Исследование влияния конструкции соединительных муфт на динамику роторных систем турбоагрегатов

При создании роторных систем в турбоагрегатах применяются специальные соединительные муфты, соединяющие между собой валы приводящих и приводимых механизмов. Специфика турбоустановок такова, что стыковка их валов при монтаже производится в «холодном» состоянии, а при работе турбоагрегатов в результате нагрева и силовых деформаций корпусов и опор роторов часто происходят значительные относительные радиальные и угловые смещения осей валов. Поэтому соединительные муфты должны не только обеспечить надёжную работу турбоагрегатов в этих условиях, но и не должны приводить к повышению вибраций турбоустановок. Кроме того, в некоторых турбоагрегатах соединительные муфты должны обеспечивать значительные относительные осевые смещения валов, возникающие в результате их тепловых расширений.

Для обеспечения надёжной работы в этих условиях, в зависимости от типов турбоустановок и приводимых агрегатов, конструктивного исполнения, области применения и диапазона работы, в турбостроении нашли применение различные конструкции муфт [1], [22], [41], [51].

По условиям работы применяемые в турбоагрегатах муфты можно разделить на жёсткие и подвижные.

Жёсткие муфты выполняются в виде фланцев, скреплённых призонными болтами. Такая конструкция при небольших габаритах способна выдерживать значительные крутящие моменты.

Жёсткие соединения применяются чаще всего в турбогенераторах, т.к. генератор не содержит упорного подшипника и допускает большие осевые смещения ротора при его тепловом расширении.

При жёстком соединении валов роторная система турбоагрегата превращается в статически неопределимый многоопорный валопровод, поэтому нагрузка на его опоры зависит не только от веса ротора, но и от его жёсткости, податливости опор и фундамента, а также от их нагрева. Перераспределение нагрузок на опорах из-за их смещения может привести к изменению критической скорости составного ротора или возникновению автоколебаний.

Балансировка многоопорного ротора турбоагрегата намного сложнее и менее эффективна, чем валопровода, состоящего из динамически независимых двухоиорных роторов, соединённых подвижными муфтами. Поскольку некоторая расцентровка осей валов при стыковке неизбежна, то в соединении валов с жёсткой муфтой при работе возникают переменные силы и моменты.

Кроме того, опыт турбостроения показывает, что уравновешивание и вибродоводка такого валопровода намного сложнее и менее эффективны, чем отдельных двухопорных роторов [1].

Подвижными называются муфты, допускающие некоторое относительное смещение валов в осевом и радиальном направлениях. Они применяются в турбоагрегатах, в которых ротор приводимого механизма имеет упорный подшипник (например, компрессор или насос) и осевое смещение ротора относительно статора практически невозможно.

Часто подвижные муфты используются как компенсирующие в турбоагрегатах, в которых невозможно сохранить в работе достаточно хорошую соосность валов из-за ограниченной жёсткости фундаментных конструкций (например, в транспортных турбинах), больших усилий, действующих со стороны трубопроводов, или некоторой тепловой несимметрии опор подшипников. Кроме того, подвижные муфты могут снижать степень динамического взаимовлияния валов в роторной системе, приближая конструкцию валопровода к системе, состоящей из динамически независимых двухопорных роторов. В этом случае гораздо проще и точнее становится расчёт критических чисел оборотов роторов и их уравновешивание.

Существует достаточно большое разнообразие конструкций подвижных соединительных муфт, которые применительно к турбинам условно можно разделить на несколько групп по принципу компенсации расцентровок осей валов и обеспечения их взаимных смещений.

1. Упругие муфты. В этих муфтах компенсация расцентровок и обеспечение относительных смещений валов осуществляется только за счёт упругих деформаций элементов соединительной муфты.

2. Муфты со скольжением. В этих муфтах компенсация расцентровок и обеспечение относительных смещений валов осуществляется за счёт относительного скольжения элементов муфты.

3. Смешанные конструкции муфт. В этих муфтах компенсация расцентровок осей и обеспечение относительных смещений валов осуществляется как за счёт упругих деформаций элементов муфты, так и за счёт относительного скольжения. Чаще всего элементы этих муфт имеют высокую податливость только в окружном направлении.

4. Резинопалъцевые муфты. В этих муфтах компенсация расцентровок и обеспечение относительных смещений валов осуществляется за счёт деформации резиновых элементов, обладающих специфическими свойствами. Эти муфты применяются в турбоагрегатах небольшой мощности, и они широко используются в паротурбинных установках в конструкциях конден-сатных, циркуляционных и питательных турбои электронасосов.

Опыт использования подвижных муфт показывает, что из-за отклонений в размерах элементов самих муфт, а также при несоосности осей соединяемых валов в муфтах возникают переменные силы и моменты, которые часто являются причиной повышенных вибраций агрегатов [7, 12, 33]. Механизм возникновения переменных сил и моментов изучен недостаточно, что затрудняет оценку возможного вибрационного состояния турбоагрегата на стадии проектирования.

Целью данной работы является исследование механизма возникновения переменных сил и моментов в соединении подвижных муфт турбомашин и выработка предложений для их снижения.

ГЛАВА 9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Из проведённых исследований и опыта эксплуатации турбоагрегатов следует, что при их работе наблюдаются значительные расцентровки валов, вызываемые тепловыми и силовыми деформациями. Однако расцен-тровка осей валов не всегда приводит к возникновению переменных сил и моментов в месте соединения роторов турбомашин. Это зависит от конструкции соединительной муфты.

1. При жёстком соединении валов (например, в турбогенераторах) образуется многоопорный составной ротор, инерционно-жесткостные характеристики которого зависят от взаимного положения его опор.

