Турбоэлектрическая установка

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано при проектировании турбоэлектрических установок, предназначенных для получения электрической либо механической энергии, например, парогенераторных и газотурбинных электростанций, компрессорных агрегатов. Сущность изобретения состоим в том, что в турбоэлектрической установке, содержащей механически соединенную с турбиной магнитоэлектрическую машину, ротор которой вместе с турбиной установлены на одном горизонтально расположенном валу, закрепленном в радиальных и осевых подшипниках, согласно настоящему изобретению статор упомянутой электрической машины закреплен в корпусе конструкции с радиальным смещением относительно оси вращения ротора электрической машины в сторону действия веса установки, а также с осевым смещением относительно геометрической оси симметрии ротора, перпендикулярной оси его вращения, при этом направление продольного осевого смещения противоположно направлению действия осевых нагрузок, возникающих при вращении турбины. Технический результат, достигаемый при осуществлении данного изобретения, состоит в повышении надежности работы и увеличении рабочего ресурса турбоэлектрической установки путем упрощения ее конструкции при одновременном уменьшении нагрузки на подшипниковые узлы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при проектировании турбоэлектрических установок, предназначенных для получения электрической либо механической энергии, например, парогенераторных и газотурбинных электростанций, компрессорных агрегатов.

Известна турбоэлектрическая установка, содержащая магнитоэлектрический генератор, приводимый во вращение турбиной. Ротор генератора и турбина установлены на валу, закрепленном в подшипниковых узлах (1). Для увеличения ресурса работы устройства подшипниковые узлы выполнены на базе газодинамических подшипников. Однако данная конструкция технически выполнима при массе вращающейся части, равной единиц килограмм, при этом количество пусков (из-за износа) ограничено только несколькими десятками раз.

Известна многополюсная электрическая машина (2), в которой с целью обеспечения радиальной разгрузки подшипников предусмотрен радиальный эксцентриситет между статором и ротором, обеспечивающий за счет сил одностороннего тяжения компенсацию действия веса ротора. Однако такой способ сборки не обеспечивает компенсацию осевых сил, возникающих при работе электрической машины с турбиной. При этом невозможно использование газодинамических опор, т.к. любое воздействие со стороны присоединенного вала турбины нарушает эксцентриситет и симметричность нагрузки.

Наиболее близким к изобретению устройством является турбоэлектрическая установка, содержащая магнитоэлектрический генератор, приводимый во вращение турбиной. Ротор генератора и турбина закреплены на валу, установленном в подшипниковых узлах (3). Для увеличения ресурса работы устройства, определяемого в основном ресурсом работы его подшипниковых узлов, использованы магнитные подшипники с регулируемым магнитным полем. Однако подшипники данной модификации имеют сложную и объемную конструкцию, сравнимую по массе и стоимости с электрической машиной. Сложность конструкции обуславливает низкую надежность всей установки и низкий рабочий ресурс.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является повышение надежности работы и увеличение рабочего ресурса установки путем упрощения конструкции и уменьшения нагрузки на подшипниковые узлы.

Технический результат достигается за счет того, что в турбоэлектрической установке, содержащей магнитоэлектрическую машину, механически соединенную с турбиной, причем ротор магнитоэлектрической машины и турбина установлены на одном горизонтально расположенном валу, закрепленном в радиальных и осевых подшипниках (3), согласно изобретению статор электрической машины закреплен в корпусе конструкции с радиальным смещением относительно оси вращения ротора в сторону действия веса установки и с осевым смещением относительно геометрической оси симметрии ротора, перпендикулярной оси его вращения, при этом направление продольного осевого смещения противоположно направлению действия осевых нагрузок, возникающих при вращении турбины.

Для повышения разгрузки подшипниковых узлов путем равномерности компенсации воздействующих на них усилий введена вторая идентичная имеющейся магнитоэлектрическая машина, установленная симметрично на том же валу с другой стороны турбины.

В патентных источниках информации не обнаружено сведений о технических решениях, направленных на обеспечение полной разгрузки подшипниковых опор, которая возможна только при совместном использовании осевых и радиальных смещений ротора в полости статора, из чего можно сделать вывод о соответствии данного изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

На Фиг 1 представлена конструктивная схема установки.

На Фиг.2 представлены диаграммы магнитной индукции «В» [Т] в рабочем зазоре четырехполюсной магнитоэлектрической машины.

