УСТРОЙСТВО ГАШЕНИЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ И ЦЕПЬ СЖАТИЯ Российский патент 2014 года по МПК F02C9/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты выполнения изобретения, описанные в данном документе, относятся в целом к устройствам машинного привода, более конкретно - к гашению крутильных колебаний в таких устройствах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Первичные двигатели (например, газовые турбины и электродвигатели) обычно соединены с их соответствующими нагрузками (например, с электрическими генераторами или компрессорами) с помощью механического вала, в котором на одной или нескольких критических частотах могут проявляться резонансные колебания, возбуждаемые силовым приводом и/или нагрузкой. Если на критической частоте генерируется компонента крутящего момента, то вал будет испытывать крутильные колебания, которые могут привести к возрастанию усталости и сокращению срока его службы. В экстремальных ситуациях, если такие колебания достигают значения, превосходящего расчетное значение нагрузки для любого из элементов цепи (особенно для соединений, которые можно считать наиболее слабыми элементами устройства), следствием усталости при кручении могут стать серьезные повреждения устройства, приводящие к простоям и дорогостоящему ремонту. Более того, в турбороторных цепях с зубчатой передачей могут наблюдаться сильные радиальные и поперечные колебания в коробке передач вследствие того, что крутильные и поперечные перемещения зубчатых колес могут быть связаны друг с другом в случае наличия большого колебательного углового перемещения цепи.

Крутильные колебания - это угловые колебательные перемещения вала, наложенные на скорость вала в установившемся режиме с возникновением скручивания различных частей вала, а также механических соединений. Как отмечено выше, сильные крутильные колебания могут быть разрушительными и приводить к сильным поперечным колебаниям в коробке передач. Сильные крутильные колебания могут присутствовать во время работы устройства, при этом на наличие проблемы указывают только шум шестерен или износ соединений. Типичными следствиями неконтролируемых крутильных колебаний могут быть разрушение соединения, поломка вала, износ шестерни, излом зуба шестерни и многое другое.

Собственные частоты крутильных колебаний могут возбуждаться многими источниками. При электрическом приводе источником компонент крутящего момента могут быть гармоники напряжения, возникающие вследствие природных свойств выходных модуляторов в преобразователях напряжения или вследствие наличия других нарушений тока или напряжения в электрической сети, находящейся в соединении с механизмом. Другой основной причиной проблем, связанных с крутильными колебаниями в валах с электроприводом, являются гармоники крутящего момента, генерируемые системой электропривода в воздушных зазорах.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что крутильные характеристики таких устройств изменяются в зависимости от жесткости и инерции цепи. В то время как некоторые крутильные характеристики устройства могут быть изменены, его инерцию обычно нельзя легко преобразовать необходимым образом, в частности, когда крутильные явления обнаруживаются после завершения процесса изготовления (например, в ходе испытаний всей последовательности цепи или на этапе ввода в эксплуатацию). Традиционные цепи с турбоприводом, которые приводятся в действие или поддерживаются электродвигателем и содержат частотно-регулируемый привод (ЧРП), требуют особенного внимания на стадии проектирования по сравнению с традиционным оборудованием, имеющим постоянную частоту вращения. Кроме того, частотно-регулируемые приводы являются общеизвестными источниками проблем, связанных с крутильными колебаниями и обусловленных пульсациями крутящего момента, возникающими на валу двигателя. Одним из способов уменьшения этих крутильных колебаний является тщательное конструирование всей цепи компрессора с точки зрения кручения, с правильным выбором соединений, коробки передач и роторов для обеспечения предотвращения крутильных и/или крутильно-изгибающих явлений. Тем не менее, оптимизация параметров регулирующего контура с точки зрения кручения цепи элементов не была признана успешным средством для решения упомянутых проблем кручения.

