные подшипники (ЭМП), используемые в компрессорах газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Это обусловлено тем, что в связи с успешным проведением работ по применению газодинамического безмасляного уплотнения (ГДУ) на серии компрессоров с применением ЭМП стало возможным создание полностью «сухих» компрессоров, т.е. работающих без смазки [11, 26].
В компрессорах с ГДУ замена традиционных подшипников качения или скольжения на ЭМП позволяет существенно увеличить ресурс работы компрессора, повысить его КПД за счёт исключения потерь на трение и сократить эксплуатационные расходы. Экономический эффект от внедрения ЭМП совместно с ГДУ составляет несколько десятков тысяч долларов в расчёте на одну машину [23, 25].
Первые зарубежные публикации по созданию «сухих» газовых компрессоров появились в 1985 г., когда фирма Nova (Канада) и фирма Framatom (Франция) сообщили об успешном испытании компрессоров мощностью 10 и 4 МВт с массой ротора 1500 и 200 кг. В настоящее время ряд зарубежных газовых компаний, таких как Dresser (США), Ingersoll Rand (США), Nuovo Pignone (Италия), периодически сообщают об успешных испытаниях «сухих» газоперекачивающих компрессоров различной мощности. Разработкой, изготовлением и поставкой ЭМП для зарубежных компрессоров занимается французская фирма S2M, которая специализируется на выпуске данных типов опор.
Настоящая диссертация посвящена вопросам, связанным с созданием ряда электромагнитных подшипников для серии компрессоров мощностью от 2,5 до 25 МВт, применяемых ОАО «Газпром» для транспортировки газа. Решение этой проблемы потребовало создать математические модели ЭМП, оптимизировать конструкцию МП, определить параметры системы управления ЭМП, организовать приёмо-сдаточные испытания и наконец сформировать ряд МП для компрессоров ГПА.
Результаты исследований и практические рекомендации приведены в этой работе.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В нашей стране возможность создания ЭМП для компрессоров ГПА стала возможной благодаря успешной отработке электромагнитных опор в электромеханических системах ориентации космических станций «Алмаз» и «Мир», разработанных ВНИИ электромеханики г. Москва [4, 37]. Именно ВНИИ электромеханики в 1991 г. впервые в отечественной практике совместно с компрессорным предприятием им. Фрунзе г. Сумы (Украина) осуществил успешные испытания компрессора агрегата ГПА-Ц-16 мощностью 16 МВт на
электромагнитных подшипниках [9], которые подтвердили экономическую эффективность применения ЭМП в газовых компрессорах.
Автор принимал активное участие в решении основных научно-технических проблем, связанных с разработкой ряда электромагнитных подшипников для компрессоров ОАО «Газпром», в их испытании и эксплуатации. В результате во ВНИИ электромеханики сформировалось самостоятельное научное направление по созданию электромагнитных подшипников для «сухих» компрессоров газовой промышленности.
Разработка и применение нового класса опор – электромагнитных подшипников для серии компрессоров способствует эффективному развитию газовой промышленности России и выполнению ее экспортных обязательств.
Учитывая актуальность и важность работы, связанные с созданием ряда электромагнитных подшипников для серии компрессоров ГПА, департамент по транспортировке газа ОАО «Газпром» в 1994 г. совместно с головными предприятиями по изготовлению компрессоров принял решение по модернизации и разработке новых газовых компрессоров магистральных газопроводов мощностью 2,5 – 16 МВт с ЭМП и ГДУ, а в 2000 и в 2004 г. принял первую, а затем вторую программы по серийному внедрению ЭМП в компрессоры газоперекачивающих агрегатов мощностью от 2,5 до 25 МВт.
