Расчетный анализ нелинейных колебаний роторов турбомашин в подшипниках скольжения Некрасов, Александр Леонидович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Практический анализ работы ряда энергетических машин различной мощности показывает, что их вибрационное состояние нельзя назвать удовлетворительным. В спектрах колебаний на постоянной частоте вращения могут присутствовать как колебания оборотной частоты, вызванные неуравновешенностью, так и автоколебания, субгармонические колебания. Они могут быть вызваны различными нелинейными эффектами, такими как: нелинейные характеристики масляной пленки, задевания, ударные явления, и др. Однако простой ссылки на нелинейные свойства системы не достаточно для объяснения причин возникновения таких колебаний, т.к. нелинейные эффекты присутствуют практически во всех физических системах, а субгармонические колебания возникают не всегда. Объяснение причин и условий возникновения опасных колебаний остается актуальной проблемой как для турбостроения, так и для теплоэнергетики.

В отличие от экспериментальных исследований, расчетное моделирование нелинейных колебаний и свойств системы более продуктивно, поскольку позволяет исследовать поведения множества систем ло одной и той же модели с существенно меньшими затратами. Это представляет практический интерес как на стадии проектирования, так и во время эксплуатации турбомашин. Цель работы:

1. Разработать модель течения масляной пленки с подвижными границами образования и обрыва на основе метода конечных элементов при произвольном движении цапфы.

2. Разработать методику численного интегрирования нелинейных уравнений движения со многими степенями свободы на основе конечных элементов во временной области для расчета переходных колебаний ротора после разных типов возмущений.

3. Определить степень влияния изменения границ смазочной жидкости на результаты моделирования колебаний.

4. Провести сопоставление результатов моделирования колебаний, полученных с помощью линейной и нелинейной моделей реакций масляной пленки.

5. Провести анализ причин возникновения субгармонического резонанса при вынужденных колебаниях вызванных отрывом массы и расчета автоколебаний ротора в подшипниках скольжения на основе спектрального анализа, анализа траекторий движения и переходных процессов.

6. Провести расчетное моделирование и сопоставление вибрационного поведения различных роторов (с разной жесткостью) на двух типах (с выборкой и без выборки в верхней половине) эллиптических подшипников скольжения. Провести оценку системного демпфирования в различных подшипниках. Выработать рекомендации о применении подшипников.

Научная новизна работы заключается в следующем:

создана наиболее адекватная модель течения смазочной пленки в подшипнике скольжения конечной длины и ширины с использованием физического граничного условия - равенства нулю градиента давления в месте образования и разрыва масляной пленки - так называемая задача "со свободными границами";

разработаны и реализованы базы данных для определения свободных границ смазочной пленки для разных подшипников; - разработана методика численного интегрирования системы дифференциальных уравнений движения произвольной динамической системы со многими степенями свободы с учетом нелинейных сил общей природы на основе метода конечных элементов во временной области; разра* ботанная методика позволяет использовать любые модели динамических систем, записанные в матричной форме;

создана новая совокупность расчетных методик и программных средств на основе совместного решения нестационарных нелинейных задач: движении ротора и гидродинамической смазки в подшипнике скольжения.

программный комплекс позволяет рассчитывать нелинейные свободные и вынужденные колебания роторов турбомашин и определять ам-

плитудные спектры колебаний, различные типы состояния равновесия многомерных нелинейных динамических систем;

в результате расчетного анализа ряда роторов турбомашин определены условия возникновения субгармонических резонансов и оценка времени установления опасных амплитуд колебаний. Достоверность результатов нелинейного моделирования подтверждена сопоставлением с результатами расчетов, полученных с применением методик линейного анализа систем ротор-подшипники турбомашин для случаев малых возмущений. Расчетные спектры вынужденных колебаний по составу частот качественно соответствуют полученным в результате экспериментов на натурных турбомашинах. Экспериментальные результаты получены с помощью аппаратуры прошедшей поверку.

Практическая ценность работы:

создана расчетная методика и программный комплекс для исследования свободных и вынужденных колебаний сложных механических систем содержащих подшипники скольжения с нелинейными свойствами; расчетный анализ по разработанным методикам применялся для диагностирования субгармонических колебаний валопроводов энергетических турбоагрегатов 200-800 МВт;

получено время установления устойчивого типа колебаний систем ротор-подшипники. Эта информация используется при создании систем мониторинга, диагностики и управления (регулирования) турбомашинами электростанций;

результаты моделирования автоколебаний и вынужденных колебаний ряда роторов турбомашин, выполненные в работе имеют практическое значение для использования при проектировании и доводке новых турбомашин на турбостроительных предприятиях;

рекомендации по оптимизации геометрии подшипников реализуется на ряде электростанций.

Личный вклад автора заключается в следующем:

- проведены комплексные виброобследования ряда турбоагрегатов на
действующих электростанциях с использованием многоканального виб
роизмерительного комплекса. Автор принимал участие в обработке,
анализе и проведении большинства измерений;

разработка параметров и настроек алгоритмов регистрации вибрационных сигналов, программ обработки и трехмерной визуализации;

разработка методики расчета нелинейных реакций смазочного слоя подшипников скольжения на основе метода конечных элементов;

разработка методики численного интегрирования системы дифференциальных уравнений движения на основе метода конечных элементов;

создание совокупности программных средств для совместного решения нестационарных нелинейных задач: движении ротора и гидродинамической смазки в подшипнике скольжения;

проведение всех расчетов динамических систем связанных с моделированием нелинейных свойств подшипников;

- выполнение анализа и сравнение результатов моделирования, фор
мулировка выводов по результатам работы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

1. Республиканской научно-технической конференции «Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для совершенствования энергетических и транспортных турбоустановок.,.», Змиев,18-20 сентября 1991.

2. И-й Российско-китайской конференции «Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов», Москва, МАИ, 7-Ю апреля 1992.

3. Первой международной авиакосмической конференции "Человек-Земля-Космос", Москва, 28 сент.-2 окт. 1992 г.

4. Международной научно-технической конференции «Совершенствование энергетических и транспортных турбоустановок...», Змиев, 26-29 сентября 1994.

5. Международной конференции «Динамика роторных систем» 21-23 мая 1996, г. Каменец-Подольский.

6. На семинарах по проблемам динамики и прочности турбомашин на кафедре Паровых и газовых турбин, 1990,1998.

7. На заседании кафедры Паровых и газовых турбин, 1998. Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 6 научных статей, тезисы 6 докладов.

Автор защищает:

совокупность методик и программных средств для моделирования и анализа нелинейных колебаний систем ротор-подшипники;

результаты расчетного анализа нелинейных колебаний ряда систем ротор-подшипники скольжения;

- рекомендации по совершенствованию систем ротор-подшипники. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 125 страницах, включает 94 страниц машинописного текста, иллюстрирована 3? рисунком и 2. таблицами. Список литературы содержит ҐОЗ наименований.