Таким образом, желательно разработать цепи турбопривода, которые приводятся в действие или поддерживаются электродвигателем и предлагают альтернативные способы уменьшения или сглаживания неблагоприятного воздействия переменного крутящего напряжения, действующего непосредственно на источник возбуждения без воздействия на компоненты устройства или с минимальным воздействием.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одно или более из вышеизложенных или других требований, известных в данной области техники, достигаются устройствами гашения крутильных колебаний, обеспечивающих уменьшение компоненты крутящего момента на критической частоте в выходном крутящем моменте цепи сжатия, содержащей компрессор, газовую турбину, соединенную валом с указанным компрессором, и электродвигатель, соединенный с компрессором при помощи зубчатого вала. Эти устройства гашения крутильных колебаний содержат датчик крутящего момента, гаситель крутильных колебаний, соединенный с указанным датчиком, контроллер ЧРП, соединенный с указанным гасителем, и преобразователь ЧРП, соединенный с контроллером ЧРП и выполненный с возможностью управления электрической мощностью, подаваемой к электродвигателю, на основе сигналов ЧРП, которые генерируются контроллером ЧРП и преобразуются сигналом, корректирующим крутящий момент и предназначенным для гашения крутильных колебаний на собственной частоте цепи сжатия.

Цепи компрессора в соответствии с вариантами выполнения представленного изобретения также содержат компрессор, присоединенный к коробке передач, турбину, соединенную с указанным компрессором при помощи вала, электродвигатель, соединенный с компрессором при помощи вала, присоединенного к коробке передач, и устройство гашения крутильных колебаний, содержащее датчик крутящего момента, выполненный с возможностью генерации сигнала крутящего момента на основе измерения крутящего момента вала, присоединенного к коробке передач, преобразователь ЧРП, выполненный с возможностью управления электрической мощностью, подаваемой к электродвигателю, и контроллер ЧРП, который соединен с указанным преобразователем ЧРП, выполнен с возможностью генерации сигналов ЧРП для обеспечения запуска преобразователя ЧРП и дополнительно содержит гаситель крутильных колебаний, соединенный с датчиком крутящего момента и выполненный с возможностью генерации сигнала, корректирующего крутящий момент, на основе поступившего от указанного датчика сигнала крутящего момента, при этом указанные сигналы ЧРП преобразуются сигналом, корректирующим крутящий момент и поступающим от гасителя крутильных колебаний, с обеспечением погашения крутильных колебаний на собственной частоте цепи сжатия.

В вышеприведенном кратком описании указаны особенности различных вариантов выполнения данного изобретения для того, чтобы последующее подробное описание могло стать более понятным, и для того, чтобы вклады, привнесенные в данную область техники, могли быть лучше оценены. Конечно, существуют и другие особенности изобретения, описанные ниже и являющиеся предметом рассмотрения прилагаемой формулы изобретения.

В связи с этим перед подробным описанием нескольких вариантов выполнения изобретения следует понять, что применение различных вариантов выполнения изобретения не ограничено особенностями конструкции и расположением элементов, изложенными в последующем описании или изображенными на чертежах. Изобретение допускает другие варианты выполнения и осуществление на практике различными способами. Также следует понимать, что используемые в данном документе формулировки и терминология применяются для описания и не являются ограничивающими.

По существу, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что лежащая в основе изобретения идея может быть легко использована как основа для разработки других конструкций, способов и/или устройств для достижения нескольких целей данного изобретения. Таким образом, является важным тот факт, что формула изобретения охватывает такие эквивалентные конструкции, поскольку они не выходят за рамки идеи и объема изобретения.

Кроме того, целью предшествующего краткого описания является предоставление возможности патентному эксперту и/или обществу в целом, в особенности ученым, инженерам и практикующим специалистам в данной области техники, которые не знакомы с патентными или юридическими терминами и фразеологией, быстро определить при беглом просмотре характер и сущность технического изобретения данной заявки. Соответственно, краткое описание не определяет изобретение или область применения, которые определяются только формулой изобретения, и не ограничивает каким-либо образом объем изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полная оценка описанных вариантов выполнения изобретения и многих сопутствующих им преимуществ, так же как и их лучшее понимание, будут легко достигнуты при обращении к приведенному ниже подробному описанию в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает схему устройства гашения крутильных колебаний в соответствии с одним вариантом выполнения предмета изобретения, описанным в данном документе,

фиг.2 изображает схему иллюстративного варианта выполнения гасителя крутильных колебаний, показанного на фиг.1, в соответствии с вариантом выполнения предмета изобретения, описанным в данном документе,