Цель работы и задачи исследований. Целью данной работы является решение комплекса задач, на основании выполненных автором исследований позволяющих решить крупную научную проблему по созданию ряда электромагнитных подшипников для серии газовых компрессоров, имеющую важное хозяйственное значение. Внедрение ряда ЭМП в компрессоры способствовало созданию нового высокоэффективного оборудования для газовой промышленности – «сухого» компрессора и развитию нового научно-технического направления в электротехнической промышленности.
Создание ряда ЭМП для серии компрессоров ГПА магистральных газопроводов сопряжено с решением новых научных задач, связанных:
-
С разработкой обобщённой математической модели ЭМП;
-
С оптимизацией ЭМП для компрессоров;
-
С теоретическими исследованиями математической модели;
-
С выбором оптимальных технических решений по конструкции и параметрам ЭМП, системе управления подшипниками.
При научном участии автора получены следующие результаты:
-
Определена технико-экономическая эффективность применения ЭМП в компрессорах ГПА;
-
Разработана методика оптимизации геометрических параметров радиального и осевого ЭМП компрессора по массо-габаритным показателям и составлен алгоритм для расчёта на ЭВМ;
Научно-практические статьи, опубликованные
в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК
1. Сарычев А.П., Спирин А.В. Четырехполюсный радиальный электро-магнитный подшипник с дополнительными обмотками // Труды ВНИИЭМ. - М., 1988. – т. 88. – с. 125-129.
2. Сарычев А.П., Спирин А.В. Силовые характеристики четырехпо-люсного радиального электромагнитного подшипника // Труды ВНИИЭМ. - М., 1989, - т. 89. – с. 95-101.
3. Сарычев А.П., Спирин А.В. К расчету усилий в электромагнитном подшипнике с подмагничиванием // Труды ВНИИЭМ. - М., 1989. – т. 89. – с. 106-112.
4. Вейнберг Д.М., Верещагин В.П., Сарычев А.П. К расчету усилий и параметров электромагнитного радиального подшипника // Труды ВНИИЭМ. - М., 1990. – т. 90. - с. 40-44.
5. Сарычев А.П., Спирин А.В. Исследование силовых характеристик электромагнитного подшипника с подмагничиванием // Труды ВНИИЭМ. - М., 1990. – т. 90. - с. 50-53.
6. Сарычев А.П., Спирин А.В. Об управлении четырехполюсным радиальным электромагнитным подшипником с подмагничиванием // Труды ВНИИЭМ. - М., 1990. – т. 90. - с. 109-113.
7. Сарычев А.П., Верещагин В.П. Электромагнитные подшипники для Газпрома // Электротехника. – М., 1996. - № 5. - с. 29-31.
8. Сарычев А.П., Усошин В.А., Егоров И.Ф., Сизов Н.Ф. Аппаратура управления магнитными подшипниками ГПА // Газовая промышленность. – М., 1996. - № 11. - с. 40-42.
9. Сарычев А.П., Сухиненко В.Е., Медведев С.Д. и др. Бессмазочные нагнетатели природного газа // Газовая промышленность. – 1999. - № 2. – с. 48.
10. Сарычев А.П., Матвейчук П.А., Верещагин В.П. и др. Магнитный подвес для гибких роторов компрессоров // Газовая промышленность. – 2000. - № 2. – с. 51-52.
11. Сарычев А.П., Гризенко Н.Н. и др. Перспективы применения цифровых регуляторов в системах магнитного подвеса // Конверсия в машиностроении. – 1997. - № 3. – с. 50-52.
12. Сарычев А.П., Верещагин В.П., Матвейчук П.А. Особенности электромагнитных подшипников компрессоров магистральных газопроводов // Электротехника. – М., 1999. - № 6. – с. 32-34.
13. Сарычев А.П., Кочетов Д.А. Цифровое управление и мониторинг системы магнитного подвеса для роторных машин // Конверсия в машиностроении. – М., 1999. - № 1. – с. 36-39.
14. Сарычев А.П., Соколовский М.И., Спирин А.В. Создание нагнетателя НЦ-16М «Урал» с электромагнитным подвесом и сухими уплотнениями // Компрессорная техника и пневматика. – М., 2003. - № 6. – с. 3-6.