Установка содержит магнитоэлектрическую машину 1, механически соединенную с турбиной 2. Турбина 2 приводится во вращение любым рабочим телом, например газом либо паром. Ротор 3 магнитоэлектрической машины 1 и турбина 2 установлены на одном горизонтально расположенном валу 4, закрепленном с двух сторон в радиальных и осевых подшипниковых узлах 5. Магнитоэлектрическая машина 1 имеет число полюсов больше двух и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Статор 6 машины 1 и подшипниковые узлы 5 жестко закреплены в едином корпусе 7 конструкции с радиальным смещением Δ=δ₁-δ₂ относительно оси вращения ротора в сторону действия веса установки, где δ₁-δ₂ - максимальные и минимальные величины ширины рабочего зазора машины. Закрепление статора 6 в корпусе произведено так же с осевым смещением δ₀ относительно геометрической оси симметрии ротора, перпендикулярной оси его вращения. Направление осевого смещения δ₀ противоположно направлению действия осевых нагрузок, передаваемых через вал 4 на осевые подшипниковые узлы.

Установка работает следующим образом.

В рабочем режиме подшипниковые узлы 5 принимают на себя осевое усилие F_ок, появляющееся при вращении турбины 2, и радиальное усилие F_рк, возникающее под действием веса конструкции. Однако за счет радиального Δ и осевого δ_о смещений статора 6 относительно осей ротора 3 в роторе электрической машины возникают радиальные и осевые усилия F_op, F_pp, направление которых противоположно действию усилий F_ок и F_рк (Фиг.1). В результате чего на подшипниковые узлы действует осевое усилие (F_ок-F_op) и радиальное усилие (F_рк-F_рр), что говорит о значительной их разгрузке. Теоретически нагрузки на подшипниковые узлы можно свести к нулю. Практически нагрузки на подшипники можно снизить в несколько раз. Величины выбранных осевых смещений определяются расчетным путем с учетом минимально допустимого рабочего зазора δ₂ между статором и ротором, технологии изготовления и параметров электрической машины.

Целесообразно выполнить установку симметричной с двумя идентичными электрическими машинами, установленными на одном и том же валу с обеих сторон турбины. При таком построении системы компенсирующие силы F_op и F_pp, противодействующие осевым и радиальным усилиям F_ок и F_рк, увеличиваются естественно в два раза, что еще более разгружает подшипниковые узлы 5 и повышает точность компенсации воздействующих на них нагрузок. Электрическая машина может состоять из нескольких идентичных энергетических узлов, установленных на одном валу.

Увеличение числа полюсов электрической машины ведет к снижению пульсации компенсирующей радиальной составляющей ротора F_pp и, следовательно, к повышению равномерности нагрузок на подшипниковые узлы, т.е. повышению рабочего ресурса и надежности работы всей установки.

Из представленных на Фиг.2 диаграмм видно, что величина магнитной индукции в рабочем зазоре электрической машины изменяется в соответствии с отклонением от симметрии ее рабочих зазоров, следствием чего является изменение радиальных составляющих усилий, воздействующих на подшипниковые опоры.

Устройство обладает высоким рабочим ресурсом и достаточной надежностью работы благодаря практически полной разгрузке подшипниковых узлов, поэтому может найти широкое применение при проектировании турбоэлектрических установок, предназначенных для получения электрической либо механической энергии.

Источники информации

1. Журнал «Нефтегазовая вертикаль», Москва, март-апрель 2003 г., с.58-60.

2. RU 2218649 C1, H02K 15/02, 15/16, 2002 г.

3. СН 342893, 1973 г.

1. Турбоэлектрическая установка, содержащая магнитоэлектрическую машину, механически соединенную с турбиной, причем ротор магнитоэлектрической машины и турбина установлены на одном горизонтально расположенном валу, закрепленном в радиальных и осевых подшипниках, отличающаяся тем, что статор электрической машины закреплен в корпусе конструкции с радиальным смещением относительно оси вращения ротора в сторону действия веса установки и с осевым смещением относительно геометрической оси симметрии ротора, перпендикулярной оси его вращения, при этом направление продольного осевого смещения противоположно направлению действия осевых нагрузок, возникающих при вращении турбины.

2. Турбоэлектрическая установка по п.1, отличающаяся тем, что введена вторая идентичная имеющейся магнитоэлектрическая машина, установленная симметрично на том же валу с другой стороны турбины.