фиг.3 изображает устройство гашения крутильных колебаний на частотно-регулируемом приводе цепи турбомеханического привода с электродвигателем в соответствии с одним описанным вариантом выполнения предмета изобретения, и

фиг.4 изображает устройство гашения крутильных колебаний на контроллере компрессора/газовой турбины турбомеханического привода цепи с электродвигателем в соответствии с одним описанным вариантом выполнения предмета изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

Описанные в данном документе варианты выполнения относятся в целом к устройствам машинного привода, более конкретно - к гашению крутильных колебаний в таких устройствах. При дальнейшей обработке сигнала обратной связи вала зубчатой цепи компрессор/турбина/двигатель сигнал, корректирующий крутящий момент, генерируется в контроллере гашения крутильных колебаний и суммируется с опорным сигналом крутящего момента ЧРП перед его преобразованием в текущие опорные сигналы в средстве управления ЧРП цепи для обеспечения гашения крутильных колебаний на установленной собственной частоте. Поскольку описанные устройства работают как внешний регулирующий контур гашения колебаний, то есть действуют на сигналы ЧРП, они могут быть применены в качестве средств усовершенствования существующих устройств с повышением, таким образом, степени защиты и эффективности существующего устройства без необходимости значительных капиталовложений. Далее приведено описание нескольких вариантов выполнения усовершенствованных устройств гашения крутильных колебаний со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают идентичные или соответствующие части.

Фиг.1 изображает схему устройства 10 гашения крутильных колебаний в соответствии с описанным вариантом выполнения предмета изобретения. Специалистам в области техники должно быть понятно, что устройство 10 гашения крутильных колебаний может использоваться в различных промышленных областях, включая, но не ограничиваясь этим, нефтегазовую промышленность, в которой широко применяются устройства ЧРП, содержащие сеточные выпрямители, вставки постоянного тока и инверторы.

Как показано на чертеже, устройство 10 гашения крутильных колебаний содержит датчик 12 крутящего момента, выполненный с возможностью считывания крутящего момента зубчатого вала цепи и генерации сигнала 14, отображающего считанный крутящий момент. Затем указанный сигнал 14 подается в преобразователь 16 сигнала для обеспечения изменения масштаба сигнала 14 с преобразованием его во входной сигнал 18, поступающий в гаситель 20 крутильных колебаний. Несмотря на то что на фиг.1 устройство 10 гашения крутильных колебаний содержит преобразователь 16 сигнала, в других вариантах выполнения преобразователь 16 сигнала может отсутствовать или быть неотъемлемой частью указанного гасителя 20 крутильных колебаний. В вариантах выполнения, не содержащих преобразователь 16 сигнала, гаситель 20 крутильных колебаний выполнен с возможностью регулирования сигнала 14, вырабатываемого датчиком 12, без необходимости дополнительной обработки. Затем входной сигнал 18 гасителя крутильных колебаний обрабатывается гасителем 20 крутильных колебаний с обеспечением генерации сигнала 22, корректирующего крутящий момент, и гашения крутильных колебаний на установленной собственной частоте зубчатой цепи турбина/компрессор/двигатель путем частичного сложения сигнала 22, корректирующего крутящий момент, с опорным сигналом 124 крутящего момента ЧРП в элементе 26 суммирования сигналов, при этом сигнал на выходе указанного элемента 26 становится преобразованным опорным сигналом 28 крутящего момента ЧРП, подаваемым в стандартный контроллер 30 ЧРП. Как изображено на фиг.1, при проведении эксплуатационных испытаний механизма цепи компрессора, содержащего устройство 10 гашения крутильных колебаний, на гаситель 20 крутильных колебаний может быть подан тестовый сигнал 32, который генерируется известными приборами, содержащими осциллятор или анализатор сигнала, но не ограничиваясь ими.

На фиг.2 изображена схема иллюстративного варианта выполнения гасителя 20 крутильных колебаний, показанного на фиг.1, в соответствии с описанным вариантом выполнения предмета изобретения. Специалистам должно быть понятно, что чертеж на фиг.2 изображает лишь пример варианта выполнения и не ограничивает описанное изобретение.

