Способ безопасного разгона массивного вертикального ротора турбомашины, установленного в активных магнитных подшипниках

Изобретение относится к области турбостроения и энергомашиностроения. Способ состоит в том, что с помощью автоматической системы управления (АСУ) активными магнитными подшипниками (АМП) по мере набора ротором оборотов осуществляется программа плавного безударного изменения жесткостей АМП в пределах от возможно высоких значений до возможно низких значений и наоборот и этот цикл изменения жесткостей может повторяться по закону, полностью исключающему работу ротора на резонансе или в резонансной области любой из изгибных мод ротора в диапазоне от нуля до рабочих оборотов, причем разгон ротора начинается с режима с возможно большими жесткостями АМП. На ротор устанавливают промежуточную опору с АМП, например, между жестко соединенными компрессором и турбиной, жесткость АМП которой по мере разгона ротора изменяется от возможно высоких значений до нуля и наоборот, и этот цикл может повторяться. АМП промежуточной опоры выполняется разъемным с плоскостью разъема, совпадающей с плоскостью разъема корпуса турбомашины. Эта опора сконструирована так, что организует не только участок газового тракта турбомашины (отвод газа из компрессора и подвод нагретого газа к турбине), но и охлаждение АМП самой опоры. Совмещение этих функций позволяет существенно сократить увеличение длины ротора при постановке на него промежуточной опоры и в целом повысить безопасность и надежность машины. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области турбостроения и энергомашиностроения.

В настоящее время выполнены и разрабатываются мощные турбокомпрессорные установки, применяемые в атомном энергомашиностроении для привода генератора и других функций.

Эти машины выполняются одновальными, их роторы соединены в валопровод упругими муфтами, обычно это ротор, состоящий из жестко соединенных компрессора и турбины, соединенный упругой муфтой, например, с ротором генератора, или у самых мощных машин, например до 600 МВт, валопровод выполнен в виде ротора компрессора, ротора турбины и ротора генератора, соединенных упругими муфтами. Причем во всех случаях каждый ротор установлен на двух опорах с активными магнитными подшипниками (АМП). В литературе описаны существующие их аналоги с опорами с гидродинамическими подшипниками скольжения (Марцинковский В.А., Ворона П.Н. Насосы атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.44, 49, 51, 55-58, 60, 62, 64, 66).

Машины могут выполняться как с горизонтально, так и с вертикально расположенными роторами. В последнем случае радиальные АМП получаются менее громоздкими и требуют меньших затрат электроэнергии из-за того, что они не воспринимают силу веса ротора.

Несмотря на то что вес отдельного ротора этих машин может составлять десятки тонн, эти роторы являются "гибкими", и в рабочий диапазон оборотов попадают не только параллельная, наклоняющая, но и первая, вторая и даже третья изгибные моды колебаний ротора.

В настоящее время разгон ротора от нуля до рабочих оборотов у выполненных и разрабатываемых турбомашин осуществляется известным способом на "проход" (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение. 1974, - стр.302), когда опасные резонансные режимы проходятся быстро так, что на всех оборотах выполняется условие

η≤η_Д,

обеспечивающее безаварийную работу машины.

Здесь η=P/G_оп - безразмерная перегрузка, действующая на опору, Р - сила, действующая на опору, G_оп - вес ротора, приходящийся на опору, η_д - безразмерная допустимая перегрузка этой опоры, назначаемая с учетом обеспечения допустимых смещений ротора в зазорах по концам лопаток, гребешкам лабиринтных уплотнений и в рабочих зазорах страховочных подшипников АМП.

У двухопорного вертикального ротора в качестве безразмерной перегрузки можно взять величину η=2P/G, где G - вес ротора.

У выполненных и разрабатываемых турбомашин η_д=4 и более, что, во-первых, приводит к необходимости установки громоздких АМП и большим энергетическим затратам, а также в ряде случаев к необходимости вывода критических режимов с большими безразмерными перегрузками из рабочего диапазона оборотов.

Это, например, достигается уменьшением длины ротора (его ужесточением), что приводит к уменьшению числа критических режимов в рабочем диапазоне оборотов.

