ДЕМПФЕР ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА
DAMPER FOR HIGH-SPEED VERTICAL ROTOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для гашения колебаний вертикального, преимущественно «гладкого» (бессильфонного) ротора и обеспечения его устойчивой работы в закритической области вращения.
Известно, что вращение вертикального ротора, длина которого существенно превышает его диаметр, приводит к появлению целого спектра различных частот колебаний: прецессионных, нутационных, изгибных, вертикальных и автоколебаний. Эти колебания ротора проявляются при его разгоне (пусковые и нутационные частоты), проходе резонансных критических режимов (первая, вторая и т.д. изгибные критические частоты), в закритической области (автоколебания, приводящие к закритической неустойчивости), а также в различных аварийных ситуациях (при сейсмических воздействиях, срывах вакуума и натеканиях воздуха в зароторное пространство).
Известен патент US №3464290 (класс МКИ F16F 15/10, G01C 19/20, опубл. 02.09.1969 с приоритетом NL от 13.09.1966, [1]), в котором описано демпфирующее устройство для гашения радиальных колебаний быстровращающихся роторов, состоящее из нескольких погруженных в жидкость демпфирующих элементов, соединенных между собой упругими связями (иглами, пружинами и самой демпфирующей жидкостью). Каждый из этих элементов предназначен для гашения колебаний в своей определенной области частот. В результате этого указанное демпфирующее устройство в целом способно обеспечить гашение колебаний ротора в очень широком частотном диапазоне. Однако недостатком этого комбинированного устройства является слабая связь ротора с каждым отдельным демпфирующим элементом, поскольку она осуществляется в результате последовательного их соединения. Кроме того, ни один из демпфирующих элементов этого известного устройства, как и само устройство в целом, не обеспечивает проход ротором высокочастотной изгибной критики.
Известен демпфер колебаний для быстровращающегося вертикального ротора (патент СА 953127 (А), B04B 5/08, опубл. 20.08.1974, [2]), имеющий один или два соосно расположенных демпфирующих элемента, выполненных в виде цилиндрических «опрокинутых» стаканов, в том числе ступенчатой формы, погруженных в демпфирующую жидкость и расположенных вдоль вертикальной оси ротора.
Недостаток этого устройства состоит в том, что оно также не обеспечивает высокочастотных режимов работы надкритического ротора (проход критики и закритическую устойчивость).
Согласно патенту RU 2044937 C1 (F16F 9/10, 15/023, опубл. 03.07.1992, [3]), а также более позднему патенту RU 2292499 C1 (F16F 15/023, опубл. 21.01.2007, [4]), взятому за прототип предлагаемого решения, известна конструкция демпфера, содержащего шарнирно опертый в корпусе с жидкостью цилиндрический демпфирующий элемент с установленным на нем подшипником для гибкой опоры ротора и центрирующими пружинами и второй демпфирующий элемент в виде цилиндра ступенчатой формы с касанием по полуоси ротора в верхней своей части меньшего диаметра. Ступенчатая форма выполнения демпфирующего элемента и возможность взаимодействия его с полуосью ротора, согласно публикациям [3] и [4], позволяют погасить достаточно большие по амплитуде колебания высокоскоростного ротора. Однако, не смотря на развитие конструктивных особенностей демпфера в соответствии с более поздним патентом [4], такой демпфер, приемлемый для многозвенного «сильфонного» ротора, не обеспечивает всех режимов работы надкритического «гладкого» ротора.
Таким образом, известный уровень техники в области гашения колебаний высокоскоростных роторов не способен реализовать проход «гладким» ротором высокоскоростной изгибной критики и его устойчивую работу в закритической области. 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 выполнением демпфера в виде, по меньшей мере, трех взаимосвязанных и работающих в совокупности демпфирующих элементов.
Согласно заявляемому изобретению демпфер высокоскоростного вертикального ротора содержит общие с прототипом признаки: корпус с демпфирующей жидкостью, подпятник для опоры ротора, первый демпфирующий элемент в виде цилиндра с центрирующими пружинами в верхней части и 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 отличительные существенные признаки. К ним относятся: выполнение первого демпфирующего элемента в виде цилиндра с внутренней открытой сверху полостью, наличие в указанной полости с образованием радиальных демпфирующих зазоров третьего демпфирующего элемента в виде цилиндра на гибкой игле, жестко закрепленной в основании полости, и закрепление подпятника для опоры ротора в верхней части третьего демпфирующего элемента.
Кроме того, третий демпфирующий элемент может иметь ступенчатую форму цилиндра с большим диаметром в верхней части.
Кроме того, третий демпфирующий элемент выполнен с массовыми и жесткостными параметрами, соответствующими его резонансной настройке на частоту собственных изгибных колебаний ротора на рабочей частоте вращения.
Кроме того, масса и коэффициент демпфирования третьего демпфирующего элемента определяются из условия обеспечения закритической устойчивости ротора.
Кроме того, под шарнирной опорой первого демпфирующего элемента в нижней части корпуса расположена упругая прокладка-амортизатор.
Кроме того, внутри верхней части второго демпфирующего элемента установлено цилиндрическое кольцо из пористого материала для подачи смазки к подшипнику скольжения.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично показан вертикальный разрез демпфера для высокоскоростного вертикального ротора. В данном примере осуществления демпфер содержит три демпфирующих элемента.
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 1 демпфирующего зазора 3. В нижнюю часть демпфирующего элемента 1 жестко установлена игла 4, которая шарнирно опирается на подпятник 5, закрепленный в нижней части корпуса 2 демпфера. В верхней части демпфирующий элемент 1 имеет центрирующие пружины 6, соединяющие его с корпусом 2 демпфера. Под шарнирной опорой помещена упругая, например, резиновая прокладка-амортизатор 7, предназначенная для гашения вертикальных колебаний ротора.