В иллюстративном варианте выполнения, показанном на фиг.2, гаситель 201 крутильных колебаний содержит первый полосовой фильтр 34, имеющий между нулевым и вторым порядками настраиваемый порядок со средней частотой, равной частоте крутильных колебаний, которую необходимо погасить. В процессе работы первый полосовой фильтр 34 фильтрует входной сигнал 18 гасителя крутильных колебаний и отправляет отфильтрованный сигнал 36 к первому усилителю 38 напряжения для обеспечения регулировки амплитуды отфильтрованного сигнала 36 перед подачей выходного сигнала 15 первого усилителя 38 напряжения к элементу 42 суммирования сигналов. При проведении эксплуатационных испытаний в элемент 42 суммирования сигналов подается сгенерированный тестовый сигнал 32, как показано на фиг.2. Выходной сигнал 44 элемента 42 суммирования сигналов затем подается на второй полосовой фильтр 46, средняя частота которого имеет значение ±15 Гц от гасимой частоты крутильных колебаний. Для дополнительной настройки выходного сигнала 48 второго полосового фильтра 46 может использоваться вспомогательный фазосдвигающий фильтр 50, сдвигающий фазу примерно на 90 градусов и имеющий коэффициент усиления, равный единице. Как изображено на фиг.2, выходной сигнал 52 фазосдвигающего фильтра 50 подается в усиливающий блок 54, который может иметь обратный знак в зависимости от особенностей выполнения зубчатой цепи компрессора. Наконец, для обеспечения генерации сигнала 22, корректирующего крутящий момент, выходной сигнал 56 усиливающего блока 54 пропускается через поглощающий блок 60, выполненный с возможностью ограничения указанного сигнала 22 до желаемого уровня. Диапазон поглощающего блока 60 может быть установлен в пределах 1-5% от крутящего момента вала на основании электрогенератора, а значения предела ограничения скорости могут быть выбраны в зависимости от особенностей выполнения. Как объяснено выше, сигнал 22, корректирующий крутящий момент и поступающий от гасителя 20 крутильных колебаний, затем суммируется с опорным сигналом крутящего момента ЧРП перед преобразованием в текущие опорные сигналы в средстве 30 управления ЧРП для обеспечения генерирования команд преобразователя ЧРП и гашения обнаруженного крутильного колебания на установленной собственной частоте.

Передаточная функция изображенных фильтров может изменяться от нулевого до второго порядка в зависимости от конкретного применения, для достижения необходимой степени гашения могут быть выбраны индивидуальные коэффициенты усиления, а установленные пределы могут быть выбраны с обеспечением предотвращения или минимизации избыточной реакции. Таким образом, описанное в данном документе устройство 10 гашения крутильных колебаний использует сигнал 14 обратной связи вала, который становится входным сигналом гасителя 20 крутильных колебаний и обрабатывается им для создания сигнала 22, корректирующего крутящий момент.

Фиг.3 изображает устройство 10 гашения крутильных колебаний, примененное в цепи 80 механизмов с турбоприводом, которая содержит электродвигатель 82, компрессор 84 и газовую турбину 86. Как показано на чертеже, компрессор 84 присоединен к электродвигателю 82 с помощью коробки передач (КП) 88 и соединения или вала 90, а электродвигатель 82 управляется преобразователем 92 ЧРП. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что устройство, схематично изображенное на фиг.3, широко применяется в нефтегазовой промышленности, где устройства ЧРП содержат сеточные выпрямители, вставки постоянного тока и инверторы (на фиг.3 не показаны). В частности, на фиг.3 представлен вариант применения, в котором устройство 10 гашения крутильных колебаний выполнено в контроллере 100 ЧРП, как дополнительно объяснено ниже.

В варианте применения, изображенном на фиг.3, устройство 10 гашения крутильных колебаний содержит датчик 12 крутящего момента, выполненный с возможностью считывания крутящего момента зубчатого вала 90 цепи и генерации сигналов 14, которые отображают считанный крутящий момент. В изображенном варианте выполнения датчик 12 крутящего момента является кодирующим устройством, расположенным на неприводном конце электродвигателя 82, хотя предусмотрены и другие типы датчиков. При работе указанный датчик 12 генерирует кодированные импульсы, которые являются отображением крутящего момента на валу 90 цепи, при этом устройство 10 гашения крутильных колебаний выполнено в контроллере 100 ЧРП изображенного устройства.

