СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОР РОТОРОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ Российский патент 1994 года по МПК G01M7/02 G01M1/04 

Изобретение относится к испытательной технике и предназначено для определения динамических характеристик масляной пленки в опорах и самих опор роторов турбоагрегатов.

Известен способ определения динамических характеристик опор роторов турбоагрегатов, заключающийся в том, что измеряют амплитуды и фазы виброперемещений опор и шеек роторов в горизонтальном и вертикальном направлениях. Определяют динамические силы, действующие на масляную пленку, путем сравнения изменения виброперемещений цапф под действием реакций и установленных систем дисбалансов, и определяют динамические характеристики опор и масляной пленки в опорах турбоагрегата (1).

Недостатком способа является необходимость установки дисбалансов на валопровод турбоагрегата, что вызывает простой турбоагрегата, а так же то, что способ позволяет определять динамические характеристики только изолированных опор (без учета связанности).

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности является способ определения динамических характеристик опор роторов турбоагрегата, заключающийся в том, что при удаленных роторах турбоагрегата с помощью вибратора возбуждают колебания опор направленной силой поочередно в двух взаимно перпендикулярных направлениях последовательно на каждой из опор, измеряют амплитуды и фазы виброперемещений опор и по полученным данным определяют динамические характеристики опор с учетом связанности.

Недостатком указанного способа является недостаточная точность определения динамических характеристик опор, т.к. испытания проводятся на неработающем турбоагрегате без роторов, и то, что способ не обеспечивает определение динамических характеристик масляного слоя подшипников, что снижает его эффективность.

Целью изобретения является повышение эффективности способа, а именно, дополнительное определение динамических характеристик масляного слоя подшипников и повышение точности определения динамических характеристик опор.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что возбуждают колебания опор направленной силой поочередно в двух взаимно перпендикулярных направлениях последовательно на каждой из опор, измеряют амплитуды и фазы виброперемещений опор, и по полученным данным определяют динамические характеристики опор, согласно изобретению, измерения производят на работающем турбоагрегате, колебания направленной силой возбуждают с частотой, равной частоте вращения вала турбоагрегата, дополнительно производят измерения амплитуд и фаз виброперемещений опор и шеек турбоагрегатов до возбуждения колебаний опор направленной силой и амплитуд и фаз виброперемещений шеек при возбуждении колебаний направленной силой, и по полученным данным определяют динамические характеристики масляного слоя подшипников.

Возбуждение колебаний опор направленной силой на работающем турбоагрегате позволяет определить динамические характеристики опор при фактических условиях работы опор (по температуре, статическим нагрузкам на опоры, зазорам между поверхностями сопряжения опор и фундамента и т.п.), что повышает точность их определения.

Дополнительные измерения амплитуд и фаз виброперемещений опор и шеек турбоагрегата до возбуждения колебаний опор направленной силой и амплитуд и фаз виброперемещений шеек при возбуждении колебаний направленной силой, позволяет помимо 4N² динамических характеристик опор (где N - число опор турбоагрегата) определить 8 динамических характеристик масляного слоя каждого подшипника.

Способ реализуют следующим образом.

Предварительно для турбоагрегата, на котором определяют динамические характеристики опор роторов выполняют расчет динамических коэффициентов влияний единичных сил, действующих на шейки валопровода, путем решения систем дифференциальных уравнений, характеризующих колебания валопровода турбоагрегата без опор роторов.

Дифференциальные уравнения колебаний валопровода под действием единичных сил с учетом инерции поворота, гироскопического момента, деформации сдвига, внутреннего трения в материале имеют вид (уравнения приведены для плоскости ХОУ; для плоскости ХОZ уравнения имеют аналогичный вид) m + = (r_y)_nδ(X-X_n); J + -J - +Q_y+ = 0 ; ϕ_z= ; M_z= -EJ + + - ω + + + , где Х - ось, направленная вдоль валопровода от первой шейки к последней и проходящая через их геометрические центры;
Y - ось, направленная влево, если смотреть с первой шейки на последнюю;
Z - ось, направленная вертикально вверх;
ω- частота вращения валопровода;
N - число шеек валопровода;
U_y, U_z - составляющие поступательного перемещения валопровода;
ϕ_z,ϕ_y - составляющие угла поворота оси;
Q_y, Q_z, M_z, M_y - составляющие поперечной силы и изгибающего момента;
m - погонная масса валопровода;
I_э, I_п - массовые экваториальный и полярный моменты инерции;
σ F - жесткость при сдвиге;
k - коэффициент формы;
Ψ- коэффициент поглощения материала;
Х_n - координата n-й шейки;
δ(х) - дельта-функция;
(Z_y, Z_z)_n - составляющие единичной силы в n-й опоре.