Второй демпфирующий элемент 8 выполнен в виде цилиндра ступенчатой формы, нижняя часть которого в виде «опрокинутого стакана» 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). Для жидкостной смазки подшипника скольжения 9 внутри верхней части демпфирующего элемента 2 установлено цилиндрическое кольцо 10 из пористого материала, нижняя часть которого помещена в заполняющую корпус демпфера жидкость. 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 11.
Третий демпфирующий элемент 12 выполнен в виде цилиндра малого диаметра на гибкой игле 13, установленного с образованием радиального демпфирующего зазора 14 в открытой сверху цилиндрической полости, выполненной внутри демпфирующего элемента 1. Гибкая игла 13 с одной стороны запрессована в тело демпфирующего элемента 12 и с другой стороны жестко закреплена в основании внутренней полости демпфирующего элемента 1. В верхней части третьего демпфирующего элемента 12 укреплен опорный подпятник 15, на который опирается роторная игла (не показана).
Третий демпфирующий элемент 12 может иметь ступенчатую форму цилиндра с несколько большим диаметром в верхней части, которая играет роль ограничителя колебаний элемента 12.
2
0
0
i
Особенность демпфирующего элемента 12 состоит в том, что он резонансно настроен на собственную частоту ротора в номинале. При этом учитывается жесткость связи между ротором и демпфирующим элементом 12 через опорную иглу (не показана). Кроме того, масса и коэффициент демпфирования элемента 12 определяются из условия обеспечения закритической устойчивости ротора. Неустойчивость ротора за критикой связана с силами внутреннего трения, которые после прохода критики приводят к раскачиванию ротора и возникновению его автоколебаний. Аналитическое решение задачи совместного движения ротора и демпфера за критической частотой показывает, что существует область устойчивости ротора, которая представляет собой окружность на плоскости параметров демпфера (mω, hω), где m и h - масса и коэффициент демпфирования элемента 12, а ω - собственная частота ротора. Центр этой окружности (области устойчивости) находится в точке резонанса с координатами (, hω), где ω - собственная частота ротора в номинале. Радиус этой окружности определяется величиной , где k - жесткость опорной роторной иглы, осуществляющей связь ротора с демпфирующим элементом 12, K - жесткость ротора на изгиб по i-ой форме колебаний (i=1, 2, 3 и т.д.), а γ - коэффициент внутреннего трения ротора.
Предложенная конструкция демпфера работает следующим образом. Колебательная энергия ротора передается демпферу через опорную иглу, опирающуюся в подпятник 15, встроенный в демпфирующий элемент 12. Колебания ротора приводят в движение демпфирующий элемент 12 и через гибкую иглу 13 - демпфирующий элемент 1, который, перемещаясь в зазоре 3, отбирает энергию ротора более эффективно, так как коэффициент демпфирования этого демпфирующего элемента 1 на порядок больше коэффициента демпфирования элемента 12, обеспечиваемого преимущественно зазором 14 (вклад демпфирования на уровне верхней части в зазоре 16 незначителен).
Во многих случаях (например, после прохода пусковых и нутационных частот, а также на номинальных оборотах вращения ротора) этого бывает достаточно, чтобы амплитуда колебаний ротора уменьшилась и ротор, успокоившись, продолжал дальше работать на одном демпфирующем элементе 12. Однако, если амплитуда колебаний ротора велика, то выбирается зазор в подшипнике скольжения 9 на уровне полуоси ротора и вступает в работу демпфирующий элемент 8, коэффициент демпфирования которого еще почти на порядок больше, чем у демпфирующего элемента 1. Такие ситуации возникают при проходе высокочастотной изгибной критики, а также во всех аварийных ситуациях (сейсмических воздействиях, срывах вакуума, натеканиях воздуха в зароторное пространство и т.п.). При этом пористое кольцо 10, охватывая полуось ротора, производит подачу демпфирующей жидкости к подшипнику 9 через свою капиллярную систему. Чем активнее перемещается демпфирующий элемент 8, тем лучше осуществляется смазка подшипника 9.
После прохода изгибной критики ротор входит в область закритической устойчивости, обеспечиваемую резонансным демпфирующим элементом 12. В этом режиме ротор может работать весь предусмотренный эксплуатационный срок до его плановой остановки или остановки по причине каких-то поломок и аварийных ситуаций. В штатном режиме работы ротора, когда он опирается на подпятник 15, амплитуда колебаний демпфирующего элемента 12 не превышает нескольких микрон. При этом автоколебания ротора в закритической области отсутствуют и не происходит больших потерь мощности ротора. При малейших сбоях в работе ротора на помощь демпфирующему элементу 12 приходят все остальные демпфирующие элементы устройства, как это описано выше.
При эксплуатации «гладкого» (бессильфонного) ротора проблема гашения возможных вертикальных колебаний не является столь сложной, как в сильфонных роторах, и вполне решается введением в конструкцию демпфера упругой прокладки-амортизатора 7 под шарнирной опорой в нижней части корпуса 2.
Таким образом, во взаимодействие с ротором по мере роста частоты вращения и амплитуды колебаний ротора последовательно включаются как минимум два демпфирующих элемента. С другой стороны, один и тот же элемент демпфера участвует в разных режимах работы высокоскоростного ротора для гашения его нежелательных колебаний. В соответствии с изобретением создано многофункциональное демпфирующее устройство, обеспечивающее все режимы работы надкритического «гладкого» (бессильфонного) ротора, имеющего высокую изгибную критическую частоту по той форме колебаний, за которой работает ротор.