Автореферат (Методы прогнозирования и снижения вибрации гибких систем турбоагрегатов)

На правах рукописи

КОРНЕЕВ НИКОЛАЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ

ГИБКИХ СИСТЕМ ТУРБОАГРЕГАТОВ

Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете «МАМИ»

Научный консультант

д.т.н., профессор МГТУ «МАМИ» Кустарев Юрий Степанович

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор РУДН Гришин Дмитрий Константинович

д.т.н., старший научный сотрудник Института Машиноведения (ИМАШ) РАН

Каплунов Савелий Моисеевич

д.т.н., профессор НИИИ АТ МО РФ Денисов Александр Викторович

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное предприятие Московское машиностроительное производственное предприятие «Салют» (ФГУП ММПП «Салют»), г. Москва

Защита состоится 26 июня 2008 года, в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.140.01 в Московском Государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 105839, Москва, Е-23, Б. Семеновская ул., 38, МГТУ «МАМИ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «МАМИ».

Автореферат разослан «_______»_________________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.С. Щетинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальность проблемы вибрации турбоагрегатов и дру­гих роторных машин определяется тем, что уровень вибрации этих высокотехнологичных машин весьма тесно коррелируется с показате­лями надежности, качества функционирования, акустической актив­ности, совершенства конструкции и технологии и, в конечном итоге, степени конкурентоспособности.

Основные направления борьбы с вибрацией: виброизоляция; демпфирование; динамическое гашение колебаний; совершенствование методов балансировки роторов, в том числе и с учетом их гибкости. Опыт показывает, что последнее направление является одним из наиболее эффективных способов снижения роторной вибрации.

Как известно, метод балансировки (т.е. совокупность условий и ограничений, в соответствии с которыми определяются значения корректирующих масс, и выполняется коррекция начального дисбаланса) выбирается в зависимости от того, относится ли данный ротор к категории жестких или гибких роторов.

Различаются два способа балансировки гибких роторов: высокочастотная и низкочастотная. Высокочастотная балансировка предполагает использование специальных, чрезвычайно дорогостоящих высокочастотных балансировочных стендов. Только с их помощью могут быть замерены динамические реакции или прогибы на частотах вращения, соответствующих условиям эксплуатации. В этом, а также и самой сложности соответствующей технологии состоит главная трудность высокочастотной балансировки. Методы низкочастотной балансировки, ориентированные на обычные и значительно более доступные балансировочные станки, не всегда позволяют детерминировать распределение начального дисбаланса. По этой причине эффективность всех известных способов низкочастотной балансировки носит вероятностный характер.

Вопросам вероятностного прогнозирования дисбаланса гибких роторных систем посвящено сравнительно небольшое число публикаций, как отечественных, так и зарубежных авторов. Большинство авторов, признавая вероятностную природу дисбаланса, не ставит задачу исследования реальных законов его распределения. Между тем ответ на данный вопрос мог бы послужить ключом к решению комплекса задач проектирования изделий с заранее определенными вибрационными характеристиками.

В тоже время абсолютным условием сохранения достигнутого в процессе балансировки уровня вибрации турбоагрегата является стабильность его геометрии и формы. Этим вопросам посвящено значительное количество работ, как отечественных, так и зарубежных ученых. Анализ работ показал, что эффективным методом стабилизации формы и геометрии является вибростабилизация. Однако, несмотря на неоспоримую научную и инженерную новизну, значительная часть работ ориентирована на маложесткие детали, например валы (l/d=10…90), эксплуатационная частота вращения которых не превышает 3000 об/мин, а проблема балансировки здесь отодвигается на второй план, уступая вопросам точности при механической обработке. Подобная постановка вопроса в данной диссертации является особенно актуальной, если учесть, что влияние эксплуатационного дисбаланса на вибрацию изделия не может быть устранено с помощью предварительной балансировки.

Цель работы. Снижение вибрации турбоагрегатов за счет совершенствования расчетных методов проектирования и оптимизации динамических характеристик, совершенствования и оптимизации процессов низкочастотной балансировки на базе вероятностного анализа и прогнозирования дисбаланса.

Важность исследования обусловлена следующими обстоятельствами:

1. Широким применением в машиностроении, в частности, в конструкции тепловых двигателей или энергетических агрегатов гибких валов и гибких роторов;

2. Жесткими ограничениями по уровню допустимой вибрации, которые установлены для роторных машин различного назначения;

3. Отсутствием теоретической и методологической базы для прогнозирования процессов уравновешивания роторов, ввиду чего промышленность должна полагаться на эксперимент, а это, безусловно, приводит к удорожанию процесса создания и доводки новых изделий и далеко не всегда гарантирует выбор оптимального варианта

4. Невозможностью для большинства организаций, изготавливающих или эксплуатирующих роторные машины, использовать специальное балансировочное оборудование для качественной высокочастотной балансировки гибких роторов, а также сложностью и высокой трудоемкостью соответствующей технологии.

Объект исследования. Агрегаты турбонаддува ДВС, тепловые двигатели, транспортные газотурбинные двигатели, насосные и компрессорные агрегаты, газотурбинные установки и др.

Предмет исследования. Методы уравновешивания и прогнозирования дисбаланса гибких валов и гибких роторов турбоагрегатов, ориентированные на использование низкочастотных балансировочных станков.

Задачи исследования.

1. Разработать методологию вероятностного и статистического прогнозирования начального и эксплуатационного дисбаланса гибких валов и роторов турбоагрегатов, основанную на использовании результатов низкочастотного уравновешивания и позволяющую проектировать изделие с заранее определенными вибрационными характеристиками.