Сигналы 14 крутящего момента затем подаются на преобразователь 16 сигнала для изменения масштаба сигнала 14 с преобразованием его во входной сигнал 18 гасителя 20 крутильных колебаний. Несмотря на то что устройство 10 гашения крутильных колебаний, изображенное на фиг.3, содержит преобразователь 16 сигнала, в других вариантах выполнения преобразователь 16 сигнала может отсутствовать или быть неотъемлемой частью гасителя 20 крутильных колебаний. В вариантах выполнения, не содержащих преобразователь 16 сигнала, гаситель 20 крутильных колебаний выполнен с возможностью регулирования сигналов 14, вырабатываемых датчиком 12, без необходимости дополнительной обработки. Затем входной сигнал 18 гасителя крутильных колебаний обрабатывается указанным гасителем 20 с обеспечением генерации сигнала 22, корректирующего крутящий момент, и гашения крутильных колебаний на установленной собственной частоте зубчатой цепи турбина/компрессор/двигатель путем частичного сложения сигнала 22, корректирующего крутящий момент, с опорным сигналом 24 крутящего момента ЧРП в элементе 26 суммирования сигналов, причем сигнал на выходе указанного элемента 26 становится преобразованным опорным сигналом 28 крутящего момента ЧРП, подаваемым к стандартному контроллеру 30 ЧРП, который генерирует сигналы 94 для обеспечения запуска преобразователя 92 ЧРП. Как показано на фиг.3, при проведении эксплуатационных испытаний механизма цепи компрессора, содержащего устройство 10 гашения крутильных колебаний, на гаситель 20 крутильных колебаний может быть подан тестовый сигнал 32, который генерируется известными приборами, содержащими осциллятор или анализатор сигнала, но не ограничиваясь ими.

Фиг.4 изображает устройство гашения крутильных колебаний, примененное в контроллере 200 компрессора/турбины в соответствии с еще одним вариантом выполнения предмета изобретения. Цепь 80 с турбоприводом, показанная на фиг.4, также содержит электродвигатель 82, компрессор 84 и газовую турбину 86. Как показано на чертеже, компрессор 84 присоединен к электродвигателю 82 с помощью коробки передач 88 и соединения или вала 90, а электродвигатель 82 управляется преобразователем 92 ЧРП. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что вариант промышленного применения, схематично изображенный на фиг.3, широко применяется в нефтегазовой промышленности, где устройства ЧРП содержат сеточные выпрямители, вставки постоянного тока и инверторы (на фиг.4 не показаны). В частности, на фиг.4 представлен вариант применения, в котором устройство гашения крутильных колебаний выполнено в контроллере 200 компрессора/турбины, как дополнительно объяснено ниже.

Аналогично фиг.3, устройство, показанное на фиг.4, также содержит датчик 12 крутящего момента, обеспечивающий считывание крутящего момента зубчатого вала 90 цепи и генерирование сигналов 14, которые отображают считанный крутящий момент. В изображенном варианте выполнения датчик 12 крутящего момента является кодирующим устройством, расположенным на приводном конце электродвигателя 82, хотя предусмотрены и другие типы датчиков. При работе указанный датчик 12 генерирует кодированные импульсы, которые являются отображением крутящего момента на валу 90 цепи, при этом устройство 10 гашения крутильных колебаний выполнено в контроллере 200 компрессора/турбины изображенного устройства.

Как изображено на фиг.4, сигналы 14 крутящего момента подаются на преобразователь 16 сигнала для изменения масштаба сигнала 14 с преобразованием его во входной сигнал 18 гасителя 20 крутильных колебаний в контроллере 200 компрессора/турбины. Несмотря на то что устройство 10 гашения крутильных колебаний, изображенное на фиг.3, содержит преобразователь 16 сигнала, в других вариантах выполнения преобразователь 16 сигнала может отсутствовать или быть неотъемлемой частью гасителя 20 крутильных колебаний. В вариантах выполнения, не содержащих преобразователь 16 сигнала, гаситель 20 крутильных колебаний выполнен с возможностью регулирования сигналов 14, вырабатываемых датчиком 12, без необходимости дополнительной обработки. Затем входной сигнал 18 гасителя крутильных колебаний обрабатывается указанным гасителем 20 с обеспечением генерации сигнала 22, корректирующего крутящий момент, и гашения крутильных колебаний на установленной собственной частоте зубчатой цепи турбина/компрессор/двигатель путем частичного сложения сигнала 22, корректирующего крутящий момент, с опорным сигналом 24 крутящего момента ЧРП в элементе 26 суммирования сигналов, причем сигнал на выходе указанного элемента 26 становится преобразованным опорным сигналом 28 крутящего момента ЧРП, подаваемым к стандартному контроллеру 30 ЧРП, который генерирует сигналы 94 для обеспечения запуска преобразователя 92 ЧРП. Как показано на фиг.4, при проведении эксплуатационных испытаний механизма цепи компрессора, содержащего устройство 10 гашения крутильных колебаний, на гаситель 20 крутильных колебаний может быть подан тестовый сигнал 32, как описано выше.

