Автореферат (Математическое моделирование и анализ роторных систем с магнитными опорами)

На правах рукописиДАВЫДОВ АРКАДИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РОТОРНЫХСИСТЕМ С МАГНИТНЫМИ ОПОРАМИСпециальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели иэнергоустановки летательных аппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква - 20132Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования"Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)"Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,Леонтьев Михаил КонстантиновичОфициальные оппоненты:Савин Леонид Алексеевичдоктор технических наук,профессор, ФГБОУ ВПО "Госуниверситет— УНПК", заведующий кафедрой МиМИ;Руковицын Илья Геннадьевичкандидат технических наук,ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»,старший научный сотрудник.Ведущая организация:ОКБ им. А.Люльки OAO «УМПО»Защита диссертации состоится « 23 » декабря 2013 года в 15:00 назаседании диссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базеМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета) по адресу: 125993, г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамскоешоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета).Автореферат разослан « 21 » ноября 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д212.125.08доктор технических наук, профессорЗуев Ю.В.3ОБЩЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В настоящее время исследования активныхмагнитных подшипников (АМП) достигли такого уровня, за которым следуетих широкое применение.

Уже сейчас применение АМП рассматривается какключевая технология для многих типов машин, позволяющая получитьбольшойэкономическийэффект,особеннодлятурбомашинбольшоймощности, и увеличить их срок службы. Рассматриваются также вопросыприменения АМП в газотурбинных двигателях, в том числе авиационных.Говорится о возможном появлении первых ГТД с АМП в ближайшие годы.Само проектирование таких машин является многоэтапным и весьмасложнымпроцессом,финаломкоторогодолженявлятьсяполныйинезависимый анализ проекта, предложенного разработчиками.

В настоящеевремя существуют определенные требования к проектированию машин с АМП,изложенные в многочисленной литературе и стандартах. Помимо того, чтоАМП должны поддерживать ротор в определенном положении, восприниматьразличного рода нагрузки, они должны и обеспечить необходимый уровеньвибраций и устойчивости ротора, сохраняя при этом свою работоспособность.Однако необходимо отметить, что системы автоматического управления АМП(САУ) вносят свои коррективы в общее вибрационное состояние машины,которое должно точно определяться проектировщиками еще на начальныхэтапах ее проектирования.

И если ранее решались задачи динамики роторнойсистемы "ротор-подшипники", то для машин с АМП должны решаться задачидинамики как для системы "ротор-САУ-подшипники". Такая система позволитвыбрать необходимую жесткость опор, демпфирование с учетом типоразмеровАМП и параметров ротора, дать необходимую информацию по частотам иформам собственных колебаний для разработчиков САУ, проверить работуподготовленных САУ в составе роторной системы, провести их настройку илиизменение и т.д.

Одновременно она может решить задачу об устойчивостироторов при падении на страховочные подшипники.4В случае газотурбинных двигателей необходимо иметь в виду, что вколебаниях участвуют не только ротора, но и их корпуса. Для таких систем, втом числе многовальных, где ротора также взаимодействуют между собойчерез корпус, должны решаться задачи обих совместных колебаниях. Вуказанной выше постановке для динамических систем с АМП типа "ротор +корпус" или "ротор + ротор +...+ корпус + корпус" практически отсутствуютсредства их анализа. Вместе с тем с учетом последних достижений в анализесложных роторных систем на традиционных подшипниках представляетсявозможным решить и эту задачу – тоесть разработать методику,математические модели, алгоритмы и программы для анализа турбомашин и сАМП.Цельработы.Созданиеметодики,математическихмоделейиалгоритмов для анализа сложных роторных систем в составе с магнитнымиподшипниками и их системами управления с позиции динамическойустойчивости.Задачи работы.1.

Анализ научных и технических достижений в сфере применения АМП вроторных системах вращающихся машин.2. Разработка методики анализа динамических систем турбомашин сроторами на АМП. Разработка математических моделей, алгоритмов ипрограммных модулей для исследования динамической устойчивости роторов.3. Разработка и внедрение в общий алгоритм анализа динамики роторнойсистемыматематическоймоделиАМПсучетомеенелинейноговзаимодействия с роторной системой.4. Проверка созданных моделей и их верификация (валидация) порезультатам расчетных и экспериментальных исследований.5.

Решение практических задач исследования и проектирования роторныхсистем с АМП.5Научная новизна.1. Предложена математическая модель АМП и методика,позволяющиепроводить полный динамический анализ роторов, включающих магнитныеопоры, в нелинейной нестационарной постановке.2. Предложена методика моделирования многовальных роторных системдля синтеза САУ с АМП. Модели ротора и корпусов учитывают изменениесобственных частот и форм колебаний динамической системы, как с частотойвращения роторов (гироскопические моменты), так и с изменением в широкихпределах демпфирования и жесткости в опорах, возможного при работе САУ.Практическая ценность.1. Разработанная методика и средства анализа могут быть использованы дляанализа роторных систем любой сложности с АМП, в том числе многовальных.2.