компрессоров мощностью 16 МВт. Данная работа показала, что ФГУП НПП ВНИИЭМ обладает высоким уровнем создания ЭМП. В 2010 г. согласно программе идёт изготовление около 50 компрессоров с ЭМП.
Сводная таблица по компрессорам с ЭМП на 2010 г. представлена в табл. 3, причём 100 из них находятся в эксплуатации, остальные в разной стадии отработки и изготовления [32].
Создание и внедрение нового ряда электромагнитных подшипников для серии компрессоров газоперекачивающих агрегатов приводит к появлению высокоэффективного оборудования для газовой промышленности – «сухого» компрессора, обладающего высокими техническими характеристиками и экологической чистотой. Таким образом, в работе решена проблема, имеющая важное хозяйственное значение.
В диссертационной работе представлено решение следующих научно-технических задач:
1. Обоснована и определена технико-экономическая эффективность применения электромагнитных подшипников для компрессоров газоперекачивающих агрегатов.
2. Решён комплекс научно-технических задач по оптимизации, математическому моделированию, расчетам характеристик и определению параметров электромагнитных подшипников и системы управления, возникающих при разработке электромагнитного подвеса для серии компрессоров ГПА.
3. Сформирован алгоритм экспериментальной отработки электромагнитного подвеса при серийном выпуске.
4. Разработан ряд унифицированных ЭМП и блоков управления для серии компрессоров ГПА ОАО «Газпром».
Успешная длительная эксплуатация ЭМП в компрессорах действующих газовых магистралей, экспериментальная и опытная отработка вновь созданных «сухих» компрессоров на стендах заводов-изготовителей ГПА и предприятий ОАО «Газпром» свидетельствует о правильности принятых научных и технических решений.
Таким образом, разработанные теоретические положения и практические решения явились основой для формирования нового научного направления в электротехнической промышленности, связанного с созданием электромагнитных опор для тяжелых роторных машин – компрессоров газоперекачивающих агрегатов. Результаты диссертации можно использовать при разработке магнитных подвесов машин и механизмов другого назначения.
Обзор оптимизационных задач и общих вопросов создания электромагнитных подшипников компрессоров газоперекачивающих агрегатов
Однако недостатком приведенных активно-пассивных магнитных систем является тот факт, что при появлении динамических нагрузок в направлении опор из постоянных магнитов возникают автоколебания, которые можно гасить только с помощью дополнительных демпфирующих устройств, что усложняет систему ЭМП и может оказаться неэффективным.
Как было отмечено выше, на ЭМП компрессора ГПА во-первых действуют большие статические нагрузки, а во-вторых большие динамические нагрузки, вызванные газодинамическими явлениями в компрессоре при перекачке газа. Кроме того, применение постоянных магнитов в тяжёлых агрегатах является сложной технической задачей создания конструкции крупногабаритного ЭМП.
Совместное использование магнитных подшипников (МП) и газодинамических «сухих» уплотнений в центробежных компрессорах газоперекачивающих агрегатов (ГПА) приводит к созданию полностью несмазываемого компрессора, который экономически гораздо эффективнее аналогичного компрессора, оснащенного масляной системой смазки, подшипников и концевых уплотнений вала.. Применение ГДУ и МП позволило им быть вполне реальной альтернативой обычным; подшипникам скольжения. Было бы бессмысленно переходить на МП, если при этом оставлять систему масляных уплотнений со всеми ее недостатками и, наоборот, применение только ГДУ без МП не дает полностью того эффекта, который может принести применение полностью «сухого» компрессора. Совместное применение ГДУ и МП не только решает проблему подшипников и уплотнений, но и упраздняет вспомогательные устройства систем (насосы, маслоотстойники, маслоохладители, вентиляторы и др.). Кроме того, имеется экономия в затратах за счет увеличения КПД компрессора, а также за счет снижения затрат на эксплуатационные расходы -и техобслуживание. К этому можно добавить полное исключение попадания масла в газопровод и отсутствие загрязнения окружающей среды.
