Радиальный магнитный подшипниковый узел



Радиальный магнитный подшипниковый узел
Радиальный магнитный подшипниковый узел

 


Владельцы патента RU 2579369:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок замкнутого цикла большой мощности. Подшипниковый узел включает полый цилиндрический корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу. Сегменты втулки выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, как объемные желобообразные удлиненные элементы одинаковой угловой длины и закреплены на внешней поверхности медной цилиндрической обечайки и отделены друг от друга ее выступами, размещенными в зазорах между сегментами. Медная цилиндрическая обечайка оперта и скреплена с несущим корпусом втулки, содержащим торцевые кольца, скрепленные друг с другом продольными стержнями прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность которых совпадает с очертаниями торцевых колец и скреплена с внутренней поверхностью медной цилиндрической обечайки. Торцы втулки заглушены круглыми фланцами, поверхность которых, обращенная к втулке, снабжена периферийным кольцевым выступом и центральным цилиндрическим выступом или буртиком, с диаметром, соответствующим диаметру отверстий торцевых колец. При этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной сегментами, совпадает с внешним диаметром фланцев и их периферийных кольцевых выступов, которые совпадают с кольцевыми проточками на обращенной к ним кромке поверхности, образованной сегментами втулки. Свободные поверхности фланцев снабжены теплозащитным покрытием. В одном из фланцев и его теплозащитном покрытии выполнены, как минимум, два сквозных отверстия, выполненные с возможностью подвода - отвода охлаждающего агента. На внутренней поверхности полости цилиндрического корпуса сформирована магнитная система, выполненная по схеме Хальбаха. Внутренняя полость, образованная в магнитной системе, образует рабочий зазор с внешней поверхностью втулки с возможностью вращения относительно нее полого цилиндрического корпуса. Технический результат: обеспечение высокой несущей способности радиального подшипникового узла при уменьшении в нем потерь на трение, повышение его надежности работы, повышение механического КПД механизма, повышение окружной скорости цапфы. 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок замкнутого цикла большой мощности.

Известен радиальный подшипник на магнитной подвеске, включающий кольцевые коаксиальные постоянные магниты, снабженные экранами и взаимодействующие в радиальном направлении одним одноименным действующим полюсом (см. RU 2264565, МПК F16C 32/04, 2003).

В известной конструкции подшипника экраны не обеспечивают надежную осевую стабилизацию, что при высоких оборотах во время работы может вызвать смещение и колебание оси; магнитное взаимодействие одним рабочим полюсом снижает эффективность использования магнитной энергии единицы объема постоянных магнитов. Энергетические потери в известной конструкции могут быть скомпенсированы увеличением массы постоянных магнитов. Следствием этого является либо увеличение габаритов, либо ограничение динамического диапазона радиально-осевых перемещений, что ухудшает эксплуатационные характеристики подшипника в целом.

Известен также магнитный подшипниковый узел, содержащий полый цилиндрический корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу (см. RU 2314443, МПК F16C 32/04, 2008).

Магнитные подвесы большинства известных на сегодня газотурбинных двигателей выполнены на базе электромагнитов (активных магнитных подшипников). Недостатки таких систем - сложная система контроля зазора между цапфой и электромагнитами, относительно большой зазор между ними, высокое энергопотребление, необходимость установки страховочных подшипников, что увеличивает массу установки. С появлением высококоэрцитивных постоянных магнитов из редкоземельных материалов появилась возможность создавать пассивные магнитные подшипники, которые позволяют отказаться от сложных систем стабилизации магнитных подшипников, уменьшить немагнитный зазор, повысить надежность, несущую способность и жесткость магнитных подшипников.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности радиального подшипникового узла, повышение надежности его работы, уменьшение потерь на трение, исключение загрязнения рабочего тела турбомашины маслом, повышение механического КПД механизма.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального подшипникового узла при уменьшении в нем потерь на трение, повышении его надежности работы, повышении механического КПД механизма, повышении окружной скорости цапфы.

