автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Динамическая прочность, надежность и оптимизацияроторных машин нефтегазохимической промышленности

ХАРЮВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛ 1ТЕХН1ЧНИЙ УНИВЕРСИТЕТ

?Г0 од 1 з сен т

Лук'яненко Володимир Матвшович

УДК 621.928:539.4

ДИНАМ1ЧНА М1ЦН1СТЬ, НАД1ЙН1СТЬ ТА 0ПТИМ13АЦ1Я РОТОРНИХ МАШИН НАФТ0ГА30Х1М1ЧН01 ПРОМИСЛОВОСТ1

Спец1альнють 05.02.09. - Динамжа та мщнють машин

Автореферат дисертаци на здобуття наукового ступеня доктора техшчних наук

Харюв 2000

Дисертащею е монографш.

Роботу виконано у вщкритому акционерному товариств! «Сумське машино-буд1вне науково-виробниче об'еднання ¡м. М.В.Фрунзе» (ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе»), м. Сумм

Науковий консультант - Заслужений д>яч науки i техшки, Лауреат Державних премм Укра\ни, доктор техжчних наук, професор [Богомолов Cepriü !вановйч\, Харивський державний полтехннний ун1верситет, професор кафедри динамки та miuhocti машин.

Офшшш опоненти: - Академik HAH Укражи доктор техжчних наук, професор Григоренко Ярослав Михайлович,

1нститут механжи ¡м. С.П.Тимошенка HAH УкраТни (м. Ки'|'в), завщувач вщдтом обчислювальних метод1в.

Доктор техжчних наук, професор Голоскоков Свген Григорович,

Харкгёський державний полтехннний ужверситет, завщувач кафедри автоматичного управлшня рухом.

Доктор техжчних наук, професор Шульженко Микола Григорович,

1нститут проблем машинобудування HAH Укра'щи ¡м. A.M. Пщгорного (м. Xapxie), заступник директора з науковоТ роботи, завщувач вщдшу вЮрацмних i термомщжсних дослщжень.

Провщна установа: - 1нститут проблем MiuHocTi HAH Укражи, м. Кж'в.

Захист вщбудеться «25« травня 2000 р. о 1430 на засщанж спец1ал1зова-Hoi вчено! ради Д 64.050.10 у Харктському державному пол1техн1чному ужверситет! заадресою: 61002, м.Харюв, вул. Фрунзе 21.

3 дисертацгёю можна ознайомитись у бЮлютеш Харкшського державного полтехжчного ушверситету.

Автореферат роз1сланий «22» кв!тня 2000 р.

Вчений секретар )

спец|ал|'зованоТ вченоУ ради /.fry " ' * Бортовий B.B.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть теми. Сучасж машини, робочий процес яких заснований на великих можливостях ротор|'в, що швидко обертаються, багато в чому визна-чили мапстральж шляхи ¡нженерноТ' д1яльност1, сприяли науково-техжчному прогресу, забезпечили його високий рвень. Завдяки ужкальним можливос-тям роторних машин створено сучасну енергетику, започатковано аерокосмн-ну техжку, найвищ! технологи, розвинене ¡ндустр^альне виробництво.

Особливе м1сце роторж машини займаютьу х1м1чн1Й промисловост1, видо-бутку \ транспортуванж нафти I газу. По обсягах транзиту газу УкраТна займае одне з перших мюць у свт. Газотранспортна система (ГТС) Украши об'еднуе бтя 33 тис. км мапстральних газопроводов, 120 компресорних цех/в ¡з загаль-ною потужнютю 5,3 млн. кВт, бшьш 1350 розподтьних станц1й, 12 пщземних сховищ. Потужжсть ГТС складае 230 млрд. куб. м газу в рк, у нм експлуатуеться 20 титв газоперекачуючих агрегат1в (ГПА), при цьому 76,7% вщ загальноТ по-тужност забезпечуеться газотурбЫними агрегатами. ГТСУкраТни неттьки за-безпечуе 45% споживання первинних енергоресурсш у краТж, але \ служать своерщним «газовим мостом» м1ж найбтьшими у св1т1 газовидобувними реп-онами \ европейськими споживачами. Тому оджею з найголовжших, стратег-¡чних задач е пщтримка на високому техн1чному р1вн1 \ розширення ГТС, що забезпечить надшжсть постачань природного газу.

Проте, 50% парку ГПА вщпрацювали св1й ресурс, а 1х середжй ККД при-близно в два рази менше, жж у сучасних агрегата. Якщо не зд1йснити вщпов-щних заход1в, до 2001 року ГТС УкраТни може зменшити пропуски! можливост1 на 48% вщобсяпв, передбачених м1ждержавними угодами УкраТни ) Роем. Наша кра'ша в цьому випадку одержить на 17 млрд. куб. м газу менше, що в грошовому еквталент1 складае бтьш мтьярдадоларщСША. Не випадково Роайсь-ка Федерацт, головний експортер палива через украТнську територ1ю, активно шукае альтернативж шляхи транспортування газу в обхщ УкраУни. Для пщви-щення конкурентно! спроможносл ГТС УкраТни необхщна замта ГПА на бтьш енергоефективж. Тому збшьшення випуску ГПА набувае особливо! актуальное^, бо домшуючим енергоноЫем першоТ половини XXI стор1ччя, як слщуе з прогноза, буде газ.

Вщносно низьк1 цжи на турбокомпресорж агрегати, (хня висока яюсть та над1йжсть в експлуатацм забезпечили лщируюче положения ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В. Фрунзе» на ринку держав СНД \ Укра'ши, насичення я кого аналопчною продукцию зд]йснюють бшьш 10 ф1рм св1ту (США, Ымеччина, 1тал1я та ¡н.). Питома вага агрегатш виробництва об'еднання складае бтьш 25%, що забез-печуе транспортування бтьш 30% газу, що добуваеться. Розроблеж \ вироб-леж об'еднанням ГПА експлуатуються в даний час на газопроводах Укра'жи, Роем, Казахстану, Туркменистану, в 1раж, Аргентиж, Болгарп, Польщу Болши, ¡нших краТнах.

Центрифуги, що випускаються заводом, застосовуються у цукровм, фар-мацевтичжй, коксохмнжй 1 сумЫ<них ¡3 ними галузяхпромисловостк Вони при-значеж для подту в пол1 вщцентрових сил неоднорщних систем, що склада-

ються ¡з двох або бтыие фаз (суспенз1й або емульсм). Центрифуги - тради-щйна для об'еднання продукц1я. Протягом усього часу виробництва конструк-щя ¡технолопя виготовлення центрифуг постшноудосконалюсться. Досвщ ек-сплуатацп шдвюних центрифуг на цукрових заводах показав, що вл"чизнян1 пщвюж центрифуги довгов1чжил за ¡мпортж i за продуктившстю не поступа-ються кращим закордонним зразкам. Водночас, необхщне ixhc удосконален-ня щодо матер1алоемност1 i в1бронад1йносл.

Рщиннокшьцев1 (водоюльцев^ машини, що випускаються об'еднанням, при-датж для перекачування майже Bcix технолопчних газ1в. Вони застосовуються для нагштання нав1ть вибухових, схильних до пол1меризацм газ1в, та тих, що м'ютять тверд'1 частки. Р'щиннок'|льцев'| насоси i компресори складаються лише з дектькох основних деталей i тому особливо npocTi в обслуговуванж й експ-луатацм, мають низький ршень шуму, пожежнобезпечж.

Об'еднання випускае рщиннокшьцев1 машини продуктивною вщ 6 до 300 м3/хв, вони займають 7-8% загального валового випуску у cbiti - б'шя 1500 одиниць у piK. Основними споживачами машин, що випускаються об'еднанням, с пщприемства Украши i краж СНД. Найбтьший експорт машин здшснюеться в Pociio, Казахстан, Bmopyciio. Здшснюються також постачання машин у Bonrapiio, Кубу, Грецш, Китай, бгипет, Алжир та ¡Hiui краши.

Бшьилсть р'щиннокшьцевих машин, вироблених ВАТ «Сумське HBO im. М.В. Фрунзе», за своТми основними показниками знаходяться на ршш веду-чих закордонних ф1рм, а, наприклад, щодо витрат води, нав1ть перевершують |'х. Одним з основних показниюв, за котрими ц1 машини поступаються закордонним, е питома потужжсть. Тому при створенж нових машин особлива ува-га придтяеться саме питомоУ потужносв, матер1алоемносл, соб1вартост1 та пщвищенню надшностк

Попит на рщиннокшьцев1 насоси з залишковим тиском до 50-30 мм рт. ст. призводить до давно назртоУнеобхщност1 створювати поряд з одноступЫча-тими насосами двохступ1нчат1, виробництво яких практично вщсутне у нашли KpaiHi i краТнах СНД. Багатосекщйж вщцентров1 насоси, ртний випуск яких в об'еднанж складае бтьш тисяч1 на piK, достатньо широко використовуються у х1ммжй, нафтодобутков1й промисловосл, наочиснихспорудах, у шахтах. Вони застосовуються переважно для заводнения нафтових шарш, у тому числ1 тих, що мютять багато Сфководороду, ¡з метою пщтримки шарового тиску. Насоси застосовуються також у металурпйжй промисловостт для гщрозбиву окалини з блюмов i слябов. В Укра'ж) вони використовуються в нафтоносних районах Закарпаття, СумськоТ i ПолтавськоТ областей. Насоси типу ЦНС поставляють-ся в Аргентину, Угорщину, Пакистан, а також в yci краУни СНД.

У монографи розглянуто найбтьш актуальж проблеми зниження матер1а-лоемност;, пщвищення термту безвщмовноУ роботи та оптим^зацп вщцентро-вих компресорш турбокомпресорних агрегате, горизонтальних i вертикаль-них центрифуг беззупинноТ дм, рщиннокшьцевих машин, а також багатосекц-¡йних вщцентрових HacociB - найбтьш представницького класу роторних машин, що виготовляються на головному пщприемств1 xiMHHoro машинобуду-вання УкраУни - ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В. Фрунзе».

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота викону-валась у ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе» згщно з державними науково-

техшчними програмами «Розробка методт розрахунку для дослщження стацю-нариихта нестацюнарних коливань та оптимоацт просторових пластинчато-обо-лонкових, стержневих систем«(№держреестрац|Т01870094597), «Розробка тео-ретичних основ та експериментальних дослщжень динамки машин, що працю-ютьвумовахмтенсивного динамнного впливу«(№ держреестрацм'0193и027865), а також згщно державно! комплексно!' цшьово! науково-техжчно! программ «За-безпечення сучасним обладнанням иафтох1М1чноТ промисловост; (Виробництво турбокомпресор1в в УкраТж)», програм наукових дослщжень, затверджених Вче-ною радою обуеднання: «Впровадження методщ експериментального та теоретичного дослщження напружено-деформованого стану ротор1в центрифуг», «Ви-конання po6iT, пов'язаних з запровадженням до експлуатацп стенд1в ф|рми «MAN» i«SCHENCK», проведения розрахунково-експериментальнихдослщжень»(№дер-жреестрацм'01941ГО26814), «Розробка метод1в1досл!дження перспективна вузлщ i систем вщцентрових компресор1в ГПА» (№ держреестраци 0196U022150).

Мета i задач) досл^дження. У сво\"й ochobi робота зумовлена сумасним р!внем розвитку:

• загальних теоретичних та експериментальних niflxofliB у виршенж задач динамжи, MiuHocTi та наджност1 складних механ!чних систем;

• високоефективних чисельних методш розв'язання рЬномажтних задач механ^и та програмного забезпечення, розробленого на !х ochobI;

• алгоритм1в та програм автоматизованих метода оптимгааци, САПР;

• науково-дослщноТта проектноУбази, що розроблена на ВАТ«СумськеНВО ¡м. М.В.Фрунзе», за допомогою яко! в коротю термши можливо виконувати високоефективне проектування нових конструкций.

