Роторная динамика
Одними из главных задач, решаемых на этапе проектирования, являются обеспечение прочности разрабатываемой системы и устойчивости её работы. Для достижения этих целей в процессе проектирования выполняется множество расчётов и одним из основных типов расчётного анализа для систем, имеющих в своём составе быстровращающиеся элементы, является расчётный анализ роторной динамики. Роторные системы в процессе своей эксплуатации постоянно пребывают в условиях вибрационного нагружения, при этом они сами же и являются источниками вибраций.
Решение задач анализа роторной динамики может выполняться как в целях обеспечения прочности конструкции и устойчивости функционирования самой роторной системы, так и в целях предварительного определения нагрузок, приходящих на элементы конструкции рассматриваемой системы от вращающегося ротора.
Особенность расчётов роторных систем заключается в необходимости учёта процесса вращения ротора и, соответственно, возникающих при этом гироскопических эффектов. Как правило расчёт роторных систем выполняется для таких режимов их работы как:
стационарные режимы;
нестационарные режимы:
- переходные режимы работы роторной системы такие, как ,например, разгон и торможение;
- маневровые нагрузки, например, манёвр самолёта.
В качестве причин возмущений рассматриваются:
- дисбаланс ротора;
- гармонические силовые воздействия;
- инерционные воздействия.
При этом основной перечень вопросов, рассматриваемых в рамках роторной динамики, связан именно с изгибными колебаниями ввиду того, что все особенности, связанные с учётом гироскопических эффектов, проявляют себя именно на изгибе ротора. Но в ряде задач требуется рассмотрение и крутильных колебаний ротора, которые также могут являться причиной таких явлений как:
- повышенные шумы при работе роторного агрегата;
- повышенный износ элементов соединений в роторном агрегате;
- и даже разрушение вала ротора.
В рамках своей деятельности по данному направлению мы выполняем расчётный анализ для однороторных и многороторных систем. В процессе выполнения расчётного анализа динамики ротора могут быть учтены различные особенности конструктивного исполнения, такие как:
- опоры скольжения различных типов;
- нелинейные подшипники качения;
- демпферы различных типов;
- внешние нагрузки, приложенные к вращающемуся валу.
Перечень решаемых нами задач
Стационарные режимы (расчёты выполняются в статике или в частотной области)
Расчёт критических частот вращения
Расчёт частотного отклика
Статический расчёт
Результаты
- частоты и формы тонов собственных колебаний ротора в зависимости от частоты его вращения;
- характер прецессионного движения (прямая и обратная прецессии);
- диаграмма Кемпбелла;
- критические частоты вращения.
Области применения
- анализ динамической устойчивости ротора на проектных режимах работы.
Результаты
- реакции в подшипниках;
- реакции в соединениях валов;
- реакции в элементах крепления корпуса ротора;
- амплитуды движения интересующих точек конструкции ротора и его корпуса, прогибы вала ротора;
- амплитуды переменных напряжений в элементах конструкции.
Области применения
Проведение анализа при наличии дисбаланса или гармонического силового нагружения на стационарных режимах. Результаты данного типа анализа используются при решении таких задач:
- подбор подшипников;
- формирование ограничений по величине дисбаланса ротора;
- расчёт ротора на прочность;
- расчёт на прочность статора и элементов его крепления;
- расчёт нагрузок в узлах крепления статора.
Результаты
- реакции в подшипниках;
- реакции в соединениях валов;
- реакции в элементах крепления корпуса ротора;
Области применения
В рамках данного типа анализа выполняется расчёт силовых факторов в элементах конструкции ротора с учётом приложения статической нагрузки.
Результаты данного типа анализа используются при решении таких задач как:
- анализ прочности ротора и его элементов;
- анализ нагрузок на опоры ротора (подбор подшипников);
- анализ прочности статора и элементов его крепления.
Нестационарные режимы (расчёты выполняются во временной области)
Расчёт процесса выхода на режим
Результаты
- реакции в подшипниках;
- реакции в соединениях валов;
- реакции в элементах крепления корпуса ротора;
- траектория движения интересующих точек конструкции ротора и его корпуса (орбиты прецессии ротора), прогибы вала ротора.
Области применения
Проведение анализа при наличии дисбаланса или силового нагружения на переходных режимах и при маневровых нагрузках с учётом дополнительных сил Кориолиса. Результаты данного типа анализа используются при решении таких задач как:
- подбор подшипников;
- формирование ограничений по величине дисбаланса ротора;
- расчёт ротора на прочность;
- расчёт на прочность статора и элементов его крепления;
- расчёт нагрузок в узлах крепления статора;
- анализ работы роторной системы в условиях отрыва лопатки ротора.
Анализ крутильных колебаний ротора
Расчёт процесса выхода на режим
Результаты
- Частоты и формы тонов собственных колебаний ротора.
Области применения
Результаты данного типа анализа используются при решении таких задач как:
- снижение уровня шума при работе роторного агрегата;
- снижение износа элементов соединений роторного агрегата;
- обеспечение прочности вала ротора.
Используемые типы расчетных моделей по уровню детализации:
Одномерная балочная модель
Полноразмерная модель
С учётом осевой симметрии (сечение, Фурье)
С учётом циклической симметрии
Данный тип расчётных моделей является самым упрощённым (с минимальным количеством степеней свободы) и позволяет проводить:
- анализ достаточно простых систем, которые могут быть описаны в одномерной постановке без потери качества результатов расчётов, например длинные вращающиеся валы;
- анализ роторных систем на начальных этапах проектирования.
При разработке расчётной модели используются 0D и 1D элементы.
Данный тип расчётных моделей позволяет описывать характеристики систем со сложной геометрией как самого ротора, так и статор с конструкцией, на которую он крепится. При этом данный тип моделей обусловлен большим количеством степеней свободы, а соответственно и большим временем счёта. При разработке расчётной модели используются 0D, 1D, 2D и 3D элементы.
Использование данного метода моделирования позволяет сократить размерность расчётной модели относительно полноразмерной расчётной модели, а соответственно и снизить время расчёта. Данный метод моделирования может быть использован для описания роторов с осесимметричной конструкцией и при этом одинаковой регулярностью элементов по окружной координате.
Использование данного метода моделирования позволяет сократить размерность расчётной модели относительно полноразмерной расчётной модели, а соответственно и снизить время расчёта. Данный метод моделирования может быть использован для описания многоступенчатых осесимметричных систем с разной регулярностью элементов по окружной координате на разных ступенях.
Все расчётные работы мы выполняем на основании Технического задания заказчика или другого согласованного документа.
