TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN bộ máy PHÁT điện ĐỘNG cơ DIESEL BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN tử hữu hạn

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM TÍNH TỐN DAO ĐỘNG XOẮN BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Lê Cao Hiệu, Lê Đình Tn Khoa Kỹ thuật Giao thơng, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh TÓM TẮT: Bộ máy phát điện thiết bị biến đổi máy nổ thành điện thông qua máy phát điện, thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Hệ trục máy phát điện bao gồm trục động nổ trục máy phát điện nối với thông qua khớp nối Khi hoạt động hệ trục chịu ảnh hưởng loại dao động dao động ngang, dao động dọc dao động xoắn dao động xoắn nguy hiểm Dao động xoắn gây hư hỏng chi tiết hệ trục: gây nứt gẫy trục khuỷu, phá hủy khớp nối, Do đó, việc tính tốn dao động xoắn thường u cầu bắt buộc thiết kế lắp đặt máy phát điện Bài báo đề cập việc xây dựng chương trình tính dao động xoắn hệ trục máy phát điện phương pháp phần tử hữu hạn Nghiên cứu áp dụng tính cho máy phát điện gồm động Diesel xy-lanh N67TE2X với máy phát điện ECO38-1SN Các kết tính tốn dao động xoắn tần số riêng dạng dao động xoắn tương ứng, đáp ứng cưỡng hệ trục theo tốc độ quay, ứng suất xoắn đoạn trục, giúp máy phát điện làm việc an tồn hay khơng dải tốc độ quay khảo sát và/hoặc thỏa mãn quy chuẩn kỹ thuật dao động Từ khóa: dao động xoắn, hệ thống trục máy phát điện, phương pháp phần tử hữu hạn GIỚI THIỆU HỆ TRỤC BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN Hệ trục máy phát điện bao gồm trục động nổ liên kết với trục máy phát điện thơng qua khớp nối, có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ động đến rôto máy phát điện (Hình 1) Do chịu ảnh hưởng mơmen kích thích thay đổi theo thời gian với khối lượng độ cứng trục phân bố không tương đồng nên dao động xoắn hệ trục phức tạp khó đốn Vì vậy, việc tính tốn đáp ứng dao động máy phát điện điều kiện khác trở nên cần thiết Hình Hệ trục máy phát điện DAO ĐỘNG HỆ TRỤC CỦA BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN Tất thiết bị kết cấu máy phát điện nhiều chịu ảnh hưởng dao động Hậu gây tiếng ồn, rung lắc, gây mỏi gia tăng ứng suất phận trục, thiết bị kèm kết cấu Có ba loại dao động riêng biệt kể đến dao động dọc, ngang xoắn 2.1 Dao động dọc Dao động dọc trục chủ yếu kích thích lực kích thích đến từ áp suất khí, lực điện từ… chuyển đổi thành lực hoạt động dọc theo chiều dọc, làm cho hệ trục ổn định dọc Mặc dù dao động dọc trục gây thiệt hại nặng cho trục, chúng thường nguyên nhân dao động thân thể đến độ tin cậy máy phát điện 2.2 Dao động ngang Dao động ngang gây lực Trang 104 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM kích thích, cân trục với số vòng quay định trục xuất hiện tượng nhảy không ổn định Nguyên nhân trục di động phạm vi khe hở gối trục, trọng tâm trục không trùng với tâm quay Vận hành trục tình hình làm cho trục bị hư hỏng sớm, gối trục bị mòn gây dao động cho thân máy phát điện Biện pháp thiết kế chống lại dao động ngang phải đảm bảo tần số tự nhiên hệ đặt cách xa so với tốc độ quay trục Hình Phân tích lực qn tính cấu truyền lực nhóm xylanh ( )⃗ 2.3 Dao động xoắn Trục dao động xoắn đặc trưng tốc độ quay khác trục diện “vơ hình” Dao động xoắn làm cho trục chịu lực lớn có tính chu kỳ dẫn đến tượng mỏi vật liệu trở thành nguyên nhân gây thiệt hại nghiêm trọng Dao động xoắn hệ trục máy phát điện kết áp lực khí thể thay đổi theo thời gian, lực quán tính khối lượng quay, tịnh tiến, mômen điện từ chế quay trục Dao động xoắn ảnh hưởng hệ khơng truyền bên ngồi xuất hiện tượng cộng hưởng phạm vi dải tốc độ quay động MƠMEN KÍCH THÍCH CỦA HỆ TRỤC BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN 3.1 Mơmen kích thích động Diesel Mơmen xoắn lực khí thể [5]: Trong