Метою uie'i роботи е виршення, на ocHoei перелненого вище, комплексних задач динамнноУмщносл, над1йност1таоптим1'заци роторних машин нафтога-3oxiMi4HоТ промисловосл (НГХП), що випускаються ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе»:

• горизонтальних та вертикальних центрифуг безперервноТ дм;

• рщинноюльцевих (водоюльцевих) машин;

• багатосекщйних водцентрових насос!в типу ЦНС;

• вщцентрових компресор)в.

Досягнення сформульовано! мети виконуеться шляхом розв'язання таких проблем для перелнених класш машин НГХП:

1. Розробка та створення експериментальних 3aco6iB для одержання динами чних навантажень, включаючи випадков1, у р1зноман1тних умовах експлуатацм.

2. Адаптац1я сучасних чисельних методш та створення на !х основ! програм-нихзасобт для розв'язання комплексних задач статики, динамки, над1йност1 таоптим1зац1|' по уточненим розрахунковим моделям, зурахуванням реальних умов навантаження.

3. Розробка експериментальних метод1в, ор1ентованих на використання сер|йних,ужкальнихтаспещальнихекспериментальнихстендщ, як1даютьмож-ливють з високою точшстю, у реальному масштаб! часу, у повному обсяз1 про-водити випробування окремих вузл1в та машин у цтому.

4. Виконання конструкторсько! проробки на ochobi оптимальних проектов для створення i серШного випуску високоефективних i високонадтних зразюв роторних машин НГХП.

5. Розробка та впровадження в практику проектування системи оптимального автоматизованого проектування робочих колю компресор1в ГПА.

Наукова новизна одержаних результате.

1. Розроблено розрахунково-експериментальну методолопю проектування ро-торних машин НГХП в умовах малосер1йного виробництва, що мютить у co6i:

• експериментальш дослщження детермшованих та випадкових параметр1в навантаження в умовах експлуатацм; проведения розрахунюв статичних та ди-нам1чних характеристик параметр1в ПДВ у детерм!нован1й та ймовфшснм постановках на основ1 ужверсальних та спец1альних програмних продукте з ви-користанням сучасних метод1в теоретичного анал1зу;

• прогнозування над1йност1 з урахуванням можливих вщмов в умовах експ-луатаци, а також оптим1зац'1я на етат проектування деталей, вузл1в, агрегалв за експлуатацмними, мщнюними критер1ями з урахуванням обмежень щодо соб1вартост|' та над|'йност1;

• експериментальш дослщження та випробування нових та модерызованих деталей, вузл'ш, машин та агрегата у цЬпому за допомогою виновлено! тадопов-неноТ cepii експериментапьних установок; монтаж машини або агрегату в замов-ника, випробування, вихщ на необх1джексплуатац1йнтараметри1здача«пщ ключ».

2. Вперше експериментально отримано характеристики статичного та ди-нам1чного навантаження, що д\е у центрифугах типу ФГН i ФГП унаслщок вщцентрових сил та нер'1вном1рного розпод'тення матер'алу, що фугуеться, в poTopi, яи мають випадковий характер. У ймов1рнюн!й постанов^ розроблено методики та виконано розрахунков1 дослщження напружено-деформованого стану (НДС), випадкових коливань, над1йност1, залишкового ресурсу та опти-мгёацн по ваговим характеристикам з урахуванням показнимв над|'йност! заз-начених центрифуг, достов1ршстьяких перев1рено експериментально на спец-¡ально розроблено установи для випробування роторш.

3. Вперше виконано експериментальш дослщження газо-гщродинамжно-го тиску на робоч1 лопатки рщинноктьцевих машин в умовах експлуатацм при р'юномажтних режимах роботи, що у сполученш з теоретичними методами дозволило достатньо повно виршити проблему м>цност1, надмност) та одер-жання оптимальних експлуатащйних, геометричних параметра poTopiB та лопаток цих машин.

4. Розроблено методику теоретичного та експериментального (на спец1аль-носконструйоважйустановщ) дослщженьдеформованого стану секц'|й в'щцен-трового насосу типу ЦНС.

5. Розроблено систему автоматизованого оптимального проектування (СА-ОПР) робочих колю компресор1в газоперекачуючих агрегатш за мщнюними та геометричними параметрами з використанням методу аналЬу чутливост1, що дозволило забезпечити в1брац1йну надшнють робочих колю i скоротити терм-¡ни fx доведения.

Практичне значения одержаних результатов. На основ1 розробленого системного розрахунково-експериментального пщходу вироблено рекомендаци та висновки, що використовуються у ВАТ «Сумське HBO im. М.В.Фрунзе». Зок-рема було впроваджено в сер1йне виробництво таю конструктивна зм1ни:

1. Зменшенотовщинуконструктивнихелементш корпуснихдеталей, лквщо-вано стовщення цилждричноТ частини роторщ, що не ттьки знизило мета-

лоемжсть роторов центрифуг типу ФГН-630, ФГН-900 на 20-25%, а й дозволило зменшити трудомютюсть зварювальних роб1т, кшьюсть загсгпвок на один ротор, вщмовитися вщ поковок, замшити IX заголвками простих геометрич-них форм з прокату.

2. Розроблено заходи щодо подовження термшу експлуатацититановихро-тор|в пщв!сних центрифуг ФПН-125 на 80%.

3. Запропоновано для впровадження вар'1ант конструкци секцш вщцентро-вих насоав типу ЦНС полегшений на 23%.

4. Знижено металоемнютьнових корпуса центрифуг типу ФГН-2000-на 16% без впровадження нових технолопй на основ! експериментальних I теоретич-них дослщжень динамки та мщност!' зварних просторових пластинчатих кор-пусних конструкцм.

5. Пщвищено надтн'ють робочих колю турбокомпресор1в типу ГПА-Ц-6,3 за рахунок впровадження рекомендацш, що сформульоваж на основ! чисель-ного анал1зу динам1чно'| мщност'| та оптимального проектування. Юлькють вщмов робочих колю вщ появи втомних тр|щин зменшено на 89%.

Високий науково-техшчний р1вень виконаних розробок роторних машин пщтверджуеться конкурентноздатнють Тх на свтовому ринку, та присвоениям автору в 1997 рощ звання лауреата ДержавноТ премм УкраТни в облаем науки I технки за роботу «Розробка теоретичних основ автоматизованого оптимального проектування машин, конструкций I прилад1в, створення на цш баз1зразюв сучасноУтехнжизвпровадженням у сер1йне виробництво нового поколжня кон-курентноспроможних турбокомпресорних систем».

Особистий внесок дисертанта:

1. Запропоновано, складенота реал!зовано генеральний план впровадження в практику ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе» розрахунково-експеримен-тальноТ методологи проектування роторних машин НГХП з урахуванням спе-циф|'чнихумов малосершного виробництва.

2. Розроблено методики експериментального дослщження, яю дозволяють знайти детермшоваж та ¡мов1рн1 характеристики:

• сил, що збурюють, дточих на центрифуги внаслщок нершном1рного роз-подту в ротор1 матер1алу, що фугуеться;

• гщро-газодинам'нного тиску на робоч1 лопатки рщинноктьцевих машин. Проведено систематичний анал1з цих навантажень для рЬних тип1в рщинноктьцевих машин.

3. Проведено адаптащю вщомих розрахункових метод1в (метод кшцевих елементщ та метод початкових параметр1в) для розв'язання задач статично!' 1 динамнноТ мщност1, надщност1 \ оптимюаци центрифуг, рщинноктьцевих машин, насосш типу ЦНС, вщцентрових компресор1в. Створено методику визна-чення остаточного ресурсу титанових ротор'щ пщвюних центрифуг.

4. Розроблено сер'ио експериментальних установок для дослщжень \ вип-робувань роторних машин в цшомута окремих'|'хшхвузл1в на основ1 системного пщходу, що дозволило оргажзувати випуск продукцм «пщ ключ», значно ско-ротити термши монтажно-пускових роб1ту замовника.

5. Проведено подальший розвиток методу анал1зу чутливосл, розповсюд-женого на оптимальне проектування вщцентрових робочих колю турбокомп-ресор1в ГПА.

6. Створено концептуальж основи, структура САОПР робочих колю комп-pecopiB газоперекачуючих arperaTis, в основу якоУ покладено розроблений автором багатор1вневий ¡ерарх1чний гпдхщ.

Апробащя результата дисертацм. Ochobhí результати дослщжень допоо1-дались, обговорювапись i одержали пщтримку на таких конференциях, нарадах:

• Всесоюзна науково-техжчна нарада «Основные направления создания и повышения технического уровня, качества и надежности машин и аппаратов химического и нефтеперерабатывающего машиностроения». -М.: ЦИНТИ-ХИМНЕФТЕМАШ. - 1970.

• Всесоюзна науково-техжчна нарада «Пути совершенствования машин и аппаратов для разделения жидких неоднородных систем и методов их расчета», -Сумы: МИНХИММАШ НТО Машпром. - 1972.

• Всесоюзна науково-техжчна нарада «Интенсификация технологических процессов и совершенствование оборудования для массообмена, обезвоживания и грануляции минеральныхудобрений и другиххимических продуктов». -Сумы: Центральное и Сумское областное правление НТО Машпром. - 1973.

• Перша всесоюзна конференц1я по гидромехажчжм процесам под1пу нео-днорщнихсумшей. -М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. - 1975.

• VI мокнародна науково-техжчна конференция MicroCad'98 (xapkíb, 1998р.).

• VII мЬкнародна науково-техжчна конференщя MicroCad'99 (Харюв, 1999р.).

Публжацм. За результатами дослщжень, проведених за темою дисертацм,

автором у цитому опублковано 23 науков1 робота, з них 3 монографм, 8 науко-вихстатей, 4 публкаци'тездоповщейузбркахнауковихпрацьза матер1алами доповщей на м1жнароднихнауково-техжчних конференщях, здобуто7авторсь-ких свщоцтв та патент Аргентини на ГПА.

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ МОНОГРАФП

У передмов1 обгрунтовуеться актуальнють I важливють питань, що аналн зуються у монографм, вказуеться, яке мюце роторн1 машини займають у ви-робництв1 об'еднання. Вщзначаеться, що в склад1 ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе» сьогодн! функцюнуе шють спец1ал1зованих виробництв: хЫчно-го устаткування; газоперекачуючих агрегата I компресорш; насосного устат-кування, у тому числ! для АЕС; металурпйне та машинобуд1вне виробництво; бурильних труб; складно/ побутовоУ технжи.

Вщзначаеться, що роторж машини вщ традицшних центрифуг до остан-н\х зразкт ГПА - найб^льш наукомютка продукц'ш ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В. Фрунзе».

У першш глав1 викладаються основж тенденцм розвитку нафтогазох1м1ч-ного машинобудування на сучасному еташ, напрямки розвитку паливно-енер-гетичного комплексу, наводиться стисла характеристика вщцентрових насосш I компресор1в, рщиннокшьцевих машин, багатосекцтних вщцентрових насос1в, центрифуг.

Обговорюються проблеми динамнноУ тривкост1, надшност1 й оптим1зацм роторних машин. Тут вказуеться нате, що бтьшють машин х1м1чного машино-

будування тривапий час удосконалювалися за рахунок модержзацГ! вузл1в без ¡стотно! змши конструкцп. Великим резервом залишалося пщвищення експ-луатащйних характеристик за рахунок параметра робочих режим|'в машин, а при цьому усе бтыи актуальними стають задач! розрахунку над1йност1 \ ресурсу, р!шення яких на основ! докладних уточнених моделей можливе при вико-ристанж найсучаснших метод1в теоретичного аналЬу, а також експеримен-тальних дослщжень.