Переменные силы и моменты в месте стыковки валов зависят от точности взаимного расположения осей (смещение и излом) при монтаже и от инерционно-жесткостных характеристик роторов турбины и генератора. При возможном относительном смещении опор ротора при работе (рас-центровка), переменные силы и моменты будут изменяться в такой степени, в какой изменятся его инерционно-жесткостные характеристики. Существующие методики позволяют рассчитать вынужденные колебания роторов турбоагрегатов при заданных точности стыковки валов и инерционно-жесткостных характеристиках роторов.

2. Применение для соединения роторов турбомашин чисто упругой муфты, вставки с малой жёсткостью по сравнению с жёсткостью валов, практически исключает образование переменных сил и моментов в соединении при изменении расцентровки осей валов. Степень взаимовлияния роторов турбоагрегата определятся только жёсткостью соединительной муфты.

Трудность создания муфты с малой жёсткостью состоит в преодолении противоречивых требований: высокая деформативность при достаточной прочности. Наиболее перспективной, по-видимому, является упругая муфта конструкции Калужского турбинного завода (рис. 4), в которой упругие диски выполнены в виде набора тонких пластин. Имеющиеся методики позволяют рассчитать жёсткость муфты и напряжения при заданной расцен-тровке осей.

Опыт показывает, что варьируя диаметр муфты, длину промежуточного вала, толщину и количество пластин в диске, можно подобрать конструктивные параметры, обеспечивающие необходимую жёсткость муфты и достаточную прочность при заданной расцентровке осей.

3. При соединении валов зубчатой муфтой (рис. 5) необходимо, чтобы при имеющейся расцентровке осей, в работе обеспечивалась её подвижность, т. е. происходил непрерывный относительный разворот венцов в зубчатом шарнире. В этом случае переменные силы и моменты в соединении будут отсутствовать.

Но поскольку развороту венцов препятствуют моменты трения, то имеется диапазон расцентровок осей валов (0 < А < Ак), при котором изгибающие моменты в местах расположения зубчатых венцов меньше моментов трения. При этом муфта теряет подвижность и работает как жёсткое соединение валов.

Для обеспечения подвижности муфты в рабочем диапазоне необходимо, чтобы были выполнены условия (1.1), связывающие жёсткость валов, момент трения в зубьях и расцентровку осей.

Имеющиеся разработанные расчётные зависимости позволяют рассчитать постоянные силы и моменты, возникающие в подвижном соединении в условиях расцентровки осей, и оценить степень их влияния на инерцион-но-жесткостные характеристики роторной системы.

4. При соединении валов пластинчатой муфтой с упругими пакетами пластин (рис. 9, 10,11), при расцентровке осей валов, в работе, кроме деформации пакетов пластин в окружном направлении, должно происходить их относительное скольжение в осевом и радиальном направлениях. Только в этом случае муфта обеспечит необходимую подвижность. Скольжение будет происходить только тогда, когда изгибающие моменты и перерезывающие силы в месте расположения муфты будут больше сил и моментов трения в муфте.

Следовательно, так же, как и в зубчатых муфтах, имеется диапазон рас-центровок осей валов, в котором муфта лишена подвижности и работает как жёсткое соединение.

Разработаны условия (2.22), (2.23), связывающие жёсткости валов, силы и моменты трения и заданные расцентровки, выполнение которых обеспечивает необходимую подвижность муфты при работе.

Исследования показывают, что даже когда подвижность муфты обеспечена, в ней при расцентровке осей валов возникают переменные силы и моменты из-за различной жёсткости пакета пластин при статическом и динамическом (быстром) его деформировании. Эти свойства пакета пластин объясняются силами трения между пластинами в пакете. Различие жёстко-стей подтверждено экспериментальной проверкой. При работе муфты в условиях расцентровки осей, пакеты пластин испытывают оба вида деформирования: статическое и изменяющееся с частотой вращения вала.

Кроме того, из-за наличия сил трения между пакетами и кулачками при скольжении, возникают переменные силы и моменты с пакетной частотой (иг).

Выведенные зависимости (2.9)-(2.21) позволяют рассчитать уровни сил и моментов, действующих на полумуфты при заданной расцентровке осей абсолютно жёстких валов. Показано, что можно практически исключить переменные силы и моменты, отказавшись от выполнения упругих элементов в виде пакетов пластин, заменив их отдельными пластинами в отдельных пазах. При этом, из-за увеличения площади контакта, уменьшится удельное давление на кулачках и повысится износостойкость контактирующих поверхностей.

5. При соединении валов резинопалъцевой муфтой (рис. 25), из-за расцентровки осей валов происходит, кроме статического, ещё и периодическое деформирование резиновых втулок с частотой вращения валов.

В результате исследований сил и моментов, возникающих при соединении муфтой абсолютно жёстких валов, получены простые зависимости, из которых видно, что при расцентровке осей в этом соединении всегда будут иметь место переменные силы и моменты из-за специфических свойств резины: сильного различия между статической и динамической жёсткостями. Общее снижение жёсткости резиновых втулок уменьшает уровни возникающих сил и моментов.

Выведены все необходимые зависимости для расчёта вынужденных колебаний роторов турбомашин с реальными инерционно-жесткостными характеристиками, при расцентровках осей валов.

Разработаны алгоритмы и программы расчёта на ЭВМ.

6. На специально созданной установке проведено экспериментальное определение характеристик резиновых элементов турбинной муфты во всех трёх направлениях деформации. Определены:

— статические жёсткости;

— динамические жёсткости;

— коэффициенты демпфирования.

Такие же характеристики измерены для пакетов пластин, применяемых в пластинчатой муфте.

7. С использованием полученных характеристик, в качестве примера произведён расчёт колебаний расцентрованных валов с резинопальцевой муфтой и показано влияние ужесточения муфты.