Введение к работе
Актуальность темы.
В последнее время в газоперекачивающей промышленности широкое применение получили электромагнитные подшипники. Основное отличие магнитных подшипников (МП) от других типов опор заключается в возможности управления их свойствами. При проектировании гибких роторных машин с активными магнитными подшипниками (АМП) первоочередной задачей является определение динамических характеристик валопроводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Расчет собственных частот и форм колебаний роторных машин необходим для решения вопросов повышения качества и эффективности работы системы магнитного подвеса (СМП) в ГПА. Обеспечение требований надежности функционирования и управления активным магнитным подвесом ГПА связано с синтезом системы автоматического управления магнитными подшипниками (САУ МП). Данная задача имеет важное практическое значение для разработки методов борьбы с возбуждающимися частотами валопроводов при помощи системы автоматического регулирования МП.
Электромагнитный подвес является неотъемлемой частью современного ГПА, что в совокупности образует комплекс, электромеханическая часть которого состоит из магнитных подшипников с электронной системой управления, а механическая включает в себя упругую конструкцию ротора. Для определения критических частот и форм колебаний роторного агрегата с магнитным подвесом на первом этапе проектирования необходимо рассмотреть валопровод как сложную динамическую систему с учетом всех основных динамических явлений, присущих валопроводам ГПА.
Исследование динамики упругого валопровода в замкнутой системе автоматического управления следует проводить на математических моделях. При анализе и синтезе САУ необходимо учитывать влияние собственных частот колебаний ГПА на работу магнитного подвеса. Проблема активного демпфирования упругих колебаний валопровода в системе управления МП и выработка специальной методики по борьбе с ними носят комплексный характер.
Цель работы.
Целью работы является решение научной задачи, связанной с исследованиями по учету влияния упругих свойств валопровода ГПА на динамические свойства СМП, состоящей в:
разработке конечно - элементной модели (КЭМ) упругого валопровода ГПА с МП для расчета его динамических характеристик;
синтезе закона управления МП гибкого роторного агрегата при помощи математической модели замкнутой системы автоматического регулирования;
экспериментальном подтверждении расчетных динамических характеристик роторных машин ГПА.
Задачи работы:
-
Динамический анализ гибких роторных машин ГПА, работающих на магнитном подвесе;
-
Исследование влияния упругих свойств валопровода ГПА на частотные характеристики САУ МП;
-
Разработка оптимальных способов настройки регуляторов МП гибких ГПА для повышения запасов устойчивости САУ;
-
Экспериментальное определение собственных частот ротора в магнитном поле подшипников для подтверждения достоверности расчетных моделей и полученных результатов.
Методы исследования.
Для построения математической модели валопровода ГПА в работе используется метод конечных элементов (МКЭ). Определение расчетных и экспериментальных динамических характеристик роторной системы производится методом модального и спектрального анализа.
Математическая модель ротора, предназначенная для САУ МП, представляется аналитически в виде системы дифференциальных уравнений механических колебаний ротора, которые преобразуются в передаточные функции, принятые в теории автоматического управления. Затем средствами компьютерного моделирования формируется математическая модель САУ МП. Результаты модального анализа валопровода ГПА (значения собственных частот и коэффициентов форм колебаний) используются в математической модели ротора. Для анализа свойств математической модели замкнутой САУ МП, а также отдельных структурных элементов и звеньев системы применяется численный метод экстраполяции.
Научная новизна диссертационной работы:
-
На основе существующей структуры математической модели ротора предложено использовать в ней результаты модального анализа валопровода ГПА с гибкими роторами и упругой трансмиссией для синтеза параметров регулирования САУ МП;
-
Разработаны рекомендации по выбору параметров регулятора САУ МП с режекторными фильтрами в целях обеспечить устойчивое управление магнитным подвесом на критических частотах колебаний гибкого валопровода ГПА;
-
Применена селекция датчиков для обеспечения инвариантности САУ МП к упругим формам колебаний валопровода ГПА.
Практическая ценность работы:
-
Произведенные теоретические и экспериментальные исследования собственных частот и форм колебаний на примере нескольких упругих роторных машин позволили выявить ряд характерных и наиболее встречающихся динамических явлений в гибких валопроводах ГПА с СМП;
-
Апробированная методика оценки критических частот, соответствующих первым изгибным формам колебаний роторов нагнетателей на МП (стандарт API 617) в составе гибких ГПА с низким запасом отстройки от скоростей
вращения, дает важную информацию об эксплуатационных и динамических свойствах данных машин;
-
Представленная математическая модель ротора для САУ МП используется при синтезе системы управления магнитным подвесом;
-
Полученные частотные характеристики САУ МП подтверждают правильность выбранных алгоритмов регулирования активного магнитного подвеса для упругих роторов ГПА.
Реализация результатов работы.
Предложенный в диссертации подход по определению динамических характеристик гибких роторных машин (валопроводов) применяется для всех типов ГПА с магнитным подвесом. Согласно разработанной методике, НПП ВНИИЭМ и производителями компрессорной техники проводятся расчеты критических частот и форм колебаний по каждому агрегату, в том числе по стандарту API 617 для определенных типов ГПА с упругими роторами (КС «Заполярная», КС «Грязовецкая», КС «Западно - Таркосалинская» и КС «Байдарацкая»). Полученные динамические значения и характеристики проверяются, корректируются и утверждаются между сторонами на стадиях проектирования и испытания ГПА с МП. На примере ГПА-ЦЗ-16С/76-1,7М (СМНПО им. Фрунзе) с компрессором 294ГЦ2-249/44-76М на МП проведен анализ динамических свойств упругого валопровода. Это является первым и основным этапом практической реализации результатов работы. На следующем этапе, полученные динамические характеристики валопровода ГПА используются в математической модели ротора для синтеза и анализа САУ МП.
В итоге, на основании частотных характеристик САУ МП и реализованного закона регулирования вносятся необходимые рекомендации с целью улучшения динамических качеств СМП.
Конечным результатом исследований является сокращение затрат и сроков на проведение наладки СМП для ГПА.
На защиту автором выносится:
-
Обоснование использования результатов модального анализа в'алопровода ГПА-ЦЗ-16С/76-1,7М с компрессором 294ГЦ2-249/44-76М на МП для анализа и синтеза математической модели ротора в САУ МП;
-
Разработка рекомендаций по повышению качества управления МП на основе результатов исследований, проведенных при помощи математической модели САУ МП для гибких роторных машин;
-
Адекватность поведения математической модели ротора в системе автоматического регулирования магнитными подшипниками гибкого ГПА подтвержденная экспериментальными данными, полученными для ГПА 16 «Урал» с нагнетателем НЦ - 16М.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно - технических конференциях: «Отечественное компрессоростроение - газовой промышленности» (VI Международный форум «PCVEXPO» - 2007, Выставочный центр «Сокольники», г. Москва); «IV Научно - практическая конференция молодых специалистов и студентов» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 2007г.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 4 печатных работы (в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК). Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 88 наименований. Работа содержит 151 страницу текста, 63 рисунка и 11 таблиц.