Розглядаеться оргажзац!я науково-дослщно! I конструкторсько-проектно! роботи в об'еднанн!, де головнаувага придтяеться структур! на основ! ¡срар-х!чного пщходу. Суперечливють експлуатацмних, газодинамнних ! мщшсних критермв, велика ктьюсть р1знохарактерних конструктивних змшних, немож-лив!стьформал!зацГ|'деяких обмежень, р1зномажтнаацекватнють I ступжьде-терм!нованост! моделей, вимоги ужфкацн не дозволяють вир1шувати мате-матично строго задачу оптим!заци конструктивних параметрш безпосередньо для повно! модел1 роторно! машини. 3 урахуванням складност! \ ¡стотних роз-ходжень в значимост! конструктивних параметр^, основною концепщею оптимального проектування складних систем е багатор1вневий ¡ерарх1чний пщхщ. Його ¡дея складаеться в тому, що процес проектування розбиваеться на ряд ¡ерарх1чних р!вн1в, на кожному з який формулюеться I виршуеться конкретна задача оптимального проектування. Проектування виконуеться зверху вниз. До задач нижнього р!вня приходятьлльки теля ршення задач верхньо-го ртня. При цьому результати вир!шення задач! попереднього р1вня викори-стовуються як вихщн! даних для розв'язання задач оптимального проектування наступного р!вня. Такий пщхщ е найбтьш ефективним при проектуванж машин I систем, що складаються з велико! к!лькост! функц!ональних елемента, що взаемодшть мЬк собою на основ! пасивних або активних систем керування.

Побудова системи р!вн1в, у свою чергу, е задачею оптим!заци, що слабко формал!зуеться, ! тому вир1шуеться майже винятково методом експертних оцшок. Структура системи проектування подана на рис. 1. На самому верхнь-ому р!вж на основ! узгоджених ¡з замовником умов експлуатаци вир1шуеться задача по визначеннюоптимальниххарактеристик турбокомпресорнихстанщй у цшому. Виб1р вар!ант!в при проектуванж повинен зд1йснюватися на основ! техжко-економнного анал!зузурахуванням кл!матичнихумов розм1щення тур-бокомпресорних станц!й ! рельефу мюцевост!, р!вня автоматизац!!'! надШност! агрегат!в.

На другому р1вн1 щ результати використовуються при вир1шенн! задач оп-тим!заци щодо визначення характеристик складово! турбокомпресорно! системи - основного ! додаткового устаткування ! систем життезабезпечення.

На третьему р1вн1 проектування виршуються задач! оптимального проектування основних деталей та вузлш.

Проте, у багатьох випадкахзадача оптимального проектування залишаеть-ся достатньо складною. Тут можлив1 два альтернативних пщходи до подаль-шого вир!шення оптим1зац!йно!' задач!.

При першому п!дход! на кожному рщн! формулюеться едина задача оптим-¡зацм, вир!шення яко! дозволяс одержати весь наб1р оптимальних параметра. Проте, на шляху реал!зацм такого пщходу виникають значн1 трудной^. Основн! з них таю: складнють алгоритму, чисельна реал1зац!я потребуезначнихресурс!в

ш

Визначення оптимальних характеристик турбокомпресорних систем наоснов1 вимог замовника та умов експлуатацм

ь

Визначення оптимальних експлуатацжних характеристик приводу турбокомпресор1в, додаткового устаткування, систем керування на основ1 задоволення необхщним оптимальним характеристикам турбокомпресорних станц[й у цшому.

1

1

1

Олтимвацт Оптимкзацт систем 0птим1зац1я систем

турбокомпресора життезабезпечення керування

Ротор

Робоче колесо Направляючий апарат Корпус

V

Г

Система Система Теплообмж-

змащення вентиляцп ники

Рис.1. Узагальнена ¡ерархЫна структура системи автоматизованого оптимального проектування турбокомпресорних систем

пам'я~п I великих витрат машинного часу. Процес оптим1заци в таких задачах важко контролювати, тому виникають р1зномаштж чисельт трудной^ типу «яружних» ситуацш та ¡н. В основному, причиною чисельних проблем е фЬич-на рюнорщнють параметрш, що варюються, несумюнють ступени Тх впливу на величину функцюналу якост1, особливо при наближеньи до оптимального р1шення. Другий пщхщ полягае в тому, що задача оптим1зацП' в рамках етапу розбиваеться на ряд пщзадач. Ршення кожноТ з них е оптимальним ттьки для частини параметр1в, що вартються. Для сучасноТ практики проектування варто визнати найбшьш рацюнальним саме другий пщхщ, а його хиби \ слабосл мо-жутьбути практично усунеж повторним ршенням комплексу задач оптимюаци всього р1вня. Як правило, достатньо двох-трьох таких перерахунюв.

Характер критерив залежить вщ р1вня проектування. На верхжх р1внях це, як правило, економнж, вартюж критерм. На нижжх - р1знорщш специфЫж техжчж критерп, що вщображають особливосл робочого процесу, силового навантаження, температурного режиму, технологи виготовлення I т.д. В даний час ¡снуе тенденщя використання економ1чного критерю для оптимального проектування на нижжх р1внях. Проте, тут вщчуваеться нестача достов1рних критерив, що зв'язують мщнють, газодинамку, точнють виготовлення \ т.д. з економ1чними показниками.

Математичне моделювання проблеми оптимального проектування част1ше усього зводиться до широкого класу задач вар1ац1йного числення, лЫйного та нелМйного програмування. У самому загальному вид1 ршення цих задач полягае в перебиранж п перемшних

що мЫмЬують дану цтьову функц1ю (критерш якостО або деякий ¡нтеграл (функцюнал якостт)

г = Р(^У2,..Уп), або 1 = \\...\р^,у2,...уп)бх^х2..с1хп,

при обмеженнях типу ршностей \ нер^ностей.

щ(\/) = 0, ъ(\/)>0.

У багатьох випадках ц1пьова функщя являв собою суперпозиц1ю к критерив якосп: _ к _ к —

2<У) = ^ЬЬ(V), або / = X Я-.. [в(V № ,

1=1 1=1

де Х.-ваговий множник.

У таких випадках потр!бно вир1шити багатокритер1альну задачу оптилшацм. При цьому ¡снуе проблема вибору вагових множникш Хг Ф1зичний змют цих показниюв складаеться втому, щоТхжй розмф визначае вщносний ступжь важ-ливост) («вага«) вщповщного критерю стосовно ¡нших. Для досвщчених про-ектувальникш ця проблема не мае велико!' складности Тим бтьше, що найчас-тше припускаеться призначення деюлькох вар1анлв сполучень значень множ-ник1в, бо для складних машин \ конструкц1й стендов! ¡спити е неминучими, оп-тимальне проектування дозволяе лише звести Тх до мЫмуму.

Важливе значения для вибору методу розв'язання оптимюац1йно!задач1 грае анатз наборш параметр^, що варюються, як1 входятьу кожний критерм якосл. Насамперед виявляються загальж параметри, а якщо !'х немае, то це означае, що критери якосл штучно зведеж до одного, тод1 варто вир1шувати кожну задачу оптимюацмокремо. Якщо ж загальж параметри е,то необхщна оцнкаТхньо! значимосл щодо кожного критерто якосл, у який вони входять. Для одних критерий загальш параметри можутьмати виршальне значения, а для ¡нших-Тх роль незначна. Такий анал1з розширюе можливосл вибору методш ршення задач оптим1зацм. Важливим моментом е також визначення ступеня автоматизаци р1шення, тому що повна автоматизаци найчаслше ¡стотно ускладнюе алгорит-ми, програмн! продукти, що IX реалЬують, \ лавинно збшьшуе витрати машинного часу. Тутдоречно пригадати вираз про те, що«оптимальнють стае небез-печною, якщо приймати Пзанадто всерйоз». Це можна розум1ти в тому сена, що ршення техжчних задач оптим1заци потребуе виключення формального пщходу до результалв. У той же час розумний пщхщ до екстремальних задач оптимального проектування сприяе полтшенню техжчних \ економнних характеристик виробш, скороченню термов проектування. У таких випадках у процес1 вир^шення оптим1зацжно1 задач1 доцтьна оргажзащя д1алогового режиму з проектувальником, що достатньо широко використовуеться в ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе» при створенж елеменлв САОПР. Останжм часом виршення задач оптимйацГГ замшяеться визначенням коефМентш чутливосл, за якими видтяються зони ¡статного впливу конструктив них зм1н геометричних параметра, що варвдються, на контрольоваж показники об'склв оптим1зацп.

Д1алоговий режим \ використання аналюу чутливосл дозволяе зберегти еле-менти творчого пщходу до процесу проектування ¡, в остаточному пщеумку, пщвищити якють оптимальних проеклв, скоротити термши проектування.

У другш глав1 розглядаються експериментальж \ теоретичш методи дослщженнядинам1чно'|'мщносл, над^носл та оптимюацп роторних машин НПХП.

Особливютю виршення задач мщносл, надшносл \ ресурсу для роторних машин об'еднання е: неможливють застосування руйнуючих метода дослщ-ження внаошдок др1бносер1йносл виробництва I високоТ одинично! соб1вар-тосл вал1в I робочих колю роторш у збор1, а також великих витрат на натурж ¡спити окремих вузлш машин у цтому внаслщок Ух велико! потужносл.

Проте, у багатьох випадках без експериментальних дослщжень на натур-них зразках не обмтися, тому в об'еднанж створено I розробляються експериментальж установки, що не поступаються кращим зразкам енергомашино-будування, оборонно! та аерокоемнно! галузей.

Головною задачею дослщжень на сьогоджшнш день залишаеться визначення надшносл I ресурсу роторних машин при постшному збшыиенних питомих експлуатащйних параметрш. Розв'язання такоТ задач\ складаеться з двох етапш:

• визначення НДС конструкцн, що досл'щжусться;

• вибф теорп мщносл, визначення еквшалентних напружень, запаав мщносл, напружень, що припускаються \ оцпжа мщносл детал1 або конструкцм, а також и надмносл або ресурсу.

I хоч перший етап у цш задач1 е допом1жним, трудомютюсть роб1т значно перевищуе трудов! витрати по другому, тому його вешяко прагнуть скоротити

за рахунок використання високопродуктивноУ розрахунковоУ техжки й експе-риментальних установок ¡з високим р1внем автоматизацп BHMipiB.

3 ¡ншоУ сторони, другий етап важко алгоритмЬувати, BiH у значжй Mipi носить емтричний характер, що потребуе високоУ квалфкаци спещалют1в.

Переважна юлькють вщмов вщбуваеться внаслщок цикл1чного деформуван-ня вщ стацюнарного i нестацюнарного навантаження або того, що випадково зм1нюеться, внаслщок силового, температурного, вЮрацшного i ¡нших видш впливш. Тому, як правило, руйнац1я або неможливють подальшоУ експлуатаци вщбуваеться вщ вичерпання запасу мщност1 вщ утоми. При квазютатичному навантаженж (наприклад, розпн ротора, останов, завантаження, вивантажен-ня, ешзодичний вихщ на екстремальж режими роботи, HarpiB, остигання) по-Tpi6eH розрахунокна малоциклову втому. При високочастотному навантаженж вщ Bi6pau.ii i невр1вноваженост1 poTopiB - визначення 3anaciB MiuHOCTi з умов багатоцикловоУ втоми.

