Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
-40-
39. Патент РФ на изобретение. № 2037685, № 17, 1995. Сарычев А.П., Верещагин В.П., Вейнберг Д.М., Спирин А.В. и др. Магнитный подвес ротора устройства.
40. Патент РФ на изобретение № 2129228 по заявке № 97104412/06, 1997. Сарычев А.П., Верещагин В.П., Матвейчук П.А. и др. Магнитная опора для агрегата.
41. Патент РФ на изобретение № 2115835 по заявке № 97105796/28, 1997. Сарычев А.П., Верещагин В.П. Магнитная опора.
42. Патент РФ на изобретение № 2251033 по заявке № 2003119193/11, 2003. Будзуляк Б.В., Вейнберг Д.М., Верещагин В.П., Мажорин О.М., Носков А.В., Сарычев А.П., Спирин А.В., Стаскевич Л.Н., Шайхутдинов А.З. Магнитная опора компрессора.
На правах рукописи
САРЫЧЕВ АЛЕКСЕЙ ПЕТРОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЯДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ
ДЛЯ СЕРИИ КОМПРЕССОРОВ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ
Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва - 2010
Работа выполнена в
Федеральном государственном унитарном предприятии
Научно-производственное предприятие
Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом им. А. Г. Иосифьяна (ФГУП НПП ВНИИЭМ).
Научный консультант: доктор технических наук
В. Я. Беспалов
Официальные оппоненты: доктор технических наук
В.Е. Райнин
доктор технических наук
П. А. Курбатов
доктор технических наук
Ф. Н. Сарапулов
Ведущее предприятие: Ивановский государственный
энергетический университет
им. В. И. Ленина, г. Иваново
Защита состоится л18 февраля 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.157.15 в Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП НПП ВНИИЭМ
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14.
Автореферат разослан 2010 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Д.212.157.15
канд. техн. наук, доцент Рябчицкий М. В.
-39-
Международного симпозиума Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования - СПб., 1998. - с. 176-181.
29. Сарычев А.П., Спирин А.В. и др. Разработка и испытания нагнетателя с магнитными подшипниками для ГПА-16 Волга // Труды 7-го Международного симпозиума Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования. - СПб., 2001. - с. 14-18.
30. Сарычев А.П., Носков А.В. и др. Электромагнитные подшипники для газовой промышленности // Труды 14-й Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. - Казань, 2007. - с. 140.
31. Сарычев А.П., Носков А.В. Применение электромагнитных подшипников в машиностроении и газовой промышленности. Труды 13-го Международного симпозиума Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования. - СПб., 2007. - с. 215-229.
32. Сарычев А.П., Абдурагимов А.С., Носков А.В. Опыт применения магнитных подшипников в компрессорах ГПА // Труды 15-го Международного симпозиума Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования. - СПб., 2010. - с. 122-128.
33. Вейнберг Д.М., Верещагин В.П., Сарычев А.П., Сизов М.В. Фильтрация колебаний гибкого ротора в активных магнитных подшипниках // Турбины и компрессоры. - СПб, 1998. - № 5. - с. 6-8.
34. Сарычев А.П., Верещагин В.П. Электромагнитные подшипники для Газпрома // Рынок нефтегазового оборудования СНГ. - 1996. - № 4. с. 68-70.
35. Королёв В.С., Сарычев А.П., Носков А.В. и др. Некоторые результаты эксплуатации бессмазочных центробежных компрессоров // Газотурбинные технологии. - М., 2008. - № 10. - с. 12-15.
36. Бухолдин Ю.С., Королёв В.С., Сарычев А.П., Носков А.В. и др. Опыт создания и эксплуатации турбокомпрессоров с применением магнитного подвеса ротора // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - Киев., 2009. - № 1. - с. 17-19.
Патентные документы на изобретения и полезные модели
37. Авторское свидетельство СССР № 249510, 1987, МКИ 16 С 32/04. Четырехполюсный радиалъный электромагнитный подшипник / Верещагин В.П., Спирин А.В., Сарычев А.П., Тишина Н.Н.
38. Авторское свидетельство СССР № 270880, 1988, МКИ 16С 32/04. Четырехполюсный радиально-активный и аксиально-пассивный электромагнитный подшипник. / Вейнберг Д.М., Верещагин В.П., Данилов-Нитусов Н.Н., Дубинский Л.М., Майорец А.А., Сарычев А.П., Спирин А.В., Тишина Н.Н.
-38-
15. Сарычев А.П., Ермолаев А.В., Спирин А.В. и др. Опыт создания нагнетателя для ГПА-12М Урал // Компрессорная техника и пневматика. - М., 2001. - № 8. - с. 15-17.
16. Сарычев А.П., Хабибуллин М.Г., Верещагин В.П., Спирин А.В. и др. Разработка и испытания нагнетателя с магнитными подшипниками для ГПА-16 Волга // Компрессорная техника и пневматика. - М., 2001. - № 5. - с. 16-18.
17. Шайхутдинов А.З., Сарычев А.П. Магнитный подвес для гибких роторов компрессоров ГПА // Компрессорная техника и пневматика. - М., 2000. - № 6. - с. 14-15.
18. Сарычев А.П., Вейнберг Д.М. Опыт разработки электромагнитных подшипников для газовых компрессоров // Труды ВНИИЭМ. - М., 2001. - т. 100. - с. 275-282.
19. Руковицын И.Г., Сарычев А.П. Применение электромагнитных подшипников в газовой промышленности // Компрессорная техника и пневматика. - М., 2008. - № 1. - с. 12-14.
20. Сарычев А.П., Руковицын И.Г. Математическая модель ротора для анализа управления магнитными подшипниками // Труды НПП ВНИИЭМ. - М., 2008. - т. 107. - с. 11-15.
21. Сарычев А.П. Разработка электромагнитных подшипников для серии компрессоров газоперекачивающих агрегатов // Труды НПП ВНИИЭМ. - М., 2009. - т. 110. - с. 3-10.
22. Сарычев А.П. Особенности и опыт создания электромагнитных подшипников для серии компрессоров газоперекачивающих агрегатов // Труды НПП ВНИИЭМ. - М., 2009. - т. 112. - с. 3-10.
23. Шайхутдинов А.З., Хороших А.В., Седов В.В., Макриденко Л.А., Сарычев А.П., Верещагин В.П. Научно-технические задачи развития магнитных подшипников для газоперекачивающих агрегатов // Газовая промышленность. - М., 2009. - № 7. - с. 66-70.
Доклады на конференциях и статьи, опубликованные в научных журналах
24. Сарычев А.П., Егоров И.Ф. Технические решения по созданию ряда ЭМП для нагнетателей природного газа // Материалы ОНТС Миннауки РФ и АСКОМП. - Казань, 1995.
25. Сарычев А.П., Кочетов Д.А. и др. Магнитный подвес для нагнетателя агрегата ГПА-16 Волга // Материалы ОНТС Миннауки РФ и АСКОМП. - Казань, 1995.
26. Сарычев А.П. Нагнетатель для ГПА-12 Урал с сухими уплотнениями и магнитным подвесом // Материалы ОНТС ОАО Газпром. - Пермь, 1995.
27. Сарычев А.П., Гузельбаев Я.З., Хисамеев И.Г. и др. Безмасляный (сухой) центробежный нагнетатель НЦ-16 мощностью 16 МВт для магистральных газопроводов // Материалы 3-го Международного симпозиума Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования - СПб., 1997. - с. 202-211.
28. Сарычев А.П., Матвейчук П.А., Егоров И.Ф. и др. Разработка ряда сухих комплектов для центробежных компрессоров газоперекачивающих агрегатов различной мощности // Материалы 4-го
-3-
ВВЕДЕНИЕ
В мировой практике при создании магистральных газопроводов широкое распространение получили электромагнитные подшипники (ЭМП), используемые в компрессорах газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Это обусловлено тем, что в связи с успешным проведением работ по применению газодинамического безмасляного уплотнения (ГДУ) на серии компрессоров с применением ЭМП стало возможным создание полностью сухих компрессоров, т.е. работающих без смазки [11, 26].
В компрессорах с ГДУ замена традиционных подшипников качения или скольжения на ЭМП позволяет существенно увеличить ресурс работы компрессора, повысить его КПД за счёт исключения потерь на трение и сократить эксплуатационные расходы. Экономический эффект от внедрения ЭМП совместно с ГДУ составляет несколько десятков тысяч долларов в расчёте на одну машину [23, 25].
Первые зарубежные публикации по созданию сухих газовых компрессоров появились в 1985 г., когда фирма Nova (Канада) и фирма Framatom (Франция) сообщили об успешном испытании компрессоров мощностью 10 и 4 МВт с массой ротора 1500 и 200 кг. В настоящее время ряд зарубежных газовых компаний, таких как Dresser (США), Ingersoll Rand (США), Nuovo Pignone (Италия), периодически сообщают об успешных испытаниях сухих газоперекачивающих компрессоров различной мощности. Разработкой, изготовлением и поставкой ЭМП для зарубежных компрессоров занимается французская фирма S2M, которая специализируется на выпуске данных типов опор.
Настоящая диссертация посвящена вопросам, связанным с созданием ряда электромагнитных подшипников для серии компрессоров мощностью от 2,5 до 25 МВт, применяемых ОАО Газпром для транспортировки газа. Решение этой проблемы потребовало создать математические модели ЭМП, оптимизировать конструкцию МП, определить параметры системы управления ЭМП, организовать приёмо-сдаточные испытания и наконец сформировать ряд МП для компрессоров ГПА.
Результаты исследований и практические рекомендации приведены в этой работе.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В нашей стране возможность создания ЭМП для компрессоров ГПА стала возможной благодаря успешной отработке электромагнитных опор в электромеханических системах ориентации космических станций Алмаз и Мир, разработанных ВНИИ электромеханики г. Москва [4, 37]. Именно ВНИИ электромеханики в 1991 г. впервые в отечественной практике совместно с компрессорным предприятием им. Фрунзе г. Сумы (Украина) осуществил успешные испытания компрессора агрегата ГПА-Ц-16 мощностью 16 МВт на
-4-
электромагнитных подшипниках [9], которые подтвердили экономическую эффективность применения ЭМП в газовых компрессорах.