Таким образом, фиг.3 и 4, как объяснено выше, изображают два различных иллюстративных варианта выполнения описанного предмета изобретения. То есть алгоритм гасителя крутильных колебаний может быть реализован в аппаратных средствах управления ЧРП (как изображено на фиг.3) или в контроллере компрессора/газовой турбины (как изображено на фиг.4). На фиг.3 изображен случай выполнения алгоритма гасителя крутильных колебаний в аппаратных средствах управления ЧРП. В частности, регулятор скорости цепи находится в аппаратных средствах управления ЧРП и обеспечивает поступление опорного сигнала крутящего момента к контроллеру ЧРП. В указанном контроллере ЧРП дополнительный алгоритм гасителя крутильных колебаний рассчитывает в реальном времени сигнал, корректирующий крутящий момент и складываемый с опорным сигналом крутящего момента (в логическом блоке ЧРП). На фиг.4 изображен случай выполнения алгоритма гасителя крутильных колебаний в контроллере компрессора/газовой турбины. В частности, регулятор скорости цепи находится в контроллере компрессора/газовой турбины (обозначенном как «стандартный логический блок») и генерирует опорный сигнал крутящего момента. В контроллере компрессора/газовой турбины дополнительный алгоритм гасителя крутильных колебаний рассчитывает в реальном времени сигнал, корректирующий крутящий момент и складываемый с опорным сигналом крутящего момента с обеспечением генерирования окончательной команды крутящего момента для ЧРП (никаких изменений в логическом и аппаратном блоках ЧРП).

Одной из обобщенных выше предпочтительных особенностей устройств гашения колебаний крутящего момента и их эквивалентов является возможность их выполнения в существующих аппаратных средствах контроллера, что позволяет усовершенствовать существующие контроллеры для различных промышленных применений, включая, но не ограничиваясь этим, применения в нефтегазовой промышленности, без необходимости дополнительных аппаратных средств и/или выполнения механических изменений вала цепи (никаких изменений в объеме поставок). Такие предпочтительные особенности не только дадут затем возможность разработки усовершенствованных цепей газового компрессора, но также возможность гашения обнаруженных крутильных колебаний на установленной собственной частоте для обеспечения уменьшения уровней крутильных колебаний в существующих устройствах до значений ниже пределов прочности материала путем выполнения указанных усовершенствований.

Обобщенные выше иллюстративные варианты выполнения описанного предмета изобретения были экспериментально реализованы и численно смоделированы для проверки. Во время экспериментов был проведен ряд испытаний на специальной цепи нефтегазового компрессора, выполненной из газовой турбины, центробежного компрессора, коробки передач, гибкого соединения и синхронного электродвигателя с регулируемой скоростью. Во время этих испытаний были измерены крутящий момент вала, токи и напряжения на клеммах электродвигателя, критическая реакция вала (пульсации крутящего момента при 55%-ном номинальном крутящем моменте двигателя) на соединении, возбуждение первой собственной частоты вала цепи и крутильные колебания, превышающие предел прочности материала соединения. При числовом моделировании для расчета крутящих моментов воздушного зазора и запуска модельных экспериментов использовались электрические переменные двигателя, а также была разработана модель крутильных колебаний для обеспечения моделирования реакции соединений на первой собственной крутильной частоте. Сравнение рассчитанных и измеренных крутящих моментов вала дали благоприятные результаты, подтверждающие верность модели крутильных колебаний, которая также включала в себя реализацию функции гасителя крутильных колебаний.

