Способ динамического гашения и динамический гаситель колебаний ротора

Изобретение относится к машиностроению, а именно к гасителям колебаний роторных машин. Способ заключается в следующем. Задают гидродинамическую жесткость кольца с гладкой уплотняющей поверхностью. Определяют газодинамическую жесткость по формуле. Собственную частоту колебаний системы «ротор-кольцо» определяют гидро(аэро)динамической жесткостью среды в кольцевом зазоре и настраивают равной частоте вращения ротора. Гаситель содержит инерционный элемент в виде кольца и упругий элемент в виде среды. Ротор состоит из центральной и боковых шеек и расположен в среде, находящейся в герметичном корпусе. На центральной шейке ротора с радиальным зазором установлено плавающее уплотнительное кольцо. Достигается повышение эффективности гашения колебаний ротора без введения дополнительных инерционных и упругих элементов в роторную систему. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к гасителям колебаний роторных машин с повышенным рабочим давлением среды, в которых уплотнениями валов (роторов) являются, или можно применить в качестве таковых, плавающие уплотнительные кольца, а также может быть использовано для гашения поперечных колебаний неуравновешенных роторов, в частности в насосах, компрессорах, и в тех роторных машинах, которые функционируют при повышенном рабочем давлении среды и допускают применение плавающих уплотнительных колец.

Известны динамические гасители для гашения колебаний роторов на основе дополнительного инерционного элемента, присоединенного к ротору через упругий элемент. При этом упругим элементом является эластичный материал с постоянным коэффициентом жесткости, а инерционный элемент выполнен либо в виде подвижного массивного кольца (патент РФ №2229638, кл. F16F 15/10), либо в виде неподвижного полого кольца, внутреннее пространство которого частично заполнено жидкостью (см. а.с. СССР №1428877, кл. F16F 15/12).

Недостатки данных гасителей обусловлены введением дополнительных инерционных и упругих элементов, что неизбежно усложняет конструкцию, снижает надежность, а также приводит к потере мощности и уменьшению КПД вследствие постоянного взаимодействия с вращающимся ротором в течение всего времени его работы.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является способ динамического гашения и динамический гаситель колебаний ротора на основе инерционного элемента в виде поплавка, свободноплавающего во внутренней полости ротора, и упругого элемента в виде среды, заполняющей данную полость ротора (а.с. СССР №638769, кл. F16F 15/10 - прототип).

Недостатком прототипа является сравнительно слабый эффект гашения колебаний ротора в связи с невозможностью выполнения поплавка "тяжелым".

Технический результат - повышение эффективности гашения колебаний ротора без введения дополнительных инерционных и упругих элементов в роторную систему.

Это достигается тем, что в способе динамического гашения, заключающемся в том, что на роторе массой m устанавливают плавающее кольцо, являющееся динамическим гасителем колебаний, кольцо массой m_к выполняют уплотнительным по боковой поверхности кольца и располагают с радиальным зазором δ относительно ротора; при этом гидродинамическую жесткость кольца с гладкой уплотняющей поверхностью назначают равной:

где η≈75δ/L - коэффициент, зависящий от параметров пары «ротор-кольцо»,

а газодинамическую жесткость определяют по формуле:

где - коэффициент, зависящий от перепада давления на кольце Δp=p₁-p₂ и параметров пары «ротор-кольцо»: длины кольца L и радиального зазора δ.

ρ - плотность газа; при этом собственную частоту колебаний ω_к системы «ротор-кольцо» определяют гидро(аэро)динамической жесткостью среды в кольцевом зазоре и настраивают равной частоте вращения ω ротора, т.е.

где k_к - гидро(аэро) динамическая жесткость кольца, m_k - масса кольца.

На чертеже изображена схема динамического гасителя колебаний ротора для реализации предлагаемого способа.

Ротор, состоящий из центральной шейки 7 и боковых шеек 3 и 4, расположен в среде 2 и помещен в герметичный корпус 1. На центральной шейке 7 ротора массой m, установленного на податливых подшипниках 5 и 6 жесткостью k, установлено плавающее уплотнительное кольцо 8 массой m_к с зазором δ. Уплотняющий эффект кольца 8 при бесконтактной установке на ротор обусловлен ограничением утечки среды 2 между смежными полостями с давлением P₁ и Р₂ в корпусе 1 и зависит от гидравлического сопротивления кольцевого зазора.

Согласно гидродинамической теории смазки протекание среды 2 в зазоре δ между ротором и кольцом порождает гидро(аэро)динамическую жесткость, прямо пропорциональную перепаду давления на кольце 8 Δp=p₁-p₂, длине L и радиусу R уплотняющей поверхности кольца и обратно пропорциональную величине радиального зазора δ.

При этом гидродинамическая жесткость кольца 8 с гладкой уплотняющей поверхностью равна:

где η≈75δ/L - коэффициент, зависящий от параметров пары «ротор-кольцо».

