Za padoc eska univerzita v Plzni Fakulta aplikovany ch ve d Katedra mechaniky

Transkript

1 Za padoc eska univerzita v Plzni Fakulta aplikovany ch ve d Katedra mechaniky Studijnı program: 398 Aplikovane ve dy a informatika Studijnı obor: Mechanika Aplikovana mechanika Diplomova pra ce Analy za kmita nı a u c inku vyvaz ovacı ch za vaz ı nı zkotlake ho rotoru turbı ny uloz ene ho ve vyvaz ovacı m zar ı zenı Autor: Vedoucı pra ce: Josef Kellner Prof. Ing. Vladimı r Zeman, DrSc. Akademicky rok 004/005

2 Abstrakt: Analýza kmitání a účinků vyvažovacích závaží NT rotoru turbíny uloženého ve vyvažovacím zařízení. V této diplomové práci je pomocí metody konečných prvků vytvořen matematický model nízkotlakého rotoru turbíny 0 MW EDU (Elektrárna Dukovany), uloženého ve vyvažovacím stroji SCHENCK ve ŠKODA POWER, s.r.o. Celý systém se skládá z pružného rotoru, hydrodynamických kluzných ložisek s olejovým filmem a tuhých ložiskových hlav na pružných podpěrách. Matematický model slouží k vyšetření vlastních čísel, kritických otáček a ustálených kmitů ložiskových hlav vyvolaných pokusnými nevývažky umístěnými ve vyvažovacích rovinách rotoru. Na závěr je navržena metoda na korekci parametrů tuhosti a tlumení hydrodynamických kluzných ložisek. Metoda se zakládá na minimalizaci rozdílů mezi naměřenými a jim odpovídajícími vypočtenými výchylkami ložiskových hlav. Abstract: Analysis of vibration and influence of balancing weights low-pressure turbine s rotor, which is supported in balancing machine. In this thesis is created a mathematic model of rotor of low-pressure turbine 0 MW EDU (Power plant Dukovany)through metod of finite elements. The rotor is balanced in the balancing machine SCHENCK in ŠKODA POWER,s.r.o. Whole system is consist of flexible rotor,hydrodynamic oil-film bearings and rigid bearing heads on the spring underpinnings. Mathematic model serves the finding of eigenvalues, critical revolutions and steady vibrations of bearing heads caused by experimental mass unbalance located in balancing planes. In conclusion the correction method of stiffness and damping parameters of oil-film is propounded. The method is based on minimization differences between calculated and corresponding measured displacements of the non-rotating bearing heads. Klíčová slova Dynamika rotorů vyvažování rotorů identifikace parametrů olejového filmu. Keywords Dynamics of rotor s rotor balancing identification of oil-film parameters.

3 . Úvod 3 Kapitola Úvod Zde uvedená práce je pouze částí celé diplomové práce, z níž jsou vybrány takové části, které lze pochopit bez hlubších znalostí dynamiky těles a rotorů.. Využití rotorů v praxi V dnešní době je elektrická energie nepostradatelná pro většinu činností člověka. Roční spotřeba energie neustále stoupá, proto se zvyšuje i výkon elektráren. Jejich princip je založen na převádění mechanické energie na elektrickou s využitím rotačních strojů. U elektráren využívajících tepla (at už z fosilních paliv nebo jadernou energii) na vznik páry se poté využije kinetická energie páry na roztočení hřídele s lopatkovými koly. Tyto rotory mají široké spektrum otáček, vezmeme-li v úvahu rozběh na provozní otáčky, které se v našem případě pohybují okolo 3000 otáček za minutu. Turbínové rotory, stejně jako jiné rotory, kmitají s určitou amplitudou, která je závislá na otáčkách a na zbytkové nevyváženosti rotorů. Ta způsobuje rozkmitání rotoru až na takovou míru, že může dojít k poškození celého zařízení, případně k úplnému zničení.. Vyvažování rotorů Při výrobě rotoru dochází k nepřesnostem, jak u nosného hřídele, tak u lopatkových kol. Proto se před uvedením do provozu rotor vyvažuje. Daný rotor se upevní do ložiskových hlav (na obr.. je vidět rotor uložený ve zkušebních ložiskách) a v komoře, kde je 98% vakuum, se rozběhne do provozních otáček. Přes celý rozsah otáček se zjišt ují amplitudové charakteristiky ložiskových hlav. Poté se rotor zastaví a do několika předem daných vyvažovacích rovin se umístí vývažky o známé hmotnosti do polohy stanovené měřící aparaturou vyvažovacího stroje. Celé měření amplitudových charakteristik se zjistí znovu pro rotor s přidanými vývažky a na základě U tuhých rotorů,splňujících podmínku n max < 0, 5n krit, kde n krit jsou nejnižší kritické otáčky, postačují dvě vyvažovací roviny. U ohybově poddajných rotorů vyvažování ve dvou vyvažovacích rovinách nepostačuje.

4 .3. Cíl diplomové práce 4 Obrázek.: Rotor uložený na vyvažovacích ložiskách softwaru a zkušeností pracovníků se upraví hmotnosti a pozice vývažků. Toto může proběhnout vícekrát, dokud nejsou splněny podmínky na maximální amplitudu rychlosti nebo výchylek..3 Cíl diplomové práce Cílem diplomové práce je: vytvořit matematický model rotoru uloženého ve vyvažovacím stroji, analyzovat vliv poddajnosti uložení ložiskových hlav, porovnáním s experimentem zjistit vliv velikosti tlumení a tuhosti hydrodynamických ložisek, na nichž je rotor uložen, optimalizačním procesem korigovat parametry olejového filmu ložisek oproti hodnotám zadaných pracovníky ŠKODA POWER, s.r.o. Obrázek.: Ilustrační foto ložisko

5 . Postup řešení problému 5 Kapitola Postup řešení problému Prvním krokem bylo vytvoření matematického modelu samotného rotoru. Komplikovaný tvar skutečného rotoru byl nahrazen modelem vhodným pro diskretizaci a následné výpočty pomocí metody konečných prvků. Přechod z originálu na model lze vidět na obr... K ověření správnosti matematického modelu rotoru turbíny slouží j = α m e a 7 j = j = 3 ηa j = 4 η b 30 b j = 5 z ψ i y i w i v i υ i x k H y η a α H α H m H ζ a k H z Obrázek.: Schéma vyvažovacího zařízení s rotorem turbíny porovnání vypočtených vlastních frekvencí s daty naměřenými ve vyvažovacím tunelu. Je-li frekvence otáčení rotoru stejná jako některá z vlastních frekvencí, dochází k tzv. rezonanci, při které kmitání rotorů roste nad přípustné hodnoty a může dojít k destrukci celého zařízení. V tabulce. jsou znázorněny výsledky pro různé tuhosti ložiskových stojanů. Z tabulky lze vidět, že čím nižší je tuhost ložiskových stojanů, tím více se výsledky blíží naměřeným hodnotám. Tuhost Kritické otá ky rotoru [ot/min ] k H [N/m ] n n n 3 n 4 n 5 n 6, , , M ené Tabulka.: Kritické otáčky rotoru uloženého ve vyvažovacím stroji V další fázi se začleňují do systému vlastnosti hydrodynamických ložisek a to

6 . Postup řešení problému 6 tuhostní a tlumicí parametry olejového filmu kluzných ložisek. Ty byly dodány firmou ŠKODA POWER na základě výpočtů podle hydrodynamické teorie. Průběhy těchto parametrů jsou vykresleny na obr.. a jak je je vidět, jsou závislé na otáčkách. Hlavním cílem práce bylo vytvořit optimalizační funkce tak, aby se na základě změřených a vypočítaných výchylek rotoru mohli přesněji určit právě hodnoty olejového filmu. Tuhost leve hlavy 3.5 x Ka Ka Ka Ka Tuhost pave hlavy 4 x 09 3 Kb Kb Kb Kb Tlumeni leve hlavy x Otacky/min Otacky/min Ba Ba Ba Ba Tlumeni prave hlavy x Otacky/min Otacky/min Bb Bb Bb Bb Obrázek.: Hodnoty parametrů tuhosti a tlumení olejového filmu ložisek v závislosti na otáčkách. Výsledky, dosažené při skutečném experimentu, můžeme porovnat s teoretickými. Jedním z pokusů, které byly provedeny ve ŠKODA POWER s.r.o, bylo přidání dvou nevývažků na již vyvážený rotor (viz. obr.3). Obrázek.3: Přidání dvou nevývažků na vyvážený rotor. Nyní můžeme vypočítat výchylky kmitajícího rotoru, které jsou způsobeny přidanými nevývažky. Výsledky jsou graficky znázorněny na obr..4.

7 . Postup řešení problému 7 Obrázek.4: Modře jsou zachyceny experimentálně naměřené výchylky, zeleně a červeně výchylky vypočítané na modelu s různou tuhostí ložiskových podpěr. Po provedení optimalizace tuhosti a tlumení olejového ložiska se výpočty výchylek rotoru podstatně přiblíží experimentálním hodnotám, jak je vidět na následujícím obrázku. Obrázek.5: Výchylky vypočítané před a po optimalizaci a naměřené.

8 . Postup řešení problému 8 Jak je vidět, došlo k výraznému zlepšení výpočtového modelu. To ukazuje, že hodnoty tuhosti a tlumení olejového filmu, vypočítané z hydrodynamické teorie, neodpovídají skutečným hodnotám reálného zařízení. Změny těchto parametrů jsou na obr..6. Obrázek.6: Změny tuhosti a tlumení olejového filmu modře pro teoretická data, černě po optimalizaci s tuhostí podpěr, N/m, červeně po optimalizaci s tuhostí podpěr, N/m