Типы вращающегося оборудования и классификация вибрации: Исчерпывающее руководство

I. Общие типы вращающихся машин

Большинство машин состоит из вращающихся компонентов.

К вращающимся машинам относятся машины, основная функция которых осуществляется за счет вращательного движения, в частности, машины, в которых основные компоненты вращаются с высокой скоростью.

Типы вращающегося оборудования разнообразны и включают в себя паровые турбины, газовые турбины, центробежные компрессоры, генераторы, насосы, водяные турбины, вентиляторы и электродвигатели.

Основными компонентами этих машин являются роторы, системы подшипников, статоры, корпуса агрегатов, а также муфты.

Скорость вращения этих машин может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту. Несколько примеров типичных вращающихся машин описаны ниже.

1. Паровая турбина

Паровая турбина - это вращающаяся силовая машина, преобразующая энергию пара в механическую работу, также известная как паровой ротор.

В основном он используется в качестве тягового двигателя для производства электроэнергии, но также может непосредственно приводить в действие различные насосы, вентиляторы, компрессоры и судовые винты.

Кроме того, выхлопные газы или промежуточный отбор паровой турбины могут использоваться для удовлетворения потребностей в отоплении как на производстве, так и в быту.

2. Центробежный компрессор

Центробежный компрессор работает за счет передачи энергии газу через ротор, что повышает его давление.

Он может состоять из одной или нескольких ступеней. Этот тип компрессора относится к категории ротационных лопастных компрессоров, также известных как турбокомпрессоры.

В центробежном компрессоре высокоскоростное вращение ротора оказывает на газ центробежную силу, а расширение в диффузорном канале еще больше повышает давление газа.

3. Электрический генератор

Электрогенератор - это механическое устройство, преобразующее различные виды энергии в электрическую.

Возникнув во время Второй промышленной революции, он был впервые разработан немецким инженером Сименсом в 1866 году.

Приводимые в действие водяными, паровыми, дизельными или другими механическими турбинами, генераторы преобразуют энергию, получаемую от потока воды, воздуха, сгорания топлива или деления ядерного топлива, в механическую энергию.

Затем эта механическая энергия преобразуется генератором в электрическую. Генераторы находят широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве, обороне, технике и повседневной жизни.

4. Водяной насос

Водяной насос - это механическое устройство, предназначенное для транспортировки или нагнетания давления жидкостей.

Он передает механическую энергию двигателя или других внешних источников энергии жидкости, увеличивая ее энергию.

В основном он используется для транспортировки различных жидкостей, включая воду, масло, кислотно-основные растворы, эмульсии, суспензии и жидкие металлы.

Насос может работать со смесями жидкостей и газов, а также с жидкостями, содержащими взвешенные частицы.

5. Вентиляторы

Вентилятор - это механическое устройство, которое использует механическую энергию для повышения давления газа и его отвода.

Это тип приводимых в действие жидкостных машин, давление выхлопа которых не превышает 1,5×10⁵Pa. Вентиляторы широко используются для вентиляции, удаления пыли и охлаждения на заводах, в шахтах, туннелях, градирнях, транспортных средствах, кораблях и зданиях.

Они также используются для вентиляции и вытяжки воздуха в котлах и промышленные печи, для охлаждения и вентиляции в кондиционерах и бытовых приборах, для сушки и селекции зерна, а также для воздушного потока в аэродинамических трубах, надувания и приведения в движение судов на воздушной подушке.

6. Электродвигатель

Электродвигатель - это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его конструкция основана на явлении вращения наэлектризованной катушки под действием магнитного поля.

В зависимости от используемого источника питания двигатели делятся на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.

Большинство двигателей в энергосистемах - это двигатели переменного тока, которые могут быть как синхронными, так и асинхронными. Электродвигатель состоит в основном из статора и ротора.

Направление силы, действующей на наэлектризованный провод в магнитном поле, зависит от направления тока и линий магнитного поля.

Принцип работы электродвигателя заключается в том, что магнитное поле воздействует на ток, заставляя его вращаться.

II. Классификация вибрации вращающихся машин

Основную функцию вращательного оборудования выполняют его вращающиеся компоненты, наиболее важным элементом которых является ротор.

Ненормальная вибрация и шум являются основными индикаторами неисправностей во вращающихся машинах. Сигналы вибрации, проявляющиеся в амплитудной, частотной и временной областях, раскрывают важнейшую информацию о неисправностях машины.

Поэтому всестороннее понимание механизмов вибрации во вращающихся машинах при различных неисправностях необходимо для эффективного эксплуатационного мониторинга и повышения точности диагностики неисправностей.

Исходя из природы механической вибрации, вибрации вращающихся машин можно разделить на три различные категории:

1. Вынужденная вибрация

Вынужденная вибрация, также называемая синхронной вибрацией, возникает под действием непрерывных периодических внешних возбуждающих сил.

Этот тип вибрации постоянно забирает энергию из внешней среды, чтобы компенсировать потери энергии из-за демпфирования, тем самым поддерживая постоянную амплитуду колебаний в системе.

Примечательно, что сама вибрация не влияет на возмущающую силу. К распространенным причинам вынужденной вибрации относятся дисбаланс массы ротора, несоосность муфт, статическое трение в роторе, ослабление механических компонентов, повреждение элементов ротора или подшипников.

Характерная частота вынужденной вибрации неизменно равна частоте возмущающей силы. Например, вынужденная вибрация, вызванная дисбалансом массы ротора, имеет частоту колебаний, которая постоянно совпадает с частотой вращения.

2. Самовозбуждающаяся вибрация

Самовозбуждающаяся вибрация возникает из-за переменных сил, создаваемых внутренним движением машины во время работы. Эти переменные силы естественным образом исчезают, когда вибрация прекращается.

Частота самовозбуждающихся колебаний соответствует собственной (или критической) частоте машины, не зависящей от частоты внешнего возбуждения.

К распространенным проявлениям самовозбуждающейся вибрации во вращающемся оборудовании относятся масляный вихрь и колебания масляной пленки, вызванные в первую очередь внутренним сопротивлением ротора и трением между статическими и динамическими компонентами.

По сравнению с принудительной вибрацией, самовозбуждающаяся вибрация возникает более резко и с большей интенсивностью, что может привести к серьезным повреждениям машины за короткий промежуток времени.

3. Нестационарная вынужденная вибрация

Нестационарная вынужденная вибрация - это разновидность вынужденной вибрации, вызванной внешними возмущениями.

Она разделяет частоту возмущения, но уникально то, что сама вибрация взаимно влияет на величину и фазу возмущения. Следовательно, и амплитуда, и фаза вибрации колеблются.

Например, локальная неравномерная тепловая деформация вала ротора эффективно добавляет несбалансированную массу к ротору, вызывая изменения амплитуды и фазы вибрации.

Эти изменения амплитуды и фазы, в свою очередь, влияют на величину и местоположение неравномерной тепловой деформации, что приводит к постоянным колебаниям вынужденной вибрации.

Понимание этих типов вибрации имеет решающее значение для реализации эффективных стратегий мониторинга состояния и разработки передовых алгоритмов диагностики неисправностей вращающихся машин.