Автор принимал активное участие в решении основных научно-технических проблем, связанных с разработкой ряда электромагнитных подшипников для компрессоров ОАО Газпром, в их испытании и эксплуатации. В результате во ВНИИ электромеханики сформировалось самостоятельное научное направление по созданию электромагнитных подшипников для сухих компрессоров газовой промышленности.
Разработка и применение нового класса опор - электромагнитных подшипников для серии компрессоров способствует эффективному развитию газовой промышленности России и выполнению ее экспортных обязательств.
Учитывая актуальность и важность работы, связанные с созданием ряда электромагнитных подшипников для серии компрессоров ГПА, департамент по транспортировке газа ОАО Газпром в 1994 г. совместно с головными предприятиями по изготовлению компрессоров принял решение по модернизации и разработке новых газовых компрессоров магистральных газопроводов мощностью 2,5 - 16 МВт с ЭМП и ГДУ, а в 2000 и в 2004 г. принял первую, а затем вторую программы по серийному внедрению ЭМП в компрессоры газоперекачивающих агрегатов мощностью от 2,5 до 25 МВт.
Цель работы и задачи исследований. Целью данной работы является решение комплекса задач, на основании выполненных автором исследований позволяющих решить крупную научную проблему по созданию ряда электромагнитных подшипников для серии газовых компрессоров, имеющую важное хозяйственное значение. Внедрение ряда ЭМП в компрессоры способствовало созданию нового высокоэффективного оборудования для газовой промышленности - сухого компрессора и развитию нового научно-технического направления в электротехнической промышленности.
Создание ряда ЭМП для серии компрессоров ГПА магистральных газопроводов сопряжено с решением новых научных задач, связанных:
- С разработкой обобщённой математической модели ЭМП;
- С оптимизацией ЭМП для компрессоров;
- С теоретическими исследованиями математической модели;
- С выбором оптимальных технических решений по конструкции и параметрам ЭМП, системе управления подшипниками.
При научном участии автора получены следующие результаты:
- Определена технико-экономическая эффективность применения ЭМП в компрессорах ГПА;
- Разработана методика оптимизации геометрических параметров радиального и осевого ЭМП компрессора по массо-габаритным показателям и составлен алгоритм для расчёта на ЭВМ;
-37-
Научно-практические статьи, опубликованные
в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК
1. Сарычев А.П., Спирин А.В. Четырехполюсный радиальный электро-магнитный подшипник с дополнительными обмотками // Труды ВНИИЭМ. - М., 1988. - т. 88. - с. 125-129.
2. Сарычев А.П., Спирин А.В. Силовые характеристики четырехпо-люсного радиального электромагнитного подшипника // Труды ВНИИЭМ. - М., 1989, - т. 89. - с. 95-101.
3. Сарычев А.П., Спирин А.В. К расчету усилий в электромагнитном подшипнике с подмагничиванием // Труды ВНИИЭМ. - М., 1989. - т. 89. - с. 106-112.
4. Вейнберг Д.М., Верещагин В.П., Сарычев А.П. К расчету усилий и параметров электромагнитного радиального подшипника // Труды ВНИИЭМ. - М., 1990. - т. 90. - с. 40-44.
5. Сарычев А.П., Спирин А.В. Исследование силовых характеристик электромагнитного подшипника с подмагничиванием // Труды ВНИИЭМ. - М., 1990. - т. 90. - с. 50-53.
6. Сарычев А.П., Спирин А.В. Об управлении четырехполюсным радиальным электромагнитным подшипником с подмагничиванием // Труды ВНИИЭМ. - М., 1990. - т. 90. - с. 109-113.
7. Сарычев А.П., Верещагин В.П. Электромагнитные подшипники для Газпрома // Электротехника. - М., 1996. - № 5. - с. 29-31.
8. Сарычев А.П., Усошин В.А., Егоров И.Ф., Сизов Н.Ф. Аппаратура управления магнитными подшипниками ГПА // Газовая промышленность. - М., 1996. - № 11. - с. 40-42.
9. Сарычев А.П., Сухиненко В.Е., Медведев С.Д. и др. Бессмазочные нагнетатели природного газа // Газовая промышленность. - 1999. - № 2. - с. 48.
10. Сарычев А.П., Матвейчук П.А., Верещагин В.П. и др. Магнитный подвес для гибких роторов компрессоров // Газовая промышленность. - 2000. - № 2. - с. 51-52.
11. Сарычев А.П., Гризенко Н.Н. и др. Перспективы применения цифровых регуляторов в системах магнитного подвеса // Конверсия в машиностроении. - 1997. - № 3. - с. 50-52.
12. Сарычев А.П., Верещагин В.П., Матвейчук П.А. Особенности электромагнитных подшипников компрессоров магистральных газопроводов // Электротехника. - М., 1999. - № 6. - с. 32-34.
13. Сарычев А.П., Кочетов Д.А. Цифровое управление и мониторинг системы магнитного подвеса для роторных машин // Конверсия в машиностроении. - М., 1999. - № 1. - с. 36-39.
14. Сарычев А.П., Соколовский М.И., Спирин А.В. Создание нагнетателя НЦ-16М Урал с электромагнитным подвесом и сухими уплотнениями // Компрессорная техника и пневматика. - М., 2003. - № 6. - с. 3-6.
-36-
компрессоров мощностью 16 МВт. Данная работа показала, что ФГУП НПП ВНИИЭМ обладает высоким уровнем создания ЭМП. В 2010 г. согласно программе идёт изготовление около 50 компрессоров с ЭМП.
Сводная таблица по компрессорам с ЭМП на 2010 г. представлена в табл. 3, причём 100 из них находятся в эксплуатации, остальные в разной стадии отработки и изготовления [32].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создание и внедрение нового ряда электромагнитных подшипников для серии компрессоров газоперекачивающих агрегатов приводит к появлению высокоэффективного оборудования для газовой промышленности - сухого компрессора, обладающего высокими техническими характеристиками и экологической чистотой. Таким образом, в работе решена проблема, имеющая важное хозяйственное значение.
В диссертационной работе представлено решение следующих научно-технических задач:
1. Обоснована и определена технико-экономическая эффективность применения электромагнитных подшипников для компрессоров газоперекачивающих агрегатов.
2. Решён комплекс научно-технических задач по оптимизации, математическому моделированию, расчетам характеристик и определению параметров электромагнитных подшипников и системы управления, возникающих при разработке электромагнитного подвеса для серии компрессоров ГПА.
3. Сформирован алгоритм экспериментальной отработки электромагнитного подвеса при серийном выпуске.
4. Разработан ряд унифицированных ЭМП и блоков управления для серии компрессоров ГПА ОАО Газпром.
Успешная длительная эксплуатация ЭМП в компрессорах действующих газовых магистралей, экспериментальная и опытная отработка вновь созданных сухих компрессоров на стендах заводов-изготовителей ГПА и предприятий ОАО Газпром свидетельствует о правильности принятых научных и технических решений.
Таким образом, разработанные теоретические положения и практические решения явились основой для формирования нового научного направления в электротехнической промышленности, связанного с созданием электромагнитных опор для тяжелых роторных машин - компрессоров газоперекачивающих агрегатов. Результаты диссертации можно использовать при разработке магнитных подвесов машин и механизмов другого назначения.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
диссертации опубликованы в следующих работах
-5-
- Представлены математические модели для обобщённого радиального ЭМП;
- Определено влияние числа полюсов радиальной магнитной системы и её типа на коэффициенты поперечных связей различных магнитных систем;
- Обоснован выбор обобщённой структуры и параметров системы управления ЭМП ротора компрессора ГПА, найдены допустимые отклонения параметров системы управления;
- Разработан алгоритм и методика приёмо-сдаточных испытаний основных узлов ЭМП и комплекта ЭМП в целом на специализированном оборудовании для компрессоров ГПА;
- Определены оптимальные магнитные системы и разработан ряд ЭМП с основными параметрами для серии компрессоров ГПА магистральных газопроводов;
- Обоснована и разработана унифицированная конструкция электромагнитной опоры для серии компрессоров ГПА.
Научная новизна выполненных автором исследований заключается:
- В разработке методики оптимизации геометрических параметров радиальных и осевых ЭМП для серии компрессоров ГПА по массо-габаритным показателям;
- В разработке математической модели обобщённого радиального ЭМП с учётом числа полюсов магнитной системы и взаимосвязи каналов управления;
- В исследовании влияния числа полюсов магнитной системы радиального ЭМП на дестабилизирующее усилие;
- В разработке научно обоснованной схемы экспериментальной отработки и выпуска ЭМП для серии ГПА;
- В научно обоснованном создании ряда ЭМП для серии компрессоров ГПА мощностью от 2,5 до 25 МВт;
- В создании унифицированной конструкции ЭМП для компрессора ГПА.
Практическая ценность научных исследований и разработок заключается в обосновании технических решений по созданию ряда электромагнитных подшипников для компрессоров мощностью 2,5; 6,3; 10; 12; 16 и 25 МВт.
Реализация результатов диссертации. Проведенные автором диссертации исследования были использованы в работах ФГУП НПП ВНИИЭМ при разработке, изготовлении и испытаниях ЭМП для серии компрессоров ОАО Газпром мощностью от 2,5 до 25 МВт и внедрены в газотранспортные организации ОАО Газпром, о чём составлены соответствующие акты, приведённые в Приложениях 1 - 4 диссертации.
Достоверность полученных автором результатов подтверждена корректным использованием методов оптимизации электромеханических систем, теории электромеханического преобразования энергии, общих положений физики электромагнетизма, результатами
-6-
моделирования, экспериментальной проверкой на автономных, предварительных и отработочных испытаниях, эксплуатацией компрессоров с ЭМП на стендах и газовых магистралях ОАО Газпром.