Уменьшение длины ротора, например, на 0,5-1 м достигается за счет замены промежуточного охлаждения турбины в целом путем подвода охлаждающего газа через специальные клапаны на индивидуальное охлаждение лопаток и дисков турбины, что реализуется конструктивно и технологически сложнее.

Известен также способ безопасного разгона ротора турбомашины, установленного в АМП (Патент Российской Федерации RU 2265727 С1, 7 F01D 19/00 "Способ безопасного разгона массивного ротора турбомашины, установленного в активных магнитных подшипниках". Эскин И.Д., Климнюк В.Ю. 3 с.), сущность которого состоит в том, что у ротора, установленного в активных магнитных подшипниках, у АМП с помощью АСУ (автоматической системы управления) создается два режима, первый - с возможно большой жесткостью, которую могут обеспечить ресурсы управления с учетом динамических воздействий в условиях длительной безопасной работы машины, и второй с жесткостью на один (и менее) - два - четыре порядка меньшей жесткости первого режима, и разгон ротора на "проход" начинается с первого режима, затем по мере набора оборотов ротором происходит согласно программе, осуществляемой АСУ подшипника, плавное (безударное) переключение с первого режима на второй и наоборот таким образом, что при разгоне полностью исключается работа ротора на резонансе и в резонансной области любой из мод в зоне от нуля до рабочих оборотов и при этом на всех режимах выполняется условие η≤η_д, обеспечивающее безаварийную работу машины.

Успешное применение этого способа позволяет снизить величину действующей безразмерной перегрузки в разы и, следовательно, обоснованно снизить величину безразмерной допустимой перегрузки, на которую рассчитывается с учетом определенного коэффициента запаса несущая способность АМП, которые в этом случае будут менее громоздкими и энергозатратными.

Это, в свою очередь, приведет к снижению длины и веса ротора и корпуса и к существенному улучшению динамики машины и к повышению ее надежности.

Этот способ предполагает изменение жесткости АМП в процессе разгона ротора и по своей технической сущности наиболее близок к предлагаемому изобретению и принят за прототип. Эффективность этого способа тем выше, чем шире диапазон возможного регулирования жесткости АМП. Причем верхняя граница этого диапазона ограничена ресурсом управления АСУ подшипников, т.е. рациональными значениями несущей способности АМП, а нижняя граница - значением допустимого смещения ротора.

Поэтому при применяемой в настоящее время двухопорной схеме ротора возможны практически важные случаи, например в случае очень мощных турбомашин, когда известный способ, принятый за прототип, окажется недостаточно эффективным.

Ниже предлагается способ безопасного разгона вертикального ротора, который и в случае очень мощных машин может оказаться существенно более эффективным способа-прототипа.

Предлагаемый способ безопасного разгона вертикального ротора состоит в том, что с помощью АСУ АМП по мере набора ротором оборотов осуществляется программа плавного безударного изменения жесткостей АМП в пределах от возможно высоких значений до возможно низких значений и наоборот и этот цикл изменения жесткостей может повторяться по закону, полностью исключающему работу ротора на резонансе или в резонансной области любой из изгибных мод ротора в диапазоне от нуля до рабочих оборотов, причем разгон ротора начинается с режима с возможно большими жесткостями АМП и на всех режимах выполняется условие η≤η_д, отличающийся тем, что на ротор устанавливают промежуточную опору с АМП, например, между жестко соединенными компрессором и турбиной, жесткость АМП которой по мере разгона ротора изменяется от возможно высоких значений до нуля и наоборот, и этот цикл может повторяться.

Кроме того, в случае, когда в резонансных областях наклоняющей и параллельной мод ротора первого режима располагается зарезонансная область первой изгибной моды второго режима, первое переключение с первого режима во второй режим происходит до резонансных областей наклоняющей и параллельной мод первого режима, и при разгоне ротора указанные области также не проходятся.

