Резонансный режим в активных и пассивных магнитных подшипниках

Первый способ подразумевает смещение зон повышенной вибрации в сторону увеличения таким образом, чтобы весь диапазон рабочих скоростей вращения располагался впереди первой критической скорости (жесткого ротора). Второй способ подразумевает работу машины в сверхкритических зонах (гибкий ротор) [2, с. 201]. В этом случае необходимо снизить первую критическую скорость вращения, т. е. порог зоны повышенной вибрации, и одновременно обеспечить безопасный переход через критические скорости в диапазоне до максимальных рабочих вращательных скоростей [2, с. 259; 3 с. 271]. Это достигается за счет снижения жесткости динамической системы "ротор-опора".

Для того чтобы сделать это, роторы установлены в эластичных поддержках с определенной жесткостью. Амплитуды вибрации можно уменьшить с помощью упруго-демпфирующая опора (УДО) путем введения искусственных демпферов в их конструкцию. Это уменьшает амплитуды резонансных колебаний, однако эффективность машины упадет.

Рисунок 1. (а) Модель ротора; (б) Отклонение вала от частоты вращения.

На рисунке 2 показаны режимы вибрации ротора в различных опорах, соответствующие первым трем критическим скоростям вращения. Для чрезвычайно упругих опор ротор проходит первые две критические скорости с образованием цилиндрической и конической прецессии (рисунок 2а). Криволинейный режим вибрации соответствует третьей критической скорости. При жестких опорах все режимы вибрации ротора, соответствующие первым трем критическим скоростям, изогнуты (рисунок 2с). Когда жесткость опоры соизмерима с жесткостью вала (рисунок 1Ь), режимы вибрации представляют собой комбинацию режимов для этих двух случаев. Наиболее распространенные колебания роторов вызваны статическим и моментным дисбалансом [3, с. 268]. Амплитуды таких вибраций могут быть уменьшены драматически путем использовать свойства жесткого ротора в упругих опорах. На рисунке 3 показано несколько типов таких упругих опор. Однако существуют и другие виды отрицательных вибраций, непосредственно связанных с использованием механических упругих опор. Это автоколебания, вызванные свойствами масляной пленки в подшипниках скольжения. (рисунок 1а); различные виды нелинейных колебаний, связанных с нелинейностью силовых характеристик роликовых подшипников изображены на рисунке 2

Рисунок 2. Режимы вибрации роторов в разных опорах: (а) предельно текучие; (Ь) упургие; (с) жесткие.

Рисунок 3. Упругие опоры ротора: (a) подшипник скольжения, (Ь) роликоподшипник. ротор турбомашина подшипник

Если ротор установлен в упругих опорах, могут возникнуть проблемы, когда ротор ускоряется, проходит через критические скорости и вибрирует как твердое тело [2, с. 189]. В данной работе рассмотрен метод перехода через такие повышенные зоны колебаний путем кратковременного изменения жесткости упругих опорах при ускорении или обкатке ротора, т. е. регулирование жесткости в зависимости от скорости вращения. Тогда силовые характеристики упругих опор будут адаптивными, позволяющими отстраивать систему "ротор в упругих опорах" от критических скоростей во всем диапазоне от нуля до рабочих скоростей вращения роторной машины. Упругие опоры с переменной жесткостью могут быть представлены не только обычными активными магнитными подшипниками (АМП), но и пассивными магнитными подшипниками (ПМП) с регулируемой жесткостью разработанной конструкции. В АМП стабильность положения ротора обеспечивается системой управления с отрицательной обратной связью (ОС) [6, с. 39], в то время как в ПМП это достигается самоцентрированием [4, с. 1914]. Силовые характеристики этих подшипников, в отличие от механических упругих опор, могут изменяться путем изменения электрических параметров (напряжений или управляющих токов) [5, с. 113]. Еще одной особенностью усилителей, которая может оказать существенное влияние на практическую применимость данного метода расстраивания, является нелинейная зависимость их силовых характеристик от смещения опорных секций ротора (т.е. от зазора между цапфой и полюсами статора), а также от токов в обмотках катушки полюса. Они изменяются в зависимости от положения ротора, определенного системой управления, в соответствии с заранее установленным законом.

В настоящее время существует несколько аналитических и практических подходов к реализации метода расстройки резонанса. Так, Климнюк [6, с. 15] и Эхскин [4, с. 1911] предложили метод безопасного ускорения горизонтальных и вертикальных массивных роторов турбомашин, установленных в активных магнитных подшипниках. Предполагается быстрый переход ротора через критические скорости первых двух режимов ротора (режимов, соответствующих ротору как жесткому телу). Это было достигнуто путем использования системы автоматического регулирования для того, чтобы настроить несколько условий эксплуатации с различной жесткостью в активных магнитных подшипниках. По мере того, как ротор приобретает скорость согласно программе установленной системой автоматического регулирования подшипника, одно условие эксплуатации изменяется ровно (безударный) от другое одного и наоборот так, что деятельность ротора под условиями резонанса и в зоне резонанса любого условий эксплуатации от нуля к скорости обработки будет исключена совершенно во время скорости-вверх. Известны также практические реализации аналогичных методов резонансной отстройки и демпфирования избыточных амплитуд колебаний. Так, фирма SKF S2M (SKF Group), специализирующаяся на производстве АМП, использует упреждающий контроль параметров АМП в различных турбомашинах, применяемых в нефтегазовой промышленности [7, с. 66]. Запатентованные алгоритмы (зарегистрированные товарные знаки), такие как ODC (оптимальное управление демпфированием), ABS (усовершенствованная система балансировки) и AVR (автоматическое снижение вибрации) обеспечивают усиленный контроль вибрации и реализуются с помощью шкафа управления E300V2 [6, с. 5]. Отличительной особенностью описанных подходов к реализации метода отстройки от резонансов и демпфирования повышенных амплитуд колебаний является то, что все они используются в полных магнитных подвесках роторов только в АМП. Однако известно, что ПМП обладают рядом преимуществ по сравнению с АМП (например, им не нужны источники электроэнергии и автоматическая система управления, которая включает основную часть стоимости АМП) [8, с. 3220]. Метод оценки ПМП заключался в использовании возможности быстрого изменения параметров жесткости и/или демпфирования в магнитных подшипниках различных с системой управления, включающей, наряду с датчиками положения, датчик угловой скорости. Помимо известных подходов, описанных в работах [9, с. 384], использование предложенной пассивно-активной магнитной подвески с регулируемой жесткостью позволит снизить себестоимость и повысить эффективность различных газовых турбин, турбодетандеров и экспандеркомпрессорных агрегатов за счет исключения потерь на трение и демпфирования вибрационной активности роторов.

Использованные источники