đó: mB [kg] – khối lượng tập trung chốt píttơng ⃗ véctơ đơn vị Tổng hai dạng mômen xoắn mômen xoắn cưỡng cụm xylanh động 3.2 Mơmen kích thích máy phát điện Mơmen điện từ xác định theo biểu thức KLOSS [8], [9]: Trong đó: mơmen điện từ tới hạn hệ số trượt tới hạn CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN DAO ĐỘNG XOẮN 3.1 Mơ hình hóa hệ trục máy phát điện Hình Phân tích lực khí thể xylanh ( ) Trong đó: P [N] – lực khí thể r [m] – chiều dài tay biên l [m] – chiều dài truyền tốc độ góc trục khuỷu Mơmen xoắn lực qn tính [5]: Để tính tốn dao động xoắn hệ trục xoay, hệ trục thực tế phải quy dẫn hệ trục tương đương gồm trục hình trụ trơn có tiết diện mặt cắt ngang khơng đổi trục gắn đĩa khối lượng tương đương tương ứng Các điều kiện hệ trục tương đương: + Góc xoắn tương đương phải với góc xoắn trục thực tần số + Điều kiện quy dẫn chiều dài: hệ trục thực phải quy dẫn thành hệ trục tương đương đàn hồi lý tưởng, không trọng lượng phải đảm bảo cân lượng giống hệ trục thực chịu mômen xoắn Nghĩa là, độ cứng chống xoắn đoạn trục tương đương phải độ cứng chống xoắn đoạn trục thực Trang 105 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM + Quy dẫn khối lượng: thay khối lượng chuyển động xoay hệ trục đĩa có mơmen qn tính khối lượng tương đương; khối lượng tương đương phải với khối lượng thực đặt vị trí tương ứng Các khối lượng cần quy dẫn: trục khuỷu, nhóm cấu truyền lực khí thể đến trục khuỷu, bánh răng, bánh đà, khớp nối, rơto chính, rơto kích thích, quạt làm mát,… Ma trận độ cứng xoắn: [ ] Ma trận giảm chấn hệ thống xác định theo mơ hình tỉ lệ: Trong đó: hệ số tỉ lệ chọn từ kinh nghiệm loại thép dùng để chế tạo trục khuỷu trục máy phát điện; mômen xoắn cưỡng tác động lên hệ trục + Lắp ghép ma trận vào hệ phương trình vi phân tổng quát tiến hành giải tốn 3.3 Sơ đồ giải thuật tính tốn Hình Từ máy phát điện thực tế đến sơ đồ hệ trục mơ hình hóa tương đương Mơ hình tính tốn dao động xoắn hệ trục máy phát điện dùng loại phần tử thanh, với số bậc tự số đĩa khối lượng có hệ trục, số phần tử số bậc tự trừ Giả thiết đĩa khối lượng có bậc tự xoay quanh trục xoay trục khuỷu 3.2 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn Hệ phương trình vi phân tổng quát [1],[2],[3]: ̈ ̇ Chương trình tính tốn dao động xoắn hệ trục thiết lập dựa phương pháp phần tử hữu hạn, viết ngơn ngữ lập trình MATLAB sử dụng số hàm CALFEM Trình tự tiến hành tính tốn: Hình Sơ đồ khối lượng tính tốn chương trình ÁP DỤNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL N67-TE2X VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN ECO38-1SN4 4.1 Thông số động N67-TE2X Kiểu máy: N67TE2X Công suất định mức: 200 kW + Rời rạc hóa mơ hình tương đương Số vòng quay định mức: 1800 vòng/phút + Xây dựng ma trận M, C, K p(t): Số xylanh: thẳng hàng Ma trận mơmen qn tính khối lượng: [ ] Số thì: Thứ tự nổ: – – – – – Tỷ số nén: 17.5 : Trang 106 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Tổng dung tích xylanh: 6.7 lít Đường kính xylanh: 104 mm Hành trình píttơng: 132 4.2 Thơng số máy phát điện ECO38-1SN4 Kiểu máy: ECO38-1SN Công suất định mức: 176 kW Số vòng quay định mức: 1500 vòng/phút Số vòng quay lớn nhất: 2250 vòng/phút Tần số dòng điện: 50 Hz 4.3 Thông số hệ trục tƣơng đƣơng Mômen quán tính tương đương : [kg m ] I1 = 0.079; I2 = 0.05; I4 = I7 = 0.028 I3 = I5 = I6 = I8 = 0.043; I9 = 0.033 I10 = 0.075; I11 = 0.174; I12 = 0.1887 I13 = 1.4085; I14 = 0.0874 Độ cứng tương đương: [MNm/rad] k1 = 0.126; k2 = 1.261 k3 = k4 = k5 = k6 = k7 = 1.519 Hình Bốn dạng dao động riêng k8 =1.386; k9 =9.55; k10 =20.081 k11 = 3.35674; k12 = 2.75013; k13 = 1.22522 5.2 Đáp ứng cƣỡng KẾT QUẢ 5.1 Dạng dao động riêng Bảng Tần số riêng tốc độ cộng hưởng tương ứng Dạng dao động Tần số riêng [Hz] Tốc độ quay [vòng/phút] 115.37 6922 180.82 10849 233.86 