ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТОЖЕСТКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МАГНИТНЫХ ДЕМПФЕРОВ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ Гуляева Т.В.

Запорожский национальный технический университет


Номер: 4-3
Год: 2016
Страницы: 41-47
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

магнитный демпфер, осевая сила, радиальная сила, жесткость демпфера, коэрцитивная сила, остаточная индукция, the magnetic damper, axial force, radial force, stiffness of the damper, the coercive force, residual induction

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассматривается конструкция магнитного демпфера для устранения проблемы возникновения резонанса, приводящего к вибрации вала на больших оборотах. Для решения проблемы была разработана конструкция магнитного демпфера, которая позволяет не менять технологию сборки двигателя и обеспечивает его работоспособность на всех режимах работы. Проведен анализ магнитных материалов, которые могут быть использованы в данном демпфере, исходя из конструктивных особенностей и обеспечения максимальной жесткости демпфера.

Текст научной статьи

Введение. В авиационной промышленности основной целью разработчиков турбореактивных двигателей является создание высоко-экономических и надежных, с низким удельным весом силовых установок. Ресурс и надежность современных машин с вращающимися элементами в значительной степени зависит от уровня вибраций, долговечности подшипников, величины динамических нагрузок, вызванных дисбалансом роторов. Одной из причин, которая вызывает повышенный уровень вибраций на авиационном двигателе, является повышенный дисбаланс ротора (или роторов), который может привести к возбуждению одной или нескольких критических скоростей собственных колебаний ротора, а также вызвать резонансные явления в опорной конструкции [1]. При создании двигателей большой степени двухконтурности с большими частотами вращения роторов чрезвычайно большую важность приобрели вопросы динамики. Наиболее эффективным средством снижения уровня вибраций и динамических нагрузок в узлах двигателей является применение демпферных опор. Опоры роторов - это отдельные модули, входящие в конструктивно-силовую систему двигателя. Конструкции демпферных опор довольно разнообразны, но независимо от этого они выполняют следующие основные функции: - снижение жесткости опоры ротора, что приводит к изменению динамической системы двигателя (при этом снижаются частоты собственных колебаний системы, устраняются резонансы на рабочих режимах); - поглощение энергии колебаний динамической системы двигателя, превращая ее в тепло, не позволяет развиваться большим амплитудам колебаний, динамическим нагрузкам и напряжениям в деталях двигателя. В наше время в авиационных двигателях используют три основных типа демпферных опор: - с гидродинамическим (масляным) демпфером; - с гидродинамическим (масляным) демпфером и упругим элементом типа «беличье колесо» (упруго-масляный демпфер); - с упругим кольцом. Для окончательного определения эффективности типа демпфера, избранного и рассчитанного для данного двигателя, необходимо выполнить экспериментально-доводочные работы. Но, поскольку экспериментальное доказательство имеет высокую стоимость, целесообразно использовать численное моделирование для оценки вариантов системы «ротор - опоры»: - определение критических скоростей недемпфованой системы; - расчет реакции системы, установившейся на дисбаланс, то есть вынужденные колебания; - методы оценки остаточного дисбаланса в этом роторе; - исследование устойчивости системы ротор-опора на основе расчета критических скоростей с учетом демпфирования или применения критериев устойчивости; - анализ переходных процессов или неустойчивых реакций ротора на дисбаланс и влияния возбуждающей силы, а также исследования переходных процессов, обусловленных явлением самовозбуждения. За рубежом эти проблемы рассматривались многими авторами. В СНГ подобные исследования рассматривались в МАИ и ЦИАМ [2-5]. На предприятии ГП «Ивченко-Прогресс» была разработана методика и пакет программ для определения собственных частот и форм колебаний системы роторов, а также для определения амплитудно-частотных характеристик, вызванных реакцией системы, установившейся на дисбаланс, со структурным и вязким трением. Для определения собственных частот используется метод начальных параметров для систем, которые имеют много связей. Конструктивные особенности магнитного демпфера двигателя Д-436Т1. На ГП «Ивченко-Прогресс»в процессе экспериментальной доводки двигателя Д-436Т1 (проведение специальной проверки по колесу вентилятора) на оборотах вентилятора 5900 ... 