Способ отстройки от резонанса системы "вертикальный электронасосный агрегат-фундамент-входной и выходной трубопроводы"

Изобретение относится к насосостроению. Cпособ отстройки от резонанса системы «вертикальный электронасосный агрегат (ЭНА) - фундамент - входной и выходной трубопроводы» заключается в измерении спектра уровней виброскорости на верхнем подшипнике двигателя ЭНА в горизонтальном направлении и определении собственной частоты f_c колебаний системы в Гц. Данная частота f_c при определенных соотношениях жесткостей элементов системы может приближаться к оборотной частоте f_об колебаний двигателя в Гц и тем самым создавать резонанс системы. Затем происходит отстройка от резонанса системы путем изменения жесткости рамы ЭНА. Определение частоты собственных колебаний системы f_c проводится при остановке с холостого хода двигателя на выбеге либо при остановке с линии рециркуляции ЭНА на выбеге путем измерения на верхнем подшипнике двигателя ЭНА агрегата в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях частотно-амплитудной зависимости уровней вибрации по виброскорости V в мм/с от частоты n вращения двигателя в об/мин и определении f_c=n/60 Гц при V_max. Если f_c по любому из направлений измерения находится в диапазоне частот 1,0f_об÷0,8f_об, то проводится расчетно-конструкторская проработка по снижению величины f_c за счет изменения жесткости системы путем уменьшения жесткости рамы ЭНА, в стенках которой в соответствии с расчетами выполняются отверстия. Изобретение направлено на отстройку от резонанса системы «вертикальный ЭНА - фундамент - входной и выходной трубопроводы», снижение уровней вибрации ЭНА и повышение надежности и ресурса ЭНА в целом. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к способам отстройки от резонанса системы «вертикальный электронасосный агрегат - фундамент - входной и выходной трубопроводы».

Известен способ экспериментального определения собственной частоты f_c колебания вертикальных системы «опора - машина», в котором при измерении уровней вибрации в горизонтальном направлении на верхнем подшипнике электродвигателя f_c может быть ниже частоты возбуждения f₀6 приводного механизма (двигателя) /ГОСТ ИСО 10816-3-2002. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 3, л. 3 и 5/.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится отсутствие способа влияния на снижение собственной частоты колебания системы, когда f_c находится в диапазоне частот 1,0 f_об÷0,8 f_об (по опыту ПАО «Пролетарский завод») и имеется вероятность возникновения резонанса системы «опора - машина» или существуют повышенные уровни вибрации.

Наиболее близким способом того же назначения по совокупности признаков является способ устранения резонанса системы «вертикальный электронасосный агрегат - фундамент - входной и выходной трубопроводы» (далее - системы), заключающийся в измерении спектра уровней виброскорости на верхнем подшипнике электродвигателя электронасосного агрегата в горизонтальном направлении и определении собственной частоты колебаний системы f_c, которая при определенных соотношениях жесткостей элементов системы, может быть f_c<f_об, приближаться к оборотной частоте колебаний электродвигателя f_об и, тем самым, создается резонанс системы, затем происходит отстройка от резонанса системы путем изменения жесткости рамы электронасосного агрегата, в частности установка на раму дополнительных ребер жесткости /В.М. Рожков, «Устранение вибрации насоса насосной замкнутых контуров (НЗК)», http://vdiagnostike.ru/ystranenie-vibracii-nasosa/.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, является то, что измерения уровня вибрации на верхнем подшипнике электродвигателя проводятся в горизонтальной плоскости только в одном направлении, что при несимметричной конструкции системы не дает достаточной информации о резонансных явлениях.

В прототипе отсутствует метод определения частоты собственных колебаний системы f_c при остановке с холостого хода двигателя на выбеге, либо при остановке с линии рециркуляции электронасосного агрегата на выбеге путем измерения на верхнем подшипнике электродвигателя электронасосного агрегата в двух взаимно-перпендикулярных горизонтальных направлениях частотно-амплитудной зависимости уровней вибрации по виброскорости V в мм/с от частоты вращения двигателя n в об/мин и определении f_c=n/60 Гц при V_max, снижая тем самым качество определения f_c и ее отстройки от резонанса.

В данном способе отстройка от резонанса происходит за счет увеличения жесткости системы (установки ребер на раме), поэтому f_c, увеличиваясь, сначала ведет к повышению уровня вибрации, т.к. приближается к f_об (приближается к резонансу) и только уже потом переходит резонанс и при дальнейшем увеличении жесткости рамы (системы «машина - опора») при f_c>1,3f_об (по опыту ПАО «Пролетарский завод») происходит отстройка от резонанса и снижение уровней вибрации, что не безопасно и более сложно, чем снижение жесткости системы и снижение f_c.