Первое применение электромагнитных подшипников в газовых компрессорах относится к 1985 г., когда компания «Nova» (Канада) успешно завершила испытания компрессора CDP230 фирмы «Yngersol Rand» с электромагнитными подшипниками фирмы S2M (Франция) [130]. Компрессор имел мощность 10,4 МВт, частоту вращения 5250- -6895 об/мин, массу ротора 1500 кг, осевые нагрузки до 5500 кг. Радиальные электромагнитные подшипники были выполнены в виде восьмиполюсных шихтованных статоров с обмотками управления (рис. 1.4).
Датчики радиального положения выполнены индуктивного типа. Ротор состоит из шихтованных пластин той же толщины, что и статор. Осевой магнитный подшипник представляет собой два массивных кольцевых статора Ш-образного типа, в которые закладываются обмотки (рис. 1.5).
Между статорами расположен сплошной ферромагнитный диск, являющийся ротором осевого подшипника. Осевой датчик расположен на конце вала компрессора. Отмечено, что данный осевой подшипник обладает большим энергопотреблением.
ЭМП были использованы фирмой «Framatome», (Франция) при создании компрессора КВ403 мощностью 3,6 МВт [143]. Скорость вращения составляла 13600 об/мин, масса ротора 200 кг, осевое усилие около 2 т. Производитель ЭМП фирма S2M (Франция). В качестве радиальных и осевых подшипников предложены конструкции, описанные в [130].
Учитывая первый опыт в 90-х годах прошлого века; фирмы Nova и других канадских фирм по применению ЭМП в компрессорах различной мощности в Северной Америке, в статье [140] рассмотрен общий подход к, созданию конструкции радиальных и осевых МП; для компрессоров с массой ротора от 0,2 до 3 т. Учитывая большие и трудно определяемые статические и динамические нагрузки, предлагается для ЭМП газовых компрессоров вводить двойной запас по статической номинальной нагрузке от веса ротора. Такой подход позволит по мнению авторов парировать все нагрузки; возникающие в газопроводе.
В качестве радиальных магнитных подшипников и датчиков положения ротора предлагается использовать многополюсные, шихтованные радиальные магнитные системы (рис. 1.6). Обмотка статора радиального подшипника должна быть выполнена таким образом, чтобы получить четыре независимо управляемых квадранта.
В качестве статора осевого подшипника предлагается использовать цилиндрический торцевой электромагнит Ш-образного типа (рис. 1.7), выполненный как и радиальный подшипник из шихтованного Ш-образного листа в поперечном направлении для уменьшения вихревых токов. Осевой диск предлагается изготавливать массивным и одевать на вал.
Несмотря на рекомендации по расчёту ЭМП компрессора заданной мощности, в статье не приводится рекомендаций по выбору числа полюсов радиальной магнитной системы в зависимости от параметров компрессора.
Применение шихтованного осевого подшипника уменьшает потери на вихревые токи, но делает технологию его изготовления сложной, дорогостоящей и мало приемлемой в условиях серийного производства. Кроме этого, многополюсные системы имеют большое энергопотребление при равных усилиях, создаваемых подшипником.
В работе [145] для радиального подвеса роторов различных машин предложены две конструкции магнитной системы радиального подшипника (рис. 1.8 а, б), а также представлена оптимальная геометрия зубца.