Апробация результатов исследований и разработок. Основные научные положения и результаты обсуждались на заседании НТС Миннауки РФ и АСКОМП в 1995 г., на секциях НТС ОАО Газпром в 1995 г., на 3-м, 4-м, 7-м, 13-м и 14-м Симпозиумах потребителей и производителей компрессоров и компрессорного оборудования в 1997, 1998, 2001, 2007 и 2010 г.г., на 11-м Международном Симпозиуме по магнитным подшипникам в Японии в 2008 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 42 работы, из них 23 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах. В статьях и докладах, опубликованных автором и в соавторстве, соискателем сформулированы цель и задачи исследования, определена технико-экономическая эффективность применения ЭМП, разработана методика оптимизации ЭМП для компрессоров ГПА, определена и исследована математическая модель радиального ЭМП, обоснован выбор обобщённой структуры и параметров системы управления, разработан алгоритм и методика приёмо-сдаточных испытаний ЭМП при серийном производстве ГПА, разработана унифицированная конструкция ЭМП для компрессора ГПА, разработан ряд ЭМП для компрессоров ГПА. В изобретениях и полезных моделях, опубликованных в соавторстве, соискателем сформулированы основные признаки, составлены формулы изобретений и полезных моделей.
Основные положения, выносимые на защиту.
- Расчёт технико-экономической эффективности применения электромагнитных подшипников в компрессорах ГПА;
- Методика оптимизации геометрических параметров магнитной системы радиальных и осевых ЭМП для компрессоров ГПА по массо-габаритным показателям;
- Математическая модель обобщённого радиального ЭМП;
- Влияние числа полюсов радиальной магнитной системы и её типа на дестабилизирующее усилие ЭМП компрессоров ГПА;
- Обобщённая структура системы управления ЭМП компрессора ГПА;
- Унифицированная конструкция электромагнитной опоры для компрессоров ГПА;
- Унифицированный ряд электромагнитных подшипников для серии компрессоров ГПА мощностью от 2,5 до 25 МВт;
- Алгоритм и методика приёмо-сдаточных испытаний ЭМП при серийном выпуске для компрессоров ГПА.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, списка сокращений и приложений. Объём основного текста диссертации - 224 страницы, включающих 79 рисунков, 14 таблиц. Список литературы состоит из 149 наименований.
-35-
Белоруссии. Для ФГУП НПП ВНИИЭМ это был первый опыт ввода в эксплуатацию только сухих компрессоров на КС. Ответственность была очень высокая - ведь КС Слонимская - последняя КС на территории Белоруссии, впереди Польша и Западная Европа.
Предприятие успешно выполнило пуско-наладочные работы и станция Слонимская была введена в строй.
В конце 2007 г. ФГУП НПП ВНИИЭМ создает первый новый сухой компрессор с ЭМП мощностью 25 МВт (НЦ-25) производства СНПО им. Фрунзе и в 2008 г. вводит в эксплуатацию 3 компрессорных станции с данными компрессорами - КС Микуньская, КС Ново-Юбилейная, КС Ново-Грязовецкая [35, 36].
В 2008 г. ФГУП НПП ВНИИЭМ завершает работы по разработке новых дожимных сухих компрессоров с ЭМП мощностью 16 МВт типа Н-498 производства ОАО УККФ и вводит в эксплуатацию КС Юбилейная, что знаменует собой начало внедрения ЭМП на предприятиях не только транспортировки, но и добычи газа.
Очень важным достижением 2008 г. является разработка и пуск в опытную эксплуатацию нового компрессора Н-208 с ЭМП, приводом которого является электрический двигатель. Компрессор имеет номинальную частоту вращения n = 8200 об/мин, что на 3000 об/мин больше, чем у серийных компрессоров. Разработка данного компрессора дала толчок к созданию новых типов ГПА - электрогазоперекачивающих, приводом у которых является не авиационный двигатель, а электрическая машина, что значительно улучшает технические показатели ГПА при транспортировке газа.
Таблица 3
Компрессоры с ЭМП на 2010 г
| Предприятие-изготовитель компрессора с ЭМП, тип агрегата с сухим компрессором | Количество компрессоров, оснащенных ЭМП |
ОАО Сумское НПО им. М. В. Фрунзе, г. Сумы, Украина ГПА-Ц-16, ГПА-Ц-25 | 95 |
ОАО НПО Искра, г. Пермь, Россия ГПА-12 Урал, ГПА-16 Урал, ГПА-25 Урал, ГПА-16 ДКС Урал | 36 |
ОАО Компрессорный комплекс, г. Санкт-Петербург, Россия ЭГПА-6,3; Н-398, Н-498 | 29 |
ОАО Казанькомпрессормаш, г. Казань, Россия ГПА-16 Волга | 10 |
Фирма Mitsubishi Heavy Industries Ltd., г. Хиросима, Япония MHI 7V3 | 4 |
Фирма Nuovo-Pignone, г. Флоренция, Италия PGT-21 | 1 |
Итого: | 175 |
В 2009 г. изготовлено около 20 компрессоров с ЭМП [23]. Важным достижением 2009 г. является изготовление и поставка четырёх комплектов ЭМП для фирмы Mitsubishi (Япония) для
-34-
В 1998 г. вводится в эксплуатацию компрессор РСL-603 для агрегата РGТ-21 производства фирмы Nuovo Pignone г. Флоренция (Италия) на КС Алмазная ООО Пермтрансгаз. После этого вводятся в эксплуатацию агрегаты ГПА-12М Урал на КС Пермская, ГПА-16 Волга на КС Помарская, ГПА-16М Урал на КС Соковка.
Необходимо отметить, что такой быстрый процесс выпуска документации, изготовления материальной части и ее испытаний был обусловлен тем, что, начиная с 1993г. по 1999г. в ФГУП НПП ВНИИЭМ при непосредственном участии автора:
- На базе ПЭВМ создана в полном объеме автоматизированная система проектирования электромагнитного подвеса компрессора;
- Выпущена конструкторская документация на ряд унифицированных ЭМП для всей номенклатуры компрессоров ГПА мощностью 2,5 25 МВт;
- Подготовлена производственная база для серийного выпуска ЭМП;
- Разработано и изготовлено стендовое оборудование для автономных проверок датчиков, электромагнитов, блоков управления и комплекта в целом.
В 2000 г. ОАО Газпром разрабатывает первую программу по серийному внедрению ЭМП в газоперекачивающие агрегаты газопроводов РФ и стран СНГ [30, 34]. Отметим, что на период разработки программы в РФ было лишь 9 компрессоров, оснащенных магнитным подвесом.
Программа подразумевала изготовление около 20 сухих компрессоров. Однако из-за финансовых трудностей за период 2000-2003 гг. было изготовлено всего лишь 8 компрессоров с ЭМП.
Реализация первой программы позволила ФГУП НПП ВНИИЭМ полностью подготовить материальную базу для крупномасштабного серийного производства ЭМП для газопроводов РФ и СНГ.
В связи с возросшим потреблением газа в Западной Европе планами ОАО Газпром было предусмотрено с начала 2004 г. строительство нового участка газопровода Ямал-Европа, который бы проходил от полуострова Ямал по территории Белоруссии к границам Польши и далее в Западную Европу [19, 31]. Для данного газопровода требовались компрессора, которые обладали бы высокими техническими параметрами, были экологически чистыми и имели высокую эффективность.
В этот период ОАО Газпром, в лице Департамента по транспортировке газа, имея опыт внедрения сухих компрессоров с ЭМП, наряду со строительством масляных компрессорных станций, принимает фундаментальное решение по строительству сухих компрессорных станций, которые состояли бы только из компрессоров с ЭМП.
Разрабатывается вторая программа, предусматривающая изготовление около 100 сухих компрессоров с ЭМП (около 40 КС) мощностью от 12 до 25 МВт для газопровода Ямал-Европа [22].
Первая полностью сухая компрессорная станция с нагнетателями НЦ-16 с ЭМП для газопровода Ямал-Европа вступила в строй в ноябре 2005 г. на КС Слонимская на территории
-7-
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности применения магнитных подшипников (МП) в мощных компрессорах газоперекачивающих агрегатов. Применение таких подшипников позволяет в сочетании с газодинамическими уплотнениями существенным образом улучшить его технико-эксплуатационные параметры по сравнению с масляными, а также получить значительный экономический эффект от установки МП [9, 19, 21, 22]. Актуальность связана с экономической значимостью проблемы создания ряда электромагнитных подшипников для компрессоров ГПА, в результате решения которой создаются новые высокоэффективные средства транспорта газа (сухие компрессоры), при возрастающем объёме его транспортировки по и из Российской Федерации.
В первой главе рассматриваются различные конструктивные исполнения магнитных подшипников, которые могут быть применены для подвеса ротора компрессора ГПА в радиальном и осевом направлениях. Производится также обзор литературы с целью выбора критериев оптимизации магнитных систем подвеса компрессора, математических моделей МП, а также выбора необходимой структуры системы управления ротором компрессора. Кроме того, затронуты общие вопросы: гибкость ротора компрессора ГПА, которая ухудшает управление магнитным подшипником, определение экономического эффекта от внедрения МП в газовые компрессоры.
Анализ литературы показывает, что для подвеса роторов наибольшее распространение получили электромагнитные опоры в связи с наличием большой удельной грузоподъёмности, что очень важно для тяжёлых машин. Последняя величина для индукторных систем с постоянными магнитами составляет 6104 Н/м2, для систем с постоянными магнитами 3105 Н/м2, для электромагнитных систем (6÷15)105 Н/м2 [3, 6].
Такой подвес в направлении постоянных магнитов очень неустойчив к динамическим нагрузкам, поэтому необходимо в этом направлении создавать специальные демпфирующие устройства, что усложняет систему и делает её мало пригодной для высоконагруженного подвеса ротора ГПА.
В нашей стране получили распространение активные электромагнитные системы, применяемые в космической технике [1, 2, 38]. Такие системы хорошо демпфируют динамические нагрузки в несколько раз превышающие вес ротора.