14032 425.95 25557 603.32 36199 642.87 38572 685.43 41126 875.14 52509 10 1066.2 63973 11 1371.1 82266 12 1420.5 85232 13 1435.4 86124 14 2102 126120 Hình Đáp ứng cưỡng số bậc tự Trang 107 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 5.3 Đáp ứng ứng suất trục KẾT LUẬN Như vậy, tần số riêng cao đáp ứng ứng suất hệ trục phức tạp Khi tần số mômen xoắn cưỡng gần với tần số riêng hệ trục xuất hiện tượng cộng hưởng Ngoài ra, bậc tự chịu tác động trực tiếp mơmen kích thích biên độ dao động nơi lớn Qua phân tích ta thấy ứng suất nguy hiểm hệ trục máy phát điện nằm vùng tốc độ làm việc khai thác máy phát điện đặc tính mơmen điện từ máy phát điện biến đổi đặc trưng dải tốc độ (chế độ động điện, chuyển sang chế độ hãm, chuyển sang chế độ máy phát điện) Qua việc phân tích dao động xoắn máy phát điện thực tế, cho ta biết diễn biến đáp ứng dao động xoắn ứng suất trục diễn trình làm việc máy phát điện từ suy rộng làm tảng cho việc phân tích dao động xoắn cho trường hợp Hình Đáp ứng ứng suất số đoạn trục Phân tích kết quả: + Đáp ứng biên độ dao động xoắn cưỡng tính tốn phù hợp với nghiệm phương trình vi phân tổng quát trường hợp áp dụng phân tích dao động xoắn cưỡng hệ nhiều bậc tự do, phương trình vi phân tổng qt có dạng nghiệm điều thể (Hình 7) + Kết tính tốn ứng suất cho thấy xuất đáp ứng cộng hưởng phụ hệ trục cơng suất/số vòng quay định mức 200 kW/1800 vòng/phút ứng suất vượt tiêu chuẩn an toàn đoạn trục máy phát điện; không nên khai thác máy phát điện liên tục tốc độ khoảng [1500 1550] vòng/phút mơmen cản máy phát điện đạt giá trị cực đại trong khoảng tốc độ này, khơng có lợi cho cường độ dòng điện sinh (Hình 8) Trang 108 Để có kết tính tốn dao động xoắn xác: thứ cần xác định mơmen qn tính độ cứng xoắn hệ, thứ hai phương pháp xác định ứng suất dao động xoắn đoạn trục điều kiện làm việc Trong trình tính tốn chạy thử hệ số khác nhau, ghi nhận việc để dự đoán tốc độ nguy hiểm hệ số giảm chấn khơng cần thiết phải xác định xác Việc tính tốn dao động xoắn xây dựng ngơn ngữ lập trình máy tính nên việc tính tốn diễn tự động sau nhập thông số liệu, rút ngắn thời gian tính tốn, khơng giới hạn số bậc tự do, tính cơng suất hay dải tốc độ làm việc mà trước dùng phương pháp giải tích dùng bảng Tole hay quy dẫn hệ nhiều bậc tự hệ bậc làm cho bước đầu việc tính tốn dao động xoắn mặt lý thuyết thiếu tính xác Chương trình tính tốn giúp dự đốn vị trí nguy hiểm thơng qua dạng dao động riêng dải tốc độ cộng hưởng để phục vụ thực nghiệm sử dụng thiết bị chuyên dùng để đo dao động xoắn HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Đình Tuân, Cơ học kết cấu, NXB Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 2014 [2] William T Thomson, Theory of Vibration with Applications, Prentice – Hall International Edition, 1998 [3] Sigiresu S Rao, Mechanical Vibration Addision – Wesley Publishing Company, Massachusetts, 1990 [4] Michel Geùradin, Daniel Rixen, Theory and application to Structural Dynamics Wiley Pulishers, 1994 [5] Joseph Edward Shigley, Jonh Joseph Uicker Theory of Mechines and Machanisms McGraw – Hill international editions, 1995 [6] Văn Thị Bông, Huỳnh Thanh Công, Lý thuyết động đốt trong, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2011 [7] Phạm Xn Mai, Tính tốn nhiệt động lực học động đốt trong, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2002 [8] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, Truyền động điện NXB Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh, 2016 [9] Bùi Đình Tiếu Giáo trình truyền động điện NXB Giáo dục Việt Nam, 2015 [10] Wladyslaw Mitianiec, Konrad Buczek, “Torsional Vibration Analysis Of Crankshaft In Heavy Duty Six Cylinder Inline Engine,” Institute of Automobiles and Internal Combustion Engines, Cracow University of Technology 2008 [11] B Y Yu, Q K Feng, X L Yu, “Modal And Vibration Analysis Of Reciprocating Compressor Crankshaft System,” Institute of Compressor, Xi’an Jiaotong University, P R China 2011 [12] Fikre E Boru (Dr.