Поставленная задача решается тем, что радиальный магнитный подшипниковый узел, включающий полый цилиндрический корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу, отличается тем, что сегменты втулки выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, как объемные желобообразные удлиненные элементы одинаковой угловой длины и закреплены на внешней поверхности медной цилиндрической обечайки и отделены друг от друга ее выступами, размещенными в зазорах между сегментами, при этом медная цилиндрическая обечайка оперта и скреплена с несущим корпусом втулки, предпочтительно содержащим торцевые кольца, скрепленные друг с другом продольными стержнями, предпочтительно прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность которых совпадает с очертаниями торцевых колец и скреплена с внутренней поверхностью медной цилиндрической обечайки, кроме того, торцы втулки заглушены круглыми фланцами, поверхность которых, обращенная к втулке, снабжена периферийным кольцевым выступом и центральным цилиндрическим выступом или буртиком, с диаметром соответствующим диаметру отверстий торцевых колец, при этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной сегментами, совпадает с внешним диаметром фланцев и их периферийных кольцевых выступов, которые совпадают с кольцевыми проточками, на обращенной к ним кромке поверхности, образованной сегментами втулки, кроме того, свободные поверхности фланцев снабжены теплозащитным покрытием, при этом, в одном из фланцев и его теплозащитном покрытии выполнены, как минимум, два сквозных отверстия, выполненные с возможностью подвода - отвода охлаждающего агента, причем на внутренней поверхности полости полого цилиндрического корпуса сформирована магнитная система, выполненная по схеме Хальбаха, например, включающая набор одинаковых колец из магнитного материала, с чередованием радиальной и тангенциальной намагниченности, жестко скрепленных с поверхностью полости полого цилиндрического корпуса, причем внутренняя полость, образованная в магнитной системе образует рабочий зазор с внешней поверхностью втулки, с возможностью вращения относительно нее полого цилиндрического корпуса.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие, что «сегменты втулки выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, как объемные желобообразные удлиненные элементы одинаковой угловой длины и закреплены на внешней поверхности медной цилиндрической обечайки и отделены друг от друга ее выступами, размещенными в зазорах между сегментами» формируют втулку радиального магнитного подшипника и делают возможным формирование силы левитации цапфы при воздействии на сверхпроводник внешнего магнитного поля цапфы.

Признаки, указывающие, что «медная цилиндрическая обечайка оперта и скреплена с несущим корпусом втулки, предпочтительно содержащим торцевые кольца, скрепленные друг с другом продольными стержнями, предпочтительно прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность которых совпадает с очертаниями торцевых колец и скреплена с внутренней поверхностью медной цилиндрической обечайки» способствуют формированию жесткого и прочного корпуса магнитного подшипника, обеспечивают эффективное охлаждение объемных высокотемпературных сверхпроводимых (ВТСП) сегментов вследствие высокой теплопроводности меди.

Признаки, указывающие, что «торцы втулки заглушены круглыми фланцами, поверхность которых, обращенная к втулке, снабжена периферийным кольцевым выступом и центральным цилиндрическим выступом или буртиком, с диаметром, соответствующим диаметру отверстий торцевых колец, при этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной сегментами, совпадает с внешним диаметром фланцев и их периферийных кольцевых выступов, которые совпадают с кольцевыми проточками, на обращенной к ним кромке поверхности, образованной сегментами втулки», способствуют обеспечению жесткого скрепления объемных ВТСП сегментов с медной цилиндрической обечайкой, что уменьшает деформации поверхности объемных ВТСП сегментов и обеспечивает их надежную фиксацию при температурных деформациях корпуса магнитного подшипника и восприятию высоких нагрузок магнитным подшипником.

Признаки, указывающие, что «свободные поверхности фланцев снабжены теплозащитным покрытием, при этом, в одном из фланцев и его теплозащитном покрытии выполнены, как минимум, два сквозных отверстия, выполненные с возможностью подвода - отвода охлаждающего агента», способствуют формированию камеры криостата и обеспечивают поддержание необходимой температуры объемных ВТСП сегментов для поддержания эффекта сверхпроводимости.

Признаки, указывающие, что «на внутренней поверхности полости полого цилиндрического корпуса сформирована магнитная система, выполненная по схеме Хальбаха, например, включающая набор одинаковых колец из магнитного материала, с чередованием радиальной и тангенциальной намагниченности, жестко скрепленных с поверхностью полости полого цилиндрического корпуса», формируют схему намагничивания постоянных магнитов цапфы (схему Хальбаха), которая обеспечивает увеличение магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора радиального подшипникового узла для получения значительных сил отталкивания между магнитами и объемными ВТСП сегментами. Это повышает несущую способность и жесткость радиального подшипникового узла.