Задачами, на которые направлено заявляемое изобретение, являются:

- отстройка от резонанса системы;

- снижение уровней вибрации электронасосного агрегата;

- повышение надежности и ресурса электронасосного агрегата в целом.

Технический результат, который получен при реализации изобретения заключается в отстройке от резонанса системы, снижение уровней вибрации электронасосного агрегата и повышение надежности и ресурса электронасосного агрегата в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что способ отстройки от резонанса системы «вертикальный электронасосный агрегат - фундамент - входной и выходной трубопроводы» заключается в измерении спектра уровней виброскорости на верхнем подшипнике двигателя электронасосного агрегата в горизонтальном направлении и определении собственной частоты колебаний системы f_c в Гц, которая при определенных соотношениях жесткостей элементов системы, может быть f_c<f_об, приближаться к оборотной частоте колебаний двигателя f_об в Гц и, тем самым, создавать резонанс системы, затем происходит отстройка от резонанса системы путем изменения жесткости рамы электронасосного агрегата. Согласно изобретению определение частоты собственных колебаний системы f_c проводится при остановке с холостого хода двигателя на выбеге, либо при остановке с линии рециркуляции электронасосного агрегата на выбеге путем измерения на верхнем подшипнике двигателя электронасосного агрегата в двух взаимно-перпендикулярных горизонтальных направлениях частотно-амплитудной зависимости уровней вибрации по виброскорости V в мм/с от частоты вращения двигателя n в об/мин и определении f_c=n/60 Гц при V_max, при этом, если f_c по любому из направлений измерения находится в диапазоне частот 1,0 f_об÷0,8 f_об, то проводится расчетно-конструкторская проработка по снижению величины f_c за счет изменения жесткости системы, путем уменьшения жесткости рамы электронасосного агрегата, в стенках которой в соответствии с расчетами, выполняются отверстия. Отверстия выполняются в центре стенок с шириной А и высотой В, при этом В>А, в верхней и нижней частях отверстия скругляются с радиусом А/2, площадь отверстия S_отв должна быть не более 0,2S_ст, где S_ст - площадь лицевой поверхности стенки. Отверстия могут выполняться со смещением от центра стенок к нижнему фланцу рамы. Отверстия могут выполняться в двух противоположных стенках рамы, наиболее близких к вертикальной плоскости, проходящей через оси входного и выходного трубопроводов насоса. Отверстия могут выполняться в двух противоположных стенках рамы, наиболее близких к вертикальной плоскости, проходящей через ось насоса и перпендикулярной осям входного и выходного трубопроводов насоса.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 изображен вертикальный электронасосный агрегат, на фиг. 2 приведены амплитудно-частотные вибрационные характеристики верхнего подшипника при выбеге электродвигателя до доработки рамы, на фиг. 3 приведены амплитудно-частотные вибрационные характеристики верхнего подшипника при выбеге электродвигателя после доработки рамы.

Электронасосный агрегат состоит из насоса 1, на который установлена рама 2, на которую установлен электродвигатель 3. Насос 1, соединенный с трубопроводом входа 4 и трубопроводом выхода 5, устанавливается лапами 6 (4 шт.), имеющие опорные поверхности 7, на фундамент (на черт, не показан). Ротор 8 насоса 1 соединен с ротором (на черт, не показан) электродвигателя 3 муфтой 9, на которой нанесена метка, позволяющая при работе насоса 1 определять частоту вращения. Электродвигатель 3 содержит верхний подшипниковый щит 10, на котором в горизонтальной плоскости в двух взаимно-перпендикулярных направлениях производится измерение уровней виброскорости верхнего подшипника (на черт, не показан) электродвигателя 3, где V₁ - горизонтальное направление, расположенное в вертикальной плоскости проходящей через оси входного 4 и выходного 5 трубопроводов насоса 1. В стенках 11 рамы 2 в центре выполнены отверстия 12 шириной А и высотой В при этом В>А, в верхней и нижней частях отверстия 12 скругляются радиусом R=A/2, площадь отверстия S_отв должна быть не более 0,2S_ст, где S_ст - площадь лицевой поверхности стенки.

Как вариант, отверстия 12 могут выполняться со смещением от центра стенок 11 к нижнему фланцу 13 рамы 2.

Как вариант, отверстия 12 могут выполняться только в двух противоположных стенках 11 рамы 2, наиболее близких к вертикальной плоскости, проходящей через оси входного 4 и выходного 5 трубопроводов насоса 1.

