Способ управления радиальными активными магнитными подшипниками роторной машины и роторная машина

 

Изобретение м.б. использовано в опорах роторных машин. Согласно предлагаемому способу измеряют величину зазоров в подшипниках и между ротором и статором машины в зоне наибольшей деформации ротора . С учетом изменения зазора в зоне наибольшей деформации ротора регулируют величину тока питания электромагнитов подшипников. Роторная машина для осуществления способа со держит статор, установленный в радиальных активных подшипниках, ротор и систему автоматического регулирования с датчиками положения ротора в подшипниках и датчиков положения ротора в статоре. Зазоры в подшипниках выполняют большими, чем зазоры между ротором и статором в зоне наибольшей деформации ротора. 2 с.п. флы, 2 ил. (Л с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕCKИХ

РЕСПУБЛИК (19) ((!) (я)5 F 16 С 32/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4858782/27 (22) 13,08.90 (46) 30.07.92. Бюл. М 28 (71) Институт ядерной энергетики АН БССР (72) Э.П.Кревсун, А.А.Иванов, А.В,Яхницкий, С.П,Сафонов и А,В,Наганов (56) Журавлев Ю.Н. и др, Разработка электромагнитных опор для высокоскоростных шпинделей. (Отчет) / Псковский филиал

ЛПИ им. Калинина. Ь ГР 0182007797, Инв.

М 02850041.350. — Псков, 1984, с. 18, рис. 2.1, с. 84, рис. 3,4. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАДИАЛЬНЫМИ АКТИВНЫМИ МАГНИТНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ РОТОРНОЙ МАШИНЫ И

РОТОРНАЯ МАШИНА (57) Изобретение м.б. использовано в опорах роторных машин, Согласно предлагаеИзобретение относится к машиностроению, в частности к опорам роторных машин.

В известных технических решениях не предуСмотрены средства для повышения надежности работы роторной машины на переходных режимах, когда возможны увеличенные деформации деталей, например, при разогреве машины.

Для предотвращения касания вращающихся и неподвижных деталей роторных машин, возможного в результате коробления корпуса или ротора при разогреве, обычно ограничивают скорость разогрева и предусматривают достаточно большой зазор между деталями ротора и статора или применяют разрушаемые элементы уплотнения проточной части, Ограничение скорости разогрева снижает маневренность машины, а увеличение зазора в проточной части ухудшает экономичность, в особенности при малых высотах мому способу измеряют величину зазоров в подшипниках и между ротором и статором машины в зоне наибольшей деформации ро-. тора. С учетом изменения зазора в зоне наибольшей деформации ротора регулируют величину тока питания электромагнитов подшипников. Роторная машина для осуще- . ствления способа содержит статор, установленный в радиальных активных подшипниках, ротор и систему автоматического регулирования с датчиками положения ротора в подшипниках и датчиков положения ротора в статоре, Зазоры в подшипниках выполняют большими, чем зазоры между ротором и статором в зоне наибольшей деформации ротора. 2 с.п. флы, 2 ил. проточной части, за счет увеличения протечек, Различные разрушаемые уплотнения снижают надежность, дополнитвльно нагружая детали, и не обеспечивают стабильности перетечек из-за увеличения зазора на других режимах.

Известнй также разлйчные приемы компенсации измененйя зазора роторной машины при разогреве. Например, способ защиты ротора паровой турбины от контакта с корпусом заключается в установке электронагревателя вокруг кольца диафрагмы и разогрева этого кольца при пуске турбины, Однако это техническое решение связано с дополнительными энергозатратами и из-за большой инерционности не эффективно для высокооборотных машин специального назначения, предъявляющих повышенные требования к маневренности.

1751499

30

Цель изобретения — повышение надеж- 45 ности работы роторной машины путем иск-

Известен также способ гашения колебаний роторе с помощью дополнительного активного магнитндго подшипника, установленного в зоне увеличения амплитуды отклонения, при осуществлении которого создают силу, демпфирующую колебания пропорционально скорости смещения,оси ротора в месте установки дополнительного подшипника.

Однако для создания этого демпфирующего усилия требуются соответствующие энергозатраты, и более эффективным для большого класса роторных машин оказывается увеличение скорости прохождения зоны увеличенных (резонансных) колебаний

Наиболее близким к и редлагаемому является способ управления радиальными активными магнитными подшипниками, заключающийся в измерении зазоров в подшипниках и регулирования величины тока электропитания магнитов подшипников по величине измененмя зазоров и скорости изменения зазоров.

Машина для осуществления этого способа содержит статор и установленный в радиальных активных магнитных подшипниках ротор систему автоматического регулирования, состоящую: из контуров стабилизации, включающих датчики положения ротора в подшипниках, блоки сигнализации, блоки сравнения, пропорционально-дифференциальные регуляторы, усилители мощности и электромагниты.

