probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2025-27-3-174-186probener-3447Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESЧисленное моделирование компенсирующих свойств мембранных муфт для повышения надёжности работы газоперекачивающих агрегатов в энергосистемахFinite element analysis (FEA) of membrane coupling stress under gas pumping unit shafts misalignmenthttps://orcid.org/0009-0003-0434-4134КлейдманО. В.KleidmanO. V.

Клейдман Ольга Владимировна – канд. физ.– мат. наук, доцент кафедры «Энергетическое машиностроение»

г. Казань

Olga V. Kleidman 

Kazan 

olgakdpm@mail.ruМасловИ. Н.MaslovI. N.

Маслов Игорь Николаевич – канд. техн. наук, доцент кафедры «Энергетическое машиностроение» 

г. Казань

Igor N. Maslov  

Kazan 

ig-mas@mail.ruНиколаеваН. В.NikolaevaN. V.

Николаева Надежда Владимировна – канд. физ.– мат. наук, доцент кафедры «Высшая математика» 

г. Казань

Nadezhda V. Nikolaeva 

Kazan 

navlnic@rambler.ruКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation202522072025273174186Copyright © Клейдман О.В., Маслов И.Н., Николаева Н.В., 20252025Клейдман О.В., Маслов И.Н., Николаева Н.В.Kleidman O.V., Maslov I.N., Nikolaeva N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3447Цель

Цель. Разработать программу с использованием методов численного моделирования для исследования НДС мембранной муфты с промежуточным валом и элементами, гасящими вибрации, с возможностью разработки новых конструкций муфт, способных компенсировать более значительные осевые, угловые и радиальные смещения валов ГПА при высоких значениях частоты вращения.

Методы

Методы. Алгоритм разрабатывается на основе метода конечных элементов в ПК ANSYS.

Результаты

Результаты. В статье описана актуальность темы, рассмотрены особенности и достоинства выбранной конструкции мембранной муфты. Построен универсальный численный алгоритм, который даёт возможность оценивать прочность конструкции муфты из разных материалов, передающей крутящий момент, с выявлением опасных зон высоких напряжений и предельных значений частоты вращения, а также способность компенсировать несоосность валов турбины и нагнетателя. Программа позволяет быстро варьировать исходными геометрическими параметрами с автоматическим построением новой зD модели.

Заключение

Заключение. Работа направлена на повышение эффективности и надежности работы газоперекачивающих агрегатов и газотранспортной системы. Результаты расчета показали, что заявленные свойства рассматриваемой мембранной муфты на различных режимах эксплуатации, ее способность компенсировать перекосы соединяемых валов подтвердились. Дальнейшее дополнение программы планируется с помощью анализа напряжений от переменной (циклической) составляющей крутящего момента, построения математической модели колебаний валопровода с учётом демпфирования опор.

The Purpose

The Purpose. The purpose of this work is to develop a program that uses the finite element method to analyze the stress-strain state of a membrane coupling capable of compensating for axial, angular, and radial misalignments of the shafts in a gas pumping unit.

Methods

Methods. The finite element method of the ANSYS software package underpins the algorithm’s development.

Results

Results. The article describes the relevance of the topic and examines the features and advantages of the chosen membrane coupling design. The developed universal numerical algorithm allows to estimate the strength of the coupling structure transmitting torque, made of various materials. The program helps to find zones of increased stress and extreme values of rotation speed, as well as the ability to compensate for the misalignment of the turbine and supercharger shafts. The program allows you to quickly change the initial geometric parameters with automatic construction of a new 3D model.

Conclusions

Conclusions. This research focuses on improving the efficiency and reliability of gas pumping units and the gas transmission system. Calculation results confirmed the claimed properties of the membrane coupling under various operating conditions, including its ability to compensate for shaft misalignment. Further program development will involve analyzing stresses from the variable (cyclic) component of the torque, and constructing a mathematical model of the shaft line vibrations, taking into account bearing damping.