Признаки, указывающие, что «внутренняя полость, образованная в магнитной системе, образует рабочий зазор с внешней поверхностью втулки, с возможностью вращения относительно нее полого цилиндрического корпуса» обеспечивает возможность вращения цапфы вокруг втулки при минимальных потерях на трение и обеспечивают прочность цапфы при высоких окружных скоростях.

На фиг. 1 показан продольный разрез магнитного подшипникового узла по оси вращения, а на фиг. 2 - поперечный разрез.

На чертежах обозначены: корпус 1, составная цилиндрическая втулка 2, выполненная из сегментов 3, цапфа 4, медная цилиндрическая обечайка 5, выступы 6, торцевые кольца 7, 8, продольные стержни 9, фланцы 10, 11, периферийные кольцевые выступы 12, 13, центральные цилиндрические выступы 14, 15, кольцевые проточки 16, 17, теплозащитные покрытия 18, 19, сквозные отверстия 20, 21, кольца 22, 23 из магнитного материала, рабочий зазор 24, бандаж 25.

Радиальный магнитный подшипниковый узел включает полый цилиндрический корпус 1, на внешней поверхности которого оперта и закреплена медная цилиндрическая обечайка 5, на внешней поверхности которой размещена составная цилиндрическая втулка 2, состоящая из сегментов 3 втулки, и цапфа 4.

Сегменты 3 втулки выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, как объемные желобообразные удлиненные элементы одинаковой угловой длины и закреплены на внешней поверхности медной цилиндрической обечайки 5 и отделены друг от друга ее выступами 6, размещенными в зазорах между сегментами 3. Медная цилиндрическая обечайка 5 оперта и скреплена с несущим цилиндрическим корпусом 1 втулки 2. Корпус 1 подшипникового узла содержит торцевые кольца 7, 8, скрепленные друг с другом продольными стержнями 9, предпочтительно прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность которых совпадает с очертаниями торцевых колец 7, 8 и скреплена с внутренней поверхностью медной цилиндрической обечайки 5. Торцы составной цилиндрической втулки 2 заглушены круглыми фланцами 10, 11, поверхность которых, обращенная к втулке 2, снабжена периферийным кольцевым выступами 12, 13 и центральными цилиндрическими выступами 14, 15 или буртиком, с диаметром, соответствующим диаметру отверстий торцевых колец 7, 8. При этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной сегментами 3, совпадает с внешним диаметром фланцев 10, 11 и их периферийных кольцевых выступов 12, 13, которые совпадают с кольцевыми проточками 16, 17 на обращенной к ним кромке поверхности, образованной сегментами 3. Свободные поверхности фланцев 10, 11 снабжены теплозащитным покрытием 18, 19. На правом фланце 11 и его теплозащитном покрытии 19 выполнены два сквозных отверстия 20, 21, предназначенные для подвода - отвода охлаждающего агента. На внутренней поверхности полости полой цапфы 4, установлены кольца 22, 23 из магнитного материала с чередованием радиального и тангенциального направлениями намагниченности, то есть, сформирована магнитная система, выполненная по схеме Хальбаха. Причем внутренняя полость, образованная в магнитной системе, образует рабочий зазор 24 с внешней поверхностью составной втулки 2, с возможностью вращения относительно нее цапфы 4.

Радиальный магнитный подшипниковый узел изготавливают и собирают в следующем порядке. С помощью токарной и фрезерной обработки изготавливают корпус 1, медную обечайку 5, цапфу 4, фланцы 10, 11. Выращивают ВТСП сегменты 3 втулки 2, обеспечивая направление роста монокристалла ВТСП сегмента перпендикулярно плоскости постоянных магнитов. Изготавливают кольца 22, 23 из магнитного материала, например из материала неодим-железо-бор и намагничивают их. На изготовленные фланцы 10, 11 приклеивают теплозащитные покрытия 18, 19. На цилиндрический корпус 1 подшипникового узла напрессовывают цилиндрическую обечайку 5, на которую, в свою очередь, приклеивают сегменты 3 втулки 2. Устанавливают фланцы 10, 11 на корпус 1. Во внутреннюю полость цапфы 4 вклеивают кольца 22, 23 из магнитного материала с формированием намагниченности по схеме Хальбаха и наматывают бандаж 25 из высокопрочного материала, например, из углеволокна. Устанавливают цапфу 4 на корпус 1 подшипникового узла. В отверстия 20 подают охлаждающий агент (жидкий азот, водород, гелий). После перехода сегментов 3 втулки 2 в сверхпроводящее состояние появляются силы левитации, которые удерживают ротор в подвешенном состоянии.

