Особливості моделювання та чисельного аналізу динаміки ротора турбокомпресора з активними магнітними підшипниками

Abstract

Стаття досліджує та порівнює два підходи до моделювання та оцінки динаміки роторів у системах з активними магнітними підшипниками (АМП). Основний акцент робиться на аналізі динаміки ротора турбокомпресора газоперекачувального агрегату з врахуванням унікальних особливостей АМП, що використовуються для контролю стійкості руху. Для моделювання динаміки ротора на АМП використовуються два різні методи: перший – твердотільне моделювання, яке враховує деформацію навісних елементів ротора та їх вплив на його власні частоти та критичні швидкості; другий – масове або часткове моделювання, де всі навісні елементи заміщуються масово-інерційними елементами. Обидва підходи ґрунтуються на застосуванні методу скінченних елементів. Мета дослідження полягає в визначенні переваг та недоліків використання обох методів для моделювання та розрахунку характеристик роторної динаміки систем, які підтримуються АМП. Порівняння базується на різноманітних статичних та динамічних аналізах. Числові експерименти надають результати у вигляді розрахунків критичних швидкостей та форм коливань (прецесій). Це дозволяє оцінити можливість резонансних режимів системи та уникнення небезпечних ситуацій. Отримані результати підтверджують точність обох методів і можуть служити основою для вибору підходу в залежності від конкретних потреб дослідника.

This research paper studies and compares two approaches to modeling and estimating rotor dynamics in systems with active magnetic bearings (AMB). The main emphasis is laid on the analysis of the dynamics of the turbocharger rotor of a gas pumping unit taking into consideration the unique features of the AMB that are used to control a stable rotor motion. To model the dynamics of the AMB-based rotor, two different methods are used: the first is a solid-state modeling that takes into account the deformation of the hanging elements of the rotor and their effect on its natural frequencies and critical rate; the other method is a mass or partial modeling, where all suspended elements are replaced by mass-inertial elements. Both methods are based on the use of the method of final elements. The purpose of the research is to determine the advantages and drawbacks of both methods used for modeling and developing the characteristics of the rotor dynamics of the AMB-supported systems. The assessment is based on a variety of static and dynamic analyses. Numerical experiments produce the results in the form of the calculations of critical speeds and the type of vibrations (precessions). It enables the assessment of the potential of the resonant modes of the system and avoiding unsafe situations. The obtained results confirm the accuracy of both methods and can serve as a basis for choosing an approach meeting the specific needs of the researcher.