Расчёт экономических показателей применения ЭМП в компрессорах ГПА
Все работы по оптимизации МП посвящены конкретным типам магнитных систем, используемых в определенных устройствах, так например, в работе [49] исследуются геометрические соотношения и выбираются оптимальные параметры П-образного электромагнита, используемого для подвеса вагонов на транспорте. В ней определены основные размеры магнитной системы, позволяющие минимизировать потребляемую электромагнитом мощность N, массу М и постоянную времени обмотки Т. В работе используются соотношения для постоянной времени, массы, мощности и тягового усилия, выраженные в относительных единицах функции следующих геометрических размеров электромагнитного подвеса: x = --;y = jL;v = —;z = —, где 1с - длина зубца ЭМП; 1к - ширина 8 8 8 8 обмоточного окна; а - ширина зубца; b - ширина ЭМП; 8 - величина воздушного зазора. Задача оптимизации формулируется следующим образом: найти минимум целевой функции: mmT (x,y,v,z) minM (x,y,v,z) (1-9) minN (x,y,v,z) при ограничениях: F (x,y,v,z) = F 3; B oc(x,y,v,z) = B oc3; (1.10) x,y,v,z 0, где F 3 - заданная величина электромагнитного усилия; В осз - заданная относительная величина индукции в основании магнитной системы.
Задача решается с использованием одного из простейших методов детерминированного поиска — метода сканирования [10] для; различных значений электромагнитных усилий.; Установлено, что экстремальные значения М и Т соответствуют одному и тому же значению параметра у (относительная ширина окна под обмотку), причем М соответствует максимальному значению, а Т минимальному.
Такое же соотношение между экстремальными значениями М и Т наблюдается при зависимости этих величин от других параметров. При построении в координатах v-y и х-у зависимостей Т и М обнаружено, что минимальные значения Т лежат на границах области определения параметров у, v, а минимум массы расположен внутри области ближе к начальным значениям параметров.
В работе [28] рассматривается результат оптимизации восьмиполюсного радиального электромагнитного подшипника при изменении коэффициента полюсного перекрытия а. В качестве частного критерия оптимальности используется максимум тягового усилия электромагнита при постоянстве МДО обмотки. Составлены уравнения Кирхгофа для одного замкнутого контура восьмиполюсного ЭМП. Из дифференцирования выражения для тягового усилия по а, определяемого по формуле Максвелла, установлено, что максимум тягового усилия достигается при величине полюсного перекрытия а = 1/3.
В работе [52] проводилась оптимизация магнитных систем осевого ЭМП с постоянными магнитами, установленными сначала на статоре, затем на роторе ЭМП.
В качестве критерия оптимизации выбран минимум потерь мощности Ру в обмотке управления в статическом режиме.
Варьируемыми параметрами являлись толщина наружного кольца стенки магнитопровода и ширина кольца постоянного магнита. В результате оптимизации шаговым методом [114] магнитной системы осевого ЭМП, содержащего, постоянный магнит на статоре, установлено, что при увеличении толщины наружного кольца корпуса Ai при том же развиваемом усилии уменьшается- мощность управления. Начиная с некоторого значения Ль несмотря на уменьшение МДС обмотки, мощность управления снова растет, поскольку начинает сильнее сказываться уменьшение сечения окна под обмотку управления. С увеличением ширины кольца постоянного магнита увеличивается поток магнита, а вместе с ним и оптимальная толщина корпуса Д1#
Оптимизировалась мощность управления осевого ЭМП, содержащего постоянный магнит на роторе. Исходные данные при оптимизации такие же, как и в осевом ЭМП с постоянным магнитом на статоре. Получено, что увеличение толщины наружного кольца магнитопровода статора ведет сначала к снижению Ру вследствие роста магнитной, проводимости зазора, а затем к увеличению Ру вследствие уменьшения окна магнитопровода.
