Разработка и апробация комплексных методов вибрационного исследования и диагностики центробежных нагнетателей природного газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Олейников, Алексей Владимирович

• Олейников, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Олейников, Алексей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие причины низкой вибрационной надежности ЦНПГ.

1.2. Типы и конструкции различных подшипников турбомашин.

1.3. Влияние различных типов и конструкций подшипников на колебания турбомашин.

1.4. Техническая диагностика.

1.4.1. Диагностика ГПА по термогазодинамическим параметрам.

1.4.2. Виброакустическая диагностика.

1.4. Выводы и постановка задач исследования.

2. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ И ВИБРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ «РОТОР - ОПОРЫ» ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ ПРИРОДНОГО ГАЗА.

2.1. Расчетные исследования и анализ полученных результатов.

2.1.1. Общие положения.

2.1.2. Результаты расчета для подшипника с цилиндрической расточкой вкладыша.

2.1.3. Результаты расчета для подшипника с лимонной расточкой вкладыша.

2.1.4. Результаты расчета для подшипника с лимонной расточкой и смещенной верхней половиной вкладыша относительно нижней.

2.1.5. Результаты расчета для сегментного подшипника с зазором 5=0,09 мм.

2.1.6. Результаты расчета для сегментного подшипника с зазором 5=0,05 мм.

2.1.7. Анализ результатов расчета, полученных для различных типов подшипников.

2.2. Влияние демпфирования на характеристики системы «ротор-опоры»

2.3. Рекомендации по выбору конструкции подшипников для ЦНПГ на основе полученных результатов.

2.4. Выводы.

3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ НАГНЕТАТЕЛЯ НЦВ - 6,3/67К-2,2.

3.1. Расчет собственных частот и форм колебаний ротора нагнетателя НЦВ- 6,3/67К-2,2.

3.2. Расчетное исследование вынужденных колебаний ротора нагнетателя НЦВ- 6,3/67К-2,2.

3.3. Исследование динамических характеристик ротора нагнетателя в условиях разгонно-балансировочного стенда.

3.3.1. Результаты контрольного осмотра и контрольных замеров испытуемого ротора нагнетателя.

3.3.2. Исследование динамики ротора на РБС.

3.4. Потеря устойчивости и явление НЧВ в процессе эксплуатации нагнетателя.

3.5. Учет факторов, влияющих на собственные частоты системы «ротор-опоры».

3.6. Выводы.Ill

4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ ПРИРОДНОГО ГАЗА.

4.1. Общие положения.

4.2. Методы контроля вибрации вала центробежных нагнетателей природного газа.

4.3. Метод контроля состояния подшипников скольжения ЦНПГ по маятниковым колебаниям.

4.4. Метод контроля состояния подшипников скольжения центробежных нагнетателей природного газа по расслоению частот при прохождении резонансов системы «ротор-опоры».

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и апробация комплексных методов вибрационного исследования и диагностики центробежных нагнетателей природного газа»

В условиях эксплуатации и широкого диапазона изменения режимов работы ГПА на первый план выходят задачи предотвращения аварий, связанных с отказом отдельных элементов и узлов ГПА, и обеспечения вибрационного состояния агрегата, позволяющего наделено эксплуатировать агрегат во всем диапазоне рабочих режимов.

Решение указанных задач возможно только при условии расширения набора теоретически обоснованных, подтвержденных методами расчетного моделирования и прошедших опытную проверку в условиях эксплуатации диагностических признаков, дальнейшего совершенствования методов и средств диагностики, позволяющих организовать обслуживание и ремонт оборудования по техническому состоянию.

Надежность ГПА в целом в значительной степени определяется вибрационной надежностью, которая обеспечивается комплексом конструктивных решений, технологических приемов, методов теоретических, расчетных и экспериментальных исследований, используемых в процессе проектирования, создания и доводки агрегатов в эксплуатации. Среди них в первую очередь следует выделить:

1. Правильный учет упруго-массовых и демпфирующих характеристик элементов системы «ротор-опоры-корпус-фундамент» и правильную оценку их влияния на динамические характеристики агрегатов.

2. Обоснованный с точки зрения надежности, экономичности и ремонтопригодности выбор конструкции и параметров подшипников.