Газодинамическая жесткость кольца 8 с гладкой уплотняющей поверхностью определяется по полученной авторами эмпирической формуле:

где - коэффициент, зависящий от перепада давления на кольце Δр=р₁-р₂ и параметров пары «ротор-кольцо»: длины кольца L и радиального зазора δ.

ρ - плотность газа.

Способ динамического гашения осуществляют следующим образом.

На роторе массой m устанавливают плавающее кольцо, являющееся динамическим гасителем колебаний, отличающееся тем, что кольцо массой m_k выполняют уплотнительным по боковой поверхности кольца и располагают с радиальным зазором δ относительно ротора; при этом гидродинамическую жесткость кольца с гладкой уплотняющей поверхностью назначают равной:

где η≈75δ/L - коэффициент, зависящий от параметров пары «ротор-кольцо», а газодинамическую жесткость определяют по формуле:

где - коэффициент, зависящий от перепада давления на кольце Δp=p₁-p₂ и параметров пары «ротор-кольцо»: длины кольца L и радиального зазора δ.

ρ - плотность газа; при этом собственную частоту колебаний ω_к системы «ротор-кольцо» определяют гидро(аэро)динамической жесткостью среды в кольцевом зазоре и настраивают равной частоте вращения ω ротора, т.е.

где k_к - гидро(аэро)динамическая жесткость кольца,

m_k - масса кольца.

Динамический гаситель колебаний ротора работает следующим образом.

При значительном перепаде давления Δр>0.2 МПа упругие свойства среды в зазоре обеспечивают достаточно жесткую динамическую связь между ротором и кольцом, что позволяет реализовать эффект динамического гашения колебаний ротора за счет интенсивных перемещений кольца. Поскольку роль упругого элемента выполняет гидро(аэро)динамическая жесткость кольца k_к, а роль инерционного элемента - само плавающее уплотнительное кольцо 8 массой m_к, то для его трансформации в динамический гаситель колебаний неуравновешенного ротора, который вращается с частотой ω, достаточно выполнить условие:

Принимая во внимание, что коэффициент h_к=k_к=const×Δр, варьирование перепада давления позволяет настроить уплотнительное кольцо на любую частоту вращения, а также превращать в гасители уплотнительные кольца с любыми габаритами и массами. Эффективность виброгашения по предложенному способу зависит лишь от массы, геометрических размеров уплотнительного кольца и перепада давления на нем. При этом чем больше m_к и Δр, тем эффективнее динамическое гашение колебаний ротора кольцом.

Преимуществами заявленного объекта является то, что без введения дополнительных инерционных и упругих элементов в роторную систему, содержащую плавающие уплотнительные кольца, последним придаются свойства динамических гасителей колебаний ротора, используя аэро/гидроупругость среды в кольцевых зазорах, т.е. данные кольца кроме функции уплотнений в то же время являются динамическими гасителями колебаний ротора, связанных с остаточной неуравновешенностью. Плавающее уплотнительное кольцо 8 приобретает свойство динамического гасителя колебаний, если подкоренное отношение жесткости k_к среды 2 в кольцевом зазоре δ к массе m_к кольца 8 близко к частоте вращения ротора, то есть если

1. Способ динамического гашения, заключающийся в том, что на роторе массой m устанавливают плавающее кольцо, являющееся динамическим гасителем колебаний, отличающийся тем, что кольцо массой m_к выполняют уплотнительным по боковой поверхности кольца и располагают с радиальным зазором δ относительно ротора, при этом гидродинамическую жесткость кольца с гладкой уплотняющей поверхностью назначают равной
,
где η≈75δ/L - коэффициент, зависящий от параметров пары «ротор-кольцо», а газодинамическую жесткость определяют по формуле

где - коэффициент, зависящий от перепада давления на кольце Δp=p₁-p₂ и параметров пары «ротор-кольцо»: длины кольца L и радиального зазора δ,
ρ - плотность газа; при этом собственную частоту колебаний ω_к системы «ротор-кольцо» определяют гидро(аэро)динамической жесткостью среды в кольцевом зазоре, и настраивают равной частоте вращения ω ротора, т.е. ,
где k_к - гидро(аэро)динамическая жесткость кольца,
m_к - масса кольца.

2. Динамический гаситель колебаний ротора, содержащий инерционный элемент в виде кольца, и упругий элемент в виде среды, отличающийся тем, что ротор состоит из центральной и боковых шеек и расположен в среде, находящейся в герметичном корпусе, а на центральной шейке ротора массой m установлено плавающее уплотнительное кольцо массой m_к с радиальным зазором δ относительно центральной шейки ротора, при этом собственную частоту колебаний ω_к системы «ротор-кольцо» определяют гидро(аэро)динамической жесткостью среды в кольцевом зазоре, и настраивают равной частоте вращения со ротора, т.е. ,
где k_к - гидро(аэро)динамическая жесткость кольца,
m_к - масса кольца.