Изменение ширины магнита Ьм оказывает влияние на величину Fy более заметно при малых значениях толщины стенки магнитопровода А\. В работе [27] исследованы, на оптимум радиальные опоры с зубчатым строением активных.поверхностей. Оптимизация геометрии зубцовой зоны при заданных воздушном зазоре 8, длине активной поверхности Is и ls/Dcp сведена к двум последовательным задачам нахождения оптимального соотношения ширины зубца bz, и ширины паза Ьп при фиксированном значении зубцового деления и нахождения оптимального числа зубцов при фиксированном значении bn/tz. При исследовании были использованы уравнения центрирующей и дестабилизирущей сил, полученные на основе метода гармонических проводимостей при допущениях, что насыщением стали магнитопровода и зубцов можно пренебречь, а глубина паза бесконечна. -38-Для радиальной центрирующей силы, представленной в виде: Q = - --Dcp-es- --F2-±n sin(n0), (1.11) где F - МДС на зазор, A; Dcp, lg - средний диаметр и длина активной поверхности магнитной опоры, м; 8 - гладкий воздушный зазор, м; ц0 -магнитная постоянная, Гн/м; 7 , - относительная проводимость воздушного зазора п-й гармоники; п - порядок гармонической проводимости воздушного зазора; 0 = — С - линейное смещение зубцов в угловых единицах, град; q линейное смещение зубцов, м.
Для ряда отношений bn/tz = 0,2-Ю,8 строилась зависимость Qtz = ґ(0)при t2/5 = const, затем зависимость Qtzm = f(bn/t2) при W5 = 4-K30. Анализ зависимостей Qtz = f(0) и Qt n = f(bn/tz) показал, что в диапазоне рассмотренных значений tz/5 отношение bn/tz, при котором центрирующая сила максимальна, колеблется в пределах 0,65- -0,75, а при значениях tz/5 = 2-4 2, наиболее распространенных в магнитных опорах, он остается практически постоянным и равным 0,7.
Выбор структуры и параметров системы управления электромагнитным подвесом ротора компрессора ГПА
Несмотря на внедрение сухих компрессоров (нагнетателей) в газовой промышленности России, детальное изложение преимуществ и экономической оценки (т.е. технико-экономического анализа) применения электромагнитного подвеса в таких агрегатах практически отсутствует.
В зарубежной литературе такие вопросы рассматриваются под углом применения в компрессоре, в основном, ГДУ без ЭМП, или расчеты по ЭМП даются в общем виде, причем экономический эффект от внедрения только сухого ГДУ оценивается в среднем в размере 100 тысяч долларов в год в расчете на одну машину [117, 135, 137, 139, 148]. Технико-экономический- анализ проведем при следующих исходных данных: 1. Среднее время работы компрессора с ГДУ мощностью 2,5 - 25 МВт в год 6500 часов. 2. Данные по мощности потребления, занимаемой площади, потерям масла, регламентным работам и другим показателям масляных компрессоров предоставлены дочерним предприятием ОАО «Газпром» - ОАО «Оргэнергогаз». Показатели по ЭМП взяты из технических условий (ТУ) на комплекты магнитного подвеса. 3. Затраты на работы и материалы приведены в ценах 1кв. 2009 г. 4. Для всех компрессоров используется однотипная структура блока управления ЭМП и одинаковая система маслоподачи в случае масляного компрессора.
Снизить механические потери нагнетателя [148], в результате чего высвобождается мощность, которая может быть направлена на увеличение дополнительного объема перекачиваемого газа в единицу времени при неизменных параметрах привода.
Известно [66], что механические потери Рм, МВт, в опорах и уплотнениях масляного нагнетателя составляют около 1% от его номинальной мощности N, причем 2/3 потерь приходится на опоры, тогда потери на трение в опорах масляного нагнетателя можно записать в виде формулы: PM 0,0067xN. (2.1) Механические потери в опорах сухого нагнетателя Рс, МВт, составляют величину порядка: Рс (0,01 - 0,03)-10"2-N (2.2) и обусловлены в основном аэродинамическим трением продувочного газа о поверхности подшипников. Разность потерь на трение в опорах масляного и сухого нагнетателя определяет величину экономии полезной мощности Рп, МВт: Pn 0,0067-N. (2.3)
Таким образом, эта мощность в течение года не будет переводиться в тепло, а будет использована на увеличение дополнительного объема перекачиваемого газа Og (или на уменьшение безвозвратных потерь сжигаемого газа для авиационного двигателя, являющегося приводом компрессора).
