ДИНАМИЧЕСКИЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ 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.
При работе турбоагрегата на опорные узлы действуют возмущающие силы со стороны турбины и/или генератора. На номинальной частоте вращения ротора ω могут иметь место возмущающие воздействия как на частоте, равной номинальной круговой частоте вращения ротора, так и на частотах, превышающих номинальную в целое число раз или меньших номинальной в целое число раз, причем среди субгармонических колебаний с частотами 1/4, 1/3, 1/2 номинальной частоты вращения ротора наиболее отчетливо проявляются субгармонические колебания с частотой, равной половине номинальной частоты вращения ротора ω/2.
Как показывает практика, субгармонические составляющие могут быть вызваны нелинейными эффектами (например, задеваниями - в уплотнениях или в подшипниках). Так, причиной возникновения возмущающей силы, действующей на опору, с частотой ω/2 может являться недостаточная жесткость взаимного крепления подшипников и их вкладышей; причиной возникновения возмущающей силы, действующей на опору с частотой ω - небаланс ротора; причиной возникновения возмущающей силы, действующей на опору с частотой 2ω - неплотное закрепление рамы к фундаменту.
В случае, если частота возмущающих воздействий совпадает с частотой собственных колебаний опоры, возникают ее резонансные колебания, которые могут привести к повреждению конструкции опор, аварийной ситуации и останову турбоагрегата.
В этих условиях к опорным узлам предъявляются высокие требования по надежности и безаварийности работы, что обеспечивается, в том числе, и применением эффективных гасителей колебаний подшипниковых опор, предназначенных для гашения высокочастотных и низкочастотных гармонических составляющих вибрации.
Широко применяемые в настоящее время ДГК чаще всего обеспечивают гашение колебаний без перенастройки гасителя только на какой-либо одной резонансной частоте.
Известен динамический гаситель колебаний [Авторское свидетельство СССР №1428877 A1, F16F 15/12, дата приоритета - 31.01.1986, дата публикации - 07.10.1988], содержащий массу в виде полого кольца, связанного с объектом гашения посредством упругого элемента, полость кольца частично заполнена корректирующей массой в виде металлических шаров или жидкости. Данный гаситель направлен на повышение эффективности гашения колебаний за счет перемещения корректирующей массы. К недостаткам данного гасителя следует отнести то, что гаситель обеспечивает компенсацию вибрации только на одной частоте и не может быть применен для гашения колебаний одновременно на двух частотах без перенастройки гасителя, т.к. предварительная настройка виброгасителя обеспечивает его работу только на одной рабочей частоте.
В качестве технического решения, наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели, предлагается выбрать динамический гаситель колебаний [Патент РФ №81542 U1, F16F 15/02, дата приоритета - 23.12.2008, дата публикации - 20.03.2009], обеспечивающий гашение резонансных колебаний опоры турбоагрегата без перенастройки гасителя одновременно на двух частотах - на частоте, равной номинальной частоте вращения ротора ω, и на частоте, равной двойной номинальной частоте вращения ротора 2ω. Известный ДГК представляет собой пластину, жестко закрепленную обоими концами на поверхности опоры турбоагрегата, с установленными на ней регулировочными грузами. При этом пластина выполнена изогнутой в форме полукольца, а ее параметры - толщина h и ширина l - определяются в соответствии с выявленными зависимостями.
К недостаткам известного ДГК следует отнести то, что данное устройство не обеспечивает гашение низкочастотной гармонической составляющей вибрации, т.е. вибрации на резонансной частоте опоры, равной половине номинальной частоты вращения ротора ω/2.
1
1
2
2
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в обеспечении гашения резонансных вибраций подшипниковых опор турбоагрегата, без перенастройки гасителя, на двух частотах - резонансной частоте ω, равной номинальной частоте вращения ротора (ω=ω), и резонансной частоте ω, равной половине номинальной частоты вращения ротора (ω=ω/2).
С целью достижения указанного выше технического результата заявителем предлагается динамический низкочастотный гаситель колебаний, содержащий изогнутую пластину, оба конца которой жестко закреплены на опоре турбоагрегата, на пластине установлены регулировочные грузы. При этом, согласно заявляемому техническому решению, пластина выполнена в форме дуги окружности, а параметры пластины - средний радиус R, толщина h и ширина l - определяются согласно выявленным эмпирическим зависимостям:
R=s/(1,4÷1,7), м,
, м,
-3
l=(2,0÷2,4)·(10·m/(γ·h·R)), м,
где
s - расстояние между точками жесткого закрепления пластины на опоре, м,
-1
ω - номинальная круговая частота вращения ротора турбоагрегата, с,
3
γ - удельный вес материала пластины, кг/м,
2
Е - модуль упругости материала пластины, Н/м,
m - масса опоры, кг.
Выполнение гасителя в форме дуги окружности 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.
Установка гасителя непосредственно на крышке подшипниковой опоры, т.е. вблизи источника возмущающей силы, обеспечивает наиболее эффективное гашение вибраций.
Жесткое закрепление гасителя на объекте гашения обеспечивает надежность работы ДГК.
Регулировочные грузы, которыми снабжена пластина, обеспечивают возможность максимально точной настройки ДГК на частоту гашения.