Метод тензометрування, що широко застосовувався в енергомашинобу-дуванж, оборонжй i аерокосмпжй галузях промисловост1 знаходить усе бУльше застосування i в xiMi4HOMy машинобудуванж. Цей метод використовувався при дослщженж MiuHOCTi poTopiB центрифуг, лопаток рщинноктьцевих машин, секцш насоса типу ЦНС. Вперше за допомогою тензометрування вдалося одержати картину розподту тисюв на лопатках рщинноктьцевих машин в ек-сплуатащйних умовах та провести ¡нал ужкальж дослщження.

Експериментальн! методи застосовувалися для одержання картини силового впливу на ротори та Ухж елементи, визначення характеристик мщностУ i надтностч виробу в цшому й у м1сцях, точнють розрахунюву яких недостатня, або для пщтвердження BiporiflHocTi розрахункових даних.

IcnnTOBi натурн1 стенди об'еднання ГПА-Ц-6,3, ЕГПА-Ц-6,3, ГПА-Ц-16 доз-воляють проводи™yci види ¡спитщ, включаючи державж, м1жвщомч1 i сертиф-iKauiiiHi. Для забезпечення icnnTiB у повному o6ca3i на кожному стенд^ KpiM штатних прилад1в ГПА, встановлено бтьш 200 датчиюв i вим1рювальних при-строУв р1зномантого призначення.

У 1996 poui в об'еднанш введено у лад ужкальний стенд для експеримен-тального дослщження вщцентрових компресор1в надвисокого тиску (до 90 МПа). Стенд спроектовано i виготовлено у Ымеччиж, оснащено системою керування ффми «Сименс», инфомащйно-вим1рювальними системами ффми «Лико». KpiM ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе» у CBiTi е лише чотири таких стенди (США - 2, Япожя - 1 й 1тал!я - 1). Стенд забезпечуе проведения ¡спи^в одно- або двокорпусних компресорш з одночасним вим1ром газодинам^них, мщжсних, вЮрацмних характеристик машини та окремих ii вузл1в. Обробка даних зд|йснюеться в режим1 реального часу за допомогою багатопроцесор-ноУ системи.

Можливе проведения натурних ¡спилв одночасно двох компресор1в або ¡нших швидкохщних роторних машин ¡3 потужнютю приводу до 25МВт, швидюстю обертання до 12500 об/хв i об'емною продуктивною вщ 2,0 до 6,0 млн.м3/добу. Штатна система BMMipiB виконуе одночасно по 600 каналах реестращю i контроль в1брац1йних i шумових характеристик, осьових зусиль, мехажчних напру-жень i деформацт, за допомогою тензометрування по орипнальжй методищ, розробленш у ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе».

Експериментальна база об'еднання мае також розгонно-балансувальний стенд ф1рми «SCHENK» ¡з вакуумною камерою, що дозволяе зменшити аеро-динамЫж втрати i доводити що випробуються, облопачеж диски i poöoni колеса до руйнацм; комплект переносного науково-дослщного устаткування ф1рм «Bruel Kjeer», «Оно Socky», «NBM», «Schenk» для BHMipy параметрш шуму, в1брац|й i удару, що мае пщвищеш характеристики поточност1 та шириж flia-пазону.

Кожний експеримент, KpiM залучення велико'! юлькост спещалютш, що об-слуговують таю складж системи, вимагае значних енерговитрат. Тому, плану-вання експериментальних дослщжень при натурних ¡спитах вимагае велико! органпзащйно! роботи, ретельноТ проробки програми експерименту. Не диво-вижно, що в даний час е слйка тенденщя до зниження питомоТ ваги експериментальних дослщжень i збтьииення обсягу чисельних методш анал1зу на ПЭВМ, швидкод1я котрих послйно росте, а вартють машинного часу роботи -знижуеться.

Теоретичш методи дослщження. Задача визначення динамнноТ мщност1 poTopiß вимагае знань запаЫв м1цност1 по критер1ях багатоцикловоТ або мало-цикловот мщност1 вщ утоми.

Викладаються ochobhI пщходи у визначенж меж1 втоми при симетричних i асиметричних циклах навантаження, розглядаються фактори, що впливають на межу втоми, таю як: концентрацы напружень, чистота обробки поверхш, масштабний фактор. Приводиться стислий огляд метод1в розрахунку довгов-¡чност1 при випадковому навантаженж.

Серед розрахункових методш, ор1ентованих на використання обчислюваль-Hoi' техжки, найбшьше поширення одержав метод юнцевих елеменлв (МКЕ). BiH з ycnixoM замжюе методи опору матер1алш i буд1вельноТ' мехажки, що opi-ентоваж на тта просто!' конф1гурацм, а при розрахунку складних конструкцм МКЕ сьогодж е практично единим методом ¡нженерних дослщжень.

Рюноманлнютьтитв кшцевих елемент!в зумовлена, в основному, специфн коюгеометрнконструкщй, що розраховуються, характером навантаження. Для роторних машин стержнев1 кжцев1 елементи застосовуються усе рщше, замють них використовуються пластинчаст1, оболонков1 таоб'емж юнцев1 елементи.

У робот1, в основному, застосовувалися i добре себе зарекомендували лжжж i квадратичж ¡зопараметричж чотирикутж елементи. А для Tin обертан-ня - доречно використання ктьцевого юнцевого елемента.

Суттеве збшьшення розрахункових можливостей ПЕВМ в останж роки зияло перепони до використання об'емних елементш. Беручи за основу призма-тичний 8-граний мнцевий елемент, можна шляхом сумщення деяких вузлш одержати й mmi дуже корисж елементи, таю як, наприклад, тетраедричний елемент ¡з прямими i криволЫйними ребрами. У робот1 на прикпад1 виршен-ня конкретних задач вироблеж рекомендаци до застосування тип1в юнцевих елементш. Показано, наприклад, що для робочих колю турбокомпресорщ, маючих складну просторову конф1гурацю, бтьш дощльним е застосування об'емних кжцевих елеметтв.

Для велико! ктькосл конструкц|'й poTopiB та ix конструктивних елементш, коли необхщно було дослщжувати Ухнш напружено-деформований стан при рЬномажтних навантаженнях, були використаж pi3Hi nporpaMHi реал1заци МКЕ

вщ спещалюованих з обмеженим набором специф1чних задач до унтерсаль-них ¡з великими функцюнальними можливостями.

Особливе мюце в робот1 придтяеться проблем! оптимЬацп. Створення систем автоматизованого оптимального проектування конструкщй нафтогазох-¡мто? промисловост1 е провщним моментом не ттьки в проектуванж, але й у досягненж якост1 виробленоТ продукцм.

У самому загальному вигляд1 задача оптимЬаци машинобудшних конструкций нафтогазох1м1мно'| промисловост! полягае в визначенн; параметров проектування, що належать до припустимо'1 обласл i мш1м1зують (максимюують) цтьову функцш (функцюнал якост^ при обмеженнях, накладених на функцю-нали. При цьому величини функцюналш визначаються ¡з виршення задач ана-л1зу, що описуються piBHBHHRMH стану.

При оптимЬацм деталей i вузлш роторних машин у вигляд1 критермв i функ-цюнальних обмежень звичайно використовували: ККД, енергоемжсть, по-ТуЖЖСТЬ, довговпжсть, мщнють i ¡HLLli яюсж показники машини.

У такому випадку можна одержати цте амейство конструкц1й оптимальних за будь-яким з критермв якостк В умовах ринковоУ економки природно об-'еднати Bci ui критерм в единий економ1чний критерм, що враховуе ефективжсть ycix витрат, поршнюючи i'x ¡з досягнутим ефектом.

При одержаны оптимальних проектш у систем! САОПР на ochobI прямих чисельних метод1в оптим1зацм на одному ¡з пром1жних eTanis використовуеть-ся отримання функцюнальнихпохщних (анал1з чутливостО. До останнього часу для конструкщй складно! форми анал1з чутливост1 до зм!ни тих або ¡нших кон-структивних параметр1в на практищ не використовувався. Водночас - це по-тужний метод ¡нженера-конструктора, що дозволяе йому проявити свою творчу ¡ндивщуальнють у проектуванж оптимально!' конструкцм.

У монографм викладено досвщ застосування метод1в оптим1зацм, заснова-них на дискретних моделях конструкщй складно! форми. При виршенж прак-тичнихзадач, щохарактеризуються високою розм1ржстю вектора параметрш, що варюються (порядку 100-1 ООО), i дуже великою кшькютю функцюнальних обмежень (~10), найб'тьш доцтьним у даний час уявляеться метод послщов-ho'i лЫеаризацп.

У практищ конструювання роторних машин, зокрема центрифуг, найбтьш доцтьне застосування оптим1зацм з урахуванням надшностк На вщмЫу вщкла-сичнихзадач оптимЬацм в мехажщ твердого тша, що деформуеться, коли обме-ження накладаються на MiuHicHi абодинам1чж параметри, тут вони замЫюються одним обмеженням - можливютю безвщмовноТ роботи протягом заданого терм-¡ну часу. Такий пщхщ дозволяе врахувати випадкову природу навантаження.

У третш глав! розглянуто горизонтальш центрифуги безупинноТ дм, що фтьтрують-ФГН, таniflBicHi центрифуги безупинноУдп, що фшьтрують-ФПН. Суспенз1я (емульст) у порожнистий перфорований ротор центрифуги заван-тажуеться, а продукти подту виводяться з ротора безупинно. Характеристики центрифуги ФГН-2003Т-01, наприклад, таю: д1аметр ротора - 2000 мм; максимально припустимезавантаження - 1700 кг; мюткють ротора - 1370 л; число оборот1в ротора - 800 об/хв; потужжсть електродвигуна - 75 кВт; габаритж розм'|ри центрифуги: довжина-4960 мм, ширина -4800 мм, висота - 4415 мм; маса центрифуги - 8100 кг; маса центрифуги з в!бро1золяц1ею - 12660 кг.

Експерименталы-ii дослщження центрифуг типу ФГН i ФПН свщчать про те, що найбшьш сильний вплив на невр!вноваженють роторш центрифуг робить нершном1рний розподт матер1алу, що фугуеться усередиш ротора. Вектор не-вр'шноважено!' вщцентровоТ сили змЫюеться у великих межах, мае випадко-вий характер i коректний опис цих сил у клаЫ детермтованих функцм е не-можливим.

Як випливае з експериментальних дослщжень промислових центрифуг, ус-тановлених на податливих в1бро'13оляторах, вертикалью перемщення корпуса можна вважати незалежними вщ просторових координат, а за часом розгля-дати як вузькополосний випадковий процес:

x(t) = A(t)cos[Q.t + q>(t)l (1)

де A(t),<p(t)-вщповщноамплп-уда1 фаза процесу x(t) , що е повтьно пе-рем!нними (в пор|внянн1 з cosQt ) випадковими функц1ями;П - кутова швидюсть обертання вала центрифуги.

При цих припущеннях центрифугу на в1бро1золяторах можна розглядати як динам1чну систему з одним ступенем свободи, а вертикальну складову f(t) вщцентрово! сили вщ невршноваженосл можна представити у виглядк

л (2)

Здвиг фаз м!ж зусиллям i леремаденням на р враховуе зарезонансний характер коливань центрифуги.

Таким чином, задача визначення ймов1рносних характеристикзовтшнього навантаження зводиться до перебирання ймов1рносних характеристик пере-м1щень визначеноТ точки системи, реал!зацп яких можна одержати безпосе-редньо з експерименту.