Для решения системы уравнений (1) выполняют переход от уравнений в частных производных к обыкновенным дифференциальным уравнениям в предположении эллиптического характера изменения составляющих всех кинематических параметров, а затем - и поперечно-разностным соотношениям путем замены действительного валопровода эквивалентной дискретной системой. В результате получается система линейных уравнений вида BU_o=O; BU_I+1=O; D_i^-1U_i+1-U_i=R_i (i= 1,2,..., I-1),
(2) где: I - число уравнений в системе, равное числу расчетных ячеек дискретной схемы валопровода;
U_i U_i+1 - шестнадцатимерные векторы компонентов составляющих деформационно-силовых параметров валопровода соответственно в i-й и (i-+1)-й ячейке вида
U_i= (U_1y, ϕ_1z, M_1z, Q_1y, U_1z, ϕ_1y, M_1y, Q_1z, U_2y, ϕ_2z, N_2z, Q_2y, U_2z, ϕ_2y, N_2y, Q_2z);
Di - переходная матрица i-й ячейки, определенная характеристиками валопровода, размером 16х16;
R_i - шестнадцатимерный вектор составляющих единичных сил, действующих на шейки;
U_o, U_I+1 - шестнадцатимерные граничные векторы;
В - прямоугольная матрица граничных условий размером 8х16.

Для определения динамических коэффициентов составляющих единичных сил, действующих на шейки, систему решают в 2N раз, и при каждом решении одна из составляющих сил равна единице, а остальные равны нулю.

При решении системы (2) используют метод ортогональной пригонки, который реализован на ЭВМ.

Расчеты динамических коэффициентов влияний проводят на тех частях вращения, на которых определяют характеристики опорных устройств. В результате получают векторные значения (они имеют величину и фазу, с ними оперируют как с комплексными числами и называют также комплексными значениями) динамических коэффициентов влияний единичных сил, действующих на шейки
(y_n)yj , (z_n)yj , (z_n)zj (n, j = 1, 2,...,N)
Например, ()yj означает динамический коэффициент влияния единичной силы, действующий в j-й шейке в горизонтальном направлении на n-ю шейку в вертикальном направлении.

Испытания на турбоагрегате производят следующим образом.

Измеряют амплитуды и фазы виброперемещений опор и шеек в поперечном и вертикальном направлениях исходного состояния турбоагрегата. Измерения производят на частотах вращения ротора (вала), при которых определяют динамические характеристики опор масляной пленки подшипников турбоагрегата. Измерения виброперемещений шеек выполняют либо абсолютные либо относительные (относительно опор). Фазу колебаний отсчитывают по неподвижной круговой шкале (лимбу) с начала отсчета в верхней точке (ноль градусов), с направлением разбивки шкалы по вращению вала. Поперечные колебания опор шеек валопровода измеряют слева, если смотреть с первого подшипника на последний.

Затем последовательно на каждую опору устанавливают вибратор и возбуждают колебания опоры направленной силой последовательно в двух направлениях, как правило, в горизонтальном и вертикальном. Частота возбуждающей силы должна совпасть с частотой вращения валопровода и соответствовать частоте, для которой определяют динамические характеристики опор и масляной пленки подшипников. После каждого возбуждения колебаний опоры в данном направлении производят измерения вибрации всех опор и шеек.

По результатам испытаний определяют векторное изменение виброперемещений опор и шеек валопровода в поперечном и вертикальном направлениях под действием каждой возбуждающей силы, как векторную разность соответствующих измерений вибрации до и после возбуждения.

Обозначим векторное изменение виброперемещений опор и абсолютных виброперемещений шеек от каждой возбужда- ющей силы , , , ,, ,
Например, означает комплексное виброперемещение (амплитуда и фаза) n-й опоры под действием силы Р^(гi), воздействующей на i-ю опору в горизонтальном направлении, - комплексное абсолютное виброперемещение n-й шейки под действием силы , воздействующей на i-ю опору в вертикальном направлении.