Магнитный подвес на постоянных магнитах (пассивный подвес) является наиболее простым с конструктивной и энергетической точек зрения. Однако по теореме Эрншоу нельзя иметь пассивный подвес устойчивый во всех направлениях, т.е. в одном из направлений для обеспечения устойчивости необходимо использовать активные электромагнитные опоры, в другом постоянные магниты.
Применение электромагнитных систем в сочетании с постоянными магнитами (так называемые активно-пассивные индукторные системы) уменьшает энергопотребление
-8-
электромагнитов, линеаризует их характеристики, но не исключает возникновения автоколебаний в направлении опор из постоянных магнитов [5].
Учитывая, что подшипники компрессора ГПА воспринимают большие статические, а также динамические нагрузки, вызванные газодинамическими явлениями в компрессоре ГПА, в качестве опор ротора компрессора целесообразно использовать активные электромагнитные подшипники (ЭМП).
Мировой опыт применения ЭМП в высоконагруженных роторных системах, а также в компрессорах ГПА, показывает, что в качестве радиальных магнитных систем подшипников и датчиков необходимо использовать многополюсные шихтованные радиальные магнитные системы (рис. 1), статор которых подобен статору электрической машины постоянного тока. Обмотки статора наматываются таким образом, чтобы получить четыре независимых управляемых квадранта.
Рис. 1. Многополюсные шихтованные радиальные магнитные системы
В качестве осевых магнитных систем подшипников необходимо использовать ШЦобразные (рис. 2, а) или ПЦобразные (рис. 2, б) цилиндрические массивные магнитные системы, между которыми установлен массивный ферромагнитный диск, являющийся ротором осевого подшипника.
а) б)
Рис. 2. Осевой магнитный подшипник, состоящий из двух массивных кольцевых статоров ШЦобразного типа (а) и выполненный из двух сплошных цилиндрических ПЦобразных систем (б)
-33-
В настоящее время суммарная наработка этих пяти компрессоров составляет около 200 тыс. часов. Наибольшая наработка отдельно взятого компрессора - 70 тыс. часов.
Рис. 13. Компрессор мощностью 16 МВт агрегата ГПА-Ц-16
В связи с успешным проведением работ на КС Тольятти и КС Сызрань ОАО Газпром предложил ФГУП НПП ВНИИЭМ в 1994 г. провести работы по модернизации действующих компрессоров ГПА и создать новые четыре сухих компрессора с электромагнитными подшипниками и газодинамическими уплотнениями [34].
Модернизации подвергались масляные компрессоры мощностью 2,5; 6,3; 10; 16; 25 МВт производства НПО Турбогаз г. Харьков (Украина), НПО им. Фрунзе г. Сумы (Украина), Невского завода г. С-Петербург. Новые сухие нагнетатели разрабатывались мощностью 12 МВт (ГПА-12 Урал), 16 МВт (ГПА-16 Урал) производства НПО Искра г. Пермь и 16 МВт (ГПА-16 Волга) АО ККЗ г. Казань. Кроме этого, переводу на ЭМП и ГДУ подвергался компрессор РСL-603 мощностью 16 МВт производства фирмы Nuovo Рignone (NР) г. Флоренция (Италия).
В связи с малым объемом финансирования работы по модернизации действующих компрессоров были приостановлены, основное усилие ФГУП НПП ВНИИЭМ было направлено на создание новых сухих нагнетателей.
В 1996 и 1997 г.г. на предприятии АО Казанькомпрессормаш г. Казань ФГУП НПП ВНИИЭМ завершил испытания ЭМП для компрессора агрегата ГПА-16 Волга [16, 25, 27, 29] и компрессора агрегата ГПА-12 Урал [15]. Впервые в отечественной практике были созданы ЭМП для компрессоров с гибкими роторами, у которых критическая частота ротора лежит в рабочем диапазоне частот вращения и демпфируется ЭМП.
В этот же период завершаются приемо-сдаточные испытания компрессора НЦ-16 Урал производства НПО Искра для агрегата ГПА-16 Урал [14].
-32-
В работе показано, что выполнение магнитной опоры с двумя или тремя роторами датчиков и различным взаимным их расположением относительно электромагнитов подвеса позволяет обеспечить сопряжение радиальных датчиков с тем из роторов, в месте расположения которого автоколебания в подвесе, вызванные возбуждением форм изгибных колебаний вала, меньше, чем в местах расположения других роторов датчиков. При этом устойчивость подвеса обеспечивается перестановкой только суппортов с датчиками в нужное место без электронных регулировок или включением необходимого суппорта (при их количестве равном числу роторов), что сохраняет унификацию радиальных каналов ЭМП и электроники в целом, и является важным требованием для аппаратуры газовых КС.
Предлагаемая в диссертации новая конструкция магнитной опоры для серии компрессоров ГПА допускает быструю и многократную сборку и разборку, замену ЭМП и его узлов в условиях КС, что достигается конструктивными особенностями опоры, а расположение подвижных осевых датчиков в независимой втулке на доступном для работы краю фланца радиальной опоры позволяет производить регулировку осевых датчиков даже во взвешенной машине и менять таким образом технические характеристики осевого канала при изменении динамических параметров подвеса и отклонений величин зазоров.
Радиальные датчики в такой магнитной опоре также располагаются в независимых втулках (суппортах) и имеют возможность двигаться в радиальном направлении, что позволяет путем регулировок так же, как и в осевом канале, менять параметры радиальных каналов и устранять радиальные несоосности компрессора.
Таким образом, созданием унифицированной конструкции решены основные проблемы, возникающие при создании электромагнитного подвеса для серии компрессоров ГПА.
В пятой главе рассматриваются вопросы, связанные с опытом создания, эксплуатации и испытаний ряда ЭМП для компрессоров ГПА. Проанализированы этапы разработки как первых отечественных компрессоров с ЭМП, так и при серийном внедрении ЭМП в компрессоры ГПА.
Работы по созданию электромагнитного подвеса для компрессоров (нагнетателей) ГПА, как отмечалось в предыдущих разделах, были начаты в ФГУП НПП ВНИИЭМ в конце 80-х годов.
К концу 1989 г. в ФГУП НПП ВНИИЭМ была разработана эксплуатационная документация и изготовлены механические узлы электромагнитного подвеса с блоком управления для переоснащения масляного нагнетателя мощностью 16 МВт агрегата ГПА-Ц-16 производства Сумского НПО им. Фрунзе (Украина) [9]. На компрессор были также установлены сухие уплотнения этого же объединения. Испытания первого в СССР опытного образца безмасляного (лсухого) компрессора (рис. 13) были успешно проведены в начале 1991 г. на КС г. Тольятти предприятия Самаратрансгаз.
В 1992 г. было переоборудовано ещё четыре аналогичных компрессора на КС Сызрань предприятия Самаратрансгаз.
-9-
Цилиндрические осевые статорные магнитные системы можно выполнять шихтованными, однако это сильно усложняет технологию изготовления подшипников и делает её трудно применимой в условиях серийного производства.
Несмотря на большое количество литературы по применению радиальных ЭМП для крупных машин, в ней практически не освещаются вопросы:
- связанные с выбором типа радиальной магнитной системы, числа её полюсов в зависимости от массы ротора и мощности компрессора;
- какой тип осевого ЭМП наиболее приемлем для компрессора ГПА.
Из анализа использования магнитных подшипников в крупных роторных машинах следует, что для подвеса ротора компрессора ГПА необходимо использовать пятиканальную активную систему подвеса на базе электромагнитных подшипников, обладающих наибольшей удельной грузоподъёмностью и способной демпфировать динамические нагрузки в различных направлениях.
Выбор магнитных систем для полностью активного электромагнитного подвеса можно производить на базе многополюсных радиальных и осевых сплошных цилиндрических магнитных систем.
При создании электромагнитного подвеса ротора компрессора ГПА возникают две основные задачи [7, 21, 34]:
- Оптимизация магнитной системы подшипника (выбор оптимальной магнитной системы и оптимизация её параметров);
- Выбор и формирование необходимой структуры системы управления.
Кроме этого, при разработке электромагнитного подвеса для компрессора ГПА необходимо учитывать упругие свойства ротора, оказывающие сильное влияние на работу ЭМП, а также экономические показатели, которые зависят от мощности компрессора и применяемого ЭМП.
В области оптимизации магнитной системы была рассмотрена литература по двум направлениям:
- Первое связано с исследованием математической модели ЭМП (анализ электромагнитных сил в различных ЭМП) для выбора оптимального ЭМП;
- Второе касается оптимизации геометрических параметров магнитной системы подвеса по заданным критериям.
Рассмотрение литературы по первому направлению показало, что:
- электромагнитные усилия представляются в упрощенном виде (на пару полюсов) без учёта смежных каналов управления для радиального подшипника;
- упрощенное математическое описание показывает, что при смещении ротора от положения равновесия ЭМП создаёт продольную и поперечную составляющие
-10-
электромагнитной силы, причём поперечная составляющая оказывает дестабилизирующее влияние на продольную;
- определение электромагнитных сил в радиальном многополюсном подшипнике целесообразно проводить энергетическим методом, позволяющим учесть полную энергию всех контуров подшипника;
- отсутствует анализ влияния числа полюсов радиальной магнитной системы и её типа на дестабилизирующее добавочное усилие, а также на энергопотребление ЭМП;
- для расчёта усилий в осевом магнитном подшипнике целесообразно использовать основные положения теории магнитных цепей с применением формулы Максвелла.
Оптимизация геометрии магнитной системы подшипников в рассматриваемой литературе освещена достаточно широко. В основном работы по оптимизации магнитных систем содержат рекомендации, являющиеся обобщением опыта эксплуатации различных по своему назначению, режиму работы и конструктивному оформлению электромагнитных механизмов. Основная часть работ посвящена определению геометрических соотношений, при которых достигает экстремума определённый критерий оптимальности. При этом величины, экстремальные значения которых определяются, представляются в виде функций одной или двух переменных. Полученные таким образом функции исследуются на экстремум и находятся оптимальные значения указанных выше соотношений.
