Расчетно-экспериментальный анализ собственных и критических частот и форм высокооборотного ротора микрогазотурбинной установки

Наталья Сергеевна Пирогова, Павел Александрович Тараненко

Аннотация


Микрогазотурбинная энергоустановка (МГТУ) предназначена для выработки и децентрализованного снабжения внешних потребителей электрической энергией с номинальной мощностью 100 кВт и тепловой 200 кВт. Ответственной частью МГТУ является ротор, рабочая частота вращения которого составляет 65 000 мин–1. Он состоит из двух подсистем – ротора турбокомпрессора (ТК) и ротора стартер-генератора (СГ), соединенных упругой связью. Одним из требований, предъявляемых к конструкции ротора, является отсутствие его критических частот в диапазоне ± 30 % от рабочей частоты вращения. Статья посвящена анализу собственных и критических частот и форм ротора микрогазотурбинной установки. Собственные частоты ротора МГТУ оценены как для системы в целом, так и для каждой из двух подсистем отдельно. Для ротора ТК такая оценка получена методом конечных элементов. Собственные частоты и формы стартер-генератора вследствие сложности его конструкции определены расчетным и подтверждены экспериментальным путем с применением технологии LMS модального анализа. Проведено исследование собственных частот ротора МГТУ в зависимости от жесткостей подшипниковых опор и установлен допустимый диапазон последних. Решение задачи об определении критических частот ротора МГТУ выполнено расчетным путем в два этапа. На первом, с целью верификации алгоритма определения критических частот в пакете Ansys Workbench решена известная тестовая задача. На втором этапе выполнен расчет критических частот трехмерной модели ротора МГТУ методом конечных элементов. На основании результатов выполненных расчетов даны рекомендации относительно конструкции элементов ротора, позволяющие увести его критические частоты из недопустимой области.

Ключевые слова


микрогазотурбинная установка; ротор; собственная частота; собственная форма; критическая частота; жесткость опор; метод конечных элементов; диаграмма Кэмпбелла

Полный текст:

PDF

Литература


Lee Y.-B., Cho S.-B., Kim T.-Y., Kim C.H., Kim T.H. Rotordynamic performance measurement of an oil-free turbo-compressor supported on gas foil bearings. The 8th IFToMM International Confe-

rence on Rotor Dynamics (September 12–15, 2010, Korea), 2010, pp. 420–426.

Kim K.-S., Cho B.-C., Kim M.-H. Rotordynamic characteristics of 65kw micro turbine with compliant air foil bearings. The 8th IFToMM International Conference on Rotor Dynamics (September 12-15, 2010, Korea), 2010, pp. 799–803.

Kheylen V., Lammens P., Sas P. Modal'nyy analiz: teoriya i ispytaniya [Modal analysis: theory and testing]. Moscow, Novatest Publ., 2010. 319 p.

Bidermam V.L. Teoriya mekhanicheskikh kolebaniy [Theory of mechanical oscillations]. Moscow, 1980. 408 p.

Normy prochnosti aviatsionnykh gazoturbinnykh dvigateley grazhdanskoy aviatsii [Standart on strength of gas-turbine propulsion in aviation]. Moscow, CIAM Publ., 2004. 408 p.

Ponomarev B.A., Gavrilov V.V. [Problems of making auxiliary gas turbine engines with gas bearing rotors]. Bulletin of the Samara State Aerospace University, 2009, № 1 (17), pp. 41–45. (in Russ.)

Temis Yu.M., Temis M.Yu., Egorov A.M., Gavrilov V.V., Ogorodov V.N. [Rotor in gas bearings dynamics experiment-calculated investigation]. Bulletin of the Samara State Aerospace University,

, № 3 (27), part 1, pp. 174–182. (in Russ.)

Kostyuk A.G. Dinamika i prochnost' turbomashin [Dynamics and strength of turbomachines]. Moscow, CIAM Publ., 2004. 408 p.

Khronin D.V. Teoriya i raschet kolebaniy v dvigatelyakh letatel'nykh apparatov [Theory and calculation of oscillations in engines flight vehicles]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1970. 412 p.

Den-Gartog Dzh.P. Mekhanicheskie kolebaniya [Mechanical oscillations]. Moscow, Gosudarstvennoe izdatel'stvo fiziko-matematicheskoy literatury Publ., 1960. 580 p.

Kel'zon A.S., Tsimanskiy Yu.P., Yakovlev V.I. Dinamika rotorov v uprugikh oporakh [Dynamics of rotors in the elastic supports]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 280 p.

Muszynska A. Rotordynamics. Boca Raton, CRC Press, 2005. 1075 p.

Krylov V.I. Priblizhennoe vychislenie integralov [An approximate calculation of integrals].

Moscow, Nauka Publ., 1967. 500 p.

Nazarenko Yu.B., Potapov A.Yu. [Removal of critical speeds of rotors of gas turbine engines by regulating bearing stiffness.]. Engine, 2014, № 1 (91), pp. 14–16. (in Russ.)

Hsiao-Wei D. Chiang, Chih-Neng Hsu, Wes Jeng, Shun-Hsu Tu, Wei-Chen Li. A Microturbine Rotor-Bearing System Analysis. ASME Turbo Expo 2002: Power for Land, Sea, and Air. Vol. 4: Turbo Expo 2002, Parts A and B. Amsterdam, The Netherlands, 2002, June 3–6.

Do-Kwan Hong, Daesuk Joo, Byung-Chul Woo, Yeon-Ho Jeong, Dae-Hyun Koo, Chan-Woo Ahn, Yun-Hyun Cho. Performance verification of a high speed motor-generator for a microturbine gene-

rator. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, July 2013, vol. 14, iss. 7, pp. 1237–1244.

Waumans T., Vleugels P., Peirs J., Al-Bender F., Reynaerts D. Rotordynamic behaviour of a micro-turbine rotor on air bearings: modelling techniques and experimental verification. International

Conference on Noise and Vibration Engineering. Leuven, Belgium, 2006, vol. 1, pp. 181–198.

SongJu-ho, Kim Daejong. Bump-Type Foil Bearing. Structural Stiffness: Experiments and Predictions. Journal of Tribology, July 2007, pp. 628–639. DOI: 10.1115/1.2736455

Roger Ku C.-P., Heshmat H. Compliant Foil Bearing Structural Stiffness Analysis. Part I: Theoretical Model Including Strip and Variable Bump Foil Geometry. Journal of Tribology, April 1992,

pp. 394–400.

Roger Ku C.-P., Heshmat H. Compliant Foil Bearing Structural Stiffness Analysis. Part II: Experimental Investigation. Journal of Tribology, July 1993, pp. 364–369.

Kyuho Sim, Lee Yong-Bok, Tae Ho Kim. Rotordynamic Performance of Shimmed Gas Foil Bearings for Oil-Free Turbochargers. Journal of Tribology, July 2012. p. 11. DOI: 10.1115/1.4005892


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.