1
2
Автором установлено, что именно при значениях параметров R (средний радиус), h (толщина) и l (ширина) пластины, рассчитанных согласно приведенным выше эмпирическим зависимостям, обеспечивается эффективное гашение вибраций опоры ротора турбоагрегата на двух частотах ω=ω и ω=ω/2 до норм, установленных ГОСТ 25364-97 «Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации опор валопроводов и общие требования к проведению измерений.», что подтверждается результатами стендовых испытаний.
Значение ω (номинальная круговая частота вращения ротора турбоагрегата) является известным параметром исходных данных.
Значение s (расстояние между точками жесткого закрепления пластины на опоре) является конструктивным параметром и для каждой конкретной конструкции опоры определяется с учетом возможности закрепления пластины на опоре вблизи источника возмущающей силы. Например, пластина может быть закреплена на крышке подшипника в местах крепления крышки к раме опоры.
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.
Модуль упругости материала пластины (Е) и удельный вес материала пластины (γ) являются известными справочными данными.
Форма выполнения пластины (дуга окружности), геометрия пластины (средний радиус R, толщина h и ширина l, рассчитанные по указанным выше экспериментально установленным формулам с учетом приведенных интервалов значений), свойства материала пластины (модуль упругости Е и удельный вес материала пластины γ) в совокупности обеспечивают эффективное гашение колебаний опоры массой m на двух частотах ω и ω/2 без перенастройки гасителя, что подтверждается результатами проведенных заявителем испытаний ДГК.
Регулировочные грузы, которыми снабжена пластина, обеспечивают возможность окончательной точной настройки ДГК на частоту гашения.
Полезная модель поясняется графическими материалами.
На фиг. представлен общий вид динамического низкочастотного гасителя колебаний, установленного на опоре турбоагрегата.
Заявляемый динамический низкочастотный гаситель колебаний содержит пластину 1, установленную на опоре 2 турбоагрегата.
Опора 2 состоит из следующих узлов: 3 - рама, установленная на фундаменте, 4 - подшипник с вкладышем, 5 - крышка подшипника.
Пластина 1 выполнена в форме дуги окружности со средним радиусом R, толщиной h и шириной l. Пластина 1 жестко закреплена своими концами 6 и 7 (выполненными, например, в виде фланцев) на опоре 2, а именно - на поверхности крышки 5 подшипника с помощью болтовых соединений 8, обеспечивающих жесткое надежное закрепление пластины 1.
Указанные на фиг. параметры R, h и l определяются согласно выявленным автором зависимостям, приведенным выше.
Проведенные испытания показали, что именно в указанных интервалах значений параметров R, h, l гасителя обеспечивается гашение резонансных колебаний опоры на частоте, равной номинальной круговой частоте вращения ротора ω либо половине номинальной круговой частоты ω/2. При выходе значений параметров за пределы указанных интервалов использование гасителя не обеспечивает снижение вибраций опоры до требуемых норм.
На пластине 1 установлены регулировочные грузы 9, представляющие собой, например, набор металлических пластин, предназначенных для окончательной точной настройки гасителя.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В случае действия на подшипниковую опору 2 возмущающих сил с частотой, равной номинальной круговой частоте вращения ротора ω либо половине номинальной частоты вращения ротора ω/2, вызывающих резонансные колебания опоры, на крышку 5 подшипника 4 устанавливается изогнутая в форме дуги окружности пластина 1 с регулировочными грузами 9. Параметры пластины - средний радиус R, толщина h и ширина l - рассчитываются согласно приведенным выше формулам. Пластина жестко закрепляется на объекте гашения с помощью болтовых соединений 8, что обеспечивает надежность работы ДГК. Размещение пластины над крышкой подшипника и ее закрепление в местах крепления крышки к раме опоры представляется оптимальным, поскольку размещение гасителя вблизи источника возмущающей силы обеспечивает наиболее эффективное гашение вибраций. Совпадение частоты возмущающей силы, действующей со стороны турбины и/или генератора, с собственной частотой колебаний опоры, вызывает резонанс колебаний опоры. При наступлении резонансных колебаний опоры 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 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 ГОСТ 25364-97 значений вибрации.
3
11
2
-1
-1
-1
Для изготовления пластины может быть использована, например, сталь марки Ст3 ГОСТ 380-2005. При этом известны значения постоянных величин для стали: γ=7800 кг/м, Е=2,1·10 Н/м. Масса опоры m паровой турбины К-300-240 составляет 10420 кг. Номинальная круговая частота вращения ротора турбоагрегата ω=314 с (что соответствует частоте вращения ротора 3000 об/мин). Расстояние s между точками крепления крышки подшипника к раме опоры составляет 1,0 м. При указанных исходных данных определены следующие значения параметров пластины: R=0,65 м, h=0,032 м, l=0,14 м. Для данного гасителя использован комплект регулировочных грузов из десяти пластин, выполненных из стали марки Ст3 ГОСТ 380-2005, масса каждой пластины - 1 кг. Результаты проведенных испытаний показали, что при наступлении резонансных колебаний опоры на частоте 314 с, а также на частоте 157 с применение заявляемого низкочастотного ДГК обеспечивает устранение вибраций опоры до требуемых норм.