В качестве критериев оптимизации для высоконагруженных электромагнитов в литературе предлагается максимум усилия (F), минимум потребляемой мощности (Р), массы (М) и постоянной времени (Т). При этом варьируемыми параметрами могут быть коэффициент полюсного перекрытия (α), относительная длина зубца ЭМП, ширина обмоточного окна, ширина зубца, ширина ЭМП. Исследования на экстремум функций цели ведутся либо дифференцированием, либо применением оптимизационного метода упорядоченного перебора с использованием ЭВМ.
Анализ литературы показал, что чтобы приблизить габаритные размеры электромагнитных подшипников к масляным, установленным в ГПА, необходимо в качестве критериев оптимизации принять минимум массо-габаритных (массы и объёма) показателей при фиксированном усилии, действующем на подшипник, т.к. масса ротора и осевые усилия являются фиксированными для компрессора ГПА при минимальном энергопотреблении. В качестве варьируемых параметров при фиксированных диаметрах роторов можно взять относительную ширину зубца (-α) и число зубцов (z) для радиального подшипника и относительную ширину подшипника (-L) для осевого ЭМП. Таким образом задача оптимизации геометрии ЭМП компрессора ГПА сводится к нахождению:
min m(z,-α), min V(z,-α) при минимальном энергопотреблении для радиального подшипника;
-31-
создания различного взаимного расположения между радиальным электромагнитом и датчиками ЭМП вдоль узлов изгибных форм. Конструкция новой магнитной опоры со стороны свободного конца вала компрессора, представлена на рис. 12.
Магнитная опора для компрессора содержит первую 1 и вторую 2 составные части корпуса, два осевых электромагнита 3, 4, радиальный электромагнит 5. Валом магнитной опоры 6 является продолжение вала агрегата. Магнитная опора имеет неподвижную втулку 7, в которую устанавливаются датчики положения ротора. На валу магнитной опоры устанавливают ротор (диск) 8 осевых электромагнитов, ротор 9 радиального электромагнита и три ротора 10 для датчиков положения. Для выбега ротора магнитной опоры при аварийных ситуациях она снабжена страховочным шарикоподшипником 11, установленным в корпусе агрегата 12, содержащим различного вида уплотнения 13. Необходимо отметить, что к корпусу агрегата 12 сначала крепится первая часть корпуса 1 магнитной опоры, содержащей осевые электромагниты, затем вторая часть корпуса 2 магнитной опоры с радиальным электромагнитом, что позволяет производить быструю сборку и разборку корпусных деталей электромагнитов независимо друг от друга.
Осевые датчики, установленные во втулке 7, работают с поверхностями выступов 14, а радиальные с поверхностями 15. В корпусах 1 и 2 для радиальной регулировки и радиальных и осевых датчиков положения имеются отверстия, что позволяет менять характеристики магнитного подвеса изменением крутизны датчиков в собранном агрегате.
Рис. 12. Конструкция новой магнитной опоры
-30-
Второе и третье требование направлены на возможность улучшения характеристик ЭМП и компрессора в целом.
Наличие этих особенностей и создает проблемы, возникающие при создании электромагнитного подвеса для серии компрессоров ГПА.
Для уменьшения влияния частот изгибных форм ротора на работу компрессора в работе предложено в сочетании с электронным демпфированием применить механический способ, создав новую унифицированную конструкцию магнитной опоры.
В работе указано, что этот способ учитывает два положения:
1. При установке датчиков магнитного подвеса в узлах или вблизи узлов изгибных форм амплитуда колебаний этих форм либо равна нулю, либо имеет малую величину.
2. При работе регулятора блока управления в области частот изгибных форм колебаний ротора, различное взаимное расположение датчиков и электромагнитов относительно узлов соответствующих форм по-разному сказывается на устойчивости подвеса.
Смещение ротора хi, как упругого тела, в соответствии с формулами раздела 3 описывается выражением вида:
(14)
где fis - коэффициент формы под датчиком, а qs - амплитуда колебаний, описываемая уравнением вида:
, (15)
где mk - приведенная масса,
ωк - частота к-го тона,
fsi - коэффициент формы под электромагнитом,
dк - коэффициент демпфирования,
Fi - усилие i-го канала управления подшипником.
Чем ближе датчик к узлу, тем меньше коэффициент fsi и, естественно, смещение ротора в подвесе от изгибных форм.
В диссертации предложена новая конструкция электромагнитной опоры для уменьшения или исключения влияния изгибных форм [40]. Для этого в стандартную конструкцию, состоящую из радиального и осевого МП, введены три радиальных датчика, каждый из которых устанавливается в узле или близко к узлу первых трех форм изгибных колебаний ротора. Однако, как следует из положения 2, расположения датчиков даже в узлах соответствующих форм не гарантирует устойчивости системы подвеса.
В этой связи в новой конструкции предложено ротора радиальных датчиков размещать не рядом друг с другом, а чередуя между осевым и радиальным электромагнитом для возможности
-11-
min m, V(-L) при минимальном энергопотреблении для осевого подшипника.
Анализ литературных источников и патентов по структурным схемам управления для роторов ГПА позволил выявить основные звенья канала управления для обеспечения устойчивой работы ротора ГПА и определить особенности учёта упругих свойств ротора в структурной схеме и конструкции ЭМП:
- структурная схема управления должна содержать PID - регулятор с интегрирующим, пропорциональным и дифференцирующим звеном;
- для линеаризации характеристики электромагнита необходимо введение в структуру начального тока;
- введение перекрёстных связей в канал управления для компенсации дестабилизирующих сил усложняет закон управления и приводит к неустойчивости системы подвеса на высших частотах;
- для компенсации нелинейных характеристик электромагнита от зазора и силы необходимо в закон управления вводить обращённую модель электромагнита и звено, компенсирующее его запаздывание;
- для компенсации изгибных колебаний ротора в радиальном направлении необходимо в конструкции радиального ЭМП предусмотреть не менее четырёх радиальных датчиков положения, расположенных по длине конструкции ЭМП между радиальным и осевым подшипником;
- для более устойчивого демпфирования изгибных колебаний ротора в структуру управления целесообразно вводить как nЦе количество режекторных фильтров, настроенных на частоты возбуждаемых изгибных форм, так и nЦе количество производных для создания оптимальной амплитудно-частотной характеристики канала управления на низких частотах и в области рабочих частот совместно с режекторным фильтром.
Кроме технических параметров применение ЭМП в компрессорах ГПА даёт существенный экономический эффект, причём чем больше мощность компрессора, тем он выше.
Рассмотрение имеющегося небольшого количества литературы в этом направлении показывает, что практически вне зависимости от типов компрессоров с ЭМП и ГДУ им присущи одинаковые факторы экономии:
- Уменьшение потерь мощности на трение и, как следствие, увеличение КПД агрегата;
- Сокращение затрат по потерям газа;
- Отсутствие расхода масла;
- Сокращение затрат на технические обслуживания и ремонт.
По средним оценкам срок окупаемости комплекта ЭМП и ГДУ на компрессор мощностью 10 МВт составляет менее года. Однако в литературе не рассмотрен комплекс вопросов, связанных с
-12-
экономией, получаемой именно от применения ЭМП в зависимости от мощности компрессора (2,5 ÷ 25 МВт), а также не рассматриваются вопросы увеличения производительности компрессора, уменьшения площади станции за счёт сокращения оборудования под маслохозяйство, расширения диагностических свойств машины и т. д. Данные вопросы рассмотрены в диссертации.
Проведённый анализ литературы по конструкции, оптимизации магнитной системы, структуре системы управления МП позволил сделать ряд выводов, формулирование которых положено в основу данной диссертационной работы:
- В качестве магнитных опор для компрессоров газоперекачивающих агрегатов целесообразно использовать активные электромагнитные подшипники, обладающие наилучшими техническими показателями по грузоподъёмности и демпфированию.
- Для компрессоров газоперекачивающих агрегатов необходимо применять в радиальном направлении - многополюсные шихтованные радиальные магнитные системы, разделённые на четыре токовые зоны; в осевом направлении - сплошные цилиндрические магнитные системы ПЦобразного или ШЦобразного типа.
- При создании ряда ЭМП для серии компрессоров ГПА в качестве критериев оптимизации магнитных систем ЭМП целесообразно выбирать минимум массо-габаритных и энергетических показателей и дестабилизирующей силы для радиальных подшипников.
- При выборе структуры системы управления ЭМП компрессора ГПА необходимо применять управление по току электромагнитов с использованием PID регулятора и содержащего в законе управления достаточное количество дифференцирующих звеньев, режекторных фильтров, а также применением в конструкции ЭМП избыточного количества радиальных датчиков для обеспечения устойчивости системы управления ЭМП на всех режимах работы компрессора.
- Экономическое обоснование применения ЭМП в компрессорах ГПА целесообразно проводить на базе технических показателей, которые появляются при внедрении ЭМП в компрессор вместо масляных подшипников.
Во второй главе представлены результаты технико-экономического расчёта применения электромагнитных подшипников в компрессорах газоперекачивающих агрегатов мощностью от 2,5 до 25 МВт.
Как указывалось в первой главе, несмотря на внедрение сухих компрессоров в газовой промышленности России, детального изложения преимуществ и экономической оценки (т.е. технико-экономического анализа) применения именно электромагнитного подвеса в таких агрегатах практически нет.
-29-
управления с напряжением питания постоянного тока U = 110 В, а для компрессора мощностью (10 ÷ 25) МВт блок управления напряжением питания 220 В.
По этим данным для компрессоров ГПА были разработаны две модификации блока управления ЭМП с U = 110 В, U = 220 В, Imax = 30 А и габаритами (1,20,50,6) м.
Таким образом, для действующей номенклатуры серийно выпускаемых компрессоров ГПА газовой промышленности, разработан ряд радиальных и осевых ЭМП с аппаратурой управления, обеспечивающий устойчивую работу компрессоров в условиях эксплуатации на газовых магистралях [24, 28].
Четвёртая глава посвящена решению научно-технических проблем, возникающих при создании электромагнитного подвеса для серии компрессоров ГПА, за счёт создания унифицированной конструкции магнитной опоры.