мембранные муфтынадёжностьнесоосностьгазоперекачивающий агрегатМКЭmembrane couplingsstressesshaft misalignmentgas pumping unitFEMReferencesБасенко В.Р., Низамиев М.Ф., Ившин И.В., Владимиров О.В. 3D модель силового трансформатора для исследования его технического состояния по вибрационным параметрам // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022; 24(3):130- 143. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2022-24-3-130-143Basenko V.R., Nizamiev M.F., Ivshin I.V., Vladimirov O.V. 3D model of a power transformer to study its technical condition by oscillation parameters. Power engineering: research, equipment, technology. 2022;24(3):130-143. (In Russ.)Пахомов С. А., Маслов И. Н. Механика конструкций в COMSOL Multiphysics // Инновационные идеи молодых исследователей : Сборник научных статей по материалам XII Международной научно-практической конференции – Уфа: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-издательский центр "Вестник науки", 2023. – С. 63-66. – EDN XMKTGM.Pakhomov S. A., Maslov I. N. Structural Mechanics in COMSOL Multiphysics // Innovative ideas of young researchers: Collection of scientific articles based on the materials of the XII International scientific and practical conference - Ufa: Limited Liability Company "Scientific Publishing Center" Vestnik Nauki ", 2023. - P. 63-66. (In Russ.)Sultanov L. U., Mitryaikin V. I., Shuvalov V. A. [et al.] Study of Local Strength of Tail Rotor Blade under Ground and Flight Loads // Russian Aeronautics. – 2024. – Vol. 67, No. 2. – P. 255-262. – DOI 10.3103/S1068799824020053. – EDN EPHKBA.Sultanov L. U., Mitryaikin V. I., Shuvalov V. A. [et al.] Study of Local Strength of Tail Rotor Blade under Ground and Flight Loads // Russian Aeronautics. – 2024. – Vol. 67, No. 2. – P. 255-262. – DOI 10.3103/S1068799824020053. – EDN EPHKBA.Титов А. В., Осипов Б.М., Николаева Н. В. Представление характеристик узлов в математической модели газотурбинной установки // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2017. – № 2(34). – С. 43-49. – EDN ZTEJWF.Titov A.V., Osipov B.M., Nikolaeva N.V. Representation of characteristics of nodes in mathematical model of gas turbine. Kazan state power engineering university bulletin. 2017. № 2(34). P. 43-49. (In Russ.)Менделеев Д. И., Марьин Г. Е., Ахметшин А. Р. Показатели режимных характеристик парогазового энергоблока ПГУ-110 МВт на частичных нагрузках // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2019. – Т. 11, № 3(43). – С. 47-56. – EDN MBLKLJ.Mendeleev D. I., Maryin G. E., Akhmetshin A. R. Performance characteristics of the combined cycle power regime ccp-110 mw at partial loads. Kazan state power engineering university bulletin. 2019. V. 11, № 3(43). P. 47-56. (In Russ.)Ютанова А. А., Клейдман М.Д. Анализ НДС на основе МКЭ цельнокованого ротора турбины при действии эксплутационных нагрузок с учётом дефектов в осевом канале // XXVI Всероссийский аспиран.-магист. научный семинар, посвященный дню энергетика: материалы докладов : в 3 т., Казань, 06–07 декабря 2022 года. Том 2. – Казань: КГЭУ, 2023. – С. 184-187.Yutanova A. A., Kleidman M. D. Analysis of the stress-strain state based on the FEM of a solidforged turbine rotor under operational loads, taking into account defects in the axial channel // XXVI AllRussian postgraduate and master's scientific seminar dedicated to the Day of Power Engineer: materials of reports: in 3 volumes, Kazan, December 06-07, 2022. Volume 2. - Kazan: Kazan State Power Engineering University, 2023. - P. 184-187. (In Russ.)