Заключенный в кожух магнитный подшипник и ротационная установка, содержащая такой подшипник

Изобретение относится к магнитному подшипнику (1), заключенному в кожух и предназначенному для ротационной установки, содержащей ротор (4). Магнитный подшипник (1) сдержит статорный магнитопровод (5), прикрепленный к неподвижному опорному компоненту (2), причем статорный магнитопровод (5) содержит по меньшей мере одну обмотку (6) и ферромагнитное тело (7), размещенные в металлическом защитном ограждении. Указанное защитное ограждение содержит кольцеобразную опору (8) и кольцеобразный кожух (13), причем кольцеобразная опора (8) и кольцеобразный кожух (13) соединены сваркой. Кольцеобразный кожух (13) содержит магнитный материал и покрыт защитным слоем (17). Технический результат - создание более дешевого магнитного подшипника, имеющего более высокую несущую способность. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Раскрытые варианты выполнения относятся, в целом, к магнитным подшипникам для ротационных установок, содержащих ротор. В частности, данные варианты выполнения относятся к магнитным подшипникам для ротационных установок, в которых ротор и подшипник при использовании находятся в контакте с текучей средой, например с газообразной окружающей средой, являющейся коррозионной, кислотной или переносящей частицы. Некоторые иллюстративные варианты выполнения относятся конкретно к ротационной установке, содержащей такой магнитный подшипник.

Все более и более широко распространенным становится использование магнитных подшипников для ротационных установок, в частности, в случае наличия коррозионной текучей среды. Когда рабочая текучая среда установки, в которой работает подшипник, является либо кислотной, либо коррозионной, либо переносящей частицы, то появляется необходимость в обязательной защите обмоток магнитного подшипника и связанных с ними средств с помощью использования антикоррозионных защитных технологий. Примером такой технологии является заключенный в кожух подшипник, в котором его статорная часть защищена металлическим кожухом, выполненным из материала, который не окисляется или корродирует и, в целом, не страдает от каких-либо явлений, связанных с агрессивностью окружающей среды.

Кожух может быть выполнен в форме пластины, приваренной к кольцеобразной опоре, в которой размещен статорный магнитопровод, содержащий по меньшей мере одну обмотку и ферромагнитное тело. Кольцеобразная опора может быть выполнена из коррозионно-стойкого материала, такого как магнитная нержавеющая сталь. Кожух из ограждающей пластины может быть выполнен из того же материала, что и кольцеобразная опора, или он может быть выполнен из другого металлического материала, такого как, например, сплав на основе никеля.

Для выдерживания условий эксплуатации (давление, быстрые изменения давления, температура, способность не поддаваться коррозии и абразивному изнашиванию), кожух по существу имеет толщину в диапазоне 0,3-1 мм или более, например, в диапазоне 0,3-0,5 мм, то есть аналогично диапазону воздушного зазора магнитного подшипника (который является расстоянием между статорным магнитопроводом и роторной арматурой подшипника). Таким образом, наличие такого кожуха из немагнитного материала равносильно увеличению величины воздушного зазора подшипника, что приводит к значительному ограничению несущей способности указанного подшипника. Помимо этого, такое решение не обеспечивает полностью отсутствия контактов между кожухом и роторной арматурой магнитного подшипника в любых условиях.

Следовательно, желательно уменьшить толщину кожуха и выполнить его из чистого металлического листа. Тем не менее, для данного кожуха требуется использование особых материалов с высокими механическими и антикоррозийными свойствами, чтобы обеспечить защиту статорного магнитопровода от коррозии и сохранение его формы и размеров в процессе работы.

Целью данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков с одновременным сохранением преимуществ принципа работы заключенных в кожух подшипников. В частности, одной целью данного изобретения является создание более дешевого магнитного подшипника, имеющего более высокую несущую способность.

В соответствии с первым аспектом в иллюстративном варианте выполнения магнитный подшипник, заключенный в кожух и предназначенный для ротационной установки, имеющей ротор, содержит статорный магнитопровод, прикрепленный к неподвижному опорному компоненту. Статорный магнитопровод содержит по меньшей мере одну обмотку и ферромагнитное тело, размещенные в металлическом защитном ограждении. Указанное защитное ограждение содержит кольцеобразную опору и кольцеобразный кожух, которые соединены сваркой. Кольцеобразный кожух содержит магнитный материал, например, ферромагнитный материал, и покрыт защитным слоем.