Анализ литературы, опыт разработки, испытаний и эксплуатации в газовой трассе первого отечественного компрессора для агрегата ГПА-Ц-16, а также расчеты, проведенные в работе для ЭМП компрессоров мощностью (2,5 ÷ 25) МВт, показали, что создание электромагнитного подвеса для газовых компрессоров имеет ряд особенностей, которые частично были отмечены в третьем разделе и заключаются в следующем [12, 17]:
1. Первые изгибные формы ротора компрессора оказывают сильное влияние на работоспособность системы электромагнитного подвеса.
Близкое расположение изгибных форм ротора газового компрессора к рабочим частотам вращения и собственным частотам ЭМП приводит к возбуждению подвеса и поэтому вопрос обеспечения устойчивости ЭМП для компрессоров ГПА приобретает первостепенное значение.
2. Конструкция узла электромагнитного подвеса для газового компрессора должна [39, 41, 42]:
а) допускать быструю и многократную сборку и разборку, замену ЭМП и его узлов в условиях компрессорной станции (КС);
б) допускать регулировку и настройку датчиков положение ротора в компрессоре и вне его;
в) давать возможность снизить влияние изгибных форм ротора на работу магнитного подвеса в условиях газовой трассы.
Первое свойство конструкции ЭМП обусловлено требованиями, предъявляемыми к оборудованию газовой промышленности при выполнении работ в ходе регламента, ремонта, в нештатных ситуациях компрессора.
Второе - для обеспечения возможности изменения и улучшения параметров электромагнитного подвеса при эксплуатации собранного компрессора.
Третье - для обеспечения устойчивой работы ЭМП не только электронными средствами, но и механикой подвеса.
-28-
Таблица 2
Унифицированный ряд механики ЭМП для серии компрессоров ГПА
Параметры ЭМП | Мощность компрессора, МВт | |||||
2,5 | 6,3 | 10 | 12 | 16 | 25 | |
Грузоподъёмность, кН | 3 5 | 5 10 | 10 20 | |||
Наружный диаметр, м | 0,27 | 0,415 | 0,475 | 0,58 | ||
Внутренний диаметр, м | 0,14 | 0,275 | 0,275 | 0,4 | ||
Ширина, м | 0,05 | 0,08 | 0,12 | 0,12 0,2 | ||
Число полюсов магнитной системы | 8 | 16 | 8 | 16 | ||
Зазор в ЭМП, м | 0,510-3 | 0,710-3 | (0,70,8)10-3 | 110-3 | ||
Внутренний диаметр Пакета ротора, м | 0,085 | 0,16 | 0,16 | 0,3 | ||
Грузоподъёмность, кН | 5 11 | 20 55 | 50 75 | |||
Наружный диаметр, м | 0,27 | 0,44 | 0,44 | |||
Внутренний диаметр, м | 0,15 | 0,274 | 0,19 | |||
Ширина электромагнита, м | 0,05 | 0,07 | 0,09 | |||
Зазор в ЭМП, м | 110-3 | 110-3 | 110-3 | |||
Толщина осевого диска, м | 0,02 | 0,03 0,04 | 0,04 | |||
1. Максимальное выходное напряжение питания постоянного тока.
2. Максимальную выходную мощность каналов блока управления.
Первый параметр определяет аккумуляторная батарея, используемая в качестве резервного источника питания напряжением 110 или 220 В. Второй параметр фактически определяет допустимую мощность для демпфирования статических, динамических нагрузок, а также усилий, обусловленных дисбалансом ротора.
Для работоспособности магнитного подвеса необходимая мощность радиального и осевого каналов блока управления должна быть меньше максимальной выходной мощности канала усилителя мощности, при этом полоса пропускания электромагнитов, определяемая максимальной мощностью канала, должна быть достаточной для активного демпфирования внешних динамических нагрузок.
Таким образом, разработка ряда блоков управления была сведена к определению необходимой мощности Р каналов для каждого типа компрессора, достаточной для парирования всех нагрузок, действующих на ротор. При этом принималось допущение, что усилители мощности для любого блока управления имеют одинаковый максимальный выходной ток силовых транзисторов, управляющих обмотками электромагнитов.
Наличие этих данных позволяет сформировать необходимый ряд блоков управления для серии компрессоров ГПА.
В результате расчетов по формулам раздела 3 установлено, что для того чтобы при фиксированном выходном токе блока управления демпфировать радиальные и осевые нагрузки, действующие на ротор компрессора ГПА мощностью 2,5; 6,3 МВт, необходимо иметь блок
-13-
В зарубежной литературе такие вопросы рассматриваются для случаев использования в компрессоре в основном ГДУ без ЭМП, причем экономический эффект от внедрения только сухого ГДУ оценивается в 100 тыс. долларов в год в расчете на одну машину.
На основе глубокого технического анализа проведено сравнение применения двух типов опор для серий компрессоров ГПА мощностью от 2,5 до 25 МВт и показано, что внедрение ЭМП вместо масляных в компрессора с ГДУ позволяет [21]:
1. Снизить механические потери нагнетателя с 16÷168 кВт до 0,25÷8 кВт.
2. Увеличить ресурс работы механики подшипниковых узлов с 15÷25103 час до 50÷100103 час.
3. Сократить периодичность:
а) технического обслуживания с одного раза в месяц до одного раза
в квартал;
б) ремонта с двух раз в год до одного раза в год.
4. Исключить использование масла для компрессора.
5. Уменьшить массо - габаритные показатели:
а) системы подшипников с 1÷3 т, 5÷12 м2 до 0,1÷0,6 т, 0,5÷0,8 м2;
б) вспомогательного оборудования с 4÷7 т, 20÷50 м2 до 0,8 т, 1 м2.
6. Уменьшить потребление электрической мощности с 33÷66 кВт до 1÷3 кВт.
7. Уменьшить время готовности нагнетателя к запуску в трассу с десятков минут и нескольких часов до нескольких секунд.
8. Улучшить качество перекачиваемого газа и экологическую обстановку на компрессорной станции.
9. Активно воздействовать на динамические параметры ротора нагнетателя.
10. Повысить диагностические свойства роторной системы.
По результатам технического анализа основных характеристик подшипников проведен экономический расчет преимуществ внедрения ЭМП (табл. 1) [21].
Таблица 1
Экономический расчет преимуществ внедрения ЭМП
Экономические показатели | Сумма, тыс. $ |
Прибыль от дополнительного объема перекачиваемого газа | 17 ÷ 170 |
Экономия от снижения потребления электричёской энергии | 13,43 ÷ 27,12 |
Экономия от высвобождения дополнительной площади | 35 ÷ 90 |
Дополнительная экономия | 5,6 ÷ 13,9 |
Суммарные показатели | 71,03 ÷ 301,02 |
-14-
В результате расчета установлено, что экономический эффект от внедрения ЭМП вместо масляных для серии компрессоров ГПД мощностью от 2,5 до 25 МВт составляет от 71 до 301 тыс. долларов в год в зависимости от мощности агрегата.
В третьей главе решаются задачи по созданию ряда электромагнитных подшипников для компрессоров ОАО Газпром, связанных с оптимизацией разработанных математических моделей ЭМП. Рассмотрены вопросы выбора обобщённой структуры и параметров системы управления ЭМП ротора компрессора ГПА. Решены вопросы приёмо-сдаточных испытаний при серийном выпуске электромагнитного подвеса для компрессоров. На основании решения указанных задач разработан ряд ЭМП для серии компрессоров ГПА.
Одной из главных задач, возникающих при разработке электромагнитного подвеса ротора газоперекачивающего компрессора, является оптимизация магнитной системы подшипника, которая включает в себя [21]:
а) выбор оптимальной магнитной системы;
б) определение параметров выбранной оптимальной магнитной системы.
В качестве основополагающих критериев при выборе оптимальной магнитной системы ЭМП были приняты минимум массо-габаритных показателей и дестабилизирующей силы для радиального подшипника при фиксированном усилии, действующем на ЭМП.
В качестве варьируемых параметров, для радиальных многополюсных ЭМП (рис. 3) выбраны:
а) относительная ширина зубца (равная отношению ширины зубца bz к полюсному делению );
б) число зубцов магнитной системы, причём является функцией z:
= f(z).
В качестве осевого ЭМП для компрессоров ГПА был принят осевой цилиндрический электромагнит П-образного типа (рис. 4), обладающий меньшим энергопотреблением по сравнению с Ш-образным при фиксированном усилии, действующем на ротор.
При оптимизации осевого ЭМП П-образного типа в качестве варьируемого параметра принята относительная ширина ЭМП , равная отношению длины ЭМП к ее высоте.
Для решения оптимизационной задачи по массо-габаритным показателям составлены основные соотношения для массы и объема радиального и осевого ЭМП в функции варьируемых и независимых переменных.
Масса ЭМП включает в себя массу спинки mсп, массу зубцов mz, массу обмотки управления mобм.у, массу ротора mр.
mRoc = mсп + mz + mобм.у + mр. (1)
Тогда масса радиального ЭМП есть:
-27-
На основе анализа исходных технических данных для масляных осевых опор в работе были предварительно сформированы основные подходы к созданию ряда осевых ЭМП:
1. Осевые ЭМП ввиду действующих нагрузок и мощности компрессора разбиты на три типоразмера: а) 2,5 МВт; б) (6,3 ÷ 16) МВт; в) 25 МВт.
2. Наружный диаметр диска и статора ЭМП для компрессоров Рк = (6,3 ÷ 25) МВт принят одинаковым в связи с практически одинаковыми максимальными частотами вращения компрессоров.
В результате расчетов относительной оптимальной ширины осевого ЭМП установлено, что эта величина составляет и не зависит от мощности компрессора, а масса и объем осевых ЭМП (рис. 11) практически не меняется при изменении наружного диаметра диска, принятого по условиям прочности:
для Рк = (6,3 ÷ 25) МВт, Dр2 = 44010-3 м;
для Рк = 2,5 МВт, Dр2 = 27010-3 м.