Как вариант, отверстия 12 могут выполняться только в двух противоположных стенках 11 рамы 2, наиболее близких к вертикальной плоскости, проходящей через ось насоса 1 и перпендикулярной осям входного 4 и выходного 5 трубопроводов насоса.

Способ отстройки от резонанса системы осуществляется следующим образом.

Вертикальный электронасосный агрегат состоящий из насоса 1, рамы 2, электродвигателя 3, соединенный с трубопроводами входа 4 и выхода 5, лапами 6 с опорными поверхностями 7 установлен на фундамент (на черт, не показан). Входной 4 и выходной 5 трубопроводы и насос 1 заполнены водой (возможен вариант, когда вода отсутствует).

По первому варианту, муфта 9, соединяющая ротор 8 насоса с ротором (на черт, не показан) электродвигателя расцеплена. Двигатель 3 запускается на холостом ходу и по датчикам, установленным на верхнем подшипниковом щите 10 электродвигателя по направлениям V₁ (горизонтальное направление, расположенное в вертикальной плоскости параллельно осям входного 4 и выходного 5 трубопроводов насоса 1) и V₂ (направление перпендикулярное V₁), определяются уровни вибрации по виброскорости в мм/с на верхнем подшипнике электродвигателя 3. В случае, если уровни вибрации превышают установленные нормы, вероятно, что собственная частота f_c системы находится в диапазоне частот 1,0 f_об÷0,8 f_об, где f_об оборотная частота электродвигателя. Затем электродвигатель останавливается и на выбеге (от частоты вращения на холостом ходу до полной остановки) проводится определение частоты собственных колебаний системы в Гц по направлениям V₁ и V₂ в реальном времени, путем измерения частотно-амплитудной зависимости уровней вибрации по виброскорости V в мм/с от частоты вращения электродвигателя n в об/мин. Строятся графики зависимостей V₁=f(n) и V₂=f(n), на которых определяют значения V_max, по ним - соответствующие значения частоты вращения n, и далее находят

f_c1=n₁/60 и f_c2=n₂/60

По второму варианту, муфта 9 соединяет ротор 8 насоса 1 с ротором (на черт, не показан) электродвигателя 3. Насосный агрегат работает по линии рециркуляции. Производиться остановка насосного агрегата и на выбеге по вышеприведенной методике определяются величины f_c1 и f_с2.

Поскольку, частоты собственных колебаний системы f_c1 и f_с2 меньше f_об, целесообразно выйти из зоны резонансных явлений за счет снижения частоты собственных колебаний системы и здесь наиболее доступным элементом системы, для изменения конструкции, является рама 2. В стенках 11 рамы 2 в центре выполняются отверстия 12 шириной А и высотой В, при этом, В>А, а в верхней и нижней частях отверстия 12 скругляются радиусом R=А/2. Размеры А и В отверстий 12 определяются при расчете снижения частоты собственных колебаний рамы 2 и системы в целом, для обеспечении соотношения f_c1 и f_c2 < 1,0 f_об ÷ 0,8 f_об. Скругление углов отверстий 12 радиусом R=А/2 выполнено для исключения концентраторов напряжения в раме, а ограничение площади отверстия S_отв не более 0,2S_ст, где S_ст - площадь лицевой поверхности стенки, обеспечивает достаточную прочность и сейсмостойкость рамы 2 и насосного агрегата в целом.

Как вариант, отверстия 12 могут выполняться со смещением от центра стенок 11 к нижнему фланцу 13 рамы 2, при этом, более интенсивно снижается жесткость рамы, т.е. частота ее собственных колебаний и частота собственных колебаний системы в целом.

Как вариант, отверстия 12 могут выполняться только в двух противоположных стенках 11 рамы 2, наиболее близких к вертикальной плоскости, проходящей через оси входного 4 и выходного 5 трубопроводов насоса 1, при этом более интенсивно снижается частота собственных колебаний системы f_с2.

Как вариант, отверстия 12 могут выполняться только в двух противоположных стенках 11 рамы 2, наиболее близких к вертикальной плоскости, проходящей через ось насоса 1 и перпендикулярной осям входного 4 и выходного 5 трубопроводов насоса, при этом более интенсивно снижается частота собственных колебаний системы f_c1.

Пример выполнения.