Новикова М.В., Хрусталев В.А. Эффективность внепикового энергообеспечения электропривода ГПА в регионах с высокой долей АЭС. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016;(1-2):37-45.Novikova M.V., Khrustalev V.A. Efficaciousness offpick power supply input electrical drive GPU in regions with high fraction NPS. Power engineering: research, equipment, technology. 2016;(1-2):37-45. (In Russ.)Иванов А. И., Спирин А. С. Характерные особенности валопроводов газоперекачивающих станций // Наука и военная безопасность. – 2016. – № 4(7). – С. 81-86. – EDN XXBGKB.Ivanov A.I., Spirin A.S. Features of shaft assemblies for gas compressor stations. Science and military security. 2016; № 4(7). P. 81-86. (In Russ.)Марьин Г.Е., Осипов Б.М., Ахметшин А.Р. Исследование применения водорода в качестве топлива для улучшения энергетических и экологических показателей работы газотурбинных установок // Известия высших ученых заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т. 23. №3(158). С. 84-92.Marin G.E., Osipov B.M., Akhmetshin A.R. Research of the application of hydrogen as a fuel to improve energy and environmental performance of gas turbine plants. Power engineering: research, equipment, technology. 2021; 23(2): 84-92. doi:10.30724/1998-9903-2021-23-2-84-92. (In Russ.)Тимофеева С. С., Хизбуллин А. Р., Мингалеева Г. Р. Оценка возможности применения газоперекачивающего агрегата для транспортировки технологического газа // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2021. – Т. 13, № 4(52). – С. 76-87. – EDN PLAXCQ.Timofeeva SS., Khizbullin AR., Mingaleeva GR. Thermochemical processing of low-grade peat based on gasification. Kazan state power engineering university bulletin. 2021. V. 13, № 4(52). P. 76-87. (In Russ.)Новоселова М.С., Мингалеева Г.Р., Марьин Г.Е., Титов А.В. Перспективы использования синтез-газа в газотурбинных установках. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024;26(1):131-143.Novoselova M.S., Mingaleeva G.R., Marin G.E., Titov A.V. Perspectives of using syngas in gas turbine plants. Power engineering: research, equipment, technology. 2024;26(1):131-143. (In Russ.)Dai H. M. et al. Use of Finite Element Method Software to Assess the Safety of a Newly Designed Electric Motorcycle Frame //Sensors & Materials. – 2024. – Т. 36.Dai, H. M., Chen, B. H., Hsu, C. M., Lin, C. L., Tseng, H. W., & Yang, C. F. Use of Finite Element Method Software to Assess the Safety of a Newly Designed Electric Motorcycle Frame. Sensors & Materials, 2024. 36.Liao M., Zhang L., Nong S., Zhang C., Zhu R., & Chen W. Study on the Effect of Cracks in Diaphragm Couplings on the Dynamic Characteristics of Shaft System// Machines. –2024. 12(10), 741.Liao M., Zhang L., Nong S., Zhang C., Zhu R., & Chen W. Study on the Effect of Cracks in Diaphragm Couplings on the Dynamic Characteristics of Shaft System. Machines. 2024. 12(10), 741.Фирсов Е. П., Ряховский О. А., Гуськов А. М., Билецкий Е. О. Особенности проектирования упругой компенсирующей муфты. Часть 1. Расчёт упругого элемента при соосном расположении валов// Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2010. – № 12. – С. 5.Firsov E. P., Ryakhovsky O. A., Guskov A. M., Biletsky E. O. Features of designing an elastic compensating coupling. Part 1. Calculation of an elastic element with coaxial shafts // Science and education: scientific publication of Bauman Moscow State Technical University. 2010. № 12. P. 5-16. (In Russ.)Qiu, Z., Qiqi, H., Han, Z., and Zhang, F. (2020). A kind of perforated diaphragm coupling and its design method. // Liaoning Province. 