ДИНАМИЧЕСКИЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ

Заявляемая полезная модель относится к динамическим гасителям колебаний (ДГК), применяемым в области энергомашиностроения для снижения вибраций опор роторов турбоагрегатов преимущественно средней и большой мощности. Как известно, надежная работа опорных узлов в значительной степени определяет безаварийность и эксплуатационную надежность работы турбины в целом, в связи с чем, разработка эффективных гасителей колебаний подшипниковых опор является в настоящее время чрезвычайно актуальной задачей.
При работе турбоагрегата на опорные узлы действуют возмущающие силы со стороны турбины и/или генератора, в том числе, на частотах, равных номинальной и двойной номинальной частоте вращения ротора.
С целью гашения колебаний опор турбоагрегата, работающего с постоянной частотой вращения ротора, в настоящее время широко применяются динамические гасители колебаний. Необходимо отметить, что при создании динамических гасителей колебаний подшипниковых опор также следует учитывать достаточно жесткие требования к размерам конструкций гасителей, т.к. в местах установки опор практически не имеется дополнительного свободного пространства между крышкой подшипника и корпусом цилиндра турбины.
Известен динамический гаситель колебаний [Патент РФ №2035645, F16F 15/00, дата приоритета - 26.11.1991, дата публикации в Официальном бюллетене РФ - 20.05.1995], применяемый в условиях ограниченных габаритов для гашения вибраций подшипниковых опор энергоагрегатов, работающих с постоянной частотой вращения. Указанный гаситель содержит упругомассивную балку, в средней части которой расположен массивный узел крепления. На концах балки закреплены массы. ДГК также содержит
гибкий промежуточный элемент, расположенный между объектом гашения и упругомассивной балкой, соединенный с узлом крепления балки.
Рассмотренный динамический гаситель обеспечивает компенсацию вибрации только на одной частоте и не может быть применен для гашения колебаний одновременно на двух частотах без перенастройки гасителя.
Также известен динамический виброгаситель [Никифоров А.С., Акустическое проектирование судовых конструкций: Справочник. - Л.: Судостроение, 1990, с.137-138], выполненный в виде массивной крупногабаритной плиты, установленной на упругих элементах, уменьшающий амплитуду резонансных колебаний.
Данный гаситель обеспечивает гашение колебаний только на одной частоте и, кроме того, не может быть применен в условиях ограниченных габаритов мест установки подшипниковых опор турбоагрегатов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является динамический гаситель колебаний [Стрелков С.П., Механика: учебник.- М.: Лань, 2005, с.470, рис.390], предназначенный для гашения вибраций корпуса подшипника машины, работающей с постоянной частотой вращения. Гаситель выполнен в виде пластины, жестко установленной вертикально на корпусе подшипника, причем пластина закреплена на корпусе подшипника одним концом, а на другом, свободном, конце пластины закреплен груз. Собственная частота колебаний пластины с грузом равна частоте вращения машины.
Однако, данное устройство может работать без перенастройки только на одной частоте, равной частоте возмущающей силы, а вертикальное расположение гасителя над объектом гашения конструктивно не позволяет разместить ДГК на опоре турбоагрегата в связи с ограниченным свободным пространством между крышкой подшипника и корпусом цилиндра.
Таким образом, известные из уровня техники динамические гасители колебаний не позволяют без перенастройки одновременно гасить вибрации на двух частотах.
1
1
2
2
2
При работе турбоагрегата опора ротора испытывает возмущающие воздействия с частотой ω, равной номинальной частоте вращения ротора ω(ω=ω), которые возникают в результате небаланса ротора. Кроме того, опора испытывает возмущающие воздействия с частотой ω, которые возникают из-за неравной жесткости ротора по осям и/или овальности цапф ротора, а также в ряде других случаев. При этом частота данных возмущающих воздействий ω равна удвоенной номинальной частоте вращения ротора (ω=2ω), что вызывает резонансные колебания опоры в случае, если ее собственная частота колебаний также равна 2ω. В результате указанные возмущающие воздействия могут привести к повреждению конструкций опор, что может вызвать аварийную ситуацию и останов турбоагрегата.
1
1
2
2
Достигаемый заявляемой полезной моделью технический результат заключается в гашении вибраций опоры турбоагрегата без перенастройки гасителя одновременно на двух частотах: ω, равной номинальной частоте ω вращения ротора турбоагрегата (ω=ω), и ω, равной двойной номинальной частоте вращения ротора (ω=2ω). При этом компактная конструкция ДГК позволяет установить его в ограниченном пространстве между крышкой подшипника и корпусом цилиндра.
Для достижения указанного технического результата предлагается динамический гаситель колебаний, содержащий пластину с установленными на ней регулировочными грузами. При этом, согласно заявляемой полезной модели, пластина выполнена изогнутой в форме полукольца, жестко закреплена обоими концами на поверхности опоры турбоагрегата, а параметры пластины толщина h и ширина 1 определяются согласно эмпирическим зависимостям, которые получены на основе экспериментальных данных:
2
h=1,17ωR/c
-3
3
1=5,45·10mc/γωR,
где
h - толщина пластины, (м)
1 - ширина пластины, (м)
-1
ω - номинальная круговая частота вращения ротора турбоагрегата, (с)
R - средний радиус полукольца, (м)
m - масса опоры, (кг)
с - скорость распространения звука в материале пластины, (м/с)
3
γ - удельный вес материала пластины, (кг/м).