Однако не обеспечивает необходимой надежности работы на переходных режимах роторной машины, вызывающих увеличенные деформации, При разогреве, прохождении критических оборотов и в дру гих случаях увеличения деформаций возможно касание вращающихся и неподвижных деталей машины, что может привести к аварийной ситуации, в особенности при высоких скоростях вращения. лючения касания ротором статора машины в переходных режимах.

Для достижения поставленной цели при осуществлении способа управления радиальными активными магнитными подшипниками роторной машины, включающем в себя регулирование величины тока питания электромагнитов подшипников по величине и скорости изменения зазоров в подшипниках, дополнительно измеряют величину зазора между ротором и статором роторной машины в зоне наибольшей деформации ротора и с учетом изменения этого зазора

55 регулируют величину тока питания электромагнитов подшипников.

В роторной машине, содержащей статор, установленный в радиальных активных магнитных подшипниках ротор, и систему автоматического регулирования, состоящую из контуров стабилизации, включающих датчики положения ротора в подшипниках и соединенные с ним блоки сигнализации, блоки сравнения; пропорционально-дифференциальные регуляторы, усилители мощности и электромагниты подшипников, зазоры в подшипниках выполнены большими по величине, чем зазоры между ротором и статором машины в зоне наибольшей деформации ротора, а система автоматического регулирования дополнительно снабжена контурами адаптации, включающими датчики положения ротора в зоне его наибольшей деформации, вычислитель на основе сумматоров и интегратора, а также делитель напряжения, сопротивления ступеней которого пропорциональны расстояниям между подшипниками и зоной наибольшей деформации ротора, а их выходы соединены с задающими входами блоков сравнения контуров стабилизации, Согласно предлагаемому способу удерживаются близкими к первоначальным зазоры в рабочей части машины за счет перемещения осей в подшипниках и синхронно компенсирующего влияния деформаций деталей машины на зазоры в рабочей части. Для этого измеряют зазоры в рабочей части, в зоне наибольшей деформации ротора и вырабатывают дополнительный управляющий сигнал для каждого электромагнита подшипников по изменению зазоров. Удержание величины зазоров рабочей части несмотря на деформацию деталей ротора и статора, позволяет выполнять зти зазоры минимальными по возможностям конкретной технологии изготовления и сборки машины и в то же время обеспечить надежность работы на переходных режимах, когда, например, термические деформации при разогреве или упругие деформации при вибрациях достигают довольно значительных величин, При деформации корпуса корректировка величины тока электромагнитов приводит к сдвигу создаваемого электромагнитного поля таким образом, что оно удерживает шейки ротора подщипников в новом положении, смещенном от геометрической .оси для компенсации деформации.

При деформации ротора соответствующая корректировка электромагнитов приведет к дополнительному вращению

1 751499 электромагнитного поля вслед за вращаю- шипниками и пасн и пасным сечением, в котором щейся изогнутой осью ротора. Так как изме- установлены датчики 9 и 10, нение зазоров в рабочей части стремится к Предлагаемый способ управления ранулю. центр тяжести остается неподвиж- диальными активными магнитными подроторнои машины ным, поскольку зазоры в подшипниках йре- 5 шипниками рото ной вышают описываемую наружной осуществляют следующим образом. поверхностью цапфы окружность, энерго- Перед включением подают напряжение затраты на вращение электромагнитного через усилители 20-23 на соответствующие электромагниты 3-6 подшипников. Под дейВ системе автоматического регулирова- 10 ствием магнитного поля ротор 2 всплывает, ния имеются дополнительные контуры по сигналам от датчиков 2-10 САР устанавадаптации, подключенные к задающим вхо- ливают такие величины токов усилителей дам блоков сравнения контуров стабилиза- 20-23, при которых оси ротора 2 и статора 1 ции, что позволяет осуществить совпадают, силыйагнитйого поля уравйовенеобходимую корректировку величины тока 15 шивают силы, действующие на ротор. питания электромагнитов подшипников. Затем приводят во вращение ротор 2, и