Результаты моделирования показали, что отношение крутильных колебаний на собственной частоте цепи сжатия без устройства гашения крутильных колебаний к крутильным колебаниям на собственной частоте цепи сжатия с устройством гашения крутильных колебаний выше, чем 5 к 1. Эксперименты показали, что выполнение устройства гашения крутильных колебаний в частотно-регулируемом приводе уменьшает нежелательные крутильные колебания до уровня снижения переменного крутящего момента вала на первой частоте крутильных колебаний более чем в 5 раз, что приводит к снижению уровней крутильных колебаний до значений ниже пределов прочности материала, в результате чего достигается эффективное решение указанных проблем путем ограничения крутильной энергии до той части спектра возбуждения, где находятся частоты крутильных колебаний. Кроме того, как отмечено выше, возможно применение в уже имеющихся контроллерах (аппаратных средствах) без добавления дополнительных аппаратных средств и/или без выполнения механических изменений на валу цепи (никаких изменений в объеме поставок). Несмотря на то что представленные варианты выполнения предмета изобретения изображены на чертежах и обстоятельно и подробно описаны выше применительно к нескольким иллюстративным вариантам выполнения, для специалистов в данной области техники очевидно, что возможно множество модификаций, изменений и исключений без существенных отклонений от изложенных новых идей, принципов и концепций, а также преимуществ предмета изобретения, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения. Таким образом, истинный объем раскрытых нововведений определяется только самым широким толкованием прилагаемой формулы изобретения с схватыванием всех таких модификаций, изменений и исключений. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа может варьироваться или изменяться в соответствии с альтернативными вариантами выполнения. Наконец, в формуле изобретения любая фраза, относящаяся к механизму и функции, предполагает схватывание описанных в данном документе конструкций как выполняющих указанную функцию, и не только их структурные эквиваленты, но также эквивалентные конструкции.

Устройство гашения крутильных колебаний содержит датчик крутящего момента, гаситель крутильных колебаний, соединенный с указанным датчиком крутящего момента, контроллер частотно-регулируемого привода, соединенный с указанным гасителем крутильных колебаний, и преобразователь частотно-регулируемого привода, соединенный с указанным контроллером и выполненный с возможностью управления электрической мощностью, подаваемой к электродвигателю, на основе сигналов частотно-регулируемого привода, которые генерируются контроллером и преобразуются сигналом, корректирующим крутящий момент и предназначенным для гашения крутильных колебаний на собственной частоте цепи сжатия. Технический результат - уменьшение или сглаживание неблагоприятного воздействия переменного крутящего напряжения. 2н. и 13з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство гашения крутильных колебаний, предназначенное для уменьшения компоненты крутящего момента на критической частоте в выходном крутящем моменте цепи сжатия, которая содержит компрессор, газовую турбину, соединенную с указанным компрессором при помощи вала, и электродвигатель, соединенный с компрессором при помощи зубчатого вала, и содержащее:
датчик крутящего момента, выполненный с возможностью генерации сигнала крутящего момента на основе измерения крутящего момента указанного зубчатого вала,
гаситель крутильных колебаний, соединенный с указанным датчиком крутящего момента и выполненный с возможностью генерации сигнала, корректирующего крутящий момент, на основе поступившего от датчика сигнала крутящего момента,
контроллер частотно-регулируемого привода, соединенный с указанным гасителем крутильных колебаний и выполненный с возможностью генерации сигналов частотно-регулируемого привода, преобразованных сигналом, корректирующим крутящий момент и поступившим от гасителя крутильных колебаний, и
преобразователь частотно-регулируемого привода, соединенный с указанным контроллером и выполненный с возможностью управления электрической мощностью, подаваемой к электродвигателю, на основе сигналов частотно-регулируемого привода, которые генерируются указанным контроллером, причем сигналы частотно-регулируемого привода, преобразованные сигналом, корректирующим крутящий момент, предназначены для гашения крутильных колебаний на собственной частоте цепи сжатия.

2. Устройство по п.1, в котором указанный гаситель крутильных колебаний дополнительно содержит первый полосовой фильтр, настраиваемый между нулевым и вторым порядками.