2020 – CN110953257A.Qiu, Z., Qiqi, H., Han, Z., and Zhang, F. (2020). A kind of perforated diaphragm coupling and its design method. // Liaoning Province. 2020 – CN110953257A.Граков С. А., Бохан В. В., Зубарев А. В., Бобров С. П. Основные принципы конструирования и расчёта компенсирующих полужёстких мембранных металлических муфт // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического унив-та. – 2019. – Т. 1, № 4(40). – С. 37-45.Grakov S. A., Bokhan V. V., S. P. Bobrov, A. V. Zubarev. Basic principles of design and calculation of compensating semi-rigid membrane metal couplings. Scientific notes of the Komsomolsk-on-Amur State Technical University. 2019. V. 1, № 4(40). P. 37-45. (In Russ.)Граков С. А., Бохан В. В., Ильичев В. А., Бобров С. П. Потеря устойчивости мембранной муфты с переменным сечением при действии крутящего момента // Проблемы машиноведения: материалы III Междунар. науч.-технической конф., Омск, 2019. Часть I. –Омский государственный технический университет. – С. 86-91. – EDN WAYQGR.Grakov S. A., Bokhan V. V., Il'ichev V. A., Bobrov S. P. Loss of stability of the membrane coupling with variable cross-section under the torque. Problems of mechanical engineering: Proceedings of the III International Scientific and Technical Conference, Omsk. 2019. Part I. – Omsk State Technical University. – P. 86-91. (In Russ.)Захаров А. Г., Будусов В. Г., Ю. П. Мягких, Г. Ф. Кислицын. Патент № 2152544 C1 Российская Федерация, МПК F16D 9/00. устройство для передачи вращения между валами: № 98122301/28: заявл. 07.12.1998: опубл. 10.07.2000 /заявитель Открытое акционерное общество Научнопроизводственное объединение "Искра". – EDN HWAGXZ.Zakharov A.G., Budusov V.G., Mjagkikh Ju.P., Kislitsyn G.F. Device for imparting shaft-to-shaft rotation. RU (11) 2 152 544(13) C1. F 16 D 9/00. Abstract of invention. Application: 98122301/28, 07.12.1998.) Applicant(s): Otkrytoe aktsionernoe obshchestvo Nauchno proizvodstvennoe ob"edinenie "Iskra".Клейдман О. В., Клейдман М. Д. Анализ свободных и вынужденных колебаний сосудов и баллонов высокого давления из композитных материалов на основе МКЭ. Подогреватель высокого давления и ресивер водорода // Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2022 (МНТК "ИМТОМ - 2022"): Матер. ХI-й Междунар. научно-технической конференции, Казань, 2022. Том Часть 2. – Акционерное общество "Казанский научно-исслед. институт авиационных технологий. – С. 189-191. – EDN IIWNMZ.Kleidman O. V., Kleidman M. D. Analysis of free and forced vibrations of high-pressure vessels and cylinders made of composite materials based on FEM. High-pressure heater and hydrogen receiver // Innovative engineering technologies, equipment and materials - 2022 (MNTK "IMTOM - 2022"): Proc. XI-th International. scientific and technical conference, Kazan, 2022. Volume Part 2. - Joint-Stock Company "Kazan Research Institute of Aviation Technologies. - P. 189-191. (In Russ.)Сидоров И.Н., Горелов А.В., Булашов Д.А. Вычисление и сравнительный анализ коэффициентов жесткости пластинчатых и мембранных соединений муфт газоперекачивающих агрегатов // Научно-технический вестник Поволжья. – 2017. №2. – С.28-35.Sidorov I.N., Gorelov A.V., Bulashov D.A. The calculation and comparative analysis coefficients of stiffnesses of plate and membrane connections of couplings of gas-pumping units. Scientific and technical bulletin of the volga region. 2017. №2. – P.28-35. (In Russ.)