3. Обеспечение требуемого качества сборки роторов и их балансировки, с использованием соответствующих балансировочных методов, средств и норм на балансировку.

4. Использование методов анализа и расчетного моделирования, позволяющих предсказать особенности динамики агрегатов на этапе проектирования, подтвердить и объяснить динамические явления, снижающие вибрационную надежность агрегатов и выявить возможные направления решения проблем, наметить целесообразные мероприятия, направленные на устранение дефектов, разработать новые подходы в вопросах диагностирования агрегатов.

Цель работы заключается: в совершенствовании выбора типов и параметров используемых опорных подшипников ЦНПГ на основе современных методов, средств, аналитических и расчетных подходов, которые позволяют в полной мере учесть влияние свойств опорной системы на вибрационные характеристики агрегатов, а также разработать на основе полученных результатов исследования обоснованных методов диагностирования технического состояния опорных подшипников и тем самым обеспечить вибрационную надежность агрегатов в эксплуатации.

В качестве базового агрегата, для которого выполнена основная часть экспериментальных и расчетных исследований, выбран нагнетатель НЦВ-6,3/67К-2,2, имеющий в эксплуатации ряд проблем в области вибрационной надежности.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые: на основе численного моделирования подробно исследованы динамические характеристики подшипников скольжения и свойства системы «ротор-опоры» с учетом специфики конструкторских решений, используемых при создании ЦНПГ; показано, что, вопреки сложившемуся мнению, сегментные подшипники обладают большей демпфирующей способностью по сравнению с втулочными подшипниками скольжения; изучен вопрос влияния демпфирования в опорах на собственные частоты системы «ротор-опоры»; на основе полученных результатов показано ужесточающее воздействие демпфирования, сопровождающееся повышением собственных частот изгибных форм колебаний вала и соответствующим ростом упругих прогибов; исследовано и показано влияние уплотнений «масло-газ» на динамические характеристики системы «ротор-опоры» ЦНПГ; исследованы и установлены причины повышенного уровня вибрации роторов нагнетателей типа НЦВ-6,3/67К-2,2, вызванные как техническим состоянием роторов и подшипников, так и амплитудно-частотными характеристиками самого нагнетателя и предложены мероприятия, обеспечивающие повышение его надежности в условиях эксплуатации; численно смоделированы, обоснованы и предложены в качестве диагностических признаков технического состояния опорных подшипников скольжения характерные изменения параметров вынужденных и собственных колебаний системы «ротор-опоры».

Использование:

На основе полученных результатов разработаны мероприятия по повышению вибрационной надежности ЦНПГ с гидродинамическими подшипниками, в том числе и на предприятии ОАО «Газпром добыча Оренбург».

Апробирование: Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на научно-технических семинарах кафедры «Турбины и двигатели», конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2005, 2006), на V Международном научно-техническом совещании "Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций" (Москва, ВТИ, 2007), на V Международной научно-технической конференции «Совершенствование оборудования ТЭС, внедрение систем сервисного обслуживания, диагностирования и ремонта» (Екатеринбург, 2007).

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Олейников, Алексей Владимирович

4.5. Выводы

На конкретном примере показана возможность подключения переносной диагностической аппаратуры к штатной системе контроля вибрации, даже в том случае, когда штатная измерительная аппаратура не имеет возможности штатного подключения переносных виброизмерительных приборов.

Разработаны методики определения состояния подшипников скольжения. Первая методика основана на использовании изменения частоты маятниковых колебаний, которая непосредственно зависит от величины радиального зазора в подшипниках. Вторая методика основана на использовании АЧХ ротора, по которым в зависимости от типа подшипника также можно определить их износ. Проработаны вопросы, связанные с практической реализацией предлагаемой методики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Спланировано и проведено численное моделирование различных типов подшипников скольжения с учетом теплового состояния для определения их динамических коэффициентов жесткости и демпфирования.

2. Показано, что коэффициенты жесткости у сегментных подшипников практически не отличаются от других типов подшипников скольжения, а коэффициенты демпфирования, напротив, гораздо больше по отношению к втулочным подшипникам. Выявленные особенности позволили опровергнуть ранее существовавшее мнение о чрезмерной жесткости сегментных подшипников, которые являются причиной более высокой оборотной вибрации по сравнению с втулочными подшипниками.

3. Проведен вычислительный эксперимент по исследованию влияния коэффициентов демпфирования на величину собственных частот системы «ротор-опоры» при изменении коэффициентов жесткости подшипника от абсолютно податливых опор до абсолютно жестких.

4. Проведен вычислительный эксперимент по уточнению собственных частот системы «ротор-опоры» для ротора ЦНПГ с учетом коэффициентов демпфирования и концевых кольцевых уплотнений ротора. Исходя из полученных результатов, сделаны выводы о необходимости учета коэффициентов демпфирования и концевых кольцевых уплотнений, при расчете динамических характеристик системы «ротор-опоры».

5. Спланировано и проведено экспериментальное исследование динамических характеристик ротора в условиях РБС. По результатам исследования выявлена одна из причин неудовлетворительной работы ЦНПГ, а именно срыв ротора в НЧВ по причине повышенных зазоров в подшипнике.

6. По результатам расчетов динамических характеристик подшипников и АЧХ ротора было предложено использовать последние для анализа состояния подшипников скольжения. Методика основана на изменении АЧХ ротора при изменении диаметрального зазора в подшипниках скольжения.

7. Предложено использовать маятниковые колебания для анализа состояния подшипников скольжения. Методика основывается на зависимости частоты маятниковых колебаний от диаметрального зазора в подшипниках скольжения.

8. Предложена схема подключения диагностического оборудования к штатной системе контроля уровня вибрации для получения более полной диагностической информации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Олейников, Алексей Владимирович, 2009 год

1. Агрегаты паротурбинные и газотурбинные. Расчёт критических частот валопровода. РТМ 108.020.21-83. Л.: НПО ЦКТИ, 1984. - 28 с.

2. Ахмедзянов A.M., Дубравский Н.Г., Тунаков А.П. Диагностика состояния ВРД по термогазодинамическим параметрам. М.: Машиностроение, 1983.-206 е., ил.

3. Аппаратура контроля относительных перемещений СВКА 1-02.06/ Руководство по эксплуатации/ 2006г, 149с.

4. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. - 625 с.

5. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: СПб.: Изд. Центр СПбГМТУ, 2000,169 с.

6. Богданов О.И., Дьяченко С.К. Расчет опор скольжения. К.: Техн1ка, 1966.

7. Бондаренко Г.А., Крившич Н.Г., Петров В.В., Стеценко А.А. Вибрации центробежных нагнетателей природного газа. Нормы и методика оценки вибрационного состояния. Обзорная информация ЦИНТИ химнефтемаша-М.: 1990

8. Брановский М.А., Лисицын И.С., Сивков А.П. Исследование и устранение вибрации турбоагрегатов. М.: Энергия, 1969. — 132 с.

9. Васильев В.И., Гусев Ю.М., Иванов А.И., Семеран В.А., Сиротин С.А. Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1989. -240с.: ил. ISBN 5-217-00528-9.

10. Васильев Ю.Н., Бесклетный М.Е., Игуменцев Е.А. и др. Вибрационный контроль технического состояния газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. -М.: Недра, 1987, 197 с.

11. Вибрации в технике: Справочник: В 6-ти т. Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. М.: Машиностроение, 1980. 544 е., ил.

12. Воскресенский В.А., Дьяков В.И. Расчет и проектирование опор скольжения (жидкостная смазка): Справочник. М.: Машиностроение, 1980. - 224 е., ил. (Б-ка конструктора)

13. Гаевик Д.Т. Подшипниковые опоры современных машин. М.: Машиностроение, 1985. — 248 е., ил.

14. Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 2000. -344 с.

15. ГОСТ 22061-76 Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки. Основные положения. — Введ. 01-071977. - М.: Изд-во стандартов, (переиздан) 1993 г. - 134с. — УДК 62-251755.001.24:006.354,- Группа Г02.

16. ГОСТ 27870-88. Вибрация. Оценка качества балансировки гибких роторов. М.: 1988.

17. ГОСТ ИСО 11342-95. Вибрация. Методы и критерии балансировки гибких роторов. Минск: 1995.