Рис. 11. Масса и объём осевых ЭМП
После нахождения оптимальных параметров радиальных и осевых ЭМП в работе (по оптимизационной программе раздела 3) и проведённых расчётов были определены размеры каждого типа компрессора из серийной номенклатуры ГПА, которые сведены в табл. 2.
Из таблицы видно, что ряд радиальных ЭМП для серии компрессоров окончательно определяется четырьмя типоразмерами соответствующей длины, а ряд осевых ЭМП - тремя типоразмерами соответствующей длины.
Для разработки и создания ряда блоков управления магнитным подвесом газовых компрессоров необходимо определить два основных параметра блока:
-26-
Рис. 10. Зависимость коэффициента перекрёстной связи радиального ЭМП от числа полюсов
- Для компрессоров мощностью Рк = 6,3 МВт, имеющих малые радиальные статические и динамические нагрузки, оптимальной является радиальная магнитная система с z = 16 (d = 27510-3 м), обладающая минимальными массо-габаритными показателями.
- Для компрессоров мощностью Рк = 10, 12, 16 МВт оптимальной является радиальная магнитная система с z = 8 (d = 27510-3 м), имеющая минимальные децентрирующие силы при больших статических и динамических нагрузках, действующих на ротора компрессоров, что упрощает закон управления.
- Для компрессоров мощностью Рк = 25 Вт оптимальной является магнитная система с z = 16 (d = 40010-3м), имеющая практически в 1,5 раза меньшие массо-габаритные показатели, чем восьмиполюсная при тех же диаметрах ротора, но более сложную систему управления.
- При фиксированной длине вала компрессора и ограниченной длине размещения оптимальным является переход на больший наружный диаметр (dp = 40010-3 м) ротора подшипника, несмотря на некоторое увеличение массо-габаритных показателей.
Это положение актуально при модернизации действующих масляных компрессоров, имеющих фиксированные длины валов и габариты под размещение подшипников, при этом оптимальным является магнитная система с z = 16 и 32.
Оптимизация осевых опор по массо-габаритным показателям проводилась в работе аналогично радиальным, т. е. вначале определялась оптимальная относительная ширина , а затем на базе, по программе расчета раздела 3 - конкретные размеры ряда оптимальных осевых электромагнитов для серии компрессоров ГПА.
-15-
Рис. 3. Схема многополюсного радиального ЭМП: D - наружный диаметр
статора, - полюсное деление, bz - ширина зубца, ha - высота
спинки, hz - высота зубца, d - диаметр ротора, hp - высота пакета
ротора, dB - диаметр вала
Рис. 4. Схема осевого ЭМП с магнитной системой П-образного типа:
Dв1 - внутренний диаметр статора ЭМП, Dн2 - наружный диаметр
статора, Dв2, Dн1 - наружный диаметр внутреннего кольца
ЭМП и внутренний диаметр наружного кольца ЭМП, hщ - высота
спинки ЭМП, hм - высота обмотки, hр - длина ротора,
0 - величина воздушного зазора, Dр1, Dр2 - внутренний и наружный диаметр ротора.
-16-
m(, z) = f(, D, Sz, KC, С , пр, ), (2)
где в скобках геометрические параметры ЭМП и его обмотки.
Объем радиального ЭМП:
(3)
Масса и объем осевого ЭМП:
m() = f(, С , Dнi, DВi, 0, hщ, S, Kнз, δ0), (4)
где в скобках размеры ЭМП и его обмотки,
, (5)
Для расчета по формулам (1) - (5) был разработан алгоритм оптимизации радиальных и осевых ЭМП по параметрам и , реализованный на персональном компьютере.
Для решения задачи оптимизации по минимуму дестабилизирующей силы разработана математическая модель обобщенного (многополюсного) радиального ЭМП и установлена аналитическая зависимость между дестабилизирующей силой и числом полюсов радиальной магнитной системы:
(6)
где Fм - максимальная сила, создаваемая ЭМП:
, (7)
- коэффициент перекрестной связи (а, в, с - коэффициенты, n - число пар полюсов ЭМП):
. (8)
Выражение (6) представляет собой математическую модель многополюсного радиального электромагнитного подшипника, а (7) - (8) - основные параметры ЭМП.
К электронным системам управления газовых магистралей, к которым относится блок управления или система управления электромагнитным подвесом (СУЭМП), предъявляются очень высокие требования по надежности, взаимозаменяемости и ремонтопригодности. Поэтому в диссертации предлагается к СУЭМП предъявить следующие требования [8, 18, 23]:
1. Высокая наработка на отказ, определяемая элементной базой;
2. Однотипные унифицированные каналы управления;
-25-
габаритных показателей) минимальным коэффициентом перекрестной связи обладает восьмиполюсная магнитная система, причем как магнитно-связанная (МС) (χ = 0,37), так и магнитно-развязанная (МР) система (χ = 0,1), имеющая немагнитные промежутки между зонами. Последняя система не нашла применения в ЭМП из-за сложности изготовления.
Учитывая, что коэффициент перекрестной связи, зависящий от нагрузки, существенным образом влияет на закон управления ЭМП (его степень сложности, реализацию однотипных каналов, габариты блока), то для каждого типа компрессора необходимо проводить расчет системы регулирования с учетом действия дестабилизирующей силы, а затем принимать решение о выборе оптимальной радиальной магнитной системы.
На основе проведенных расчетов были определены оптимальные радиальные магнитные системы для серии компрессоров ГПА:
- Для компрессоров мощностью Рк = 2,5 МВт оптимальным является подшипник с числом полюсов z = 8 при диаметре расточки ротора d = 14010-3 м , при котором минимизируются массо-габаритные показатели и децентрирующие силы подшипника.
Рис. 9. Масса и объём радиальных ЭМП
-24-
2. Радиальные ЭМП по величине действующих нагрузок в зависимости от мощности компрессора были разбиты на три типоразмера, для ГПА мощностью:
а) 2,5 МВт;
б) (6,3 ÷ 16) МВт;
в) 25 МВт.
Рис. 8. Результаты расчётов по определению оптимальной величины коэффициента полюсного перекрытия при различной мощности компрессора Рк и числа зубцов радиального электромагнитного подшипника
Для выбора оптимальных радиальных магнитных систем ЭМП и создания ряда типоразмеров в работе определены оптимальные значения параметра относительной ширины зубца (при котором массо-габаритные показатели подшипника минимальны) в функции мощности компрессора (рис. 8).
Расчетом установлено, что лежит в пределах 0,1 ÷ 0,75 в зависимости от z.
После определения были построены зависимости массы и объема от z при различных наружных диаметрах ротора для конкретных типов компрессоров (рис. 9).
Из анализа графика рис. 9 установлено, что оптимальной радиальной магнитной системой (с точки зрения минимизации массо-габаритных показателей ЭМП) для серии газовых компрессоров является магнитная система с числом полюсов равным шестнадцати. Однако, в разделе 3 была определена зависимость влияния числа полюсов радиальной магнитной системы на коэффициент перекрестной связи, графически изображенная на рис. 10. Из него видно, что (в отличие от массо-
-17-
3. Снабжение взаимозаменяемым комплектом запасных частей;
4. Простота обслуживания и эксплуатации.
При этом блок конструктивно предлагается выполнять в виде единого каркаса, имеющего четыре модуля для радиальных каналов и один модуль для осевого, скомпанованных в виде субблоков радиального и осевого каналов ЭМП. При таком исполнении блока общая задача пятиканального управления по отклонению ротора компрессора любой мощности сводится к структурной схеме построения однотипных каналов управления, состоящих из пяти элементов со своими передаточными функциями. Она изображена на рис. 5 [8, 11, 13].
При выбранных или заданных передаточных функциях датчика, электромагнита, коэффициентах усиления усилителя мощности Км и Ка выбор структуры системы управления сводится к определению передаточной функции ротора компрессора Wp и на ее основе - передаточной функции регулятора Wрег, обеспечивающей устойчивость замкнутого канала системы автоматического регулирования ЭМП ротора компрессора.
На основе решения уравнения вынужденных колебаний ротора компрессора в ЭМП и уравнений для его поперечных изгибных колебаний были определены передаточные функции гибкого ротора компрессора для первых форм симметричных (W1) и кососимметричных (W2) колебаний [20]:
(9)
где 1, 2 - собственные частоты подвеса, b1, b2 - коэффициенты возбудимости изгибных форм.
Проведенный расчет собственных частот роторов для компрессоров мощностью (2,5 - 25) МВт, показал, что практически все компрессоры имеют следующие одинаковые особенности [10, 12, 17]:
Рис. 5. Структурная схема канала системы управления ЭМП
-18-
а) Изгибные формы ротора компрессора лежат либо в рабочем диапазоне частот вращения (и их необходимо проходить при разгоне или торможении ротора), либо находятся рядом с ним;
б) Собственные частоты магнитного подвеса расположены достаточно близко к частотам первых форм изгибных колебаний ротора.
Ввиду этого регулятор системы электромагнитного подвеса (рис. 5) должен строиться с учетом этих особенностей [33].
Обычно каждый канал регулятора подвеса ротора компрессора содержит стандартное звено ПИД - регулятор для формирования сигнала требуемой силы Fс, обеспечивающего астатизм (введением интеграла), вязкость (введением производной) и упругость системы подвеса:
FC = - axdt - bdx/dt - cx, (10)
где а, b, с - коэффициенты астатима, вязкости и упругости (жесткости), х - смещение ротора.
Такой регулятор не обеспечивает устойчивость системы подвеса при наличии упругих форм, поэтому задачу демпфирования упругих колебаний ротора компрессора в диссертации предложено решать введением в ПИД регулятор дополнительных звеньев:
а) заграждающих (режекторных) фильтров с частотой настройки Wк и добротностью q;
б) дифференцирующих звеньев с параметрами Т1к, N1к.
В каждом конкретном случае совместное или раздельное применение определенного количества дополнительных режекторных фильтров и дифференцирующих звеньев определяется на этапе выбора параметров регулятора, обеспечивающих устойчивость электромагнитного подвеса.