Способ устранения резонанса системы был применен на вертикальном конденсатном электронасосном агрегате КЭНА 2000-100 (3 шт., изготовитель ПАО «Пролетарский завод») на блоке №6 «Нововоронежской АЭС». Основные характеристики агрегата на номинальном режиме: подача - 2000 м3/ч, напор - 100 м, частота вращения - 990 об/мин, допускаемый кавитационный запас - 2,8 м, КПД насоса - 82%. Мощность электродвигателя - 800 кВт, масса агрегата - 19263 кг, габарит по высоте - 6061 мм.

При проведении пуско-наладочных работ по результатам вибрационных измерений электродвигателей насосных агрегатов на холостом ходу (агрегат в сборе, муфта расцеплена) выявлены повышенные уровни вибрации на верхнем подшипнике в поперечном направлении от 3,5 до 7,1 мм/с при норме - 2,8 мм/с. Анализ спектральных характеристик показал, что основная частота в спектре вибрации практически совпадает с оборотной 16,5 Гц. Для двигателя агрегата 10LCB12AP001 на фиг. 2 приведены амплитудно-частотные вибрационные характеристики верхнего подшипника при выбеге электродвигателя, которые показывают, что максимальный уровень вибрации по направлению V₂ составляет 12 мм/с при частоте вращения 975 об/мин, что соответствует f_с2=16,25 Гц, а по направлению V₁ - 8,5 мм/с при частоте вращения 890 об/мин, что соответствует f_c1=14,8 Гц. Полученные результаты показывают наличие резонансных явлений в системе.

Были проведены расчеты по снижению собственной частоты колебаний рамы 2 и системы в целом, в соответствии с которыми во всех стенках 11 рамы 2 в центре были выполнены отверстия 12 с размерами А=150 мм, В=600 мм, R=75 мм.

На фиг. 3 приведены амплитудно-частотные вибрационные характеристики верхнего подшипника при выбеге электродвигателя после доработки рамы, которые показали, что собственная частота колебаний системы f_с2 снизилась до 13 Гц (780 об/мин), a f_c1 - до 11,9 Гц (716 об/мин), что отвечает требованиям f_c1 и f_с2 < 1,0 f_об ÷ 0,8 f_об.

В результате были получены уровни вибрации электродвигателя на холостом ходу в соответствии с установленными нормами - не более 2,8 мм/с, а также уровни вибрации насосного агрегата на номинальном режиме эксплуатации не более 4,5 мм/с.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует, что заявленное изобретение при его использовании выполняет следующие поставленные задачи:

- отстройка от резонанса системы;

- снижение уровней вибрации электронасосного агрегата;

- повышение надежности и ресурса электронасосного агрегата в целом.

1. Способ отстройки от резонанса системы «вертикальный электронасосный агрегат - фундамент - входной и выходной трубопроводы», заключающийся в измерении спектра уровней виброскорости на верхнем подшипнике двигателя электронасосного агрегата в горизонтальном направлении и определении собственной частоты колебаний системы f_c в Гц, которая при определенных соотношениях жесткостей элементов системы может быть f_c<f_об, приближаться к оборотной частоте колебаний двигателя f_oб в Гц и тем самым создавать резонанс системы, затем происходит отстройка от резонанса системы путем изменения жесткости рамы электронасосного агрегата, отличающийся тем, что определение частоты собственных колебаний системы f_c проводится при остановке с холостого хода двигателя на выбеге либо при остановке с линии рециркуляции электронасосного агрегата на выбеге путем измерения на верхнем подшипнике двигателя электронасосного агрегата в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях частотно-амплитудной зависимости уровней вибрации по виброскорости V в мм/с от частоты вращения двигателя n в об/мин и определении f_c=n/60 Гц при V_max, при этом, если f_c по любому из направлений измерения находится в диапазоне частот 1,0f_об÷0,8f_об, то проводится расчетно-конструкторская проработка по снижению величины f_c за счет изменения жесткости системы путем уменьшения жесткости рамы электронасосного агрегата, в стенках которой в соответствии с расчетами выполняются отверстия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отверстия выполняются в центре стенок с шириной А и высотой В, при этом В>А, в верхней и нижней частях отверстия скругляются с радиусом А/2, площадь отверстия S_отв должна быть не более 0,2S_ст, где S_ст - площадь лицевой поверхности стенки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отверстия могут выполняться со смещением от центра стенок к нижнему фланцу рамы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отверстия могут выполняться в двух противоположных стенках рамы, наиболее близких к вертикальной плоскости, проходящей через оси входного и выходного трубопроводов насоса.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отверстия могут выполняться в двух противоположных стенках рамы, наиболее близких к вертикальной плоскости, проходящей через ось насоса и перпендикулярной осям входного и выходного трубопроводов насоса.