Из теории компрессорных машин известно [119], что производительность компрессора О, MVC, пропорциональна его мощности N, Вт, тогда, приняв одинаковым для всех компрессоров коэффициент сжатия 1,3 и давление на выходе компрессора 7,5 МПа, можно получить формулу для дополнительной производительности Og, MVC: Og = 0,542-10- -Рп, (2.4) -58-а умножив это выражение на время работы компрессора за год t = 6500 ч = 23,4-106 с, получим дополнительный объем перекачиваемого газа за год Vg, м3/год:. Vg 12,68-Pn. (2.5) В случае одновременной работы нескольких компрессоров цифры по дополнительному объему перекачиваемого газа возрастают на число эксплуатируемых агрегатов. 2. Увеличить ресурс работы механики подшипниковых узлов [117]. Срок службы масляных подшипников составляет 15-К25 тысяч часов, а магнитных подшипников 50-Н00 тысяч часов, в результате отсутствия механического контакта. Срок службы аппаратуры управления ЭМП и системы маслообеспечения масляных опор имеет практически одинаковую величину. 3. Сократить периодичность и время технического обслуживания и ремонта [137, 148]. В связи с большой надежностью и ресурсом работы системы магнитных подшипников значительно сокращается периодичность технического обслуживания (контроль состояния, проверочные работы) и ремонта.
В масляных опорах и уплотнениях периодичность технического обслуживания системы маслоподачи один раз в месяц, масляных подшипников два раза в год. Электромагнитные подшипники и блок управления обслуживаются один раз в квартал (проверка и снятие характеристик электроники и механики).
Средний ремонт масляных подшипников и маслосистемы производится через 3 тысячи часов (т.е. 2 раза в год), электромагнитных подшипников один раз в год и связан с плановым осмотром и при необходимости ремонтом электронных плат.
Особенности создания ЭМП для серии компрессоров ГПА
Для электронных систем управления газовых магистралей, к которым относится блок управления или система управления электромагнитным подвесом (СУЭМП), предъявляются очень высокие требования по надёжности, взаимозаменяемости и ремонтопригодности. Поэтому СУЭМП должны иметь: 1. Высокую наработку на отказ, определяемую элементной базой, 2. Однотипные унифицированные каналы управления, 3. Взаимозаменяемый комплект запасных частей, 4. Простоту в обслуживании и эксплуатации. Выполнение данных положений обеспечивает надёжность, взаимозаменяемость блока, его составных узлов и их ремонтопригодность. Этот подход предложен для блоков управления электромагнитным подвесом серийных компрессоров ГПА.
Аппаратура управления ЭМП для компрессоров ГПА может быть построена как в аналоговом исполнении [106, 107, 108, 126], так и в широко распространённом в последнее время цифровом [69, 94, 126].
Для цифрового исполнения необходимо, чтобы цифровой регулятор имел достаточное быстродействие [94] для демпфирования, действующих на ротор нагрузок. Кроме этого требуется разработка достаточно сложного программного обеспечения. Как показано в работе [69] при переходе к цифровому управлению от аналогового, необходимо учитывать квантование по времени или такт дискретности. Реализация аналоговых алгоритмов в цифровых приводит к понижению статической точности системы. Однако -цифровые системы являются наиболее перспективными, так как позволяют реализовывать различные законы управления, а применение структур систем управления с наблюдателем [69] даёт наилучшие результаты с точки зрения стабильности системы автоматического регулирования.
В данной работе рассматривается система управления, построенная на базе аналогового управления.