Кроме этого для компенсации запаздывания тока электромагнита относительно сигнала требуемой силы в регулятор введён ПД - регулятор, содержащий дифференцирующее звено с параметрами Т2, N2; а для компенсации зависимости характеристик электромагнита от положения ротора и их линеаризации - боковая ветвь с коэффициентом kδ и дополнительный ток I0.
С учетом проведенных в диссертации расчетов и исследований разработана обобщенная структурная схема канала блока управления магнитным подвесом ротора компрессора, представленная на рис. 6 и содержащая основные параметры канала - kД, kР, kδ, kio, kМ, kа, kе, N0, T0, T1, N1, T1к, N1к, T2, N2, Wк, q.
Расчет параметров звеньев канала предложено проводить в зависимости от условий работы компрессора [21, 22]: 1. При действии динамической нагрузки QV на ротор, 2. При ее отсутствии. При этом исходными данными для расчета являются статические QH и динамические QV нагрузки на ротор, аварийные еа и сигнальные ес смещения ротора, и параметры электромагнитов.
При первом условии на основании решения основных уравнений структурной схемы рис 6.
-23-
2. Жесткости подвеса в рабочих точках Сfin (где n - число рабочих точек), предусмотренных техническим заданием.
Четвертые и пятые этапы работ производятся на стенде, где есть возможность нагружения ротора компрессора эквивалентными нагрузками газовой трассы. При этом, чтобы судить о работоспособности системы магнитного подвеса, предложено определять параметры Кдi для пяти каналов и допустимую амплитуду биения ротора Амах.
Ресурсную наработку комплекта для выявления возможных отказов предложено в работе проводить:
а) в статике при номинальной осевой нагрузке;
б) в динамике при имитации номинального режима работы компрессора (при номинальной частоте и осевой нагрузке).
После наработки определяются допустимые области расположения амплитудно-частотных характеристик и параметры Кдi и А, которые сравниваются с допустимыми и заносятся в паспорт на комплект.
На основании проведения всех этапов работ и определения основных параметров комплекта, записанных в паспорте, делается заключение и производится отметка в паспорте о соответствии комплекта электромагнитного подвеса его техническим требованиям на компрессор данной мощности.
Таким образом: 1. Определены основные параметры, характеристики, установлены допуска, по которым осуществляется приемка отдельных узлов подвеса и сдача комплекта в целом;
2. Разработано специализированное оборудование для приемо-сдаточных испытаний отдельных узлов электромагнитного подвеса и всего комплекта в целом.
На сегодняшний день для газовой промышленности России серийно изготавливаются для линейных газопроводов центробежные компрессоры мощностью 2,5; 6,3; 10; 12; 16; 25 МВт. Все типы компрессоров отличаются друг от друга, в основном, массой ротора, радиальными и осевыми статическими и динамическими нагрузками, действующими на ротор. Каждый тип компрессора имеет несколько модификаций, которые в пределах данной мощности имеют практически одинаковые параметры.
Для возможности создания ряда ЭМП серийно выпускаемых компрессоров для транспортировки газа ОАО Газпром были собраны и подготовлены исходные технические данные на опоры каждого типа компрессора с указанием статических и динамических нагрузок, действующих на масляные подшипники, геометрических размеров опор и др. параметров [21].
На основе анализа исходных технических данных для масляных опор в работе были предварительно сформулированы основные подходы к расчёту и созданию ряда радиальных ЭМП:
1. Принимается одинаковым варьируемый наружный диаметр ротора радиального ЭМП для всех типов компрессоров, определяемый из условия прочности;
-22-
Рис. 7. Комплексный динамический стенд для сдачи комплекта ЭМП
Определены основные виды испытаний в условиях серии, проводимые на комплексном стенде:
- Проверка и определение основных параметров электромеханических узлов подвеса (суппортов, электромагнитов) в комплекте при замкнутой системе автоматического регулирования и отсутствии вращения;
- Снятие амплитудно-фазовых характеристик собранного комплекта подвеса при разомкнутой системе автоматического регулирования;
3. Определение жесткости электромагнитного подвеса;
4. Имитация работы комплекта электромагнитного подвеса в условиях
эксплуатации и определение параметров подвеса при этих условиях;
5. Ресурсная наработка комплекта электромагнитного подвеса:
а) при отсутствии вращения;
б) при вращении ротора.
Испытания комплекта по этапам 1 и 2 повторяют работы по снятию характеристик отдельного блока управления и отдельных электромеханических узлов. На третьем этапе работ по сдаче комплекта производится определение одного из главных параметров системы электромагнитного подвеса - жесткости С.
В работе предложено определять жесткость в следующих точках:
1. Статической жесткости подвеса Соi при f = 0 (i = 1 ÷ 5);
-19-
(11)
и ограничении о достаточности жесткости С для центрирования ротора в пределах сигнальных отклонений вала
(12)
определяются основные коэффициенты передачи kР, kδ, kio.
Коэффициенты kfb и параметр Т2 рассчитываются из уравнений, составленных для электрической цепи схемы рис. 6.
Рис. 6. Полная структурная схема канала управления ЭМП ротора компрессора
Для оставшихся параметров структурной схемы рис. 6 автором выведены условия их выбора:
1. Коэффициент динамичности Кдин во всем диапазоне частот не более двух (Кдин < 2);
2. Максимальное управляющее напряжение Uму на обмотках электромагнита (при всех режимах работы) должно быть меньше максимально допустимого напряжения блока Uм, (Uму < Uм).
Расчет для всех параметров канала регулирования считается законченным, если удовлетворяются введенные выше условия.
При отсутствии переменной нагрузки QV отправным пунктом для расчета параметров звеньев канала является определение его жесткости.
-20-
В диссертации определено выражение для расчета минимальной жесткости Сmin:
Сmin = Cb - C0 ≥ CH/2, (13)
где С0 - отрицательная жесткость подвеса,
Сн - жесткость, соответствующая статической нагрузке.
Остальные параметры определяются аналогично случаю действия переменной нагрузки на ротор.
На основании расчетов параметров структурной схемы рис. 6 установлены допустимые одинаковые отклонения параметров основных звеньев канала равные ± 3,3%, обеспечивающие устойчивость работы замкнутого контура канала ЭМП.
Таким образом, определена структурная схема унифицированного канала системы управления ЭМП ротора компрессора ГПА любой мощности, а также решен вопрос методики выбора параметров и их допустимых отклонений.
После изготовления электромагнитного подвеса, состоящего из электромеханических узлов и блока управления, необходимо решить ряд вопросов, связанных с их испытаниями [21, 22].
Учитывая высокие равные допуски в пределах ± 3,3% на параметры датчиков, электромагнитов и электронного блока; обеспечивающие работоспособность подвеса, в работе предложена последовательность проведения приемо-сдаточных испытаний, заключающаяся в проведении испытаний каждого отдельного узла на своем оборудовании, затем в комплекте отдельных узлов в разомкнутой схеме и комплекта в целом.
В результате многочисленных итераций по испытаниям датчиков предложено приемку радиальных и осевых блоков датчиков в условиях серийного производства осуществлять:
а) по допустимой области расположения основной характеристики датчика - зависимости его напряжения Ug от положения ротора х, и
б) по величине основных параметров датчика: крутизне Кд и нулевом сигнале датчика U0.
Для снятия характеристик и определения параметров блоков датчиков в условиях серии разработана документация и изготовлен специальный стенд.
Приемку радиальных и осевых электромагнитов в условиях серии также предложено осуществлять:
а) по допустимой области расположения основной характеристики магнита - зависимости его силы от тока в обмотках зоны, и
б) по величине основных параметров, которые должны укладываться в заданные пределы, установленные на основании допусков.
При этом за основные параметры электромагнита принимаются:
1. Постоянная времени обмоток зоны при центральном положении ротора То;
2. Максимальная грузоподъемность при максимально допустимом токе в его зоне Fмах;
3. Коэффициент перекрестной связи χ (для радиальных подшипников);
-21-
4. Полоса пропускания электромагнита Wп.
Для снятия характеристик радиальных ЭМП и определения их основных параметров в условиях серийного производства разработана документация и изготовлен специальный стенд.
Характеристики и параметры осевого ЭМП определяются аналогично радиальным, но на своём стенде.
Приемку аппаратуры управления ЭМП (после проведения многочисленных итераций по ее испытаниям в условиях серии) предложено осуществлять по допустимой области расположения статических и динамических характеристик блока и величине основных параметров, вытекающих из этих характеристик, укладываемых в допустимые пределы, установленные на основании принятых допусков. Приемка блока при этом осуществляется на эквивалентную нагрузку в виде реального электромагнита или его эквивалента при разомкнутом контуре ЭМП.
Основными статическими параметрами блока приняты:
1. Крутизна силовой характеристики при центральном положении ротора КIi;
2. Токи: а) начальный - Iоi;
б) при номинальной нагрузке - Iнi;
в) максимальный - Iмнi при максимальном отклонении и максимальной нагрузке.
3. Нагрузка Uмgi, при которой блок выдает максимально допустимый ток Iмg.
Основными динамическими параметрами блока приняты:
1. Полоса пропускания каналов блока fпi, в которой он может усиливать передаваемый сигнал;
2. Частота среза каналов fсi, до которой блок создает положительную фазу, т. е. активное демпфирование;
3. Фазовое опережение φij на собственных частотах подвеса и демпфируемых упругих формах (i = 1 ÷ 5, j = 1 ÷ n), где n - количество форм активно демпфируемых подвесом;
4. Максимальная относительная амплитуда тока .
Для проверки основных параметров электронного блока в условиях серийного производства была разработана документация и изготовлена специальная контрольно-проверочная аппаратура, включающая в себя приборы, обеспечивающие измерение токов и снятие амплитудно-частотных характеристик, организовано специализированное рабочее место, на котором производится снятие статических и динамических характеристик блока.
После автономной приемки блоков датчиков, электромагнитов и блока управления на соответствие требуемым параметрам и заполнения паспортов производится проверка и сдача комплекта электромагнитного подвеса на комплексном динамическом приемо-сдаточном стенде (рис. 7), на который может устанавливаться любой ротор компрессоров мощностью от 2,5 до 25 МВт.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям