Лекции – Система магнитного подвеса ротора

Система магнитного подвеса ротора.

1. Введение.

Системы магнитного подвеса ротора (СМП) предназначены для замены подшипников с масляной смазкой в турбомашинах большой мощности в силу ряда преимуществ, из которых общепризнанными являются:

— более высокая эксплуатационная надежность благодаря отсутствию узлов трения, систем смазки и возможности организации непрерывного контроля параметров работы машины без введения специальных устройств контроля;

— более высокий КПД; уменьшенные шум и вибрация, в том числе при работе на критических и околокритических частотах вращения ротора, благодаря уменьшению потерь в подшипниках и возможности оптимальной настройки электронного блока СМП;

— более простая конструктивная компоновка турбомашинной установки за счет исключения системы смазки (маслонасосов, фильтров, маслоохладителей, линий маслопроводов);

— уменьшение эксплуатационных затрат, связанных с исключением маслосистемы и увеличением межремонтного периода при эксплуатации (так как не требуется замена деталей подшипников).

2. Устройство и принцип работы СМП.

Комплект системы магнитного подвеса ротора нагнетателя НЦ-16 включает два узла электромагнитных подшипников (радиальный и радиально-упорный), электронный блок управления и комплект кабелей.

Радиальный подшипник устанавливается со стороны привода нагнетателя, радиально-упорный подшипник — со стороны свободного конца ротора нагнетателя. Эскизы конструкции подшипников приведены на плакате.

Узел радиального подшипника (плакат 1) содержит:

— несущий силовой орган в виде системы радиальных электромагнитов;

— датчики радиального положения ротора;

— страховочный подшипник;

— датчики системы контроля радиальных виброперемещений ротора (Бентли-Невада).

Система радиальных электромагнитов состоит из статорной и роторной (1) частей.

Статорная часть содержит магнитопровод в виде восьмиполосного пакета пластин электротехнической стали, в пазы которого уложены обмотки возбуждения. С целью уменьшения электромагнитных потерь мощности пакет впрессован в корпус из немагнитного материала, который закреплен на корпус нагнетателя.

Зубцы статора с обмотками возбуждения образуют четыре активные зоны электромагнитов, расположенные под углом 900 по внутренней стороне пакета. Две пары противолежащих активных зон образуют две оси силового воздействия на ротор (оси регулирования). В конструкции подшипника для равномерной нагрузки электромагнитов оси регулирования расположены под углом 450 к вертикальной и горизонтальной осям нагнетателя.

Роторная часть радиального электромагнита выполнена в виде беспазового (гладкого по внешней расточке) пакета пластин электротехнической стали, напрессованного на втулку из немагнитного материала, которая насаживается на ротор нагнетателя со стороны приводного конца.

В рабочих режимах СМП между цилиндрическими поверхностями роторной части и зубцами статорной части радиального электромагнита обеспечивается зазор величиной0,8 мм.

Датчики радиального положения ротора также содержат статорную и роторную части. В статорной части, являющейся корпусом блока датчиков (суппортом), расположены чувствительные головки индуктивных датчиков токовихревого типа, оси измерения которых совпадают с осями регулирования электромагнитов. Роторной частью датчиков положения являются кольца из алюминиевого сплава, напрессованные на втулку роторной части радиального электромагнита.

В рабочих режимах СМП между кольцом роторной части и головками индуктивных датчиков суппорта обеспечивается зазор величиной0,7 мм.

В конструкции узла радиального подшипника установлены два блока датчиков радиального положения ротора.

Страховочные шарикоподшипники предохраняют от повреждения детали узлов радиального и радиально-упорного подшипников при нерабочих режимах нагнетателя, а также при аварийных режимах, связанных с отказами СМП, обеспечивая при этом выбег ротора на страховочных подшипниках. В нормальных режимах работы СМП и нагнетателя страховочные подшипники не нагружены, так как СМП обеспечивает гарантированный зазор между ротором и внутренней обоймой опорного страховочного подшипника.

В конструкции узла радиального подшипника опорный страховочный подшипник внешней обоймой жестко связан с корпусом нагнетателя, а между внутренней обоймой и втулкой роторной части электромагнита имеется конструктивный диаметральный зазор величиной около0,6 мм(в рабочих режимах СМП радиальный зазор имеет величину _0,3 мм).

Узел радиально-упорного подшипника содержит конструктивную сборку узлов радиального и упорного подшипников, устанавливаемую со стороны свободного конца ротора нагнетателя. Элементы узла радиального подшипника аналогичны описанным выше.

Узел упорного подшипника содержит:

— осевой электромагнит двухстороннего действия;

— датчик осевого положения ротора;

— упорный страховочный подшипник;

— датчики системы контроля радиальных виброперемещений и осевого сдвига ротора (Бентли-Невада).

Осевой электромагнит содержит статорную и роторную части.

Роторная часть выполнена в виде упорного диска, закрепленного на втулке из немагнитного материала, напрессованной на ротор нагнетателя.

Статорная часть образована двумя кольцевыми электромагнитами, устанавливаемыми с противоположных сторон упорного диска в корпусе из немагнитного материала. Зазор между упорным диском и электромагнитами1 мм.

Датчик осевого положения ротора отличается от датчика радиального положения ротора тем, что ось измерения чувствительных головок индуктивных датчиков в статорной части направлена по оси ротора нагнетателя, а роторной частью датчика являются диски из алюминиевого сплава, устанавливаемые с двух сторон корпуса блока датчиков (суппорта). Зазор между статорной и роторной частями составляет величину0,7 мм.

Упорный страховочный подшипник устанавливается внутренней обоймой на втулку ротора упорного подшипника, а между внешней обоймой и неподвижным корпусом сборки узла подшипника при работе СМП обеспечивается зазор0,45 ммс каждой стороны.

Конструктивная схема узлов радиального и радиально-упорного подшипников выполнена так, что при монтаже в первую очередь устанавливаются радиальные страховочные подшипники и датчики положения ротора, что обеспечивает удобство сборки, проверки и отладки СМП в положении ротора нагнетателя на страховочных подшипниках.

Плотная посадка на конус роторных узлов электромагнитных подшипников на вал повышает надежность его работы, а также обеспечивает необходимую точность (до0,01 мм) по соосности поверхностей рабочих органов радиальных электромагнитов и рабочих поверхностей датчиков положения ротора.

Функционально СМП представляет собой пятиканальную систему автоматического регулирования. Каждый из каналов регулирования (ось регулирования) содержит измерительный орган, электронный усилитель обработки сигналов отклонения регулируемой величины и исполнительный орган.

Измерительным органом в СМП являются пары датчиков положения ротора относительно центра по оси регулирования (по две пары датчиков в узлах радиальных подшипников и одна пара в узле упорного подшипника).

Исполнительным органом в СМП являются соответствующие пары электромагнитов (также по две пары в узлах радиальных подшипников и одна пара в узле упорного подшипника).

Усилители обработки сигналов, соответствующие каналам регулирования, расположены в электронном блоке управления.

Несущая сила, удерживающая ротор в центральном положении при работе СМП, создается силами электромагнитного притяжения активных зон электромагнитов в каждом из каналов регулирования.

Принцип работы одного канала регулирования радиального подшипника СМП поясняется схемой на плакате 3.

Пара чувствительных элементов датчика положения ротора, расположенных по оси регулирования, включены по дифференциальной схеме в противоположные плечи измерительного моста, на одну из диагоналей которого подается напряжение возбуждения частотой 100 кГц. Смещение ротора по оси чувствительности датчиков от центрального положения вызывает соответствующее изменение индуктивности чувствительных элементов датчика, при этом с измерительной диагонали моста снимается сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине смещения, а фаза определяет направление смещения. Формирование сигналов отклонения осуществляется в трансформаторных коробках типа ТР-3, устанавливаемых в полостях узлов магнитных подшипников.

Сигнал отклонения ротора поступает в электронный блок управления через фазочувствительный выпрямитель на вход ПИД-регулятора, в котором осуществляется его динамическая коррекция, и далее на усилитель мощности, в котором формируются управляющие токи электромагнитов рассматриваемой оси регулирования. Электромагниты воздействуют на ротор через силы магнитного притяжения таким образом, чтобы ротор удерживался в центральном положении.

Электронный блок управления типа СУМП-М выполнен в виде шкафа, устанавливаемого в блоке СУМП и ППА агрегата ГПА-16 «Волга».

Электропитание СМП осуществляется с распределительного щита блока электроснабжения агрегата от двух независимых сетей:

— основной трехфазной сети переменого тока 380/220 В 50 Гц;

— резервной сети постоянного тока напряжением 220 В.

Управление включением и отключением СМП осуществляется либо дистанционно от сигналов МСКУ агрегата, либо вручную с блока СУМП-М.

Для контроля работы СМП в блоке СУМП-М предусмотрены устройства контроля и индикации как непосредственно в блоке, так и с выдачей дистанционных сигналов в МСКУ.

Непосредственно в блоке СУМП-М индицируются сигналы:

— наличия электропитания от основной или резервной сети электроснабжения «Включено»;

— комплексного сигнала неисправности «Авария», который может быть связан либо с отказом какого либо устройства, входящего в комплект магнитного подвеса, либо от сигнала виброперемещений ротора, превышающего допустимую величину;

— индикаторы исправности модулей вторичных источников питания (ПП);

— индикаторы исправности модулей усилителей мощности (УМ).

К сигналам дистанционного контроля СМП, выдаваемых в МСКУ агрегата, относятся:

— сигнал включения СМП «МП включен» в виде замыкаемой контактной пары;

— сигнал неисправности СМП «Авария» в виде замыкаемой контактной пары;

— аналоговые сигналы виброперемещений ротора (5 каналов), пропорциональных амплитуде отклонения ротора от центрального положения, измеренных в местах установки датчиков положения ротора (по 2 канала с датчиков радиального положения узлов радиального и радиально-упорного подшипника, и 1 канал с датчика осевого положения ротора);

— аналоговый сигнал осевой силы, действующей на упорный электромагнит.

Все сигналы дистанционного контроля формируются при электропитании от специального источника, гальванически развязанного от основных устройств блока СУМП-М.

Функциональная схема блока СУМП-М приведена на плакате 4.

На функциональной схеме выделены основные устройства, входящие в комплект системы магнитного подвеса.

А. Функциональные узлы и коммутирующие устройства системы вторичного электропитания, обеспечивающие нормальную работу СМП в составе агрегата ГПА-16 «Волга» и автономно, включающие:

— блок развязывающих трансформаторов ТР;

— блок выпрямителя (ПД);

— контакторы включения питания основной и резервной сети (К1, К12);

— кнопки включения и выключения СМП (К9, К11);

— реле дистанционного включения и выключения (К9, К10);

— развязывающие диоды VD1, VD2;

— модули вторичного электропитания блока СУМП-М (ПП1…ПП3);

— устройство задержки включения СМП, содержащее модуль генератора ПГ, трансформатор ТР, диодный мост DA1, транзистор VT и контактор К2.

В. Основные функциональные устройства электронного блока управления (каналы A, B, C, D, X), содержащие:

— узел преобразователя (ПР), имеющий фазочувствительный выпрямитель и ПИД-регулятор;

— узел модулятора (ПМ);

— узел усилителя (БУС).

С. Функциональные устройства системы контроля, включающие:

— три узла контроля (ПК), на выходе которых включены реле К6…К8, формирующие комплексный сигнал неисправности СМП по логической схеме «два из трех»;

— узел гальванической развязки (ПГР), обесепчивающий выдачу сигналов виброперемещений ротора и осевой силы в МСКУ агрегата;

— реле К3, К4 для выдачи информации о состоянии магнитного подвеса в МСКУ агрегата (сигналы «МП включен», «Авария»).

На функциональной схеме СМП изображены также электромагниты узлов подшипников (ЭМ1…ЭМ10) и обмотки чувствительных элементов датчиков положения ротора (L1…L12).

В комплект кабелей СМП входят:

— кабели подвода электропитания к блоку СУМП-М от основной и резервной систем электроснабжения;

— силовые кабели, соединяющие электромагниты узлов подшипников с блоком СУМП-М;

— жгуты управления, соединяющие коробки трансформаторов ТР-3, расположенных в полостях узлов подшипников, с блоком СУМП-М;

— кабели датчиков, соединяющие суппорты датчиков положения ротора с коробками трансформаторов (входят в состав конструкции узлов радиального и радиально-упорного подшипников).

3. Средства обеспечения взрывозащищенности нагнетателя НЦ16-76/1,44.

В соответствии с требованиями ГОСТ 22782.0-81, ГОСТ 22782.4-78 в установках, эксплуатируемых во взрывоопасных зонах, должны быть приняты меры по взрывозащите электрооборудования, к которому относятся элементы системы магнитного подвеса.

Взрывозащищаемость нагнетателя НЦ16-76/1,44 обеспечивается следующими мерами:

1. Продувкой под избыточным давлением защитного газа оболочек радиального и радиально-упорного подшипников СМП при следующих параметрах:

. минимальный расход защитного газа в линиях подвода, м3/мин — 1,4 (радиальный подшипник)

— 1,6 (радиально-упорный подшипник)

. давление защитного газа, Па — 4700

. давление срабатывания на аварийное отключение СМП, Па — 100

. минимальное время продувки, сек — 11

2. Предварительной продувкой и заполнением кабельных каналов, в которых уложены жгуты управления, избыточным давлением защитного газа величиной 4700 Па (давление срабатывания на отключение СМП 100 Па).

3. В качестве защитного газа используется атмосферный воздух с осушкой и очисткой от механических примесей.

4. Наличием защитных блокировок, обеспечивающих предварительную и аварийную сигнализацию, а также отключением магнитного подвеса в аварийных режимах по давлению, температуре и перепаду давления в контрольных точках; предусмотрена блокировка, допускающая запуск нагнетателя только после пятикратной продувки всех защищаемых оболочек.

5. Защита от образования взрывоопасной смеси в полостях подшипников обеспечивается двухступенчатыми газодинамическими уплотнениями, устанавливаемыми с двух сторон между рабочими полостями нагнетателя и магнитными подшипниками. Система регулирования и контроля сухих уплотнений предусматривает блокировки с выдачей предупредительных и аварийных сигналов. Проверка исправности второй ступени уплотнений производится на неработающем агрегате перед каждым пуском.

6. Оболочки подшипников и клеммных коробок имеют соответственно наружнее и внутреннее заземление, заземляющие зажимы и знаки заземления по ГОСТ 21130-75.

7. На крышках клеммных коробок предусмотрена предупредительная надпись «Открывать, отключив от сети».

Документация на опытный нагнетатель НЦ16-76/1,44 проходила экспертизу на взрывозащищаемость в ЦС СТВ, г. Саров, по результатам экспертизы выдано заключение о взрывозащищенности нагнетателя и ему присвоена маркировка взрывозащиты 1ExpIIT1.