18. ГОСТ ИСО 10816 1 - 97. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. - Общие требования. - Введ. 01-07-1999. - Минск: ИПК Изд-во стандартов, 1998.12 с.

19. Гуров А.Ф. Совместные колебания в газотурбинных двигателях. М.: Оборонгиз, 1962. - 141 с.

20. Данилейко В.И, Довженко В.Н, Карпенко С.И, Роговой Е.Д, Парафейник В.П. Особенности конструкции центробеленых компрессоров Сумского НПО им. М.В. Фрунзе// Газотурбинные технологии. 2004. - №3. - 18 -21с.

21. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Л.: Машиностроение (Ленингр. отделение) 1973, 272с.

22. Ден Гартог Дж. П. Механические колебания. — Пер. с 4-го америк. изд. -М.:Физматгиз, 1960. 580 с.

23. Диментберг Ф.М. Изгибные колебания вращающихся валов. М.: Издательство академии наук СССР, 1959. - 248 с.

24. Доброхотов В.Д., Клубничкин А.К. Влияние некоторых геометрических факторов на усилия, действующие на ротор центробежного нагнетателя // Энергомашиностроение.- 1966,-№9,-С. 16-19.

25. Жуков С.В. Разработка и совершенствование методов балансировки гибких роторов турбомашин: дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. -УГТУ-УПИ, 2004. 164 с.

26. Зарицкий С.П. Диагностика газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом Текст. -М.: Недра, 1987. 198 с.

27. Иориш ГО.И. Виброметрия: Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963. — 772 с.

28. Иванов В.А., Рафиков Л.Г.Эксплуатация газокомпрессорного оборудования компрессорных станций. М.: Недра, 1992. — 237с.

29. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Транспорт, 1980. - 248 с.

30. Клейман Л.И. Опыт применения подшипников с сегментными вкладышами в горизонтальных электрических машинах // Вестник машиностроения 1959 - №7 - С. 17-20.

31. Ковалев И.А., Кальменс В.Я., Витахова Г.С. Устойчивость ротора мощного турбоагрегата в подшипниках с подвижными сегментами под действием сил, действующих в проточной части // Энергомашиностроение.- 1975,-№8.- С. 11-13.

32. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2000. - 480 с.

33. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Нефть и газ, 1999. - 463 с. ISBN 5 - 7246 - 0055 - 2.

34. Кравчук В.В. Диагностика роторов турбокомпрессора газоперекачивающего агрегата ГТН — 16// Научные труды I отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ УПИ, сборник тезисов. 4.1. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 399с.

35. Кругляк А, Романов В, Садыков В. Опыт создания м применения «гибких» валов в ГТД // Газотурбинные технологии. 2001. - №4. — 28 -30 с.

36. Крылов Г.В., Чекардовский М.Н., Яковлев Е.И., Блошко Н.М. Техническая диагностика газотранспортных магистралей Текст. Киев: Наук, думка, 1990. - 304 с. - ISBN 5-12-002615-Х.

37. Куменко А.И. О влиянии жесткости и демпфирования опор на собственные и критические частоты ротора. Материалы международной научно-практической конференции «Современное турбостроение». С-Петербург. ВТУЗ-ЛМЗ, 2004 г.

38. Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин. Конспект лекций по курсу детали машин. 2-е изд. исправ. М.: Машиностроение 2004. 440 с.

39. Львов М.М., Урьев Е.В., Жуков С .В. Влияние направления вращения гибкого ротора на его сбалансированность// Тяжелое машиностроение. -2006 №12 - с.2-6.

40. Максимов В.П., Егоров И.В., Карасев В.А. Измерения, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах Текст. — М.: Машиностроение, 1984. —208 с.

41. Машиностроение. Энциклопедия. Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин. Том 1-3. Книга 1 ./Колесников К.С., Александров Д.А., Асташев В.К., и др. — М.: Машиностроение, 1994. 531с.

42. Мигулин В.В., Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Основы теории колебаний. Под ред. В.В. Мигулина. М.: Наука, 1978.

43. Недошивина Т.А. Разработка и совершенствование методовуравновешивания гибких роторов турбин на балансировочных станках: дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. УГТУ-УПИ, 2003. - 173 с.