6100 об/мин возникали повышенные вибрации двигателя на частотах ротора вследствие резонансных колебаний вала вентилятора. Эти колебания вызвали изгиб вала вентилятора и касания его о статорные и роторные детали компрессора низкого давления. Изменение конструкции вала вентилятора для устранения резонанса было невозможно. Добалансировка колеса вентилятора и имеющийся в конструкции вентилятора упруго-масляный демпфер не обеспечивали устранения резонанса. Для решения вышеупомянутой проблемы специалистам ГП «Ивченко-Прогресс» была поставлена задача по разработке конструкции такого демпфера, который позволял бы в имеющихся геометрических размерах не менять технологию сборки двигателя и обеспечивал работоспособность двигателя на всех режимах работы. На основании вышесказанного специалистами ГП «Ивченко-Прогресс» была разработана конструкция вала вентилятора с магнитным демпфером [8-10], которая позволяла бы убрать резонанс частоты ротора вентилятора из области рабочих оборотов работы двигателя и исключить повышение уровня вибраций. Кроме этого прорабатывалась возможность применения такого вида демпфера и как дополнительной опоры для длинных валов авиадвигателей. Предложенная конструкция опоры не требует традиционного подвода масла для охлаждения подшипника и лишена типичных недостатков опор (проскальзывания, сложность подвода и слива масла, сложность сборки и обеспечения специальных требований для подшипника). Отдельной задачей было обеспечение максимальной жесткости демпфера за счет подбора магнитного материала с оптимальными свойствами [4-7]. На рис. 1,2 представлены вал вентилятора авиационного двигателя Д-436Т1 с магнитным демпфером и конструкция колец ротора и статора [11, 18]. Разработаный магнитный демпфер состоит из вращающейся (роторная) и неподвижной (статорной) частей. Рис. 1. Вал вентилятора авиационного двигателя Д-436 Т1 с магнитным демпфером Рис.2. Конструкция колец ротора и статора Выбор материала постоянных магнитов. Требования, предъявляемые к магнитным материалам: - высокая коэрцитивная сила; - низкий удельный вес; - малая себестоимость; - стабильность характеристик в широком температурном диапазоне и времени; - достаточные физические и химические свойства; - высокое электрическое сопротивление. Использование постоянных магнитов с высокими значениями коэрцитивной силы, которая характеризует сопротивление размагничиванию, вытекает из особенностей данного подвеса: магнит в поле другого магнита. Требуемые значения разгружающей силы могут быть достигнуты при условии, что не произойдет значительного взаимного размагничивания опорных элементов. Этому условию соответствуют кобальтовые сплавы и композиционные материалы на основе сплава Nd-Fe-(В,С). При рассмотрении второго типа сплавов выполняются также и третье условие - низкая себестоимость по сравнению с кобальтовыми сплавами. Удельный вес полученных спеченных магнитов 9375 кг/м3 [19, 20]. Высокое электрическое сопротивление магнитных материалов необходимо для сведения к минимуму потерь на вихревые токи, возникающие при вращении вала. При разработке конструкции магнитного демпфера был использован известный на тот момент магнитный материал на основе сплава Sm-Co с известными характеристиками. Однако, дороговизна Sm, большие энергетические затраты для получения кобальта и необходимость сохранения основных характеристик достаточно долгое время не дает им достаточного широкого применения. Для удешевления таких магнитов можно использовать магниты на основе сплавов системы Fe-Nd-B. Таблица 1 Сравнительная характеристика магнитов на основе систем Sm-Co, Fe-Nd-B, Fe-Nd-C Соединение ТC, К IS, Tл Вr, Тл HA, МА/м (BH)max, кДж/м3 SmCo5 1020 1,14 