Модель АМП внедрена в состав программного комплекса Dynamics R4,предназначенного для решения задач роторной динамики турбомашинразличных типов, пользователями которой являются многие российские изарубежные двигателестроительные компании.РеализацияиспользоваласьрезультатовдляПредложеннаяработы.динамическогоанализаротораметодикакомпрессорасэлектромотором на АМП ООО «Турбопневматик» (г. Пермь), предназначенного для создания перспективной системы воздушного запуска стационарныхтурбоагрегатов, а также при проектировании экспериментальной установки сгибким ротором ООО «Технологии автоматизации» (г.

Чебоксары) совместно сКНИТУ-КАИ (г. Казань).Достоверность результатов работы подтверждается: использованиемпри постановке цели работы и определении методов ее достиженияфундаментальныхположенийроторнойдинамики;использованиемсуществующих российских и зарубежных стандартов при разработке методикииалгоритмовпроектированияроторовсАМП;использованиемсертифицированных программных средств для проведения динамического6анализа роторных систем; совпадением с приемлемой точностью результатовмоделирования, численных и экспериментальных исследований.Апробацияработы.Результатыработыдокладывалисьнамеждународной конференции «Авиация и космонавтика — 2010, 2011, IIIМеждународной научно-техническая конференции «АВИАДВИГАТЕЛИ ХХIВЕКА» ЦИАМ.Публикации.

По результатам выполненных исследований имеется 8публикаций, из них три работы опубликованы в ведущих рецензируемыхнаучных журналах из списка ВАК.Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав,заключения, списка использованных источников. Она изложенана 105страницах, содержит 65 рисунка, 19 таблиц и список литературы из 62наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении рассматривается история развития направления созданиямашин с роторами на АМП, особенности их проектирования, приводятсяпримеры создания машин с роторами на АМП.

Определяется актуальностьработы и важность задач анализа динамической устойчивости роторов на АМПс учетом реальных характеристик САУ и их взаимодействия с роторнойсистемой. Определена основная цель и задачи, диссертационной работыОхарактеризована научная новизна и практическая значимость выполненнойработы.В первой главе рассматриваются особенности анализа динамики роторовсАМП.ПриводятсяособенностиконструкцийроторовсАМП,рассматриваются некоторые существующие методики их динамическогоанализа. Отмечается, что большинство задач динамического анализа касаетсямоделей машин с одним ротором на АМП, как правило, без корпусов. При этомвлияние режимов, на которых меняются гироскопические моменты ротора,жесткость и демпфирование в АМП, учитывается в сложном итерационном7процессе между разработчиками машины и разработчиками АМП, требующимбольших временных затрат.Автором диссертации предлагается новая методика анализа сложныхсистем роторов на АМП в нелинейной нестационарной постановке, рис.

1.Рис. 1Методика составлена с учетом требований международных стандартовISO и API, а также включает новые элементы, позволяющие решить задачу впостановке "ротор – САУ - подшипники". На рисунке выделены цветом задачи,относящиеся к динамическому анализу ротора на АМП и синтезу САУ.Автором диссертационной работы решается первая группа задач.В главе особое место уделяется обзору программных средств, которыеизначально созданы для решения задач роторной динамики на традиционных8подшипниках. Созданная методика реализована в российской программнойсистеме Dynamics R4, широко использующейся для решения задач роторнойдинамики в двигателестроительных компаниях России, а также Украины,Южной Кореи, Канады, Китая и Индии [www.alfatran.com].Общая теория модального анализа роторных систем для решениянелинейных задач роторной динамики, является специальным разделом главы.Динамическое уравнение в матричной форме для роторной системы с АМПможно записать как + С + = дб + АМП + вс.о ,где дб , АМП , вс.о – векторы сил от неуравновешенности ротора, реакцииот АМП и реакции от вспомогательных опор.

Размерность всех матрицопределяется количеством степеней свободы роторной системы.Наиболее общим методом динамического анализа сложных нелинейныхнестационарныхроторныхсистемявляетсяинтегрированиесвязанныхуравнений движения. При этом динамическое поведение системы вычисляетсядлярядапоследовательныхинтерваловвремени,какдлялинейнойстационарной динамической системы с динамическими характеристиками,определенными в начале рассматриваемого интервала. В конце каждогоинтервала характеристики меняются в соответствии с текущим динамическимсостоянием.