УДК 316.776.32
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ С СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДВЕСА В РЕЖИМАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СО СТРАХОВОЧНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ

ОАО "ОКБМ Африкантов":
Виктор Борисович Кайдалов, начальник отдела, д.т.н.
Владимир Леонидович Патрушев, заместитель начальника отдела, к.т.н.
Андрей Александрович Руин, инженер-конструктор, к.т.н.
Сергей Александрович Соловьёв, начальник бюро, к.т.н.
ООО "Эм-Эс-Си Софтвэр РУС":
Сергей Андреевич Сергиевский, руководитель отдела по развитию бизнеса, к.т.н.

 

В статье рассмотрена методика, расчётная модель и результаты компьютерного моделирования ротора турбомашины при взаимодействии его со страховочными подшипниками колодочного типа.

The article describes the method, the simulation model and results of simulation of turbomachine rotor in case of it interaction with a catcher block-type bearings.

Ключевые слова: ротор, страховочный подшипник, компьютерное моделирование.

Key words: rotor, catcher bearing, computer simulation.

Альтернативным энергоисточником, основанным на использовании ядерной энергии, является высокотемпературный газоохлаждаемый реактор с гелиевым теплоносителем. Проект реакторной установки (РУ) (рис. 1) предусматривает непосредственное соединение реактора с газотурбинной установкой прямого цикла (цикл Брайтона), что значительно повышает к.п.д. системы. РУ может использоваться не только в ряде энергоёмких областей промышленности, таких как химическая, нефтепереработка, так и для производства дешёвого водорода термохимическим разложением воды или паровой конверсией метана.

Ротор турбомашины РУ удерживается электромагнитным подвесом, что исключает его механический контакт со статором в процессе нормальной работы устройства. На случай "отказа" электромагнитных подшипников (ЭМП) и при сейсмическом воздействии в системе подвеса ротора турбомашины (ТМ) предусматриваются страховочные подшипники (СП). По ряду причин применение подшипников качения в качестве страховочных является конструктивно неприемлемым решением, поэтому в качестве СП рассматривается подшипник скольжения колодочного типа (рис. 2). Перемещение колодок в радиальном направлении "к ротору" ограничивается упорами, в радиальном направлении "от ротора" - упруго-демпферным элементом. Перемещение колодки "от ротора", превышающее некоторую величину, также ограничивается упором. В монтажном состоянии между колодками и ротором выставляется зазор.

Одним из условий работоспособности СП является приемлемый уровень нагрузок, действующих на него со стороны ротора. Сложность динамических процессов взаимодействия ротора и колодок СП (гибкость ротора, гироскопические эффекты вращающихся масс, трение, зазоры) потребовала для расчёта нагрузок на СП проведения компьютерного моделирования турбомашины.

Моделирование выполнено с применением программного комплекса MSC Adams, позволяющего учесть особенности конструкции ротора и СП при анализе динамики их взаимодействия.

Расчётная модель ротора и СП турбомашины

Ротор турбомашины в рабочем диапазоне оборотов имеет несколько критических частот вращения. С целью учёта гибкости ротора разработана его расчётная модель, включающая набор частей part (терминология программного пакета MSC Adams), соединённых между собой упругими балками beam, формирующими упругие свойства расчётной модели ротора (рис. 3). Параметры упругих балок beam задаются таким образом, чтобы частоты собственных колебаний расчётной модели, изображённой на рис. 3, совпадали с собственными частотами колебаний подробной 3D конечно-элементной модели ротора турбомашины, вычисленными с применением программного пакета MD Nastran. Подбор параметров упругих балок с тем, чтобы частоты собственных колебаний расчётной модели были равны требуемым, также выполняется с применением программного пакета MD Nastran. Выбор необходимого коэффициента диссипации в расчетной модели производится расчетным путём в программе MSC Adams до достижения заданной величины коэффициента апериодичности собственных колебаний мод, частота которых близка к рабочей частоте вращения ротора.

Реальный ротор имеет остаточную неуравновешенность, которая на этапе проектирования неизвестна. Поэтому при компьютерном моделировании остаточная неуравновешенность ротора в расчётной модели распределена консервативно в соответствии с собственными формами колебаний, то есть так, чтобы в наибольшей степени вызывать возникновение изгибных колебаний ротора в рабочем диапазоне частот вращения.

Компьютерное моделирование динамики ротора турбомашины выполнено для двух режимов работы: при сейсмическом воздействии на РУ и при "отказе" ЭМП. Сейсмическое воздействие моделировалось кинематическим перемещением по заданному закону (рис. 4) корпусов радиальных СП и ЭМП. Исследованы варианты конструкций СП (рис. 5). С использованием параметризованной модели проводилась оптимизация параметров элементов СП.

Результаты компьютерного моделирования

В результате компьютерного моделирования получены зависимости от времени перемещений ротора относительно корпусов СП, а также усилия в их наиболее нагруженных конструктивных элементах.

В качестве примера полученных результатов на рис. 6 представлены перемещения ротора относительно корпуса СП, а также усилия, "приходящие" на корпус СП при сейсмическом воздействии на РУ. На рис. 7 представлены зависимости от времени перемещений ротора относительно корпуса СП при "отказе" ЭМП.

 

Выводы

В данной работе было представлено решение двух задач динамики ротора турбомашины: расчёт нагрузок на элементы страховочного подвеса ротора при сейсмическом воздействии на корпус турбомашины и выбег ротора в СП при "отказе" ЭМП.

Решение получено моделированием на ЭВМ с использованием программ  MSC Adams и MD Nastran. При моделировании учтены все основные факторы, оказывающие влияние на динамику ротора. Опыт, полученный в ходе разработки методики и расчётной модели, может быть использован и в других отраслях промышленности, связанных с созданием машин с электромагнитным подвесом ротора.

Связь с авторами: kocay@okbm.nnov.ru
                               sergey.sergievskiy@mscsoftware.com