Аналоговый блок конструктивно выполняется [83] в виде единого каркаса, имеющего четыре модуля для радиальных каналов и один модуль для осевого, скомпанованных в виде субблоков, и комплектуемого запасными частями, состоящими из субблоков радиального и осевого канала ЭМП. При таком исполнении блока общую задачу пятиканального управления по отклонению ротора компрессора можно свести к структурной схеме, состоящей из пяти элементов и изображенной на рис. 3.2.1 [4, 29, 34, 37, 43, 112, 122]. Каждый элемент схемы представлен в виде элементарного звена со своими параметрами. В этой схеме измерение отклонения, вызванное внешним воздействием (нагрузкой) Q, осуществляется индуктивным датчиком с передаточной функцией Wfl, регулятор канала с передаточной функцией Wper реализует закон управления токами в обмотках электромагнита в зависимости от нагрузки, действующей на ротор и вызывающей его отклонения; усилитель мощности с коэффициентами усиления Км, Ка регулирует токи электромагнитов путём изменения напряжения на их обмотках. Электромагнит с передаточной функцией W3 является исполнительным органом в этом контуре автоматического регулирования, создающим тяговое усилие, возвращающее ротор с передаточной функцией Wp в исходное состояние.
Для улучшения динамических характеристик исполнительного органа в обратную связь электромагнита и усилителя мощности вводится звено с передаточной функцией Кл.
При выбранных или заданных передаточных функциях датчика и электромагнита, коэффициентах усиления усилителя мощности Км, Ка, выбор структуры системы управления сводится к определению передаточной функции регулятора Wper на основе передаточной функции ротора компрессора Wp, обеспечивающей устойчивость замкнутого канала системы автоматического регулирования ЭМП ротора компрессора [8, 42].
Необходимо отметить, что осевой канал блока управления ЭМП будет иметь такую же структуру управления, что и показанная на рис. 3.2.1, однако отличные от радиальных каналов передаточные функции Wper, Wp и величины параметров элементарных звеньев ввиду различного поведения ротора компрессора в радиальном и осевом направлении и нагрузок, действующих на ротор.
В схеме рис. 3.2.1 под датчиком канала будем понимать два индуктивных элемента, соединённых своей электроникой, которая преобразует сигналы датчиков и формирует сигналы управления канала регулятора. Электроника каждого датчика одного канала содержит генератор переменного напряжения, питающего индуктивные элементы, фазочувствительный выпрямитель, преобразующий переменные сигналы датчиков в постоянные, фильтр нижних частот, сглаживающий выходные сигналы смещения ФЧВ. При этом генератор напряжения для всех каналов может быть общим. С учётом составляющих электроники передаточную функцию датчика в схеме рис. 3.2.1 можно записать в виде элементарного апериодического звена [62]: где кд - коэффициент передачи датчика; s - оператор дифференцирования, No - постоянная времени фильтра нижних частот.
Как правило, обычные машины имеют пять датчиков (по числу каналов). Учитывая, что компрессор после сборки имеет большие геометрические несоосности как роторных, так и статорных частей, которые приводят к ухудшению характеристик ЭМП (балансировки, уменьшению жёсткости, помехозащищённости и т.д.), при серийном изготовлении контроль по сигналам положения ротора должен быть дополнен сигналами sin и cos угла поворота, полученными от двух датчиков, измеряющих отклонения ротора под эксцентриком, расположенном на роторе [89].
Сигналы значения угла поворота ротора, полученные от этих датчиков, используются для генерации сигналов, компенсирующих биение ротора и попутно для измерения скорости вращения ротора. Кроме того, установка по длине ротора не двух, а четырёх суппортов с датчиками радиального положения; даёт возможность улучшить характеристики ЭМП для ликвидации первых двух форм изгибных колебаний ротора путём подключения необходимого суппорта без корректировки параметров блока управления.
Схема формирования сигналов датчиками серийной аппаратуры представлена на рис. 3.2.2. Вопросы установки дополнительных суппортов будут рассмотрены в последующих .главах работы.
