بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی ارتعاشات آزاد شفت دوار جوشی پرداخته میشود. شفت به طول حدوداً ده متر و حداکثر قطر 2 متر میباشد. شفت فوق در دور کاری 3500 دور در دقیقه کار می نماید. جنس شفت از فولاد کم کربن است. درون شفت حفره هایی تعبیه شده است. محل دقیق این حفره ها مشخص نیست. محل این حفره ها به کمک امواج رادیویی تخمین زده شده است. در کاتالگ طراحی شفت به همراه پره های الحاقی آن دو فرکانس اول شفت ارائه شده است. به منظور بررسی ارتعاشات آزاد شفت فوق می بایست اثرات ارتعاشات پرهها از ارتعاشات مجموعه ترکیب شفت و پره ها کم شود و فرکانس های طبیعی شفت محاسبه شود.
البته رابطه فوق خطی نمیباشد. به منظور نایل شدن به این هدف از روشهای تقریبی دانکرلی و ریلی استفاده می شود. از روش دانکرلی دو فرکانس اول و از روش ریلی تنها فرکانس اول بدست میآید. با کم نمودن فرکانس های کاتالگ از فرکانس های تقریبی حاصله از روش های تقریبی فوق، فرکانس طبیعی شفت حاصل می شود. در این پژوهش روش فوق را روش تحلیل برعکسی می نامیم. نمونه اصلی شفت با محل تقریبی حفره های درون آن در نرم افزار المان محدود تحلیل ارتعاشات آزاد شد. اثرات سختی و میرایی یاتاقان ها نیزدر آن لحاظ شد. دیده می شود دو روش تحلیل برعکسی و المان محدود نتایج تقریباً مشابهی را در ارائه دو فرکانس طبیعی اول ارائه می دهند.
واژگان کلیدی: ارتعاشات آزاد، حل دانکرلی، حل ریلی، روش اجزاء محدود.
مقدمه
چرخش ماشینهای دوار به صورت گسترده در سیستمهای تولید انرژی و انتقال مواد استفاده میشود . - Muszynska,2005 - یکی از قسمتهای مهم ماشین دوار که خرابی آن منجر به از کار افتادن مجموعه میگردد، روتور است. خرابی میتواند به صورت رشد ترک و یا ارتعاشات اجباری سازه روتور باشد . - Zhang, 2008 - خرابی اصلی روتورها اغلب ناشی از ناپایداری در حرکت کل مجموعه توربین میباشد که منجر به ارتعاشات روتور میگردد - Viswanathan, . - 2001 این مسئله در توربینها با توان خروجی بالا و پایین دیده شده است. لذا توجه به نابالانسی و جلوگیری از ارتعاشات ناخواسته اجباری روتور ضروری میباشد. در طول فعالیت توربین، روتورها شرایط کاری ناپایداری را مطمئناً تجربه مینمایند که این منجر به افزایش ارتعاشات روتور خواهد شد . - Ishida and Yamamoto, 2012 -
ماورین و همکاران - Maurin et all, 2011 - به بررسی ارتعاشات آزاد و اجباری مجموعه توربین و کمپرسور به همراه روتور پرداختهاند. در این پژوهش کل مجموعه که شامل شش مرحله کمپرسور و دو مرحله توربین است به صورت عددی و به کمک روش اجزاء محدود در نرم افزار ANSYS مدل شد. در این پژوهش همچنین اثرات سختی یاتاقانها نیز بررسی شد. بابو و همکاران - Babu et all, 2013 - به بررسی اثر سختی در یاتاقان ناشی از دوران و همچنین اثر شتاب کریولیس در یک توربین بخار بر روی فرکانس بحرانی پرداختهاند. وی از روش اجزاء محدود به منظور یافتن فرکانس طبیعی توربین استفاده نمود. سوکولوسکی و همکاران - Sokolowski et all, 2003 -
ارتعاشات روتور را بررسی نمودهاند. در این پژوهش اثر شتاب خروج از مرکز ناشی از جرم پرهها در روتور به کمک روش اجزاء محدود بررسی شد. رضادوسکی و سوکولسکی - Rzadkowski and Sokolowski, 2004 - دینامیک روتور را بررسی کردهاند. در این پژوهش رفتار دینامیکی روتور به همراه دو دیسک صلب که بر روی آن است بررسی شد. دیسک صلب نشان دهنده اثر گریز از مرکزی پرهها میباشد. در این بررسی از روش اجزاء محدود استفاده شد. لاها و کاکوتی - Laha and Kakoty, 2011 - به بررسی رفتار دینامیکی غیرخطی یک روتور انعطافپذیر که دارای دو یاتاقان روغنی میباشد پرداخته است. وی در این پژوهش به کمک روش اجزاء محدود و فرض درنظر گرفتن رفتار تیر تیموشنکو برای روتور، حرکت روتور رادر راستای جانبی شبیهسازی نموده است. در این پژوهش نیروی غیرخطی ناشی از حرکت جورنال در یاتاقان روغنی به کمک معادلات دارسی لحاظ شده است.