Таким образом, предлагаемый способ машина начинает осуществлять свою рабоне только обеспечивает надежную работу чую функцию. Например, ротор 2 вращают машины, но и позволяет улучшить ее эконо- с помощью высокочастотного электропримические показатели за счет снижения пе- 20 вода, а лабиринтно-винтовые нарезки раборетечек в проточной части чей части, образованной статором 1 и газодинамических машин или потерь в заза- ротором 2 с зазором, Л нагнетают газ. При ре рабочей части электрических машин,, сжатии газ нагревается, что приводит к раНа фиг, 1 представлена схема роторной зогреву деталей машины и их температур- .машины;.на фиг,2 — схема системы автома- 25 ным деформациям, кроме того, при тического управления ее активными магнит- раскрутке ротора 2 возможно прохождение ными подшипниками. критических оборотов (в случае гибкого роРоторная машина содержит статор 1 и гора), когда деформации ротора увеличены. вращающийся ротор 2, образующий со ста- . Для получения увеличенного напора нагнетором рабочую часть (например, изобра- 30 тателя зазоры Л и Л рабочей части маши женный на фиг, 1 лабиринтно-винтовой ны выполняют минимальными из условия нагреватель). Ротор 2 установлен на актив- изготовления и сборки деталей. В наиболее ных магнитных подшипниках с электромаг- опасных местах эти зазоры контролируют нитами 3-6, размещенными в одной из датчиками 9 и 10. При появлении разницы в плоскостей, показаны на фиг. 1. 35 показателях преобразователей 9, 10 она выМашина снабжена внешней системой является в сумматоре 11 и подается на блоавтоматического регулирования (CAP). В со- ки 12 и 13. Если разность носит статический: став САР входят датчики 7 и 8 зазоров д в характер (вызвана деформацией корпуса). . подшипниках, датчики 9 и 10 зазоров рабо- то на выходе интегратора 12 появляется почей части, установленные в наиболее опас- 40 стоянный сигнал, который через сумматор ном месте(например, на расстояниях L< и Lz 13 и делитель 24 подается на задающие вхоот соответствующих опор) в зоне наиболь- ды контуров стабилизации блоков сравнешей деформации ротора 2, ния 16, 17, вызывая смещение оси ротора до

Эти места установлены расчетом де- тех пор, пока разность средних значений формаций и(или) измерением расстояний L> .45 показаний 9 и 10 не станет равной нулю. и Ег до места касания деталей ротора и Если разность носит динамический хастатора во время проверок и испытаний мо- рактер (вызвана деформацией ротора), то дели машины, например, макетного образ- после инвертирования в сумматоре 13 она ца. также поступает на задающие входы блоков

Сумматор 11, интегратор 12, сумматор 50 сравнения 16, 17, вызывая противофазные

13

3, сигнализаторы 14 и 15 предельных зна- . перемещения шеек вала в опорах, в резульчений и блоки сравнения 16 и 17, ПД-регу- тате чего за счет жесткости ротора уменьшаляторы 18 и 19, усилители 20-23 и делитель ется амплитуда его колебаний в рабочей

24 напряжения установлены вне роторной зоне, а концы ротора будут совершать врамашины, обычно в отдельном шкафу управ- 55 щательные движения в опорах, ления, и образуют внешнюю CAP подшип- После установленйя стабильных температур деталей или прохождения критичеВеличина сопротивлений R1,R2.R3.R4 ских оборотов деформации деталей ступеней делителя напряжения 24 пропор- уменьшаются, роторная машина переходит циональна расстояниям L1 и L2 между под1751499 в установившийся режим работы, зазоры д и Л машины возвращаются, как правило, к первоначальным значениям, à CAP подшипников приводит. систему электромагнитов в состояние совпадения осей статора 1 5 и ротора 2; в котором на работу системы требуются минимальные затраты энергии, Таким образом, предлагаемый способ управления радиальными активными магнитными подшипниками и роторная маши- 10 на в отличие от прототипа увеличивают надежность работы при разогреве, прохождении критических оборотов и при других переходных режимах, вызывающих увеличенные деформации, путем предотвраще- 15 ния касания вращающихся и неподвижных деталей рабочей части за счет большей величины зазоров в подшипниках, чем в рабочей части, и подачи магнитного поля следом за деформациями, удерживая минимальной 20 величину зазоров в рабочей части машины.

Предложенный способ повышает экономичность, так как не требует энергозатрат на силовое воздействие в исполнительных механизмах. 25

Формула изобретения

1. Способ управления радиальными активными магнитными подшипниками роторной машины, включающий регулирование величины тока питания алек- 30 тромагнитов подшипников по величине и скорости изменения зазоров в подшипниках, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы роторной машины путем исключения касания ротором статора машины в переходных режимах, дополнительно измеряют величину зазора между ротором и статором машины в зоне наибольшей деформации ротора и с учетом изменения этого зазора регулируют величину тока питания электромагнитов

ПОДШИПНИКОВ.

2, Роторная машина, содержащая статор, установленный в радиальных активных магнитных подшипниках, ротор и систему автоматического регулирования, состоящую из контуров стабилизации, включающих датчики положения ротора в подшипниках и соединенные с ними блоки сигнализации, блоки сравнения. пропорционально-дифференциальные регуляторы. усилители мощности и электромагниты подшипников, отличающаяся тем, что зазоры в подшипниках выполнены большими по величине; чем зазоры между ротором и статором машины в зоне наибольшей деформации ротора, а система автоматического регулирования дополнительно снабжена контурами адаптации, включающими датчики положения ротора в зоне его наибольшей деформации, вычислитель на основе сумматоров и интегратора, а также делитель напряжения, сопротивления ступеней которого пропорциональны расстояниям между подшипниками и зоной наибольшей деформации ротора, а их выходы соединены с задающими входами блоков сравнения контуров стабилизации.

1751499

Составитель А.Наганов

Редактор Л.Пчолинская Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Заказ 2679 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101