Паранук А. А. и др. Разработка методики диагностирования узлов газоперекачивающего агрегата по данным вибродиагностики //Современные наукоемкие технологии. – 2021. – №. 6-2. – С. 270-276.Paranuk A. A. et al. Development of the methodology of diagnostics of the gas pumping unit nodes according to the vibrodiagnostic data. Modern knowledge-intensive technologies. 2021. №. 6-2, Р. 270-276. (In Russ.)Cheng, S., Wang, G. P., Liu, J. X., & Yan, F. F. (2022, September). Research on torsional characteristics of closed interference fit diaphragm coupling. In International Conference on Mechanical Design and Simulation (MDS 2022) (Vol. 12261, pp. 284-290). SPIE.Cheng, S., Wang, G. P., Liu, J. X., & Yan, F. F. (2022, September). Research on torsional characteristics of closed interference fit diaphragm coupling. In International Conference on Mechanical Design and Simulation (MDS 2022) (Vol. 12261, pp. 284-290). SPIE.Wang G. et al. The diaphragm coupling in energy equipment: A review / G. Wang, J. Liu, Sh. Cheng [et al.] // Frontiers in Energy Research. – 2022. – Vol. 10. – DOI 10.3389/fenrg.2022.1001315. – EDN YHOFGO.Wang G. et al. The diaphragm coupling in energy equipment: A review / G. Wang, J. Liu, Sh. Cheng [et al.] // Frontiers in Energy Research. – 2022. – Vol. 10. – DOI 10.3389/fenrg.2022.1001315. – EDN YHOFGO.Шакурова Р.З., Гапоненко С.О., Кондратьев А.Е. Методика проведения оперативного диагностирования трубопроводов энергетических систем и комплексов. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020; 22(6):188-201Shakurova R.Z., Gaponenko S.O., Kondratiev A.E. Technique for operational diagnosis of pipelines of energy systems and complexes. Power engineering: research, equipment, technology. 2020;22(6):188-201. (In Russ.)Wang J. et al. Torsional vibration characteristics analysis and vibration suppression research of compressor flexible rotor system considering fit clearance //Multibody System Dynamics. – 2024. – 1-30.Wang J. et al. Torsional vibration characteristics analysis and vibration suppression research of compressor flexible rotor system considering fit clearance. Multibody System Dynamics. 2024. 1-30.Dai H. M., Chen B. H., Hsu C. M., Lin C. L., & Yang C. F. Analyses of Full-load, Modal, and Fatigue Life of Electric Motorcycle Frame Using Finite Element Software ANSYS // Sensors and Materials. – 2023. 35(8), 2817-2829.Dai H. M., Chen B. H., Hsu C. M., Lin C. L., & Yang C. F. Analyses of Full-load, Modal, and Fatigue Life of Electric Motorcycle Frame Using Finite Element Software ANSYS. Sensors and Materials. – 2023. 35(8), 2817-2829.F. Hu, Q. He, B. Fu [et al.] Reliability Analysis of Diesel Engine Connecting Rod Threaded Connection Based on ANSYS // Journal of Physics: Conference Series. – 2023. – Vol. 2459, No. 1. – P. 012095. – DOI 10.1088/1742-6596/2459/1/012095. – EDN KUHYKE.F. Hu, Q. He, B. Fu [et al.] Reliability Analysis of Diesel Engine Connecting Rod Threaded Connection Based on ANSYS // Journal of Physics: Conference Series. – 2023. – Vol. 2459, No. 1. – P. 012095. – DOI 10.1088/1742-6596/2459/1/012095. – EDN KUHYKE.Marin, G. E., Kleidman, O. V., Ilyushin, P. V., & Akhmetshin, A. R. (2025). Analysis of stressstrain state of hydrogen receiver casing //International Journal of Hydrogen Energy, 98, 1366-1373.Marin, G. E., Kleidman, O. V., Ilyushin, P. V., & Akhmetshin, A. R. (2025). Analysis of stressstrain state of hydrogen receiver casing. International Journal of Hydrogen Energy, 98, 1366-1373.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.