Более 40 лет в НПП ВНИИЭМ проводятся работы по научным исследованиям и промышленном, освоению электромагнитных подшипников (МП). Первые работы были связаны с использовани­ем МП в различных роторных машинах для КА, включая шаровой электродвигатель-маховик и силовой гироскоп для управления ориентацией орбитальных станций «Алмаз» и «Мир» [1, 2]. На основе этих работ в дальнейшем были созданы МП для высокоско­ростных электрошпинделей, для турбодетандеров и других машин, где применение МП, несмотря на их относительно высокую стои­мость по сравнению с традиционными подшипниками, оказывается целесообразным.

В течение последних 10-ти лет МП стали широко применять для замены масляных подшипников в крупных компрессорах природ­ного газа на магистральных газопроводах. В сочетании с газодина­мическими уплотнениями это позволяет избавиться от безвозврат­ных потерь масла и отказаться от сложного и громоздкого обору­дования масляных подшипников, повысить к.п.д. компрессора за счет снижения трения в подшипниках, улучшить эксплуатационное обслуживание компрессора, поскольку в МП нет деталей, подвер­женных механическому износу. Перечисленные факторы и сущест­вующий положительный опыт разработки МП для других отраслей техники явились причиной повышенного интереса основных миро­вых производителей компрессоров природного газа к этому типу подшипников.

В процессе создания отмеченных выше типов устройств в НПП ВНИИЭМ сформировано самостоятельное научное направление по проектированию и исследованию роторных машин с магнитными подшипниками. Некото­рые из основных положений и аспектов этого направления неодно­кратно рассматривались в научных трудах [3]. Большинство науч­но-технических решений, включающих результаты теоретических и экспериментальных исследований, имеют общий характер и могут быть использованы при разработке МП агрегатов различного назначения, включая компрессоры природного газа.

Вместе с этим, существует ряд специфических теоретических и экспериментальных задач, которые связаны с конструктивными особенностями или условиями эксплуатации конкретных агрега­тов. К числа таких задач относятся научно-технические проблемы, возникшие при создании МП для новых компрессоров газоперека­чивающих агрегатов типа ГПА-16 и ГПА-12, изготовленных Ка­занским компрессорным заводом, и компрессора типа PCL-603, изготовленного итальянской фирмой Нуово Пиньоне. По сравне­нию с аналогичными компрессорами газоперекачивающих агрега­тов ГПА-Ц-16, изготовленными на Сумском машиностроительном НПО и успешно работающими на компрессорных станциях ПО «Самаратрансгаз», эти новые компрессоры отличаются тем, что работают в режимах, при которых частота вращения может совпа­дать с частотой первой формы упругих колебаний ротора. Это об­стоятельство необходимо учитывать при проектировании МП и принимать ряд дополнительных мер по повышению демпфирую­щих свойств и снижению на этих критических частотах влияния упругих колебаний ротора на систему управления подшипниками компрессора.

Сравнительные характеристики упругих свойств роторов газо­перекачивающих агрегатов приведены в таблице

Обычно параметры системы управления подшипниками выби­раются так, чтобы собственные частоты прямых и угловых колеба­ний ротора, соответствующие его движению в МП как твердого тела, активно демпфировались усилиями МП, составляющими не менее, чем 50% от основного центрирующего усилия. В связи с этим в процессе разгона ротора до рабочей скорости вращения при прохождении резонансных точек, соответствующих этим собст­венным частотам, наблюдается не более, чем двукратное увеличе­ние уровня колебаний ротора. Поскольку это временное увеличе­ние колебаний ротора, то нет необходимости в еще большем уси­лении демпфирования для уменьшения их уровня, так как это сопряжено со снижением помехозащищенности системы управле­ния или соответственно жесткости МП.

Сложнее осуществить демпфирование упругих колебаний рото­ра. Особенно при такой конструкции ротора, когда частота первой упругой формы находится в диапазоне рабочих скоростей враще­ния и происходит резкое увеличение амплитуды колебаний ротора на этой частоте. Для обеспечения активного демпфирования этих колебаний с помощью МП, прежде всего необходимо, чтобы ради­альные МП не были расположены в узлах 1 -й упругой формы и их воздействие на эту форму было достаточно эффективным. Кроме того, параметры системы управления следует выбирать так, чтобы и на этой критической частоте сохранялось 30-градусное опереже­ние по фазе усилия, создаваемого МП, по отношению к отклоне­нию ротора. В результате при существующей точности изготовле­ния и балансировки ротора можно добиться, чтобы амплитуды колебания ротора в рабочем диапазоне частот вращения не превы­шали нормы, установленной для этого типа компрессоров, 70 мкм.

При обеспечении этих требований и соответствующей вариации параметров следует учитывать, что принимаемые в данном случае меры по снижению жесткости МП лимитированы динамическими нагрузками, действующими на ротор в эксплуатационных режи­мах. С другой стороны, связанное с улучшением демпфирования увеличение коэффициента усиления системы управления МП на этих частотах может привести к возбуждению ближайших более высоких тонов упругих форм колебаний ротора. Кроме того, могут существенно возрасти требования к точности механической обра­ботки и балансировки ротора.

На основе анализа комплекса перечисленных научно- технических проблем и для расширения поиска компромиссных решений при создании МП новых компрессоров ГПА-16, ГПА-12 и PCL-603 в их конструкции, показанной на рис. 1, предусмотрена возможность наиболее эффективного демпфирования 1-й формы упругих колебаний за счет расположения радиальных МП по кон­цам вала и размещения датчиков положения в различных точках по длине ротора. При такой компоновке для работы в системе управ­ления 

соотношением уровней колебаний ротора для различных упругих форм или путем суммирования показаний нескольких датчиков добиться существенного снижения влияния высших упругих форм.

