ДЕМПФЕР ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА
DAMPER FOR VERTICAL ROTOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для гашения колебаний высокоскоростного вертикального, преимущественно «гладкого» (бессильфонного) ротора при проходе им изгибных критических частот.
Известно, что вертикальный надкритический ротор, длина которого существенно превышает его диаметр, имеет целый спектр собственных частот колебаний, которые проявляются в различных режимах его работы: при разгоне, проходе резонансных критических частот, в закритической области, а также в различных аварийных ситуациях. Наиболее ответственным режимом работы любого надкритического ротора является надежный проход им своих собственных изгибных критических частот, за которыми находится рабочая частота его вращения. В момент прохода ротором изгибных критических частот возникают самые большие радиальные перемещения концов ротора, а следовательно, возникают и самые большие нагрузки на демпфер, обеспечивающий этот режим работы ротора.
Это обстоятельство требует наличия в демпфере элемента, обеспечивающего большой демпфирующий эффект и надежную связь с ротором. Демпфер с таким элементом описан, например, в патенте RU 2044937 C1 (F16F 9/10, 15/023, опубл. 03.07.1992, [1]), а также более позднем патенте RU 2292499 C1 (F16F 15/023, опубл. 21.01.2007, [2]), взятом за прототип предлагаемого решения.
Известный согласно публикациям [1] и [2] демпфер содержит шарнирно опертый в корпусе с жидкостью цилиндрический демпфирующий элемент с подпятником для гибкой опоры ротора и центрирующими пружинами, второй демпфирующий элемент в виде цилиндра ступенчатой формы с касанием по полуоси ротора в верхней своей части меньшего диаметра и хорошо развитыми демпфирующими поверхностями нижней части большего диаметра, погруженной с зазорами в полость, заполненную демпфирующей жидкостью. Наличие ступенчатого по форме выполнения демпфирующего элемента и возможность взаимодействия его с полуосью ротора позволяют погасить достаточно большие по амплитуде колебания высокоскоростного ротора.
Однако, несмотря на развитие конструктивных особенностей демпфера в соответствии с более поздним патентом [2], такой демпфер, приемлемый для многозвенного «сильфонного» ротора, не обеспечивает достаточно надежного и вместе с тем энергосберегающего режима прохода высокочастотной изгибной критики, характерной, например, для «гладкого» ротора. Так как критические частоты «гладкого» ротора значительно выше критических частот «сильфонного» ротора, а все радиальные силы взаимодействия ротора с демпфером, как известно, пропорциональны квадрату этих частот, то имеет место существенно более сильное взаимодействие «гладкого» ротора с демпфером при проходе критики по сравнению с «сильфонным» ротором.
В результате при проходе критики «гладким» надкритическим ротором довольно часто возникают режимы жесткого «сцепления» полуоси ротора с подшипником скольжения в верхней части демпфера, которые приводят к весьма энергозатратным режимам взаимодействия ротора с демпфером. При этом мощности двигателя для прохода критики может не хватить, и ротор «зависает» на критической частоте.
Таким образом, известный уровень техники в области гашения колебаний вертикальных роторов не обеспечивает достаточно надежного без повышенных энергозатрат прохода ротором высокоскоростной изгибной критики.
Именно на достижение этого технического результата при относительной простоте конструктивного решения демпфера и направлено представляемое ниже изобретение.
Технический результат в соответствии с заявляемым изобретением достигается за счет введения в ступенчатый элемент демпфера дополнительного элемента, который назовем ударным элементом, для «сбивания» режимов жесткого «сцепления» ротора с демпфером при проходе высокочастотной изгибной критики и тем самым обеспечения надежного энергосберегающего режима прохода критики.
Согласно заявляемому изобретению демпфер высокоскоростного вертикального ротора содержит общие с прототипом признаки: корпус с демпфирующей жидкостью, первый демпфирующий элемент в виде цилиндра с подпятником для опоры ротора и центрирующими пружинами в верхней части, шарнирно опертого в нижней части корпуса, второй демпфирующий элемент в виде цилиндра ступенчатой формы, нижняя часть которого имеет больший диаметр и помещена в полости корпуса с демпфирующей жидкостью, а в верхней части меньшего диаметра установлен подшипник скольжения, охватывающий с зазором полуось ротора, и отличительный существенный признак. Отличительным признаком является снабжение второго демпфирующего элемента дополнительным ударным элементом, свободно установленным с одной из сторон его дисковой части с возможностью параллельного перемещения относительно нее и соударения с вертикальной поверхностью второго демпфирующего элемента.
Изобретение иллюстрируется чертежами на примере простейшего варианта выполнения.
На фиг.1 и фиг.2 схематично показан вертикальный разрез демпфера с различным расположением ударного элемента.
На фиг.3 и фиг.4 показаны попарно осциллограммы движения полуоси ротора (верхняя осциллограмма) и демпфера с ударным элементом (нижняя осциллограмма) при проходе критики разными надкритическими роторами.
Демпфирующий элемент 1 является основным, выполнен в виде цилиндра и расположен соосно с вертикальным ротором (не показан). Основной демпфирующий элемент 1 помещен в цилиндрическую проточку в корпусе 2 демпфера, заполненном демпфирующей жидкостью, с образованием вдоль цилиндрической части демпфирующего зазора 3. В нижнюю часть демпфирующего элемента 1 жестко установлена игла 4, которая шарнирно опирается на подпятник 5 в нижней части корпуса 2 демпфера. С демпфирующим элементом 1 связан опорный подпятник 6 для опоры роторной иглы (не показана) и центрирующие пружины 7, соединяющие его с корпусом 2 демпфера.