Радиальный магнитный подшипниковый узел работает следующим образом. После охлаждения сегментов 3 составной цилиндрической втулки 2, выполненных из объемных ВТСП материалов до температуры переводящих их в сверхпроводящее состояние, на их поверхности индуцируются вихревые токи большой величины. При взаимодействии магнитного поля этих токов с полем постоянных магнитных колец 22, 23, появляются силы левитации. Вследствие действия отталкивающих сил радиального магнитного подшипника цапфа 4 подшипникового узла располагается симметрично корпусу 1 с радиальным зазором 24 без механического контакта.

Радиальный магнитный подшипниковый узел, включающий полый цилиндрический корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу, отличающийся тем, что сегменты втулки выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, как объемные желобообразные удлиненные элементы одинаковой угловой длины и закреплены на внешней поверхности медной цилиндрической обечайки и отделены друг от друга ее выступами, размещенными в зазорах между сегментами, при этом медная цилиндрическая обечайка оперта и скреплена с несущим корпусом втулки, предпочтительно содержащим торцевые кольца, скрепленные друг с другом продольными стержнями, предпочтительно прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность которых совпадает с очертаниями торцевых колец и скреплена с внутренней поверхностью медной цилиндрической обечайки, кроме того, торцы втулки заглушены круглыми фланцами, поверхность которых, обращенная к втулке, снабжена периферийным кольцевым выступом и центральным цилиндрическим выступом или буртиком, с диаметром, соответствующим диаметру отверстий торцевых колец, при этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной сегментами, совпадает с внешним диаметром фланцев и их периферийных кольцевых выступов, которые совпадают с кольцевыми проточками, на обращенной к ним кромке поверхности, образованной сегментами втулки, кроме того, свободные поверхности фланцев снабжены теплозащитным покрытием, при этом в одном из фланцев и его теплозащитном покрытии выполнены, как минимум, два сквозных отверстия, выполненные с возможностью подвода - отвода охлаждающего агента, причем на внутренней поверхности полости полого цилиндрического корпуса сформирована магнитная система, выполненная по схеме Хальбаха, например включающая набор одинаковых колец из магнитного материала, с чередованием радиальной и тангенциальной намагниченности, жестко скрепленных с поверхностью полости полого цилиндрического корпуса, причем внутренняя полость, образованная в магнитной системе, образует рабочий зазор с внешней поверхностью втулки, с возможностью вращения относительно нее полого цилиндрического корпуса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству магнитного осевого подшипника с повышенным усилием на единицу поверхности и простой конструкцией. Устройство магнитного осевого подшипника включает в себя кольцевую систему листов электротехнической стали, у которой отдельные листы (80, 90, 170) стали выдаются радиально наружу, а соседние листы (80, 90, 170) стали в окружном направлении образуют зазор (20).

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для разгрузки подшипниковых опор электромеханических преобразователей энергии. Способ разгрузки подшипников электромеханических преобразователей энергии заключается в том, что создают две разнонаправленные силы, направленные к аксиальной оси, одна из которых - аксиальная сила обмотки с током, расположенной в пазах статора, которую создают путем выполнения скоса пазов статора под определенным углом, причем величину данной силы определяют произведением синуса данного угла на силу тока в обмотках и индукцию в воздушном зазоре, а другая - аксиальная магнитная сила, которую создают в результате взаимодействия поля статора и поля ротора.

Изобретение относится к области магнитных опор на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для кинетических накопителей энергии. Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии (КНЭ) установлен в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, и включает в себя статор в виде корпуса, содержащего блок высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора.

Изобретения относятся к области машиностроения, в частности к управляемому газомагнитному подшипниковому узлу и способу его работы. Подшипниковый узел содержит соленоид, магниты, полюса и ярма электромагнитов, вкладыш газового подшипника, отверстия для пористых вставок, рубашку, обмотку электромагнитов, камеру для подачи газовой смазки в пористые вставки, крепления для датчиков измерения зазора, отверстие для подачи газовой смазки в камеру.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для обеспечения бесконтактного вращения ротора электрических машин. Технический результат: повышение надежности, энергоэффективности, силовых характеристик и жесткости гибридного магнитного подшипника, минимизация нагрузок на гибридные магнитные подшипники.

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок замкнутого цикла большой мощности.