При випадковому процес1 у вигляд1 (1) з'являеться можливють замшити визначення статистичних характеристик процесу x(t) вивченням двох повтьно перемшних процеав A(t) \ (р(t) , що значно спрощуе ршення задачг

Для одержання реал|'зацм випадкових функц|й A(t) i <p(t) поставлено задачу i'x експериментального визначення. Було створено ужкальну малогаба-ритну апаратуру, що дозволяв у виробничих умовах робити тривалий запис амплиудш фази коливань визначено!точки на Kopnyci машини. Аналопчнаапа-ратура сер'|йно не випускаеться Hi в наш'ш KpaiHi, Hi за п межами.

Було проведено статистичне опрацювання експериментально отриманих у виробничих умовах осцилограм в1брацп опор центрифуг ФГН i ФГП як випадкових процеЫв A(t) i ф(t) , визначено основж ймов1рност1 характеристики дослщжуваних процесш: корелящйну функщю, спектральну щшьнють, одно-м1рну щтьысть Ймов1рност1 i моменти. Встановлено, що огинаюча р(t) процесу f(t) представляв собою стацюнарний ергодичний випадковий процес. Статистичн1 характеристики його так1, що для одержання коректних результата мЫмально необхщна довжина реал!зацп повинна знаходитися в межах вщ 1,8 Ю3 с до 3 -103С ■ Нормоважкореляцшж функцм процесу fi(t) для машин типу ФГН-2К-800 з осадком сульфат аможю приведено на рис. 2.

0.2 0 -0.2

т-10

Рис. 2. Нормоваж кореляцшж функцппроцесу

Для УхньоУ апроксимацм застосовуеться анал1тичий вираз:

кв(т.) = е а'Т|| соэрт-ь—б/пшт1

а

Т

(3)

Спектральну щшьнють Зв(а>,) процесу знаходимо за кореляцмною

функщсю.

Розглянуто задачу визначення ймов|рносних характеристик параметрщ на-лружено-деформованого стану ротор1в центрифуг типу ФГН за заданими ймов1рностними характеристиками зовжшжх навантажень, що виникають вщ дм вщцентрових сил обертових мае ротора та матер1алу, що оброблюеться. Навантаження на ротор Р(в,ц>,() у нерухом1й систем! координат, що пов'яза-на з вюсю ротора, передбачаеться послйним уздовж ос'| ротора, при цьому з - осьова координата, <р- окружна координата, t - час. Це навантаження за-даеться у вигляд! двох складових частин: - осьосиметричш постмж навантаження, що складаються з вщцентрових сил тиску матер1алу, що оброблюеться, 1 сил вщ обертових власних мае ротора; - неосьосиметричж навантаження, що задаються у вигляд1 двох функций: функцп ф^ , що залежить вщ окружноУ координати срЛфункцм ^ , що задаеться формулою (2), та ймо-в1рностж характеристики якоУ визначеж вище:

ргв.ф, t)=Fa +Р1Сф,/;=Р0 +Ф МШ) (4)

Осьосиметрична складова частина навантаження при завантаженж в ротор строго визначеноУ юлькост1 матер1алу, може визнаватися постмною I бути знайденою, виходячи з геометрм, швидкост'| обертання ротора, щшьност1 ма-тер1алу, що оброблюеться, та щтьност1 матер1алу ротора. Функц1я Ф^ф^ у вираз! (4) може бути розкладена в ряд Фур'е по окружжй координат!:

Осюльки в (5) перший доданок викликае коливання вигину, a imui складов! частини утворюють самовргёноважену осесиметричну систему навантажень, внесок яких з ростом /' зменшуеться, то надал1 розглядаеться тшьки перший доданок. Таким чином, розподшене зовжшне навантаження, що дю на ротор центрифуги можна представити у виглядк

F(s,q,t) = F0 +O1C0S(,<p + (p01/)/0A('i<)c0S/'f2i + 9('Îj; (6)

Виршення задач статики i випадкових коливань poTopiB центрифуг типу ФГП i ФПН проводилося на ochob'i методу кшцевих елеменлв у форм1 перемщень. Для poTopie центрифуг типу ФГП вихщним юнцевим елементом обрано усне-ну тонку кожчну оболонку з 8 ступенями свободи. Bn6ip такого юнцевого еле-менту дозволяеконструкцю ротора уявити у випляд1 однотипних юнцевих елеменлв - оболонок ¡з ризномажтними кутами конусносл, що в значив Mipi спро-щуе алгоритм розрахунку роторш.

Використовувалися також ужверсальн1 кЫцево-елементж обчислювальж програмж комплекси типу COSMOS/M, ANSYS та ¡н.

Вивчення НДС роторш для пщтвердження розрахункових результалв проводилося на спещальжй установщ для ¡спиту натурних poTopiB, що дозволяла змЫювати в широкому д1апазон1 силу i характер навантаження, а також тов-щини окремих елеменлв ротора. При виготовленж uieï установки використовувалися детал1 i вузли центрифуги ФГН-630. 1спити проводилися в розпннм камерК Випробовувався ротор експериментально!' конструкцн центрифуг типу ФГП-630 з вуглеродистоУ стал1

НДС ротора вивчався при змН товщини днища, стовщень у мюцях виник-нення крайових моменлв. Експериментальний ротор випробовувався при п=2397 об/хв.

и»

Рис.3. Схема розм1щення тензорезистор1в на обичайф, днищ1 i кришц'1 ротора

Вперше, спочатку уточненими розрахунковимидослщженнями, а полм екс-периментально виявлено, що розм1р крайовихмоменттзалежить вщ спшвщно-шення товщини днища й обичайки (рис.3) I стовщення в мюцях ¡'х з'еднання можна навить видалити, що суперечило наявним у методичнт лггератур1 рекомендациям щодо конструювання ротор|в 1 сам!й практиц|' конструювання. Це дозволило впровадити в сер1йне виробництво ротори горизонтальних центрифуг полегшет у середньому на 20%.

На рис.4 приведено розподщ тангенщальних напружень в обичайщ, розра-хунков'| й експериментальж значения для цього випадку практично збгають-ся, а на рис.5, експериментальж 1 розрахунков1 розподщи напружень у днищ|.

Дослщження показали, що сучасш методи розрахунюв на мщнють, яю зас-новаж на застосуванж уточнених математичних модегей, е серйозним резервом зменшення матер1алоемност1 сертних машин. Впровадження нових по-легшених ротор'ш дозволило зменшити трудомютисть зварювальнихробп\ вагу I юльмсть запгпвок, вщмовитися вщ поковок, замшити Тх заготшками простих геометричних форм ¡з прокату.

N5 Поэначенмя Конструкция Тип навантаження Примта

1 Вихщна Неэавантажена

2 Вихщна Симерично завантажеиа

3 ----------- ГИсля дообробхи Незавантажана

4 ------- П>сля дообробки Симерично завантажеиа

5 Вихщна Неэавакехена Розрахункэеа

6 П1сля дообробки Симерично завантажеиа РЪэрахунюш

Рис.4 Розподш тангенц^альних напружень в обичайц\ - 19-

°р-10,МПа Т 500

400, -

300; - - [ [

2С0

! ;

I | 100------1

0 5 10 15 20 25 30 35 г(с„)

№ Поэначення Конструкция Тип навантаження Примака

1 Вихщна Незаватажена

2 Вих1дна Симетрично завантажена

3 Июля дообробки Незава шажена

4 ------- П1сля дообробки Симерично завантажена

5 В их ¡дна Симерично завантажена 14>зрахунюва

6 Шсля дообробки Симерично завантажена Розрахунгова

Рис. 5. Розподш тангенц1альнихнапруженьу днищ|

Дал! дослщжено корпусы детал'| центрифуг. Це найбшьш складни за геометрию вузли, вони мають велику металоемжсть 1 трудомюткють виготовлення. Складж розрахунков! схеми корпусних деталей потребують великого часу на пщготування вихщних даних, застосування ЕОМ ¡з великими обчислювальни-ми ресурсами. Рашше при др1бносер1йному виробництв1 под1бж розрахунки були нерентабельними. Експериментальж дослщження конструкцш через велику ¡'хню вартють також призводили до великих накладних витрат. Зараз стае економ!чно випдним проводити розрахунки корпусних деталей навпь для др1бносермних конструкц1й.

Розглянуто дослщження мщносп' корпуса горизонтально!' центрифуги ФГН-2000 з д1аметром ротора 2000 мм. Конструкц1я корпуса зварювальна, скла-даеться з велико!' кшькост! пластинчастих елемент1в. Внаслщок велико! тов-щинидеталей, щозварюються, вартють виготовлення корпусу переважно виз-начаеться трудомютюстю зварювальних робгг. У ход1 ршення ще! задач1 ставало зрозумшим, що е ¡стотш резерви зниження матер|'алоемност1 без ¡стот-них змЫ у технологи виготовлення.

На рис.6 зображено схему розбивки корпуса центрифуги на кжцев! еле-менти.

Динам1чна модель центрифуги враховувала и закртлення на в1бро'13олю-юч'|й платформ! з армованого бетону, що у свою чергу встановлювалась на фундамент на чотирьох цилЫдричних пружинах. Були визначено перил 17 влас-нихчастот коливань. Перил 7 частот - коливання центрифуги якжорсткого цшо-го. Максимальна частота не перевищувала 5 Гц. Проте найбтылий ¡нтерес мають коливання, при яких деформуеться корпус центрифуги. Найнижча з цих частот складала 22,8 Гц, що в два рази перевищуе частоту обертання ротора. 1нш1 10 вищих частот коливань корпуса знаходяться в диапазон! 22,8-65,2 Гц.

Можливими е два шляхи зниження матерюлоемносл конструкцм корпуса. Перший полягае в зменшенн! товщини вс!х конструктивних елеменлв при су-ворому розрахунковому контрол! НДС \ першо! резонансно!' частоти. У рамках такого пщходу розроблений проект полегшеного корпуса центрифуги, у яко-му товщина вс!х пластинчастих елеменл'в зменшена на 4 мм. При цьому технолога виготовлення практично не змтюеться. Впровадження проекту доз-воляе зменшити металоемнють корпуса на 16%.

Другий шлях полягае в радикальнш змж! конструкцп за рахунок зменшення товщини вЫх конструктивних елемент'т на 8 мм I б!льше. Зниження металоем-ност! в цьому випадку можливе на 40-60%. Але це зажадае ¡стотного перегляду технологи, застосування поребрених ¡тонкост!нних конструкцт, що дозволило б за рахунок застосування гнутих проф1ш'в ¡стотно зменшити товщину ! довжину зварювальних шв1в. 1стотною перешкодою до впровадження таких полегшених конструкцт е '¡хне деформування та коробления в процеа термо-обробки для упов!льнення мЬккристал!тно! корозм. Тому впровадити таи конструкцп можналльки пюля вир^шення задач! термопластичност! для визначення залишкових напружень ! коробления корпуса.

Ран1ше при виготовленж ротор1в центрифуг ФГН для цукровоУ промисло-вост застосовувалися вуглецева та нержав^юча сталь, термш служби ротора не перевищував 10 рокщ.

Для пщвищення продуктивное^ центрифуг ротори стали виготовляти з ти-танових сплавш. Через 10 ромв експлуатацм з'ясувалося, що зное титаноеих ротор1в практично вщеутни. Виникло запитання, чи можна продовжити термш експлуатацм титанових ротора при наяв1 отказ'щ вщ втоми.

Було виконано розрахунков1 дослщження НДС \ коефщюнтв запасу втом-ноУ мщност1 за уточненими методиками, екслериментально визначеж втомж характеристики титанового сплаву ВТ1-0. У результат!' цього було встановле-но, що титановий ротор може витримати базове число циклш у 10 млн., що вщповщае 50 рокам роботи центрифуги. Зрозум'то, що п'юля 10 рок1в роботи цтком можна продовжити ресурс, якщо попередньо виконати не дуже складж додатков1 контрольно-технолопчж заходи.

Розгляд задач1 про випадков1 коливання ротор1в центрифуг дозволяе по-ставити I вир!шити задачу про прогнозування Ух надмност), що зводиться до визначення можливост'| «невиходу» напружень з облаем працездатних стан'щ.

Виконано також оптимгаащю конструкцм ротор1в центрифуг з урахуванням над1йност1. Було показано, що в цьому випадку можливе зниження ваги на 3040% у залежносп вщ типорозм1рщ. У виробництво впроваджеж ротори центрифуги ФГН-633К-1 { ФГН-633К-2, з вагою зменшеною на 20%.

У четверт'ш глав'| розглянуто водоюльцев! машини. Так! машини (РКМ) -це складж техжчж системи, головними конструктивними елементами яких е корпус, диск з лопатками, вал, а робочим середовищем - рщина чи газ. Робота РКМ заснована на тому, що при обертанж ротора в порожниж корпуса ут-ворюеться обертове рщинне юльце. Ротор розташований ексцентрично що до корпусу ¡тому перюдично в простф, втьний в'щ рщини, попадав газ, що, з!щу-люючись рщинжм кшьцем в простор! м'ж лопатками, видавлюеться через на-гжтальне в1кно. Таким чином, конструктивы елементи РКМ вщчувають дю зна-коперемжих навантажень, що мають сум1рш статичну I динам1чну складов!. Для ршення задач довгов1чност|' й оптим1°зац1Т робочих лопаток було екслериментально визначено гидро-газодинам'нж сили-тиск, щодю на лопатку при рино-мажтних режимах роботи РКМ. Ц| сили визначалися за даними вим^в тискш наув'1гнутт 1опукл1Й сторонах лопатки. Датчики тиску встановлювалися р1вно-м1рно по вс1й поверхш лопаток з опуклоУ й увгнутоУ сторони друг напроти друга. Робочийтиск на лопатку визначався як р1зниця тисюв, щодтотьз опуклоУ й ув1гнутоУ сторж у один I той же момент часу.

На рис.7 приведено осцилограми тисюв одж'еУ з характерних точок у насосному I компресорному режимах (а - розница тисуив, б - тиск з опуклоУ сторони, в - тиск з ув1гнутоУ сторони).

Проведено експериментальн'1 1 теоретичн! дослщження НДС робочих лопаток. Зм1ну р1зниц1 тискш на лопатку в залежност1 вщ кута повороту ротора в'щносно нерухомого корпуса приведено на рис.8. Тензометрування через по-вну вщеутжеть ¡нформацн про НДС лопаток ротора проводилося достатньо докладно. Мюця установки датчию'в на лопатках '< вузли кжцево-елементноУ розбивки зображено на рис.9.

*10\.СЛ

Рис. 7. Осцилограми тисив: 1 - насосний режим, вакуум 80%; 2-компресорний режим, Рвих.=0,15МПа

вщносно нерухомого корпуса: 1 - насосний режим, вакуум 80%; 2 - компресорний режим, Рвих.=0,15МПа

^ М!сця розмгщення датчиюв на лопатках Вузли юнцеео-елементнор розбивки

Рис. 9. Мюця розмщення датчике на лопатках I вузли мнцево-елементно? розбивки

3 результата юнцево-елементного розрахунку отримано дан1 про розподш ¡нтенсивностей напружень лопатки.

На рис. 10-12 наведено даж у вигляд1 Л1Н1Й р1вня ¡нтенсивност1 напружень (цифри означають а,- х10, МПа, а)-опукла, б)-ув1гнута сторони лопаток).

а)

166185 387 500

б)

Рис.10. ЛЫн р1вжв напружень лопатки ВВН2-50

278382 648 800

а) б)

Рис.11. Л'ти р!внш напружень лопатки компресора ВК-150 ¡3 двома бандажами

101 125

139 112

а) б)

Рис.12. ЛIн[V р'|вних напружень бандажовано?лопатки ВВН-300

Отримаж даж про тиски на робон1 лопатки було використано для розра-хунк1в напруженого стану вала, деформаций вигину I крулння.

Виконаноекспериментальнптеоретичждослщження м1цност'| корпуса РКМ, що показали його завищену матершлоемжсть. Оптимюацмна постановка задач! виходила з того, що найбгльший вплив як на експлуатац1йж, так I на мщносж характеристики РКМ роблять об'ем безлопаточного простору, кривизна лопаток, кут входу лопаток та розм1ри рщинного к!льця. У результат! проведених розрахунюв отримано параметри конструктивних елементш РКМ, при яких питому потужжсть втрат зменшено в середньому на 20-30%. Все це, однак, потребуе додаткових конструкторсысих проробок, змЫи технологи виготовлен-ня, особливо для литих ротор^.

У п'ят1Й глав1 розглянуто багатосекщйж вщцентров1 насоси.

Випуск багатосекцшних вщцентрових насоЫв на пщприемств1 складае б1льшетисяч1 на р1к, тому дуже важливе значения мае проблема зниження !хньо! матер^алоемностк Одна з останнк виршених задач у цьому плаж складалася в зменшенж ваги секцм, яких виготовляеться до десяти тисяч на рк.

Розглянуто НДС сер!йно! I полегшено! секщй насоса на основ! достатньо точно!' розрахунково! схеми.

Теоретично отримано НДС середньо! секцп' на спец1альжй установщ зтрьох секц1й. Середня секц1я навантажена найбшьш близько до експлуатац1йних умов (рис.13). На щй установи експериментально було знайдено деформацм 1 на-пруження середньо! секцм, а також взаемне прослизнення в мюцяхстикусекцм сер1йно'! 1 полегшено! конструкцп.

Зменшення ваги проведено за рахунок видалення зовжшнього ребра 10x20 мм.

Розрахунки проводилися за допомогою ужверсального програмного комплексу I спецгёлЬованих комплекав, розроблених для ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе».

■■< 136,750 ЦЦ < 312,500 ВЯ< 465,750 Ш< 675,000 ГЛ< 781,750 I |< 937,500 I I < 1094,000 I I < 1230,000 И < 1405,000 Г~~1 < 1563,000

ЕШ! < 1710,000

О < 1873,000 ЕЯ <2031,000 О <2133,000 О <2344,000 О >2344,000

а)

б)

Рис. 13. Напружеиий стан середньо! секцп ЦНС-180: а) сер!Йна - максимально еквталентш напруження - 2268 МПа; 6) полегшена - максимальн! еквшалентж напруження - 2458 МПа

Експериментальна установка (рис. 14) складаеться з трьох корпусних секцм, ицо стягуються штатними шпильками м^ж двома кришками сермно! машини. У кришках створювався робочий тиск, що вщповщав тиску останньоУ секцп насоса ЦНС-180. При цьому за допомогою системи зашрних кражв у нагнггальжй порожниж створювалося перевищення тиску вщповщально перепасу тисюв в робочому щабл! (1,4 МПа).

Результати теоретичного й експериментального дослщжень дозволили довести, що полегшений вар1ант секцП' ЦНС-180 цшком задовольняе експлуата-цмним I технолопчним вимогам I може бути рекомендований до впроваджен-ня в сермне виробництво. Розрахунок НДС дав можливють оцшити макси-мальж напруження \ реальний запас мщносл, р!вний 1,6-1,8 (межа текучосл матер!алу дортнюе 406 МПа).

Таким чином, щ дослщження показали, що видалення ребра жорсткосл практично не впливае на напружений та деформований стан насоса в цтому. При цьому вага секцм тслязняття ребра жорсткосл зменшуеться майже на 10 кг, що складае бтя 23% П загально!' ваги. Це дае значний ефект при р1чному випуску секщй у декшька тисяч штук.

У шостш глав! розглянуто в'щцентров1 компресори турбокомпресорних аг-регалв (ТКА).

Ротор е найбшыи вщповщальним I напруженим функцюнальним елемен-том ТКА, що працюе в умовах складного НДС, який викликаеться великими окружними швидкостями I пульсуючим високотемпературним потоком газш.

Мщжсть 1 напруженють колю, номенклатура котрихбезупинно росте, бага-то в чому л1мп"ують рщень техжко-економЫних показниив. Нав1тьу даний час,

не зважаючи на багатор1чш дослщження багатьох науково-виробничих об'еднань I ¡нститулв, закордонних ф1рм I лабораторий, велика частина аварий ТКА вщбу-ваеться через руйнацю колю (чаотше усього через в!брац1йну втому).

Анал)з теоретичних I експериментальних дослщжень, досвщу експлуатацн I характеру поломок при доведенш й експлуатацм ТКА призводить до висновку, що основними задачами розрахунку динам1чних I мщнюних характеристик ро-бочих колю на етат проектування в даний час е визначення НДС 1 перемвдень пщ д!ею вщцентрових сил \ натягу, знаходження власних частот, форм коли-вань I напружень. У ряд практично важливих задач останжм часом входить 1 проблема розробки оптимальних конструкцш.

Визначальним кроком у реалЬаци сформульованих потреб практики для ТКА е доб1р ¡анал!здостов1рнихматематечних моделей, яму найбшышй м!р! задо-вольняють вимогам над1йност1 робочих колю ТКА, нових ефективних спец!аль-них методов I прикладних програм анализу й оптим1зацГП'х статично'! 1 динамично! тривкосл.

Для розрахунку частот 1 власних форм коливань робочих колю застосову-вався МКЕ, адаптований до умов поворотно!' симетрм, що дозволяе перейти в!д дуже трудомюткоТ задач! розрахунку всього колеса до розгляду одного його сектору. Наприклад, робоче колесо компресора ГЦ2-580/51-76 мае 15 сек-тор1в. Був розроблений метод I алгоритм розрахунку ЦСК, що базуеться на дискретна модел! сектора. На основ! цих алгоритма створено програму для 1ВМ-сумюних ПЕ8М. Програма мае вконну систему меню користувача, що дозволяе вибрати вид розрахунку, задати ! вщкоригувати вихщн! дан!, а також визуально перевфити й уточните розрахункову схему колеса 1 його параметри.

Обрано зааб автоматизованого к!нцево-елементного моделювання (гене-рацн с!тки СЕ) робочих колю у прийнятому простор! геометричних параметр1в, що вар!юються, ¡з заданим ступенем дискретизацм для наступного анал1зу.

Розроблеж методики використовуються в практиц! проектування на ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе».

При досл!дженн1 НДС робочих колю встановлено, що напруження в колес! вщ тиску газового потоку мал) в пор'шнянж з напружемнями вщ вщцентрових сил ¡, як правило, можуть не враховуватися. Вплив стацюнарних I нестацю-нарних температурних напружень у пор^внянн! з д!ею натягу! вщцентрових сил також незначний.

Поломки високонагнрних вщцентрових робочих колю часп'ше усього пов'я-зан! з п'щвищеними р1внями динам'нних напружень, що виникають у результат'! змушених резонансних коливань. Для визначення резонансних режим1в роботе виконано чисельж розрахунки власних частот 1 форм коливань робочих колю. Спочатку розрахунки дублювались. Одне ! теж колесо розраховувалось ¡3 використанням дектькох тип!в юнцевих елемент!в. За рахунок добору щ'шьност! юнцево-елементно! с!тки домагалися задовшьно!' вщповщност"! результат м1ж собою (особливо для нижчих частот) за експериментальними результатами. Розрахунки дозволили також установити найбшьш ефективж роз-рахунков! схеми для р!зномажтних стад|й проектування. Критер1ями ефектив-ност| були, насамперед, точность розрахунк1в, вщповщнють якост1 опису гео-метр'м р'|вню проробки конструкцм на вщповщнж стад!! проектування, мож-

ливють швидко! зм!ни розрахунковоТ схеми при проведенн! вар^антних розра-XyHKÍB.

На рис. 15а,б,в показано розподши динам!чних напружень на власних формах для колеса компресора ГЦ2-5 80/51 -76.

У -

- I

\

Рис. 15. Розподш динам!чних напружень:

а) на першей власнш форм! коливань;

б) на власнт форм! СО 3 = 475 Гц;

в)на власнш форм1 С04 =49ЭГц.

Знание м'юце в робот) придтялося питаниям оптимЬацп конструкцн робо-чих колю ТКА. Дослщження в цьому напрямку показують, що повнютю автома-тизувати процес оптимюацп таких складних конструкций дуже важко, довго, 1 тому для малосер'[йних конструкцм нерентабельно. Кр|'м того слщ додати, що таю программ продукти треба значно переробляти, якщо зм1нюються умови експлуатацП. Оптимальж проекти важко використовувати в подальилй модер-жзацита розробц! нових машин, бо вони дуже чутлив1 до змжи умов експлуа-таиД, диапазону параметр1в, що вар1юються. Тому з'явилися роботи, в яких показано, що бщьше корист! при проектуванж можна одержати в)д результата анализу чутливостК

Математичний апарат аналЬу чутливост! являе собою одержання сптвщно-шень похщних вщ основних характеристик проектовано! системи (потужнтть, ККД, статичж1 динам1чж напруження, В1брацшн1 характеристики й ¡н.) по вс1м параметрам, що вартоються, 1 описують просторову геометрю конструкцм, форму и елемент|в. Цей математичний апарат останжм часом почав застосо-вуватися при проектуванж аерокосмнних, транспортних, буд1вельних 1 маши-нобуд1виих конструкщй. Анал1з чутливост! дае можливють проектувальнику оц-¡нити тенденцп тихабо ¡нших змЫ конструкцм, тому такий анал1з можназасто-совувати для бшьш широкого класу под^бних конструкций, що пщвищуе рента-бельнють програмних розробок, та й сам1 алгоритми анал1зу чутливосл простое оптим1зац1йних.

Тому при оптимальному проектуванж робочих колю ТКА аналкз чутливосл використовувався достатиьо широко. Анапа чутливост!, наприклад, динам^ч-них (1 не ттьки динампних) характеристик робочого колеса е потужним апа-ратом ¡нженера-конструктора, що дае в його руки зааб оперативного практичного добору найкращих зразюв не ттьки на етат створення проекту, але I на етап! практичного доведения його при виготовленш I впровадженж в серм-не виробництво.

На рис.16а,б приведен! картини функцюнальних похщних власних частот дододавання матер1алуна р^номажтнихповерхнях конструктивнихелеменлв закритого колеса компресора ГЦ2-580/51 -76.

Найбтьший вплив на основну власну частоту, наприклад, робить змЫа тов-щини ступищ. На зниження значения максимально! ¡нтенсивносл статичних напружень бтьш за все впливае додаваиня матер'юлу в зож переходу вщ по-кривного диска до лопатки I зняття материалу на периферм колеса в простор! М1Ж лопатками.

/

м

ч

а)

б)

Рис. 16. Поле чутливосп власноI частоти до нормальних зб/льшень материалу для КЕ - модели а) частота - 5 ; б) .частота - со6

Для пщвищення нап!рност1 колеса бажано збшьшення вихщного кута лопаток, що позитивно позначаеться на характеристиках мщност!, але призводить до зменшення ККД. Для зменшення дифузорност1 плину в каналах колеса до-цшьно зб'шьшувати кут нахилу покривного диска.

При доведены кол!с ¡з складними поломками, наприклад, колю п'ятсн 1 шо-сто! ступенш компресора високого тиску компресорних станцм для газлифт -ного видобутку нафти, усунення руйнацм досягалося змЫою режимш робота компресора (режиму пуску) \ стовщенням основного диска в пщстав1 ступиц] (у зонах екстремальних позитивних коефщ1ентт чутливостО.

На жаль, 1 доцього часу цим дуже потужним 1 зрозум!лим ¡нженерним методом одержання дмсно оптимальних конструкцШ в заводськм практик корис-туються далеко не ва ¡нженерш служби.

ОСНОВЫ! РЕЗУЛЬТАТЕ IВИСНОВКИ

1. Розроблено розрахунково-експериментальну методолопю проек-тування роторних машин НГХП, яказумовленасучасним р1внем розвитку тео-ретичних, чисельних та експериментальних методш виршення задач механн ки надмносл та оптим1зацн \ максимально адаптована до умов малосермного виробництва. Складовими частинами ц1е'( методологи е:

• експериментальж дослщження параметрш навантаження в умовах експ-луатащУ, включаючи детермЫован! та ймов1рж складов! часгини;

• чисельж дослщження з використанням ужверсальних та спец1альних про-грамних продукте статичних та динамнних характеристик (детермшованихта ймов1рностних) параметра НДС;

• експериментальний аналю НДС методами тензометрирування на спец-¡альних та ужверсальних стендах ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе»;

• прогнозуванж надмност з урахуванням можливих вщмов в експлуатацм;

• оптимальне проектування за допомогою САОПР по р1зномажтним крите-р1ям з урахуванням рюнорщних обмежень, на основ! 1ерарх!чного п'щходу;

• випробування на стад!!' доробки, монтажу та випуску продукцм «пщ ключ».

Розроблена методология застосована для проектування уЫх роторних машин, що виробляються ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе» для НГХП.

2. Виршено проблему зниження металоемносл роторщ та корпуса центрифуг безперервноУ дГУ на основк

• експериментально одержаних в умовах експлуатаци за допомогою спец-¡ально розробленоУ апаратури характеристик статичноУ та динамжноУ наван-таженост!. Експериментальж дослщження центрифуг типу ФГН 1' ФПН свщчать про те, що найбшьш сильний вплив на невр1вноважежсть роторш центрифуг робить нерщном1рний розподт матервлу, що фугуеться. Вектор невр1внова-женоУ вщцентровоУ сили носить випадковий характер;

• розроблених методик, програмних продуктт та виконаних розрахункових дослщжень: НДС у ¡мов1ржснш постанови, випадкових коливань, м!цнюноУ над!йност1, залишкового ресурсу роторш;

• тензометричних дослщжень характеристик статичноУ та динам1чноУ напру-женосл на слещально розробленому стенд1 для випробування ротор1в центрифуг;

• оптим1заци по ваговим характеристикам з урахуванням показниив надм-носл центрифуг.

Проведен! дослщження дозволили зменшити товщину конструктивних еле-мекпв корпусних деталей, лжвщувати стовщення цилшдричноУ частини ро-тор1в, що не тУльки знизило металоемшсть роторш центрифуг типу ФГН-630, ФГН-900 на 20-25%, а й дозволило зменшити трудомюткють зварювальних робгг, юлькють заголвок на один ротор, вщмовитися вщ поковок, зам1нити Ух загот!вками простих геометричних форм з прокату. Розроблеж заходи по по-довженню термшу експлуатацГУтитанових роторщ гидвюних центрифуг ФПН-125 на 80%.

3. Розв'язано проблему тдвищення мщностц надмносп й одержання оптимальних експлуатацмних, геометричних параметра роторш та лопаток рщиннокшьцевих машин за допомогою:

• експериментального дослщження характеристик газо-гщродинам1чного тиску на робоч1 лопатки машин ВВН2-50 в умовах експлуатац1У, включаючи но-мжальний та авармний режими роботи;

• розроблених методик, програмних засобш та виконаних розрахункових дослщжень НДС лопаток, бандаж1в, вал1в та корпусв;

• розробленоУ методики та программ оптимпацп за експлуатащйними, гео-метричними параметрами роторш та лопаток, оптим1зацмних розрахунюв ро-тор1вводоюльцевих насосштитвВВН2-50, ВВН2-150, водоюльцевих компре-сорщ ВК-150та ¡н.

Отриман) оптимальж параметри конструктивних елементш РКМ дозволя-ють зменшити потужнють втрат в середньому на 20-30%.

4. Виршено задачу впливу ребра жорсткост! на НДС насоса типу ЦНС за допомогою:

• розробленоУ методики, спещальноУ експериментальноУ установки та експериментального дослщження деформованого стану секщй в'щцентрового насоса;

• теоретичного дослщження ¡з застосуванням ужверсального програмного комплексу НДСсекцШ вщцентрового насоса.

Запропоновано для впровадження вар1антконструкцГ( секцШ вщцентрових насоЫв типу ЦНС полегшений на 23%.

5. Вир'|шено проблему шдвищення надшност! робочихколю турбоком-npecopiB ГПАза рахунок рацюнального розпод!лу товщини лопаток локривно-го та основного дисюв на ocHoei:

• чисельних розрахуню'в власних частот i форм коливань робочих колю;

• анал!зу чутливост1 динам'мних та статичних характеристик робочих колю;

• розробленоУ системи автоматизованого оптимального проектування (САОПР) по критериям динам1чно'( мщност! з урахуванням обмежень на газо-динам1чж обводи.

Юльюсть вщмов робочих колю турбокомпресор1в ГПА-Ц-6,3 вщ появи втом-них тр1щин зменшилась на 89%.

6. Переважну бшьилсть виконаних розробок впроваджено в серкже виробництво на ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе», завдяки чому роторн1 машини об'еднання е конкурентноздатними на световому ринку за показника-ми над!йност1, продуктивное^, соб1вартостк

СПИСОК ПРАЦЬ ЗЛ ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦИ

МонографГГ:

1. Лукьяненко В. М., Таранец А. В. Промышленные центрифуги. - М.: Химия, 1974. - 376 с.

2. Лукьяненко В. М., Таранец А. В. Центрифуги: Справ.изд. -М. : Х1мт, 1988. -384 с.

Автором розроблено структури обох монографШ, написан! загальн: вимо-

ги до техн/чного обслуговування, розборки, зборки, балансування та основн/'

особливост/ робочих процеав.

3. Лукьяненко В. М. Динамическая прочность, надежность и оптимизация роторных машин нефтегазохимической промышленности. - Сумы: Контраст, 1999.-232 с.

Стагп та тези:

4. Лукьяненко В. М. Состояние центрифугостроения на Сумском машиностроительном заводе им.Фрунзе 11 пути повышения качества и надежности центрифуг // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания «Основные направления создания и повышения технического уровня, качества и надежности машин и аппаратов химического и нефтеперерабатывающего машиностроения». - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. - 1970. - С. 11-13.

5. Лукьяненко В. М. Оборудование из титана и его сплавов // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1971. - №7. - С. 1-2.

6. Лукьяненко В.М. Вопросы надежности в центрифугостроении на Сумском машиностроительном заводе им.Фрунзе //Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания «Пути совершенствования машин и аппаратов для разделения жидких неоднородных систем и методов их расчета», -Сумы: МИНХИММАШ НТО Машпром. - 1972. - С. 3-5.

7. Лукьяненко В.М. Определение величины поперечной неравномерности для контактных устройств на стендовой установке СМЗФ // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания «Интенсификация технологических процессов и совершенствование оборудования для массообме-на, обезвоживания и грануляции минеральных удобрений и других химических продуктов». - Сумы: Центральное и Сумское областное правление НТО Машпром. - 1973. - С. 4-6.

8. Лукьяненко В.М. Повышение качества и надежности распыливающих устройств // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1974. - №7. -С. 36-38.

9. Лукьяненко В.М. Повышение качества центрифуг на Сумском машиностроительном заводе им. Фрунзе//Химическое и нефтяное машиностроение. -1974.-№12,-С. 26-28.

10. Лукьяненко В.М. Перспективы развития центрифуг в химическом машиностроении // Тезисы докладов к I Всесоюзной конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. - 1975. - С. 122-125.

11. Лукьяненко В.М. Трудовые достижения ПО им. М.В.Фрунзе//Химическое и нефтяное машиностроение. - 1983. - №1. - С. 18-19.

12. Лукьяненко В.М., Симеон Э.А., Назаренко С.А., Солошенко В.А. Исследование собственных колебаний рабочих колес центробежных компрессоров ГПА // Информационные технологии; наука, техника, технология, образование, здоровье: Сборник научных трудов ХГПУ. - Вып.6, ч.1. - Харьков: ХГПУ, 1998. - С. 84-87.

Розроблено план роэрахунковихдосл:джень, проведено анализ результатов, висновки адаптован/ до BCie'i гамм робочих колю вщцентрових турбокомпре-сор/'в.

13. Лукьяненко В.М. Акционерное общество «Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе» - наикрупнейший поставщик оборудования для нефтегазодобывающей, химической и пищевой промышленности // Нефть России. - 1995. - № 6. - С. 20-21

14. Лукьяненко В.М. Левашов В.А. Решение задач оптимального проектирования при выборе натягов прессовых соединений деталей ротора турбокомпрессора // Проблемы машиностроения. - 1998. - № 3-4. - С. 35-39. Сформульована оптимШцтна постановка задачi, проведено анализ результата, розроблеш висновки.

15. Лукьяненко В.М. Система оптимального проектирования роторных машин на ОАО СМНПО им. Фрунзе // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сборник научных трудов ХГПУ. -Вып.7, 4.1. - Харьков: ХГПУ, 1999. - С. 312-317.

Авторсью свщоцтва i патенти:

■16. Лукьяненко В.М. Фильтрующая центрифуга. Авторское свидетельство №376123, 15 января 1973 г.

17. Лукьяненко В.М. Фильтрующая центрифуга. Авторское свидетельство. №403443, 27 июля 1973 г.

18. Лукьяненко В.М. Горизонтальная фильтрующая центрифуга. Авторское свидетельство N»506434, 21 ноября 1975 г.

19. Лукьяненко В.М. Фильтрующая центрифуга. Авторское свидетельство №482204, 7 мая 1975 г.

20. Лукьяненко В.М. Фильтрующая центрифуга. Авторское свидетельство №488617, 30 июня 1975г.

21. Лукьяненко В.М., Ковалев М.В. Фильтрующая центрифуга. Авторское свидетельство №735306, 1 августа 1977 г.

Розроблеш основи конструкцм центрифуг нового поколшня.

22. Лукьяненко В.М. и др. Способ работы жидкостно-кольцевого компрессора. Авторское свидетельство №608985, 7 февраля 1978 г. Сформульована щея винаходу в заюнченШ форм).

23. Лукьяненко В.М., Ковальов В.В., Дантейко B.I., СухЫенко В.6. Вщцентро-вий компресор Патент на винахщ №240084, 31 ачня 1990р., Буенос-Ай-рес, Аргентина

Сформульоваш основн') патентi ознаки.

АНОТАЦП

Лук'яненко В.М. «Динаммна мщшсть, надшшсть та оптим1зацт ро-торних машин нафтогазох'имчноТ промисловост"!».- Монограф1я.

Дисертацш у вигляд| монографп на здобуття вченого ступеня доктора техшчних наук за спецюльшстю 05.02.09 - динамжа та мщшсть машин. - Харктський державний пол1техн!чний уншерситет, Харюв, 2000.

Здмснено нову науково обгрунтовану розробку у динам^ та мщност! машин, що забезпечуе розв'язання актуально'! прикладно! проблеми пщвищення MiuHOCTi, надшносгп та ресурсу значно навантажених елемента роторних машин, що випускаються ВАТ «Сумське НВО ¡м. М.В.Фрунзе» i до яких належать:

• горизонтальж та вертикальн! центрифуги безперервно! ди;

• рщиннокшьцев! (водоюльцев1) машини;

• багатосекщйж вщцентров1 насоси типу ЦНС;

• вщцентров1 компресори ГПА-Ц-6,3, ЭГПА-Ц-6,3, ГПА-Ц-16 та ¡н.

В po6oTi отримано нов) науков1 результати, яю забезпечують використання в Ыженернм практиц! сучасних метод!в анал!зу та автоматизованого оптимального проектування елемента роторних машин. PieeHb роботи пщтверджено зокрема присвоениям авторов! у 1997 poui Державно! премГ! УкраУни в галуз! науки ¡техники за роботу «Розробкатеоретичних основ автоматизованого оптимального проектування машин, конструкцж i приладив, створення на ц!й 6a3i зразк!в сучасно! техжки з впровадженням у сермне виробництво нового по-колЫня конкурентноспроможних турбокомпресорних систем».

Ключов! слова: роторн! машини, робочг лопатки та колеса, пластинчат еле-менти корпусних конструкцш, напружено-деформований стан, метод кжце-вих елементш, форми та частоти власних коливань, детермжоване та випад-кове навантаження, оптимальне проектування, надмжсть та ресурс.

Vladimir M. Lukyanenko. Adynamic strength, reliability and optimization of rotor machines of the oil-gas-chemical industry, - the Monograph.

Thesis on competition of the doctor of engineering science scientific degree on the speciality 05.02.09 - dynamics and strength of machines. -the Kharkiv state polytechnical university, Kharkiv, 2000.

In the monograph the most actual problems of the decrease of specific consumption of materials, increase of the failure-free operation and optimization of centrifugal air engines turbo-compressor units, horizontal and vertical centrifuges of continuous operation, liquid ring machines, and also multisectional centrifugal pumps - most representative class of rotor machines produced on leading enterprise of chemical engineering of Ukraine - Open joint-stock company «the Sumy mechanical engineering science and production association name after M.V. Frunze». (OJSC «Sumy SPA named after M.V. Frunze«).

The discussion of the dynamic strength, reliability and optimization of rotor machines are taking place. It is underlined that the majority of machines of chemical

engineering during the long time were perfected at the expense of clusters modernization without essential change of the design. The increase of operating performances at the expense of increase of parameters of operational modes of machines stayed as a large reserve. And thus problems of calculation of reliability and resource are becoming more and more actual, the solution of which on the basis of in-depth updated models is possible at usage of the advanced methods of the theoretical analysis, and also experimental researches.

Problem is formulated for the first time and the experimental researches of disturbing forces operational on the centrifuge owing to the nonuniform distribution of the split up material in the curl and having random character are made. The outcomes of these researches have allowed more authentically, in probabilistic statement, to formulate the problem of maintenance of the reliable operation of centrifuges.

The experimental accelerating installation for test of full-scale curls of centrifuges is set up. The analytical investigations tight and strained state, reinforced outcomes of experimental researches, have allowed to save labor of welding operations, quantity of bars, to lower steel intensity of curls of centrifuges on 20-25 of %.

Experimental researches of gas-hydrodynamic pressure on rotor bladings liquidring machines are made for the first time under operating conditions at different operational modes, which are in combination with theoretical methods have allowed to troubleshoot strength, reliability and obtaining of optimum operational, geometrical parameters of curls and blades of these machines full enough.

The method of the analysis of sensitivity widespread on achievement of the optimum projects of centrifugal sprockets GPA has received further development. Its application, together with experimental researches has allowed, in particular, to lower specific consumption of rotor machines materials, considered in the monograph, on the average on 16-25 of %, to increase their reliability, to reach best values of some parameters.

Keywords: rotor machines, rotor blades and sprocket, flap-type units of body designs, mode of deformation, finite element method, forms and free-running frequencies, determined and random loading, optimum designing, fail-safety and resource.

Лукьяненко В.М. Динамическая прочность, надежность и оптимизация роторных машин нефтегазохимической промышленности. - Монография.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.09 - динамика и прочность машин. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 2000.

В монографии рассмотрены наиболее актуальные проблемы снижения материалоемкости, повышения безотказной работы и оптимизации центробежных компрессоров турбокомпрессорных агрегатов, горизонтальных и вертикальных центрифуг непрерывного действия, жидкостно-кольцевых машин, а также многосекционных центробежных насосов - наиболее представительного класса роторных машин, изготавливаемых на ведущем предприятии хи-

мического машиностроения Украины - Открытом акционерном обществе «Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе».

Обсуждаются проблемы динамической прочности, надежности и оптимизации роторных машин. Указывается на то, что большинство машин химического машиностроения длительное время совершенствовались за счет модернизации узлов без существенного изменения конструкции. Большим резервом оставалось повышение эксплуатационных характеристик за счет увеличения параметров рабочих режимов машин, а при этом все более актуальными становятся задачи расчета надежности и ресурса, решение которых на основе подробных уточненных моделей возможно при использовании самых современных методов теоретического анализа, а также экспериментальных исследований.

Проведен обоснованный конкурентный отбор современных отечественных и зарубежных методов теоретического исследования проблем прочности, надежности и оптимизации роторных машин, используемых ранее в аэрокосмической технике, энергомашиностроении, научно-исследовательских учреждениях и вузах. Отобранные таким образом научные методы были оценены на практике, доработаны применительно к роторным машинам химического машиностроения и внедрены в объединении.

Впервые сформулирована задача и выполнены экспериментальные исследования возмущающих сия, действующих на центрифугу вследствие неравномерного распределения фугуемого материала в роторе и имеющих случайный характер. Результаты этих исследований позволили более достоверно, в вероятностной постановке, сформулировать проблему обеспечения надежной работы центрифуг.

Создана экспериментальная разгонная установка для испытания натурных роторов центрифуг. Теоретические исследования напряженного и деформированного состояния, подкрепленные результатами экспериментальных исследований, позволили уменьшить трудоемкость сварочных работ, количество заготовок, снизить металлоемкость роторов центрифуг на 20-25%.

Впервые выполнены экспериментальные исследования газо-гидродинами-ческого давления на рабочие лопатки жидкостнокольцевых машин в условиях эксплуатации при различных режимах работы, которые в сочетании с теоретическими методами позволили достаточно полно решить проблему прочности, надежности и получения оптимальных эксплуатационных, геометрических параметров роторов и лопаток этих машин.

Получил дальнейшее развитие метод анализа чувствительности, распространенный на достижение оптимальных проектов центробежных колес газоперекачивающих агрегатов. Показано, что нахождение функциональных производных от основных характеристик проектируемой системы по варьируемым параметрам, является мощным аппаратом инженера-конструктора не только на этапе создания, но и на этапе практической доводки этой системы при изготовлении и внедрении в серийное производство. Утверждается, что метод анализа чувствительности обладает мощным инженерным потенциалом, который еще совершенно недостаточно используется в отечественном машиностроении.

Показано на практике, что методы теоретического исследования являются далеко не полностью используемым резервом повышения надежности, снижения материалоемкости и оптимизации роторных машин химических производств. Их применение совместно с экспериментальными исследованиями позволило, в частности, снизить материалоемкость рассматриваемых в монографии роторных машин, в среднем на 16-25%, повысить их надежность, достичь оптимальных значений некоторых их параметров.

Ключевые слова: роторные машины, рабочие лопатки и колеса, пластинчатые элементы корпусных конструкций, напряжённо-деформированное состояние, метод конечных элементов, формы и частоты собственных колебаний, детерминированное и случайное нагружение, оптимальное проектирование, надежность и ресурс.