من و همکاران - Man et - all, 2014 به بررسی رفتار دینامیکی روتور به کمک روش اجزاء محدود پرداخته است. وی دیاگرام فاز روتور را با استناد با نتایج حل اجزاء محدود ترسیم نمود. وی اثرات سختی و میرایی یاتاقانها را در ترسیم دیاگرام فاز لحاظ نمود. ژائو و همکاران - Zhou et all, 2015 - به بررسی نابالانسی در یک یاتاقان پرداختهاند. در این بررسی اثرات ضرایب سختی و میرایی یاتاقان در نابالانسی یاتاقان بررسی شد. ژائو بیان میکند که سختی و میرایی یاتاقان اثر مستقیمی بر روی نابالانسی یاتاقانها دارد. این اثرات در فرکانسهای طبیعی ناشی از خمش اثرگذارتر است. وی همچنین به کمک روش اجزاء محدود معادلات حرکت روتور را یافت. جلالیا و همکاران - Jalalia et all, 2014 - به تحلیل دینامیکی روتور و یاتاقان پرداختند.
جلالی فرض نمودکه روتور با سرعت بالا در حال چرخش است. وی بیان نمود که چرخش با سرعت بالای روتور ممکن است منجر به خرابی سازه روتور و ملزومات الحاقی آن شود. وی مجموعه روتور و پرههای آنرا به صورت سه بعدی به کمک روش اجزاء محدود تحلیل فرکانسی نمود. وی نتایج حل اجزاء محدود را با نتایج آزمایشگاهی تست مودال مقایسه نمود. تاپلک و پارلک - Taplak and Parlak, - 2012 به تحلیل دینامیکی روتور توربین گاز به کمک روش اجزاء محدود پرداخته است. تاپلک بیان میکند که به دلیل هندسه پیچیده روتورها شاید نتوان یک حل تحلیلی برای حرکت دینامیکی آنها تعیین نمود لذا استفاده از روشهای تقریبی وروش اجزاء محدود ضروری میباشد. وی بیان میکند استفاده از روش اجزاء محدود در مسئله روتورها از لحاظ صرفه جویی در وقت و هزینههای مالی کارآمد است.
با عنایت به پیشینه ذکر شده، دیده میشود حل تحلیلی برای روتورها به دلیل هندسه پیچیده آنها الزاماً امکانپذیر نمی-باشد. لذا استفاده از روشهای تقریبی و روش اجزاء محدود منطقی میباشد. موضوع مورد بررسی این پژوهش روتور توربین گازی میباشد که به صورت اتصالات جوشی به یکدیگر متصل شدهاند. این تکه ها با اتصال انطباقی - شرینگ - به یکدیگر متصل شدهاند و در نهایت با جوش در راستای محیطی شفت به یکدیگر وصل شدهاند. با مرور مقالات دیده میشود در زمینه چنین روتورهایی پژوهش بسیار اندک است. اغلب آنها به معرفی چنین روتورهایی پرداختهاند . - Liithy, 1968 - در سال 1930 آدولف میر - Liithy, 1968 - برای اولین بار پیشنهاد روتور جوش را مطرح کرد. قبل از پیشنهاد وی زمانی که برای اولین بار روتور طراحی شده بود، شکل آن به صورت شفت توپر و یا یک شفت به صورت لوله توخالی بود. آدولف لوثی - Liithy, 1968 - به منظور ساخت روتورها از دو نوع طراحی استفاده نمود.
-1روتورهای یک تکه
-2روتورهای جوشی
روتور یک تکه
در روتورهای یک تکه وزن روتور بدون پره در حدود 35 الی 45 تن میباشد. لذا حمل و نقل اینگونه روتورها مشکل است. همچنین فرآیند ساخت این روتورها بسیار دشوار است. بنابراین استفاده از مواد محکم و سخت در طراحی اینگونه روتورها دور از ذهن نمیباشد. همچنین مقادیر عظیمی از فورج اینگونه روتورها ضروری است.دیده میشود هزینه موادی و عملیات ساخت برای اینگونه روتورها بسیار گران تمام میشود. در ضمن در حین فرآیند فورج به دلیل جلوگیری از وجود حباب هوا در بدنه روتور نیاز به ذوب در محفظه خلاء میباشد. بدون درنظر گرفتن این ریسک که حداقل مقدار کمی حباب در روتور ممکن است به وجود بیاید، تغییرات خواص در روتور ممکن است به صورت تنش پسماند در روتور ایجاد شود که با حرکت روتور در ایجاد نابالانسی و حتی تنشهای القایی در پره دیده شود. لذا عملیات حرارتی مناسب ضروری است. با توجه به حجم عظیم این روتورها، عملیات حرارتی فوق دشوار و گران قیمت خواهد بود و توسط هر شرکت و یا کمپانی قابل انجام نمیباشد.
روتورهای جوشی
در این نوع روش ساخت، هر جزء روتور به صورت مجزا ساخته میشود. شکل 1 نمایی از روتور جوشی را نشان میدهد. در این نوع روتورها، فورج قطعات بسیار سادهتر از روش ساخت قبل است. در ضمن تجهیزات فورج بسیار کوچکتری نسبت به حالت قبل لازم است و بنابراین محیط کاری کوچکتری برای قرار دادن تجهیزات لازم است. فورج قطعات به دلیل کوچک بودن قطعات آن در محدوده زمانی کمتر انجام میشود. همچنین درصد وجود حباب هوا در اینگونه قطعات نسبت به نحوه ساخت قبل به شدت کاهش مییابد. عملیات حرارتی در این فرآیند ساخت به منظور افزایش استحکام قطعات به خوبی انجام میگردد. آزمایشات مربوط به تستهای جوش مانند تست آلتراسونیک برای قطعات کوچک روتور به خوبی انجام میگردد. همچنین آزمایشات دیگر مانند امواج گاما، بتازون و آزمایشات شتابسنجی خطی در تست ارتعاشات به خوبی برای قطعات کوچک قابل