Изобретение относится к способу управления компрессорным элементом для винтового компрессора. Способ управления компрессорным элементом винтового компрессора, в котором компрессорный элемент (1) имеет корпус (2) с двумя взаимозацепленными спиральными роторами (3) внутри него, каждый из роторов удерживается в корпусе (2) в осевом направлении (Х-Х′) посредством по меньшей мере одного осевого подшипника (13).

Изобретение относится к машине и способу контролирования состояния предохранительного подшипника машины. Способ контролирования состояния предохранительного подшипника (14) машины (12) заключается в том, что предохранительный подшипник (14) улавливает роторный вал (1) машины (12) при выходе из строя магнитного подшипника (6) машины (12).

Изобретение относится к двум подшипниковым устройствам из магнитного радиального и поддерживающего подшипников для бесконтактного опирания и поддержания вала ротора турбомашины мощностью 1000 кВт и более.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к подшипникам на магнитной подвеске, и может быть широко использовано в узлах и механизмах во всех отраслях промышленности.

Изобретение относится к бесконтактным опорным устройствам с активными магнитными подшипниками для роторов вращения, а именно к опорному узлу магнитного подвеса ротора, и может быть использовано при создании высокооборотных машин, например газоперекачивающих агрегатов, с целью улучшения их эксплуатационных характеристик.

Изобретение относится к радиальному магнитному подшипнику. Радиальный магнитный подшипник имеет статор и ротор, который оперт в статоре с возможностью вращения, при этом ротор имеет вал (7), а этот вал (7) окружен кольцеобразной системой (5) пакета сердечника.

Изобретение относится к системам подшипников асинхронной электрической машины, и в частности к системам подшипников электродвигателя. Система подшипников для асинхронной электрической машины содержит раму (20), вал (40), вращающийся внутри рамы (20), и опорную обойму подшипника, соединенную с рамой (20) и окружающую по меньшей мере часть вала (40).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах. Техническим результатом является повышение быстродействия и динамической точности электромагнитного подвеса ротора.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к электромеханическим преобразователям энергии на бесконтактных подшипниках, и может быть использовано для управления положением ротора в магнитных подшипниках.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в различных установках с высокоскоростным электрическим приводом рабочего органа, в частности, в условиях вакуума.

Изобретение касается магнитного радиального подшипника и способа управления такого рода магнитным радиальным подшипником. Подшипник включает в себя статор (4), который имеет первую катушку (S1), вторую катушку (S2), третью катушку (S3) и четвертую катушку (S4), из которых первая катушка (S1) и третья катушка (S3) находятся на первой оси (Y), а также вторая (S2) и четвертая (S4) катушки - на второй оси (X) напротив друг друга.

Изобретение относится к устройству магнитного осевого подшипника с повышенным усилием на единицу поверхности и простой конструкцией. Устройство магнитного осевого подшипника включает в себя кольцевую систему листов электротехнической стали, у которой отдельные листы (80, 90, 170) стали выдаются радиально наружу, а соседние листы (80, 90, 170) стали в окружном направлении образуют зазор (20).

Изобретение относится к области магнитных опор на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для кинетических накопителей энергии. Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии (КНЭ) установлен в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, и включает в себя статор в виде корпуса, содержащего блок высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к бесконтактным опорным устройствам с электромагнитными подшипниками для энергетических установок. Магнитная опора ротора турбомашины включает в себя корпус (1) с установленными в нем радиальным активным магнитным подшипником (2) и осевым электромагнитом (3), страховочный шариковый подшипник (4), установленный на валу (5) и закрепленный внешним кольцом (6) в корпусе (7).

Изобретение относится к машиностроению и преимущественно, к опорам высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения, например, роторов газовых центрифуг, накопителей энергии, гироскопов и подобных устройств. Магнитная опора вертикального ротора содержит установленные соосно вертикальному ротору аксиально намагниченный кольцевой магнит с полюсным наконечником, расположенные на крышке герметичного корпуса, и расположенную напротив нижнего торца магнита ферромагнитную втулку, установленную на верхней крышке тонкостенного вертикального ротора. У нижнего торца ферромагнитной втулки выполнен радиальный кольцевой выступ, выше которого расположена коническая образующая поверхность в форме обратного усеченного конуса. Техническим результатом является создание эффективной конструкции верхней магнитной опоры, обеспечивающей ее радиальную жесткость и прочность, а также повышение надежности работы центрифуги. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх