CC BY
89
УДК: 62-523: 621.316.7.73
РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРОВ ТУРБОГРУППЫ ГТ ТЭЦ
И.В. Зотов, В.Г. Лисиенко
В статье изучена работа активного магнитного подвеса. Произведен выбор магнитного подшипника. Разработана и упрощена структура системы автоматического управления магнитным подвесом роторов турбогруппы ГТ ТЭЦ
Ключевые слова: магнитный подвес, структура, система автоматического управления
Идея использовать магнитные поля для подвеса тел существует уже в течение многих столетий. Интерес к ней возродился благодаря развитию приборостроения и машиностроения .
Основными элементами турбогруппы газотурбинной теплоэлектроцентрали (ГТ ТЭЦ) являются роторы турбины и турбогенератора соединенные с помощью промежуточного вала и вращающиеся на традиционных опорных и упорных маслянных подшипниках скольжения.
Данные подшипники трудоемки и очень сложны в изготовлении. Требуется большая точность, требуются определенные материалы, например баббит [1, 2, 3]. Для использования данных подшипников необходимо содержать сложное маслохозяйство, которое должно обеспечивать непрерывную подачу масла, производить постоянную его очистку и деаэрацию и должно быть оснащено различного рода защитами [1, 3]. Для смазки подшипников используется неэкологичное, дорогое, пожароопасное масло [1, 3].
Но при всем этом данные подшипники имеют недостаток, они могут уменьшить, но не устранить полностью силу трения. Отсюда, существуют потери на трение, износ подвижных частей турбоагрегатов и вследствие этого существуют различные аварийные ситуации, и необходимость в остановках турбоагрегата для обслуживания, проверки состояния подшипников и их ремонта.
А также рост скоростей вращения турбогруппы при одновременной тенденции к уменьшению массовых и габаритных показателей выдвигает проблему повышения долговечности и надежности подшипниковых опор.
Зотов Илья Вадимович - УГТУ - УПИ, аспирант, e-mail: [email protected]
Лисиенко Владимир Георгиевич - УГТУ - УПИ, д-р техн. наук, e-mail: [email protected]
От указанного недостатка свободны подшипники использующие магнитный подвес.
Известны следующие виды подвесов:
- электростатический;
- электромагнитный с резонансной цепью;
- активный магнитный;
- индукционный;
-кондукционный;
- диамагнитный;
- сверхпроводящий;
- магнитогидродинамический
В силу своих преимуществ перед другими подвесами наибольший интерес для данной области представляет активный магнитный подвес [4].
На рис. 1 показан принцип действия и функциональные компоненты простейшего одноосного активного магнитного подвеса.
Рис. 1. Принцип действия и функциональные компоненты простейшего одноосного активного магнитного подвеса
Для создания устойчивого полного магнитного подвеса вращающихся роторов, применим активные магнитные подшипники и для регулирования подвеса роторов необходима система автоматического управления [4].
Активный магнитный подшипник это управляемое электромагнитное устройство удерживающее ротор в заданном положении относительно статора. Магнитные силы притя-
жения действующие на ротор со стороны электромагнитов, управляются с помощью автоматической системы управления. Конструктивно система управления магнитным подвесом состоит из двух частей (см рис.2):
- магнитного подшипника;
- автоматической системы управления магнитным подвесом (электронная система управления).
Подшипник включает в себя ротор, подвешиваемый в магнитном поле, закрепленные на статоре электромагниты и датчик положения ротора.
Рис. 2. Принцип действия активного магнитного подшипника
Известен многовальный газотурбинный двигатель с роторами на магнитных подшипниках [7].
Известна электрическая машина с магнитными подшипниками [8].
Ротор как твердое тело имеет шесть степеней свободы (рис 2.) его перемещения могут происходить в четырех радиальных направлениях Х1, Уь Х2 и У2, одном осевом направлении Ъ и во вращательном направлении на угол ф2 вокруг продольной оси. Вращательное движение в направлении угла ф2 - рабочее движение, поэтому бесконтактный подвес должен ограничить движение только в пяти направлениях Х1, Уь Х2 и У2 и Ъ [4].
Рис. 4. Роторы турбогруппы и магнитные подшипники
Применим для радиальной опоры шестнадцатиполюсный радиальный активный магнитный подшипник см рис. 5.
Рис 5. Радиальный магнитный подшипник: где 1м - первый электромагнит,
2м - второй электромагнит, 3 м - третий электромагнит,
4м - четвертый электромагнит, 5 м - пятый электромагнит,
6м - шестой электромагнит, 7м - седьмой электромагнит,
8м - восьмой электромагнит, ДПР - датчик положения ротора.
Первый и второй электромагниты обеспечивают силу притяжения ротора вдоль положительного направления (указано стрелкой) оси у. Третий и четвертый электромагниты - вдоль положительного направления оси х. Пятый и шестой - вдоль отрицательного направления оси у. Седьмой и восьмой вдоль отрицательного направления оси х.
Структура системы автоматического управления магнитным подвесом радиального подшипника показана на рис. 6.
Рис. 3. Шесть степеней свободы ротора
Для того чтобы ограничить движение в указанных направлениях, расположим магнитные подшипники как показано на рис. 2.
Диск
Второй электромагнит
Рис. 6. Структура системы автоматического управления магнитным подвесом для радиального подшипника
где 1м - первый электромагнит, 2м - второй электромагнит, 3 м - третий электромагнит, 4м - четвертый электромагнит, 5м - пятый электромагнит, 6м - шестой электромагнит, 7м -седьмой электромагнит, 8м - восьмой электромагнит, ПС ДПР - преобразователь сигналов датчика положения ротора, 1Р - первый регулятор, 2Р - второй регулятор, 3Р - третий регулятор, 4Р - четвертый регулятор, 5Р - пятый регулятор, 6Р - шестой регулятор, 7Р - седьмой регулятор, 8Р - восьмой регулятор, 1У - первый усилитель мощности, 2У - второй усилитель мощности, 3У - третий усилитель мощности, 4У
- четвертый усилитель мощности, 5У - пятый усилитель мощности, 6У - шестой усилитель мощности, 7У - седьмой усилитель мощности, 8У - восьмой усилитель мощности
Автоматическая система управления магнитным подвесом радиального подшипника состоит из:
- двух преобразователей сигналов датчика положения ротора;
- восьми регуляторов;
- восьми усилителей мощности;
- источника электрической энергии.
Для осевой опоры применим осевой активный магнитный подшипник см. рис. 7.
Пербай
электромагнит
Диск
Ротор
Датчик оседого положения роторо
Рис. 7. Осевой активный магнитный подшипник
Второй электромагнит производит силу притяжения вдоль положительного направления оси ъ (указано стрелкой), а первый соответственно в отрицательном.
Структура системы автоматического управления электромагнитным подвесом осевого подшипника показана на рис. 8.
УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ ОСЕВОГО ПОДШИПНИКА
Рис. 8. Структура системы автоматического управления магнитным подвесом осевого подшипника где ПС ДПР - преобразователь сигналов датчика положения ротора,
1Р - первый регулятор,
2Р - второй регулятор,
1У - первый усилитель мощности,
2У - второй усилитель мощности,
Автоматическая система управления магнитным подвесом осевого подшипника состоит
из:
- двух преобразователей сигналов датчика положения ротора;
- двух регуляторов;
- двух усилителей мощности;
- источника электрической энергии.
Совместим радиальный и осевой магнитный подшипник и получим радиально-осевой магнитный подшипник.
На основании изложенной выше информации получаем следующую структуру системы автоматического управления магнитным подвесом ротора турбины см. рис. 9 и ротора турбогенератора см. рис. 10.
го управления магнитным подвесом ротора турбины
го управления магнитным подвесом ротора турбогенератора
На основании полученных структур и упрощения получаем структуру системы автома тического управления магнитным подвесом ро торов турбогруппы ГТ ТЭЦ см. рис. 11.
ления магнитным подвесом роторов турбогруппы ГТ ТЭЦ
ВЫВОДЫ
Был произведен выбор магнитного подшипника, разработана и упрощена структура системы автоматического управления магнитным подвесом роторов турбогруппы ГТ ТЭЦ.
Разработанная структура системы автоматического управления может применяться на ГТ ТЭЦ на турбогруппах. Вследствие применения системы автоматического управления магнитным подвесом роторов турбогруппы обеспечивается полная, регулируемая и бесконтактная подвеска роторов турбогруппы, увеличивается срок службы турбогруппы и трение становится равным нулю, и в результате этого существенно уменьшается износ подвижных и неподвижных деталей, увеличивается коэффициент полезного действия турбогруппы. Также при использовании магнитного подвеса исключается необходимость содержать дорогостоящую и неэкологическую систему маслоподготовки и дорогостоящего и неэкологичного масла.
Литература
1. Трухний А. Д., Ломакин Б.В. Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки: Учебное пособие для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 540.: ил., вкладки
2. В.В. Титов, Г.М. Хуторецкий, Г.А. Загородная, Г.П. Вартаньян, Д.И. Заславский, И.А. Смотров. Турбогенераторы Расчет и конструкция.
3. Абрамов А. И. и др. Проектирование турбогенераторов: учеб. пособие для электромехан. и электро-
техн. спец. вузов / А.И. Абрамов, В.И. Извеков, Н.А. Се-рихин. - М.: Высш. шк., 1990. - 336 с.: ил.
4. Eamshaw S. On the nature of the molecular forces // Trans. Cambridge phill. Soc. - 1842.
5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Физика: Для школьников ст. кл. и поступающих в вузы: Учеб. пособие. - 2-е изд. - М.: Дрофа, 1999. - 800 с.: ил.
6. Журавлев Ю.Н. «Активные магнитные подшипники» теория, расчет, применение. - СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.: ил.
7. Патент РФ 2301902 «Многовальный газотурбинный двигатель с роторами на магнитных подшипниках». Авторы: Гинзбург Александр Евгеньевич, Дмитриев Анатолий Анатольевич, Скворцов Александр Всеволодович. Опубликован 27. 06. 2007. Бюл. №18.
8. Патент РФ 2280305 «Электрическая машина с магнитными подшипниками». Авторы: Хуторецкий Гарри Михайлович, Андреев Анатолий Владимирович, Аксенова Татьяна Михайловна, Пылина Светлана Николаевна, Ге-генава Нина Михайловна. Опубликован 20.07.2006. Бюл. №20.
Уральский государственный технический университет - Уральский политехнический институт
STRUCTURE OF SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL ELECTROMAGNETIC SUSPENSIONS OF ROTORS TURBO-GROUPS GT CHP DEVELOPMENT
I.V. Zotov, V.G. Lisienko
The work of active magnetic suspension studied. The choice of the magnetic bearing made. Structure of the automatic control magnetic suspension rotor turbo-groups GT CHP designed and simplified
Key words: magnetic bearing, structure, system of automatic control
