Численное моделирование компенсирующих свойств мембранных муфт для повышения надёжности работы газоперекачивающих агрегатов в энергосистемах

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

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. 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.

1. Басенко 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/10.30724/1998-9903-2022-24-3-130-143

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Иванов А. И., Спирин А. С. Характерные особенности валопроводов газоперекачивающих станций // Наука и военная безопасность. – 2016. – № 4(7). – С. 81-86. – EDN XXBGKB.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Qiu, Z., Qiqi, H., Han, Z., and Zhang, F. (2020). A kind of perforated diaphragm coupling and its design method. // Liaoning Province. 2020 – CN110953257A.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. Паранук А. А. и др. Разработка методики диагностирования узлов газоперекачивающего агрегата по данным вибродиагностики //Современные наукоемкие технологии. – 2021. – №. 6-2. – С. 270-276.

22. 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.

23. 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.

24. 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):188-201

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.