ОСОБЕННОСТИ  И  ОПЫТ  ПРИМЕНЕНИЯ  ЭЛЕКРОМАГНИТНЫХ  ПОДШИПНИКОВ  В  ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕЙ  ОТРАСЛИ

Кужанбаев  Рустам  Тауфихович

студент  5  курса,  эксплуатации  авиационной  техники  СГАУ,  РФ,  г.  Самара

E-mail: 

Киселев  ДенисЮрьевич

научный  руководитель,  канд.  тех.  наук,  доцент  СГАУ,  РФ,  г.  Самара

Обосновывается  целесообразность  использования  ЭМП  вместо  традиционных  подшипниковых  узлов  в  газотранспортном  секторе.  Рассматриваются  вопросы,  связанные  с  особенностями  проектирования  конструкции,  испытаний  и  опытом  внедрения  электромагнитных  подшипников  (ЭМП)  в  газовые  компрессоры.  Предложена  унифицированная  конструкция  электромагнитных  опор  для  газовых  компрессоров.

Введение

Основным  элементом  многих  машин  является  ротор,  вращающийся  в  подшипниковых  опорах.  Рост  скоростей  вращения  и  мощностей  роторных  машин  при  одновременной  тенденции  к  уменьшению  массовых  и  габаритных  показателей  выдвигает  проблему  повышения  долговечности  подшипниковых  узлов  как  первоочередную.  Кроме  того,  в  целом  ряде  областей  современной  техники  требуются  подшипники,  способные  надежно  работать  в  экстремальных  условиях:  в  вакууме,  при  высоких  и  низких  температурах,  сверхчистых  технологиях,  в  агрессивных  средах  и  т.  п.  Создание  таких  подшипников  также  является  актуальной  технической  проблемой.

Решение  указанных  проблем  может  осуществляться  как  совершенствованием  традиционных  подшипников  качения  и  скольжения,  так  и  созданием  нетрадиционных  подшипников,  в  которых  используются  иные  физические  принципы  действия.  Традиционные  подшипники  качения  и  скольжения  (жидкостные  и  газовые)  к  настоящему  времени  достигли  высокого  технического  уровня.  Однако  природа  протекающих  в  них  процессов  ограничивает,  а  иногда  делает  принципиально  невозможным  применение  этих  подшипников  для  достижения  указанных  выше  целей.  Так,  существенными  недостатками  подшипников  качения  являются  наличие  механического  контакта  между  подвижными  и  неподвижными  частями  и  необходимость  в  смазке  дорожек  качения.  В  подшипниках  скольжения  механический  контакт  отсутствует,  но  необходимы  система  подачи  смазочного  материала  для  создания  смазочного  слоя  и  герметизация  этого  слоя.  Очевидно,  что  совершенствование  узлов  герметизации  может  лишь  уменьшить,  но  не  полностью  устранить  взаимное  проникновение  смазочного  материала  и  внешней  среды.  От  указанных  недостатков  свободны  подшипники,  в  которых  для  создания  опорных  реакций  используются  магнитные  и  электрические  поля.  Среди  них  наибольший  практический  интерес  представляют  электромагнитные  подшипники  (ЭМП).  Работа  ЭМП  основана  на  известном  принципе  активного  магнитного  подвеса  ферромагнитного  тела:  стабилизация  тела  в  заданном  положении  осуществляется  силами  магнитного  притяжения,  действующими  на  тело  со  стороны  управляемых  электромагнитов.  Токи  в  обмотках  электромагнитов  формируются  при  помощи  системы  автоматического  управления,  состоящей  из  датчиков  перемещений  тела,  электронного  регулятора  и  усилителей  мощности,  питающихся  от  внешнего  источника  электрической  энергии.

Особенности  создания  ЭМП  для  серии  компрессоров  ГПА

НПП  ВНИИЭМ  начал  разработку  машин  с  электромагнитным  подвесом  ротора  [3]  в  60-х  годах  прошлого  века  для  нужд  космической  техники.  Для  обеспечения  длительной  высокоточной  ориентации  космических  аппаратов  в  условиях  многолетней  эксплуатации  орбитальных  объектов,  а  также  из-за  трудностей  и  высокой  стоимости  доставки  реактивного  топлива  для  традиционных  двигателей  ориентации,  были  созданы  уникальные  электромеханические  исполнительные  устройства  с  электромагнитными  подшипниками.

Первой  роторной  машиной  стал  шаровой  двигатель-маховик  с  магнитным  подвесом  ротора,  предназначенный  для  управления  трёхосной  ориентацией  спутников  серии  «Алмаз».  Ротор  двигателя  представлял  собой  шар,  вращающийся  в  магнитном  поле  в  трёх  плоскостях  и  с  различной  скоростью,  в  зависимости  от  программы  управления  ориентацией.  Позднее,  для  ориентации  и  стабилизации  орбитального  комплекса  «Мир»  был  создан  высокоскоростной  силовой  гироскоп-гиродин  с  ротором  на  электромагнитных  подшипниках.  Система,  состоявшая  из  12-ти  гиродинов,  проработала  на  ОК  «Мир»  около  15-ти  лет.  Общая  наработка  машин  с  магнитным  подвесом  для  космических  аппаратов  составила  около  3-х  млн.  часов.