2. Разработать комплексную методику уравновешивания гибких валов и роторов, ориентированную на применение низкочастотных балансировочных станков и основанную на точном детерминировании эпюр распределения начального дисбаланса и выполнении заданных динамических условий уравновешенности.

3. Разработать принципы построения технологического процесса балансировки гибких валов и гибких роторов, отвечающих указанной методике.

4. Разработать необходимые математические модели и алгоритмы для реализации указанной вероятностной и статистической методологии прогнозирования, а также комплексной методики уравновешивания.

5. Разработать необходимое программное обеспечение вибрационной диагностики турбоагрегатов, основанное на указанных математических моделях и алгоритмах, для использования непосредственно в производственных условиях.

6. Разработать методы вероятностной, детерминированной и статистической оптимизации низкочастотного уравновешивания роторов турбоагрегатов, проводимой с учетом указанной вероятностной и статистической методологии прогнозирования, а также комплексной методики уравновешивания, по критериям максимальной динамической эффективности балансировки и минимальных значений корректирующих масс.

7. Разработать методы обеспечения стабильности геометрии и формы роторов турбоагрегатов в условиях эксплуатации, а также устройства для их осуществления.

Методы исследования. Методы исследования основаны на применении линейной теории колебаний механических систем, теории вероятности, методов численного моделирования, методов Монте-Карло (случайного поиска и ЛП_τ-поиска). Экспериментальная проверка теоретических результатов проводилась в производственных условиях на ОАО «Азотреммаш», ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «Электросеть» г. Тольятти с применением низкочастотных балансировочных станков фирмы Nagahama-Schenck.

Научная новизна работы.

1. Разработана методология вероятностного и статистического прогнозирования начального дисбаланса и дисбаланса в рабочих условиях гибких валов и роторов турбоагрегатов, с учетом радиальных и торцевых биений, погрешностей изготовления лопаток, погрешностей сборки и балансировки, позволяющая проектировать изделие с заранее определенными вибрационными характеристиками.

2. Разработана комплексная методика уравновешивания гибких валов и роторов, ориентированная на использование низкочастотных балансировочных станков и обеспечивающая низкий уровень вибрации изделий в условиях эксплуатации.

3. Сформулированы новые принципы построения технологии уравновешивания, отвечающие разработанной комплексной методике.

4. Разработаны необходимые математические модели и алгоритмы для реализации указанной вероятностной и статистической методологии прогнозирования, а также комплексной методики уравновешивания.

5. Создан метод вероятностной оптимизации балансировки, позволяющий выбрать рациональный метод уравновешивания на стадии проектирования изделия.

6. Впервые разработаны методы оптимизации балансировки ротора с детерминированным дисбалансом, где в качестве целевых функций используются коэффициенты максимальной динамической эффективности балансировки и минимальных значений корректирующих масс.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны алгоритмы вероятностного и статистического прогнозирования начального дисбаланса и дисбаланса в рабочих условиях гибких валов и роторов турбоагрегатов, с учетом радиальных и торцевых биений, погрешностей изготовления лопаток, погрешностей сборки и балансировки, позволяющие проектировать изделие с заранее определенными вибрационными характеристиками.

2. Создана комплексная методика низкочастотной балансировки гибких валов и роторов, которая обеспечивает выполнение как статических, так и динамических условий уравновешенности и, как следствие этого – значительно меньший уровень вибрации турбоагрегатов, возбуждаемой дисбалансом.

3. Разработаны новые принципы построения технологии балансировки, отвечающие разработанной комплексной методике.

4. Создано уникальное испытательное технологическое оборудование для обеспечения стабильности геометрии и формы роторов турбоагрегатов в условиях эксплуатации и разработаны математические модели и алгоритмы расчета основных динамических характеристик конструкции. На базе экспериментальных исследований даны рекомендации по прогнозированию влияния вибрационного нагружения на стабильность формы и геометрии роторов.

5. Создано программное обеспечение для вибрационной диагностики турбоагрегатов, оптимизации динамических характеристик, оптимизации процессов низкочастотной балансировки на базе вероятностного анализа и прогнозирования дисбаланса.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ конкурс МК-5891.2006.8.

Результаты научной работы внедрены на ОАО «Азотреммаш», ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «Электросеть» а так же в учебный процесс ТГУ (г. Тольятти), ВИСУ (филиал, в г. Тольятти), СГАУ имени академика С.П. Королева, (филиал, в г. Тольятти), МГТУ «МАМИ», и может быть использована в организациях, занятых проектированием, изготовлением, доводкой и эксплуатацией турбоагрегатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью исходных предположений; адекватностью теоретических предположений экспериментальным данным; надежностью научных и расчетных методов, основанных на теории колебаний линейных механических систем и теории вероятности и математической статистики; дублированием проводимых расчетов с использованием для этого различных методик; применением сертифицированной в соответствии со стандартом ISO 9000 программной оболочки MathWorks Matlab v.6.1.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, ТГУ, 2003г.), Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (г. Тольятти, ТГУ, 2003г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (г. Самара, СГТУ, 2003г.), Международной научно-технической конференции «Современные технологические системы в машиностроении» (г. Барнаул, АГТУ имени И.И. Ползунова, 2003г.), Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, ТГУ, 2004г.), Межвузовской конференции «Колесные и гусеничные машины» (г. Москва, МГТУ «МАМИ», 2004г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, ТГУ, 2005г.), Международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2006» (г. Мурманск, МГТУ, 2006г.), Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г. Воронеж, ВГТУ, 2006г.), Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, Институт оптики атмосферы СО РАН, 2007г.). По результатам работы опубликованы монография; 2 учебных пособия, свыше 40 статей и получены 2 патента РФ.