0,77 1,3 140 Nd2Fe14С 535 1,5 0,8 7,6 450 Nd2Fe14В 585 1,6 1,2 5,4 512 Технические характеристики магнитов: 1. Магнитная индукция Br 0,9 Тл. 2. Коэрцитивная сила Нс 600 кА/м. 3. Рабочая температура Т 493 К. Расчет магнитных сил в магнитном демпфере. Для оптимизации конструкции магнитного демпфера представителями ГП «Ивченко-Прогресс» был проведен теоретический расчет радиальной силы и осевой силы. Расчеты проводились для систем магнитов с магнитопроводом и без магнитопровода. Ранее по результатам исследований опор с демпферами на постоянных магнитах Беккерсом был сделан следующий вывод: при увеличении радиуса опоры ее грузоподъемность возрастает линейно, а вес вала увеличивается в квадрате. То есть, при определенных условиях опора будет компенсировать только вес вала. Поэтому вал необходимо выполнять полым, а внутренние кольца подшипника - минимальными [10, 12-17]. Для расчета разгружающей силы была использована следующая формула: (1) Магнитную насыщенность можно определить так: (2) Всего в данной конструкции используется 390 магнитов. Размеры магнитов, используемых в конструкции, 6х12х16 мм, высота - 6 мм, рабочая часть магнита 12х16 мм, таким образом, данную плоскость можно разделить на 12 элементарных магнитиков квадратного сечения. Разгружающую силу определяем по формуле (1). Таблица 2 Магнитные свойства Магнитная система Коэрцитивная сила Нс, кА/м Остаточная индукция, Br, Тл Обозна-чение Спечённые под начальным давлением 12 МПа и температуре 1023 К магниты состава Nd-Fe-B, легированные Cu, C, Ti 1320 0,79 С1 Анизотропные магниты состава Nd-Fe-B, легированные Cu, C, Ti после ТО 1260 1,125 С2 Минимальные значения Нс и Br 600 0,9 С3 Пластинчатые магниты КС 37 1300 0,77 С4 Известно, что чем меньше зазор в демпфере, тем большей разгружающей силы можно достичь [4, 9, 10, 13-17]. Однако особенности конструкции и сборки двигателя не позволяют уменьшить зазор до минимальных значений. В предлагаемой конструкции величина зазора составляет 1 мм. На рис. 3,4 представлены зависимости разгружающей и радиальной сил от зазора в магнитном демпфере. Рис. 3. Зависимость разгружающей (осевой) силы от зазора в магнитном демпфере Рис. 4. Зависимость радиальной силы от зазора в магнитном демпфере На рис. 5 представлены зависимости разгружающей силы от шага для спеченных под начальным давлением 12 МПа и температуре 1023 К магнитов состава Nd-Fe-B, легированные Cu, C, Ti в магнитном демпфере. Рис. 5. Зависимость разгружающей силы от шага для магнита С1 в магнитном демпфере. Радиальная жесткость опоры рассчитывается по следующей формуле: (3) На рис. 6 представлена зависимость радиальной жесткости опоры от зазора в магнитном демпфере. Рис. 6. Зависимость радиальной жесткости опоры от зазора в магнитном демпфере: Удельная подъемная сила, которая приходится на единицу поверхности, рассчитывается по следующей формуле: (4) В табл. 3 представлены значения удельной подъемной силы, рассчитанной по формуле (4) для различных типов магнитов. Таблица 3 Значение удельной подъемной силы, которая приходится на единицу поверхности магнита Магнитная система Удельная подъёмная сила, f, кН/мм2 С1 119,377 С2 33,1785 С4 117,973 С3 3,39659 ВЫВОДЫ 1. Представленная конструкция вала вентилятора с магнитным демпфером позволяет исключить возникновение резонанса ротора вентилятора на рабочих оборотах двигателя. Конструкция указанного демпфера позволяет использовать его как дополнительную опору ротора, которая не требует традиционного подвода масла для охлаждения подшипника и лишена типичных недостатков межвальных опор. 2. Проведенным анализом магнитных материалов, которые могли бы быть использованы в данном демпфере, исходя из конструктивных особенностей (анализировались 3 системы: Sm-Co, Fe-Nd-B и Fe-Nd-C), можно сделать вывод, что по магнитным характеристикам наиболее подходящей может быть система Fe-Nd-В. 3. Для применения разработанной конструкции магнитного демпфера необходим большой объем экспериментально-доводочных работ с целью определения влияния магнитного поля на детали, окружающие данный демпфер, на детали шарикоподшипника, а также эффективность демпфирования.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.