3. Устройство по п.2, в котором указанный гаситель крутильных колебаний дополнительно содержит второй полосовой фильтр, средняя частота которого имеет значение около ±15 Гц от собственной частоты цепи сжатия.

4. Устройство по п.3, в котором указанный гаситель крутильных колебаний дополнительно содержит фазосдвигающий фильтр, сдвигающий фазу по существу приблизительно на 90 градусов.

5. Устройство по п.4, в котором указанный гаситель крутильных колебаний дополнительно содержит поглощающий блок, выполненный с возможностью ограничения сигнала, корректирующего крутящий момент, в пределах приблизительно от 1 до 5% от крутящего момента зубчатого вала.

6. Устройство по п.1, в котором указанный гаситель крутильных колебаний расположен в аппаратных средствах управления частотно-регулируемого привода цепи сжатия.

7. Устройство по п.6, в котором в указанных аппаратных средствах управления частотно-регулируемого привода расположен регулятор скорости цепи сжатия, выполненный с возможностью подачи опорного сигнала крутящего момента к указанному контроллеру частотно-регулируемого привода.

8. Устройство по п.7, в котором указанный сигнал, корректирующий крутящий момент, вычисляется в реальном времени и суммируется с опорным сигналом крутящего момента.

9. Устройство по п.1, в котором указанный гаситель крутильных колебаний расположен в контроллере компрессора/турбины цепи сжатия.

10. Устройство по п.9, в котором в указанном контроллере компрессора/турбины расположен регулятор скорости цепи сжатия, выполненный с возможностью подачи опорного сигнала крутящего момента к указанному контроллеру частотно-регулируемого привода.

11. Устройство по п.10, в котором указанный сигнал, корректирующий крутящий момент, вычисляется в реальном времени и суммируется с опорным сигналом крутящего момента.

12. Устройство по п.1, в котором отношение крутильных колебаний на собственной частоте цепи сжатия без устройства гашения крутильных колебаний к крутильным колебаниям на собственной частоте цепи сжатия с устройством гашения крутильных колебаний выше, чем 5 к 1.

13. Цепь сжатия, содержащая:
компрессор, присоединенный к коробке передач,
турбину, соединенную с указанным компрессором при помощи вала,
электродвигатель, соединенный с компрессором при помощи вала, присоединенного к коробке передач, и
устройство гашения крутильных колебаний, содержащее:
датчик крутящего момента, выполненный с возможностью генерации сигнала крутящего момента на основе измерения крутящего момента вала, присоединенного к коробке передач,
преобразователь частотно-регулируемого привода, выполненный с возможностью управления электрической мощностью, подаваемой к электродвигателю, и
контроллер частотно-регулируемого привода, соединенный с указанным преобразователем, выполненный с возможностью генерации сигналов частотно-регулируемого привода для обеспечения запуска преобразователя и дополнительно содержащий гаситель крутильных колебаний, который соединен с датчиком крутящего момента и выполнен с возможностью генерации сигнала, корректирующего крутящий момент, на основе сигнала крутящего момента, поступившего от указанного датчика, причем указанные сигналы частотно-регулируемого привода преобразуются сигналом, корректирующим крутящий момент и поступающим от гасителя крутильных колебаний, с обеспечением погашения крутильных колебаний на собственной частоте указанной цепи сжатия.

14. Цепь сжатия по п.13, в которой указанный гаситель крутильных колебаний расположен в аппаратных средствах управления частотно-регулируемого привода цепи сжатия, в которых расположен регулятор скорости цепи сжатия, выполненный с возможностью подачи опорного сигнала крутящего момента к контроллеру частотно-регулируемого привода, при этом сигнал, корректирующий крутящий момент, вычисляется в реальном времени и суммируется с опорным сигналом крутящего момента.

15. Цепь сжатия по п.13, в которой указанный гаситель крутильных колебаний расположен в контроллере компрессора/турбины цепи сжатия, в котором расположен регулятор скорости цепи сжатия, выполненный с возможностью подачи опорного сигнала крутящего момента к контроллеру частотно-регулируемого привода, при этом сигнал, корректирующий крутящий момент, вычисляется в реальном времени и суммируется с опорным сигналом крутящего момента.