Кроме того, в том случае, когда разгон ротора с постоянной возможно большой жесткостью опор осуществляется в том диапазоне частот, где хватает мощности привода для "быстрого" прохода критических режимов ротора, попадающих в этот диапазон частот (это прежде всего критические режимы ротора как жесткого тела - наклоняющая и параллельная моды, а также в этот диапазон могут попасть критические режимы, соответствующие младшим изгибным модам ротора), обеспечивающего выполнение в этом диапазоне частот условия η≤η_д, переключение режимов осуществляют только в диапазоне частот, где не хватает мощности привода для указанного "быстрого" разгона ротора.

АМП промежуточной опоры выполняется разъемным с плоскостью разъема, совпадающей с плоскостью разъема корпуса турбомашины.

Эта опора сконструирована так, что организует не только участок газового тракта турбомашины (отвод газа из компрессора и подвод нагретого газа к турбине), но и охлаждение АМП самой опоры. Совмещение этих функций позволяет существенно сократить увеличение длины ротора при постановке на него промежуточной опоры.

Закон изменения жесткостей АМП при наборе оборотов ротором, обеспечивающий возможно низкие значения действующей безразмерной перегрузки η≤η_д, определяется расчетным путем или экспериментально.

Наличие промежуточной опоры с АМП с жесткостью, регулируемой от возможно больших значений до нуля, существенно расширяет пределы регулирования жесткостей опор турбомашины и в ряде практических случаев позволит добиться существенного снижения безразмерной перегрузки η при разгоне ротора и, следовательно, снижения допустимой безразмерной перегрузки η_д, что на прямую позволит применить АМП с меньшими размерами по диаметру и ширине и, следовательно, снизить длину ротора и его вес и в целом повысить безопасность и надежность машины.

Отметим, что чем выше уровень демпфирования динамической системы, тем шире резонансные области амплитудно-частотной кривой турбомашины и выше перегрузки в зарезонансных областях.

Поэтому для более успешного применения предлагаемого способа "отстройки" демпфирование в динамической системе "ротор - опоры - корпус", т.е. демпфирование в АМП, должно быть низким, но при этом обеспечивать приемлемое время затухания свободных колебаний ротора при случайном ударе в системе.

1. Способ безопасного разгона массивного вертикального ротора турбомашины, установленного в опоры с активными магнитными подшипниками, заключающийся в том, что с помощью АСУ АМП по мере набора ротором оборотов осуществляется программа плавного безударного изменения жесткости АМП в пределах от возможно высоких значений до возможно низких значений, и наоборот, и этот цикл изменения жесткостей повторяется по закону, обеспечивающему полное исключение работы ротора на резонансе или в резонансной области любой из изгибных мод ротора в диапазоне от нуля до рабочих оборотов, причем разгон ротора начинается с режима с возможно большими жесткостями АМП и на всех режимах разгона выполняется условие η≤η_д, отличающийся тем, что на ротор, состоящий из жестко соединенных компрессора и турбины, устанавливают промежуточную опору с АМП, например, между компрессором и турбиной, жесткость АМП которой в процессе циклического изменения жесткостей АМП турбомашины по мере разгона ротора за каждый цикл безударно изменяется в пределах от возможно высокого значения до нулевого, и наоборот.

2. Способ безопасного разгона массивного вертикального ротора турбомашины по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда в резонансных областях наклоняющей и параллельной мод ротора первого режима располагается зарезонансная область первой изгибной моды второго режима, первое переключение с первого режима во второй режим происходит до резонансных областей наклоняющей и параллельной мод первого режима, и при разгоне ротора указанные области также не проходятся.

3. Способ безопасного разгона массивного вертикального ротора турбомашины по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда разгон ротора с постоянной возможно большой жесткостью опор осуществляется в том диапазоне частот, где хватает мощности привода для "быстрого" прохода критических режимов ротора, попадающих в этот диапазон частот (это прежде всего критические режимы ротора как жесткого тела - наклоняющая и параллельная моды, а также в этот диапазон могут попасть критические режимы, соответствующие младшим изгибным модам ротора), обеспечивающего выполнение в этом диапазоне частот условия η≤η_д, переключение режимов осуществляется только в диапазоне частот, где не хватает мощности привода для указанного "быстрого" разгона ротора.