-Ing.), Johann Lenz (Dr.Ing.) “Torsional Vibration Problem in Reciprocating Compressor – Case Study,” SIRM 2015 – 11th International Conference on Vibrations in Rotating Machines, Magdeburg, Germany, 23 – 25, February, 2015 [13] Xiaolin Tang, Wei Yang, Xiaosong Hu, Dejiu Zhang, “A Novel Simplified Model For Torsional Vibration Analysis Of A Series Parallel Hybrid Electric Vehicle,” Elsevier, Mechanical Systems and Signal Processing 85 (2017) 329–338, 2017 [14] X Zhang, S D Yu, “Torsional Vibration Of Crankshaft In An Engine – Propeller Nonlinear Dynamical System,” Elsevier, Journal of Sound and Vibration 319 (2009) 491–514, 2008 [15] Lê Đình Tn, Nguyễn Trí Dũng, “Torsional Vibration of Marine Propulsion System by Finite Element Method”, Department of Naval Architecture and Marine Engineering, HCMUT, Vietnam, 2007 [16] Đỗ Đức Lưu, “Nghiên cứu xây dựng phần mềm tính dao động xoắn tự hệ trục Diesel tàu biển part mơ hình hóa,” Viện NCPT, Trường ĐHHH Việt Nam, 2016 [17] Trần Văn Tạo, Lê Đình Tn, Lê Hồng Chân, “Phân tích dao động hệ trục tàu thủy phương pháp phần tử hữu hạn”, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Bách khoa TPHCM, Việt Nam 2004 [18] Nguyen Anh Quan, “Torsional vibration of propulsion system of ship,” Master, Department of Naval Architecture and Marine Engineering, HCMUT, Vietnam, 2007 Trang 109 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM ON THE TORSIONAL VIBRATION ANALYSIS IN DIESEL GENERATOR SETS BY FINITE ELEMENT METHOD ABSTRACT A generator set is a device that converts a mechanical energy into electrical energy, usually using the electromagnetic induction principle The shaft system of this device composes of an engine and a alternator shafts which are connected through a coupling During the operation of the generator set, the shaft system faces an important vibration problem due to lateral, axial and torsional vibrations Among them, torsional vibration is most dangerous The torsional vibration can result in damage to components in the shafting system, even fracture in shaft elements, causes of coupling failure Therefore, the torsional vibration analysis is strictly required in generator set when designing generator systems The paper aims at the implementation of a torsional vibration analysis program of shaft system of genarator sets by finite element method This research is applied to investigate the torsional vibration of a diesel generator set composed of 6-cylinder diesel engine, N67TE2X and alternator, ECO381SN The research results from the torsional vibration analysis such as eigen frequencies and corresponding torsional mode shapes, force excited reponses of the shaft system, torsional stresses on each shaft elements permit to figure out whether the generator set operates safely at the operation speed range and/or whether to comply with applicable codes and regulations about vibration Keywords: torsional vibration, vibration of generator set shafting system, Diesel generator set vibration Trang 110 ... chuyển sang chế độ máy phát điện) Qua việc phân tích dao động xoắn máy phát điện thực tế, cho ta biết diễn biến đáp ứng dao động xoắn ứng suất trục diễn trình làm việc máy phát điện từ suy rộng... hành giải toán 3.3 Sơ đồ giải thuật tính tốn Hình Từ máy phát điện thực tế đến sơ đồ hệ trục mơ hình hóa tương đương Mơ hình tính tốn dao động xoắn hệ trục máy phát điện dùng loại phần tử thanh,... ứng suất nguy hiểm hệ trục máy phát điện nằm vùng tốc độ làm việc khai thác máy phát điện đặc tính mơmen điện từ máy phát điện biến đổi đặc trưng dải tốc độ (chế độ động điện, chuyển sang chế độ