Второй демпфирующий элемент 8 выполнен в виде цилиндра ступенчатой формы, нижняя часть которого имеет больший диаметр и помещена в полости корпуса с демпфирующей жидкостью, а в верхней части меньшего диаметра установлен подшипник скольжения 9, охватывающий с зазором полуось ротора (не показана). Второй демпфирующий элемент 8 своей нижней частью свободно опирается в дно кольцевой проточки, выполненной в верхней части корпуса 2 демпфера, с образованием радиального демпфирующего зазора 10.
Ударный элемент 11, выполненный в данном простейшем примере в виде кольца прямоугольного сечения, свободно лежит на дисковой части второго демпфирующего элемента 8 (фиг.1) или расположен под дисковой частью, как это показано на фиг.2, на торце специальной втулки 12, жестко связанной с демпфирующим элементом 8.
Демпфер предложенной конструкции работает следующим образом.
При разгоне ротора до его критических частот вращения основная нагрузка по гашению разного рода колебаний ротора (например, проход пусковых критических частот, а также гашение его нутационных колебаний) приходится на основной демпфирующий элемент 1, который, перемещаясь в демпфирующих зазорах 3, достаточно эффективно гасит все возникающие при этом колебания ротора.
При скоростях вращения, близких к собственной частоте поперечных изгибных колебаний, происходит сильное раскачивание концов несбалансированного ротора. При этом взаимодействие ротора с демпфером происходит через его полуось и подшипник скольжения 9. Когда полуось ротора раскачивается до амплитуды, равной (или большей) величине рабочего зазора в подшипнике скольжения 9, происходит неупругий удар, и далее движение полуоси и демпфирующего элемента 8 происходит совместно. Для предотвращения режима устойчивого совместного движения полуоси ротора и демпфирующего элемента 8 служит ударный элемент 11. По мере прохода ротором критических оборотов происходит попеременная смена режимов совместного и раздельного движений ротора и демпфера. При этом торможение ротора имеет умеренную величину. При отсутствии ударного элемента 11 происходит безотрывное совместное движение полуоси и демпфирующего элемента 8 и торможение от сухого трения в подшипнике 9, мощность трения сильно возрастает и превосходит мощность двигателя, и критика ротором не проходится, ротор «зависает». Ударный элемент 11 работает при движении демпфирующего элемента 8. Связь между ними осуществляется за счет трения скольжения в месте касания их поверхностей. В то же время ударный элемент 11 имеет возможность свободно перемещаться под действием сил инерции, в том числе может быть в противофазном движении с элементом 8. Если происходит круговое движение демпфирующего элемента 8 при совместном движении с полуосью, то сила инерции, действующая на ударный элемент 11, меняет направление за время оборота и вынуждает его ударяться о вертикальную поверхность элемента 8. При ударе происходит обмен импульсом между элементами 8 и 11. Эти воздействия нарушают связанный режим совместного движения ротора и демпфера.
На фиг.3а) и б) и фиг.4а) и б) показаны типичные осциллограммы, снятые при проходе критики разными надкритическими роторами. Осциллограммы показаны парными: верхняя осциллограмма снята с датчика, установленного на полуоси ротора, а нижняя - это показания датчика, установленного на демпфирующем элементе 8.
На верхних осциллограммах, показанных на фиг.3а) и б), снятых с датчика, установленного на полуоси ротора, хорошо виден переходный процесс от режима раздельного движения (левая часть осциллограммы) ротора и демпфера к режиму их совместного движения при участии ударного элемента 11 (правая часть осциллограммы).
На фиг.4а) и б) показаны участки осциллограмм совместного движения ротора и демпфера с участием ударного элемента 11, снятые для роторов, имеющих разные небалансы.
Как видно, при наличии ударного элемента возникают квазипериодические режимы взаимодействия ротора с демпфером, когда ротор либо взаимодействует с демпфером, либо не взаимодействует. Периодичность и длительность таких взаимодействий может быть разной в зависимости от небаланса ротора, параметров демпфирующего элемента 8 и параметров ударного элемента 11. Квазипериодические режимы взаимодействия ротора с демпфером требуют гораздо меньших по сравнению с режимом жесткого «сцепления» (совместного движения) затрат мощности двигателя, обеспечивающего проход ротором изгибной критической частоты.
Таким образом, при наличии ударного элемента 11 за счет попеременной смены режимов совместного и раздельного движений ротора и демпфера условия прохода ротором критических оборотов существенно улучшаются по всем показателям: по диапазону частот между «зацеплением» и «отцеплением» полуоси ротора от подшипника скольжения (т.е. от демпфера), по времени взаимодействия ротора с демпфером, по времени элемент позволяет радикально решить проблему прохода критики сильно разбалансированным ротором. При этом обеспечивается энергетически более выгодный режим разгона ротора в диапазоне его критических частот и предотвращается «зависание» ротора при проходе критики из-за недостаточной мощности двигателя.
Следует отметить, что параметры ударного элемента 11 (геометрия и форма сечения, масса, материал), зазоры между элементами 8 и 11, трение между их поверхностями, а также расположение ударного элемента 11 по отношению к дисковой части демпфирующего элемента 8 (сверху, снизу, внутри) допускают многовариантность в реализации и изготовлении и оптимизируются для каждой конкретной модели ротора по условиям прохода им изгибной критической частоты (время прохода, энергетические затраты, частотный диапазон взаимодействия с ротором и т.п.).