44. Никитин А.К., Ахвердиев К.С., Остроухов Б.И. Гидродинамическая теория смазки и расчет подшипников скольжения, работающих в стационарном режиме. М.: Наука, 1981. 316 с.

45. Основы балансировочной техники / Под ред. В.А. Щепетильникова. М.:

46. Машиностроение, 1975. Т.1: Уравновешивание жестких роторов и механизмов. 528 с. Т.2: уравновешивание гибких роторов и балансировочное оборудование. -679 с.

47. Перель Л. Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник.-М.: Машиностроение, 1983. —543с., ил.

48. Подшипники качения. Справочное пособие /под ред. д.т.н. Спицына Н.А. и к.т.н. Спришевского А.И. М.: Машгиз, 1961. 826 с.

49. Поляков Г.Н., Пиотровский А.С., Яковлев Е.И. Техническая диагностика трубопроводных систем Текст. СПб.: Недра, 1995. - 448 с. -ISBN 5247-03521-6.

50. Поршаков Б.П., Лопатин А.С., Назарьина А.М., Рябченко А.С. Повышение эффективности эксплуатации энергопривода компрессорных станций.-М.: Недра, 1992.-207 е.: ил. ISBN 5-247-01322-0.

51. Практическая диагностика авиационных газотурбинных двигателей/под ред. Степаненко В.П. -М.: Транспорт, 1985. 102с.

52. Рагульскис К.М., Ионушас Рем.А., Бакшис А.К., Рондоманскас М.С., Тамоппонас Ю.К., Дашевский Р.А. Вибрации роторных систем. -Мосютас. 1976. 232 с.

53. Раер Г.А Исследование динамической прочности ротора центробежного нагнетателя консольного типа // Энергомашиностроение.- 1964.- №3.- С. 22-25.

54. Ревзин Б.С. Газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом Текст.-Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. 269 с. - ISBN 5-321-00143-Х.

55. Рис В.Ф., Ден Г.Н., Шершнева А.Н. Воздействие потока на ротор центробежной ступени // Энергомашиностроение.- 1963.- №4,- С. 14-17.

56. Рунов Б.Т. Особенности уравновешивания гибких роторов паровых турбоагрегатов в условиях электростанций // Уравновешивание машин и приборов / Под ред. В.А. Щепетильникова. М.: Машиностроение, 1965. - С. 162-174.

57. Русов В.А. Спектральная вибродиагностика. Пермь. 1996 г. 172 с.

58. Снеговский Ф.П. Опоры скольжения тяжелых машин. — М.: Машиностроение. 1969. 223 с.

59. Столярский М.Т. О работе центробежного нагнетателя с безлопаточным диффузором и боковой сборной камерой // Энергомашиностроение.-1964.-№3.-С. 1-4.

60. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. М.: Энергоатомиздат, 1990.-640 с.

61. Урьев Е.В. Вибрационная надежность и диагностика турбомашин. 4.1. Вибрация и балансировка: учебное пособие/ изд. 2-е, испр. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. 200 с. ISBN 5-321-00351-3

62. Урьев Е.В. Основы надежности и технической диагностики турбомашин: Учебное пособие Текст. / Е.В. Урьев.-Екатеринбург: УГТУ, 1996. 71 с. -ISBN 5-230-17233-9.

63. Подшипники скольжения центробежных компрессорных машин. Обзорная информация. -М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 1972 г. 53с.

64. Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. -М.: Машиностроение. 1995. 240 е.: ил. 133. ISBN 5-217-01196-31. У /л.

65. Юрченко И.С, Захарова ЛА. Совершенствование конструкций опорных и. упорных подшипников турбомашин. Обзор. М.: НИИмаш. 1982 г. 27 с.

66. Lund J.W. Coefficients for the titling pad Journal Bearing. «Trans. ASLE», 1964, №7, p. 340-352.

67. Randall L. Fox. Preventive maintenance of rotating machinery ising Vibration detection Gronaud Steel Engineer. 1977, Vol. 54, №4, pp. 64-67

68. Wen Jeng Chen, Edgar J. Gunter. Introduction to dynamics of rotor — bearing systems. Victoria, ВС, Canada, 2005. ISBN 1-4120-5190-8