Динамические характеристики опор определяются из системы 8N²линейных алгебраических уравнений:
=()+()_zj,
=()+()_zy,
=()+()_zj,
=()+()_zj, , (1)
= -()-()_zj+ (),
= -()-()_zj+ (),
= -()-()_zj+ (),
= -()-()_zj+ ()
(i, n = 1,2,...,N ) где ()_yj, ()_zj, ()_yj, ( _zn)_zj - комплексные значения динамических характеристик опор, определяющих жесткостные и демпфирующие характеристики системы статор-фундамент (всего характеристик 4N², из них 4(N-1)² - определяют связанность колебаний опор);
, , ,
- комплексные значения динамических реакций, возникающих в опорных устройствах при возбуждении колебаний опор вибратором.

В системе (1) первые 4N² уравнений описывают колебания валопровода, а вторые - 4N² уравнений - колебания опор. Неизвестными являются 4N²реакций в опорных устройствах и 4N² динамических характеристик опор, которые определяются из решения системы (1).

Динамические характеристики масляного слоя подшипников: жесткости С_yy, C_yz и демпфирования h_yy, h_yz определяются из следующей системы линейных алгебраических уравнений:
(C_yy) _i (Y_1i^(гi)-Y_1i^(гi)+(C_yz)_i (Z_1i^(гi)-Z_1i^(гi)+ + ω(h_yy) _i (Y_zi^(гi) - Y_zi^(гi))+ ω(h_yz) _i (Z_zi^(гi)-Z_2i^(гi)= = R_1yi^(гi),
(C_yy) _i (Y_2i^(гi)-Y_2i^(гi) )+(C_yz)_i (Z_2i^(гi)-Z_2i^(гi) - ^-ω(h_yy) _i (Y_1i^(гi)- Y_1i^(гi))-ω (h_yz) _i (Z_1i^(гi)-Z_1i^(гi)= = R_zyi^(гi),
(C_yy) _i (Y_1i^(вi)-Y_1i^(вi)+(C_yz)_i (Z_1i^(вi)-Z_1i^(вi)+ + ω(h_yy) _i (Y_2i^(вi) - Y_2i^(вi))+ ω(h_yz) _i (Z_2i^(вi)- - Z_2i^(вi)= R_1yi^(вi),
(C_yy) _i (Y_2i^(вi)-Y_2i^(вi)+(C_yz)_i (Z_2i^(вi)-Z_2i^(вi)- - ω(h_yy) _i (Y_1i^(вi) - Y_1i^(вi))- ω(h_yz) _i (Z_1i^(вi)- Z_1i^(вi)= R_2yi^(вi), где Y_1i, Y_1i, Z_1i, Z_1i, R_1y, R_1z - косинусные составляющие комплексных значений перемещений и реакций;
Y_2i, Y_2i, Z_2i, Z_2i, R_2y, R_2z - синусные составляющие комплексных значений перемещений и реакций.

Динамические характеристики масляного слоя подшипников: жесткости C_zz, C_zy и демпфирования h_zz, h_zy определяются по аналогичной системе (2) системы линейных уравнений.

Все расчеты производятся на ЭВМ.

Преимуществами способа, по сравнению с прототипом, являются: возможность определения динамических характеристик масляного слоя подшипников; повышение точности определения динамических характеристик опор роторов.

Использование: для определения динамических характеристик масляной пленки в опорах и самих опор роторов турбоагрегатов. Сущность: возбуждают колебания опор направленной силой на работающем турбоагрегате поочередно в двух взаимно перпендикулярных последовательно на каждой из опор с частотой, равной частоте вращения вала турбоагрегата. Измеряют амплитуды и фазы виброперемещений опор. Дополнительно производят измерения амплитуд и фаз виброперемещений опор и шеек турбоагрегатов до возбуждения опор роторов направленной силой. По полученным данным определяют динамические характеристики опор и масляного слоя подшипников.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОР РОТОРОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ, заключающийся в том, что возбуждают колебания опор направленной силой поочередно в двух взаимно перпендикулярных направлениях последовательно на каждой из опор, измеряют амплитуды и фазы виброперемещений опор и по полученным данным определяют динамические характеристики опор, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, измерения производят на работающем турбоагрегате, колебания направленной силой возбуждают с частотой, равной частоте вращения вала турбоагрегата, дополнительно производят измерения амплитуд и фаз виброперемещений опор и шеек турбоагрегатов до возбуждения колебаний опор направленной силой и амплитуд и фаз виброперемещений шеек при возбуждении колебаний направленной силой, и по полученным данным определяют динамические характеристики масляного слоя подшипников.