Для пояснения на рис. 2 представлено изменение уровня упру­гих колебаний по длине ротора для первых трех форм и указаны места расположения датчиков перемещений S1-S5 и электромагни­тов M1, М2. Из этого рисунка видно, что в данном случае коэффи­циент воздействия электромагнитов M1 и М2 на 1-ю форму доста­точно высок. По уровню влияния этой формы упругих колебаний на систему управления минимум имеют датчики S3 и S4, располо­женные ближе других к узлам колебаний. При необходимости уве­личения демпфирующих воздействий возможно использование других датчиков, имеющих большие коэффициенты для этой фор­мы, если не возникает иных ограничений в системе управления. Для снижения влияния 2-й формы упругих колебаний можно ис­пользовать суммарный сигнал датчиков S2+S3 и S4+S5, у которых коэффициенты этой формы имеют разные знаки и будут вычитаться. 

При внесении некоторых изменений в условия работы, напри­мер при соединении компрессора с приводом через муфты и про­межуточный вал, картина распределения упругих колебаний рото­ра изменяется и может потребоваться подключение к системе управления МП других датчиков. Как показала практика стендовых испытаний компрессоров с МП, применение данного способа снижения влияния упругих колебаний ротора для обеспечения требований по уровню вибраций, надежного функционирования МП, несмотря на некоторую избыточность датчиков в компрессоре, является перспективным, особенно при создании эксперименталь­ных компрессоров с МП.

Испытания новых компрессоров ГПА-16, ГПА-12 и PCL-603 с МП, проведенные на стендах Казанского компрессорного завода и фирмы Нуово Пиньоне, подтвердили возможность применения МП для обеспечения длительной и надежной работы компрессора в различных режимах, в т.ч. при скоростях вращения, совпадающих с частотой упругих колебаний ротора. Благодаря свойству активно­го демпфирования колебаний ротора в определенном частотном диапазоне, МП позволяют добиться существенного снижения уровня вибрации ротора на критических частотах. Как следует из амплитудно-частотной характеристики системы МП, представлен­ной на рис.3, разработанные в НПП ВНИИЭМ методы выбора па­раметров системы управления позволяют получить в рабочем диа­пазоне частот удовлетворительные динамические свойства. Уро­вень имеющегося подъема на критической частоте, соответствую­щей первому тону упругих колебаний ротора, при существующей технологии балансировки в процессе работы компрессора не вызывает резкого увеличения амплитуды колебаний на этой частоте.

Кроме того, в процессе стендовых испытаний возникает необ­ходимость в проведении проверок компрессора автономно и при соединении с приводом. В этом случае из-за изменения упругих свойств ротора возникает проблема с обеспечением стабильной работы системы МП. Для решения этой проблемы и исключения вынужденной корректировки параметров системы управления ока­зывается удобнее воспользоваться дополнительными датчиками перемещения, расположенными в различных местах по длине ро­тора. В целом это упрощает процедуру испытаний компрессора и сокращает их продолжительность.

В настоящее время на компрессорной станции «Помарская» ма­гистрального газопровода вводится в эксплуатацию ГПА-16 “Волга” с МП. Общий вид компрессора этого агрегата показан на рис.4.

В процессе создания МП для компрессоров этого типа выпол­нен достаточно большой объем совместных проектно-­исследовательских работ по выбору оптимальных научно-технических решений как по конструкции компрессора с МП в целом, так и по обеспечению необходимых динамических свойств МП. Разработан комплекс взаимных технических требований, по­зволивший на межотраслевом уровне осуществить, с одной сторо­ны, изготовление, испытания и поставку МП, а с другой стороны 

их установку и совместные испытания в собранном компрессоре. Некоторые наиболее интересные научно-технические аспекты управления МП с учетом упругих свойств ротора, рассмотренные в данной работе, могут быть использованы при создании МП раз­личных машин с гибкими роторами.

Д-р техн, наук ДМ. Вейнберг, д-р техн, наук В.П. Верещагин, канд. техн. наук А.П. Сарычев

Выводы

1. В результате решения комплекса научно-технических задач в НПП ВНИИЭМ созданы МП для новых газовых компрессоров с гибкими роторами.
2. Применение МП, обладающих свойством активного демпфи­рования упругих колебаний ротора, позволяет снизить уровень вибрации и длительно работать на критических скоростях при сов­падении частоты вращения с собственной частотой упругих коле­баний ротора.
3. Для эффективного демпфирования упругих колебаний ротора 1-й изгибной формы МП предпочтительно размещать ближе к кон­цам вала и использовать датчики перемещения, расположенные по длине ротора в различных местах по отношению к узлам соответ­ствующих форм упругих колебаний.

ЛИТЕРАТУРА

1. Силовой гироскоп с электромагнитными подшипниками для управле­ния ориентацией орбитальных станций / Шереметьевский Н.Н. и др. // Изв. АН СССР. Сер. Космические исследования. 1983. Т. XXI. Вып.1.
2. Электромеханические исполнительные органы с магнитными опорами для управления ориентацией космических станций / Стома С.А. и др. // Кос­мический бюллетень. 1995. Т.2. № 1.
3. Труды ВНИИЭМ. М.: 1989. Т.89.

Приобететение доступа к файлам