Выполнение гасителя в форме полукольца обеспечивает рациональное распределение массы гасителя по объекту гашения и позволяет выполнить гаситель достаточно большой массы с моментом инерции, необходимым для эффективного гашения колебаний крупногабаритных подшипниковых опор весом в несколько тонн. Также выполнение гасителя в форме полукольца обеспечивает оптимальную компоновку конструкции гасителя - дает возможность размещения гасителя над крышкой подшипника, концентрично ей, а такое размещение - вблизи источника возмущающей силы - обеспечивает наиболее эффективное гашение вибраций. Регулировочные грузы, которыми снабжена пластина, обеспечивают возможность максимально точной настройки ДГК на частоты гашения. Жесткое закрепление гасителя на объекте гашения обеспечивает надежность работы ДГК.
1
2
Экспериментально полученные данные, подтвержденные протоколами испытаний, показывают, что именно при значениях параметров h (толщины) и 1 (ширины) пластины, рассчитанных согласно приведенным выше формулам, обеспечивается эффективное гашение вибраций опоры ротора турбоагрегата одновременно на двух частотах ω и ω.
Значение ω известно из исходных данных. Средний радиус полукольца R задается исходя из конструктивных размеров места расположения гасителя, а также с учетом требования по возможности максимально близкого расположения полукольца концентрично крышке опоры подшипника.
Опора конструктивно включает в себя следующие узлы: раму, установленную на фундаменте, подшипник с вкладышем и крышку подшипника. Соответственно, масса опоры m определяется как сумма массы рамы, массы подшипника с вкладышем и массы крышки, которые известны для каждой конкретной конструкции опоры.
Скорость распространения звука в материале пластины (с) и удельный вес материала пластины (γ)являются известными справочными данными.
Форма выполнения пластины (в виде полукольца), геометрия пластины (толщина h и ширина 1, рассчитанные согласно приведенным выше формулам), свойства материала пластины (скорость распространения звука в материале пластины с и удельный вес материала пластины γ) в совокупности обеспечивают эффективное гашение колебаний опоры турбоагрегата одновременно на двух частотах без перенастройки гасителя, что подтверждается имеющимися протоколами испытаний ДГК.
На фиг.1 представлен общий вид динамического гасителя колебаний, установленного на опоре турбоагрегата.
ДГК содержит пластину 1, выполненную в форме полукольца и установленную на опоре 2 турбоагрегата. Опора 2 состоит из рамы 3, установленной на фундаменте, подшипника 4 с вкладышем и крышки 5 подшипника. Пластина 1 жестко закреплена своими концами 6 и 7, например, выполненными в виде фланцев, на опоре 2, а именно - на поверхности крышки 5 подшипника с помощью болтовых соединений 8, обеспечивающих надежное закрепление пластины 1. Выполненная в форме полукольца пластина 1 установлена концентрично крышке 5 подшипника, что позволяет разместить ДГК в ограниченном пространстве между крышкой подшипника и корпусом цилиндра турбины, и это же расположение гасителя определяет выбор значения среднего радиуса полукольца. На пластине 1 установлены регулировочные грузы 9, представляющие собой, например, набор металлических пластинок, предназначенных для точной настройки гасителя на частоты гашения вибрации опоры путем корректировки массы.
Значение среднего радиуса R полукольца определяется, исходя из особенностей конструкции конкретной опоры. Указанные на фиг. параметры h и 1 определяются согласно вышеприведенным эмпирическим зависимостям.
Динамический гаситель колебаний, состоящий из пластины 1 и регулировочных грузов 9, устанавливается на крышке 5 подшипника 4 и жестко закрепляется на объекте гашения с помощью болтовых соединений 8. Совпадение частоты возмущающей силы, действующей со стороны турбины и/или генератора с собственной частотой колебаний конструкции опоры, вызывает резонанс колебаний опоры. При наступлении резонансных колебаний опоры 2 присоединение ДГК к опоре образует такую результирующую систему, у которой на частоту возмущающей силы приходится антирезонанс, характеризующийся формированием гасителем силы реакции, равной по величине возмущающей силе и противоположно направленной, что и обеспечивает гашение вибрации. Далее, сравнение измеренного минимального установившегося значения вибрации на опоре с требуемой величиной позволяет сделать вывод о необходимости дополнительной настройки ДГК путем добавления или удаления регулировочных грузов 9 до получения требуемых значений вибрации.
-1
3
Пластина 1 может быть изготовлена, например, из стали Ст.3 ГОСТ380-2005. Масса пластины при этом будет такова, что создаваемый ею момент инерции будет являться достаточным для гашения возмущающих вибраций. Например, для паровой турбины К-300 масса опоры m составляет 10420 кг, ω=314 с, R=0,5 м, с=5000 м/с (для стали), γ=7800 кг/м. При таких исходных данных, подставив все известные параметры в расчетные формулы, получим: h=0,018 м, 1=0,927 м. Для данного ДГК может быть использован комплект из 10-ти регулировочных грузов весом по 2 кг каждый. Грузы могут быть изготовлены также из стали Ст.3.