С  середины  80-х  годов  в  НПП  ВНИИЭМ  в  рамках  конверсии  были  разработаны  и  изготовлены  электромагнитные  подшипники  для  химической  и  газовой  промышленностей  и  машиностроения.  В  это  время  был  получен  богатый  опыт  создания  магнитных  подшипников  для  роторных  машин  различной  мощности  с  различными  массами  и  скоростями  вращения  ротора,  а  также  для  турбодетандеров.

Опыт  разработки,  испытаний  и  эксплуатации  первого  отечественного  компрессора  с  ЭМП  для  агрегата  ГПА-Ц-16,  а  также  расчеты,  проведенные  для  ЭМП  компрессоров  мощностью  2,5—25  МВт,  показали,  что  [1]:

·     изгибные  формы  колебаний  ротора  компрессора  оказывают  сильное  влияние  на  работоспособность  системы  подвеса  и  могут  приводить  к  возбуждению  системы  управления  ЭМП;

·     конструкция  узлов  ЭМП  должна  давать  возможность  снижать  влияние  изгибных  форм  на  работу  подвеса;

·     конструкция  узлов  ЭМП  должна  допускать  быструю  и  многократную  сборку,  разборку  и  замену  узлов  ЭМП  в  условиях  компрессорной  станции  (КС).

Для  уменьшения  влияния  изгибных  форм  ротора  на  работу  компрессора  было  предложено  в  сочетании  с  электронным  демпфированием  применить  механический  способ,  создав  новую  конструкцию  магнитной  опоры.

При  этом  способе:

·     при  установке  радиальных  датчиков  положения  ротора  магнитного  подвеса  в  узлах  или  вблизи  узлов  изгибных  форм  ротора  амплитуда  колебаний  этих  форм  либо  равна  нулю,  либо  имеет  малую  величину;

·     при  работе  регулятора  блока  управления  ЭМП  в  области  частот  изгибных  форм  колебаний  ротора  различное  взаимное  расположение  радиальных  датчиков  подвеса  и  электромагнитов  относительно  узлов  изгибных  форм  по-разному  сказывается  на  устойчивости  подвеса.

Чем  ближе  радиальный  датчик  к  узлу,  тем  меньше  коэффициент  возбудимости  конкретной  формы  под  датчиком,  и  естественно,  смещение  ротора  в  магнитном  подвесе  от  этой  изгибной  формы.

В  предлагаемой  новой  конструкции  электромагнитной  опоры  для  уменьшения  влияния  изгибных  форм  вводятся  дополнительные  радиальные  датчики,  каждый  из  которых  устанавливается  в  узле  или  вблизи  первых  трех  форм  изгибных  колебаний  ротора.

Радиальные  датчики  положения  ротора  ЭМП  размещают  не  рядом  друг  с  другом,  а  чередуя  их  между  осевым  и  радиальным  электромагнитом  для  возможности  создания  различного  взаимного  расположения  между  радиальным  электромагнитом  и  датчиками  ЭМП  вдоль  узлов  изгибных  форм.  Конструкция  такой  опоры  [2]  со  стороны  свободного  конца  вала  компрессора  представлена  на  рис.  1.  На  валу  ротора  компрессора  устанавливаются  три  ротора  1  для  датчиков  положения.  Осевые  датчики,  установленные  во  втулке  2,  работают  с  поверхностями  выступов  3,  а  радиальные  с  поверхностями  4.  Выполнение  магнитной  опоры  с  двумя  или  тремя  роторами  датчиков  и  различным  взаимным  расположением  относительно  электромагнитов  подвеса  позволяет  обеспечить  сопряжение  радиальных  датчиков  с  тем  из  роторов,  в  месте  расположения  которого  автоколебания  в  подвесе  меньше,  чем  в  местах  установки  других  датчиков.  Блок  радиальных  датчиков  устанавливается  в  необходимое  место,  что  сохраняет  унификацию  радиальных  каналов  ЭМП  и  блоки  управления  в  целом,  и  является  важным  требованием  для  аппаратуры  газовых  КС.  Расположение  подвижных  осевых  датчиков  в  независимой  втулке  на  доступном  для  работы  краю  опоры  позволяет  производить  регулировку  осевых  датчиков  даже  при  взвешенном  роторе.

Предлагаемая  конструкция  для  серии  компрессоров  ГПА  является  унифицированной  для  компрессоров  различной  мощности  и  допускает  быструю  и  многократную  сборку  и  разборку  ЭМП.

Рисунок  1.  Магнитная  опора  для  агрегата

Список  литературы:

1.Магнитный  подвес  для  гибких  роторов  компрессоров  /В.П.  Верещагин,  А.П.  Сарычев  //  Газовая  промышленность.  М.,  —  2000.  —  №  2.  —  С.  5—53.

2.Магнитная  опора  компрессора:  пат.  2251033  Рос.  Федерация:  МПК7  F  16  C  32/04  /  Будзуляк  Б.В.,  Вейнберг  Д.М.,  Верещагин  В.П.  [и  др.];  заявитель  и  патентообладатель  ФГУП  «НПП  ВНИИЭМ».  №  2003119193/11;  заявл.  30.06.2003;  опубл.  27.04.2005.

3.Устройство  и  принцип  действия  электромагнитных  подшипников.  Журин  А.Г.  СПб.:  ФГУП  «НПП  ВНИИЭМ»,  2007.  —С.  5—6,  12—14.