Особливості моделювання та чисельного аналізу динаміки ротора турбокомпресора з активними магнітними підшипниками
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-774X.2023.03.10Анотація
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.
Посилання
Pătrăşcioiu, C., Popescu M. (2021), “Modelling and Simu-lation of Natural Gas Compression Plant”, 2021 13th In-ternational Conference on Electronics, Computers and Ar-tificial Intelligence (ECAI), pp. 1–6, https://doi.org/10.1109/ECAI52376.2021.9515118.
Rozova, L., Martynenko G. (2020), “Information Tech-nology in the Modeling of Dry Gas Seal for Centrifugal Compressors”, Proceedings of The Third International Workshop on Computer Modeling and Intelligent Systems (CMIS-2020), Zaporizhzhia, Ukraine, April 27–May 1, 2020, vol. 2608, pp. 536–546, ISSN 1613-0073.
Stewart, M. (2019), “Dynamic Compressors”, Surface Production Operations, Volume IV: Pump and Compressor Systems: Mechanical Design and Specification, Gulf Pro-fessional Publishing, 921 p, ISBN 978-0-12-809895-0, pp. 527–653.
Kim, K., Hong, G., Jang, G. (2021), “Dynamic Analysis of a Flexible Shaft in a Scroll Compressor Considering Solid Contact and Oil Film Pressure in Journal Bearings”, Inter-national Journal of Refrigeration, vol. 127, pp. 165–173, https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.01.032.
Siva Srinivas, R., Tiwari, R., Kannababu Ch. (2018), “Ap-plication of Active Magnetic Bearings in Flexible Ro-tordynamic Systems – A State-of-the-Art Review”, Me-chanical Systems and Signal Processing, vol. 106, pp. 537–572, https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.01.010.
Wan, Z. (2020), “A Review of Active Magnetic Bearings Supported Systems Optimization Design”, International Journal of Magnetics and Electromagnetism, vol. 6, is. 1, pp. 1–10, ISSN 2631-5068, http://doi.org/10.35840/2631-5068/6527.
Martynenko G. (2020), “Analytical Method of the Analy-sis of Electromagnetic Circuits of Active Magnetic Bear-ings for Searching Energy and Forces Taking into Account Control Law”, 2020 IEEE KhPI Week on Advanced Tech-nology (KhPIWeek 2020), Kharkiv, Ukraine, pp. 86-91, DOI: http://doi.org/10.1109/KhPIWeek51551.2020.9250138.
Kandil, A., Sayed, M., Saeed, N. A. (2020), “On the Non-linear Dynamics of Constant Stiffness Coefficients 16-Pole Rotor Active Magnetic Bearings System”, European Journal of Mechanics - A/Solids, vol. 84, no. paper 104051, https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2020.104051.
Martynenko, G., Martynenko, V. (2019), “Numerical Determination of Active Magnetic Bearings Force Charac-teristics Taking into Account Control Laws Based on Par-ametric Modeling”, 2019 IEEE International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES 2019), Kremenchuk, Ukraine, pp. 358–361, https://doi.org/10.1109/MEES.2019.8896501.
Kuznetsov, B. I., Nikitina, T. B., Bovdui, I. V. (2020), “Multiobjective Synthesis of Two Degree of Freedom Nonlinear Robust Control by Discrete Continuous Plant”, Technical Electrodynamics, no. 5, pp. 10–14, ISSN 1607-7970, https://doi.org/10.15407/techned2020.05.010.
Martynenko, G., Ulianov, Yu. (2019), “Combined Rotor Suspension in Passive and Active Magnetic Bearings as a Prototype of Bearing Systems of Energy Rotary Tur-bomachines”, 2019 IEEE International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES 2019), Kremenchuk, Ukraine, pp. 90–93, https://doi.org/10.1109/MEES.2019.8896571.
Kuznetsov, B., Voloshko, A., Bovdui, I., Vinichenko, E., Kobilyanskiy, B., Nikitina, T. (2017), “High Voltage Pow-er Line Magnetic Field Reduction by Active Shielding Means with Single Compensating Coil”, 2017 IEEE Inter-national Conference on Modern Electrical and Energy Sys-tems (MEES 2017), Kremenchuk, Ukraine, pp. 196–199, https://doi.org/10.1109/MEES.2017.8248887.
Martynenko, G., Martynenko, V., Pidkurkova, I. (2022), “Parametric Numerical Analysis of Restoring Magnetic Forces Dependences in Radial Active Magnetic Bearings with a Given Control Law”, 2022 IEEE 4th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES 2022), Kremenchuk, Ukraine, pp. 1–6, https://doi.org/10.1109/MEES58014.2022.10005766.
Matsushita, O., Tanaka, M., Kanki, H., Kobayashi, M., Keogh, P. (2017), Vibrations of Rotating Machinery: Vol-ume 1. Basic Rotordynamics: Introduction to Practical Vi-bration Analysis, Springer Japan, Tokyo, ISBN 978-4-431-55456-1, https://doi.org/10.1007/978-4-431-55456-1.
Matsushita, O., Tanaka, M., Kanki, H., Kobayashi, M., Keogh, P. (2019), Vibrations of Rotating Machinery: Vol-ume 2. Advanced Rotordynamics: Applications of Analysis, Troubleshooting and Diagnosis, Springer Japan, Tokyo, ISBN 978-4-431-55453-0, https://doi.org/10.1007/978-4-431-55453-0.
Martynenko, G., Martynenko, V. (2020), “Rotor Dynam-ics Modeling for Compressor and Generator of the Energy Gas Turbine Unit with Active Magnetic Bearings in Oper-ating Modes”, 2020 IEEE Problems of Automated Electro-drive. Theory and Practice (PAEP), Kremenchuk, Ukraine, pp. 1–4, https://doi.org/10.1109/PAEP49887.2020.9240781.
Siva Srinivas, R., Tiwari, R., Kannababu Ch. (2021), “Modeling, Analysis, and Identification of Parallel and Angular Misalignments in a Coupled Rotor-Bearing-Active Magnetic Bearing System”, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME, vol. 143, is. 1:011007, no paper DS-19-1160, https://doi.org/10.1115/1.4048352.
Ran, S., Hu, Y., Wu, H. (2018), “Design, Modeling, and Robust Control of the Flexible Rotor to Pass the First Bending Critical Speed with Active Magnetic Bearing”, Ad-vances in Mechanical, vol. 10, iIs. 2, pp. 1–13, https://doi.org/10.1177/1687814018757536.
Jiang Hao, Su Zhenzhong, Wang Dong (2019), “Dynamic Modeling of Magnetic Bearing-Rotor System on Moving Platform”, Transactions of China Electrotechnical Society, vol. 34, is. 23, pp. 4880–4889, https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.181510, Access mode: https://dgjsxb.ces-transaction.com/EN/abstract/abstract6164.shtml# (ac-cessed 12 November 2023).
Saeed, N. A. F., Mahrous, E., Nasr, E. A., Awrejcewicz, J. (2021), “Nonlinear Dynamics and Motion Bifurcations of the Rotor Active Magnetic Bearings System with a New Control Scheme and Rub-Impact Force”, Symmetry, vol. 13, is. 8, https://doi.org/10.3390/sym13081502.
Shen, Z., Chouvion, B., Thouverez, F., Beley, A. (2021), “Enhanced 3D Solid Finite Element Formulation for Rotor Dynamics Simulation”, Finite Elements in Analysis and Design, vol. 195, no paper 103584, https://doi.org/10.1016/j.finel.2021.103584.