Благодаря защитному слою, материал кожуха может быть выбран из-за магнитных и механических свойств материала, так как свойства защиты от коррозии больше не являются существенными. Материал кожуха и материал кольцеобразной опоры защищены антикоррозийным слоем. В частности, защитный слой не допускает повреждений углеродистой и низколегированной стали от коррозии, обусловленной наличием влажного CO₂, а также не допускает повреждений нержавеющей стали от точечной коррозии, обусловленной наличием хлоридов. Соответственно, что касается кожуха и/или кольцеобразной опоры становится возможным выбор этих материалов (имеющих требуемые магнитные и механические свойства). Помимо этого, если материал кожуха является ферромагнитным материалом, то в этом случае отсутствует необходимость в наличии тонкого кожуха для защиты статорного магнитопровода. То есть кожух может иметь большую толщину по сравнению с немагнитным кожухом, что снижает требования к материалу в отношении механических свойств и деформации кожуха при использовании, что приводит к удлинению срока службы подшипника и уменьшению воздушного зазора.

Следовательно, благодаря использованию защитного слоя и магнитного кожуха, становится возможным уменьшить воздушный зазор с увеличением тем самым возможностей магнитного подшипника по данному изобретению. Помимо этого, защитный слой можно быть легко обновлен во время этапа технического обслуживания и текущего ремонта, что позволяет улучшить и облегчить возможность обслуживания подшипника. Кроме того, благодаря защитному слою, становится возможным использовать для кожуха и/или кольцеобразной опоры материалы, такие как углеродистые и низколегированные стали или нержавеющие стали, которые являются дешевыми и легко свариваемыми.

В некоторых вариантах выполнения защитный слой может содержать слой из никеля.

Указанный слой из никеля может быть выполнен способом нанесения покрытия методом химического восстановления никеля.

Указанный слой из никеля может содержать никель и фосфор.

В некоторых вариантах выполнения кольцеобразный кожух может содержать магнитный материал, выбранный из группы, содержащей ферромагнитный материал, магнитную нержавеющую сталь и сплав на основе никеля.

В некоторых вариантах выполнения кольцеобразная опора и кожух содержат один и тот же материал, выбранный из углеродистой и низколегированной сталей и нержавеющей стали. Выбор одного и того же материала как для кольцеобразной опоры, так и для кожуха позволит облегчить этап сварки, поскольку данные материалы имеют одинаковый химический состав.

В соответствии с вариантом выполнения данный подшипник является упорным магнитным подшипником, заключенным в кожух. Подшипник может содержать роторную арматуру в форме диска, прикрепленную к ротору, а статорный магнитопровод может быть обращен к указанной роторной арматуре.

Ротор и роторная арматура при использовании могут находиться в контакте с текучей средой, например с газообразной окружающей средой, являющейся коррозионной, кислотной или переносящей частицы.

В некоторых вариантах выполнения кольцеобразный кожух находится в контакте с обмоткой и/или ферромагнитным телом.

В некоторых вариантах выполнения защитное ограждение содержит магнитный материал и покрыто защитным слоем.

В соответствии с вариантом выполнения кольцеобразный кожух имеет U-образную секцию с радиальной перемычкой и двумя осевыми выступами. В некоторых вариантах выполнения материал радиальной перемычки и материал осевых выступов являются различными. Материал радиальной перемычки может быть выбран из ферромагнитных материалов. Материал осевых выступов может быть выбран из антикоррозионных материалов, которые могут быть приварены к кольцеобразной опоре.

В соответствии с дополнительным аспектом ротационная установка, например турбоустановка, может содержать ротор и заключенный в кожух подшипник, как изложено выше.

В соответствии с дополнительным аспектом способ изготовления подшипника, как изложено выше, может включать этапы приваривания кольцеобразного кожуха к кольцеобразной опоре и покрытия кольцеобразного кожуха защитным слоем.

В некоторых вариантах выполнения данный способ может включать следующие этапы: покрытие кольцеобразного кожуха защитным слоем; выполнение термообработки покрытого кольцеобразного кожуха и затем приваривание покрытого кольцеобразного кожуха к кольцеобразной опоре.

Другие используемые характеристики будут очевидны при прочтении нижеследующего описания конкретных вариантов выполнения данного изобретения, приведенных в качестве иллюстраций, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых

фиг. 1 изображает осевой разрез по линии I-I на фиг. 2 магнитного подшипника в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

фиг. 2 изображает поперечный разрез по линии II-II на фиг. 1;

фиг. 3 изображает осевой разрез магнитного подшипника в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.

Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми ссылочными позициями на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Дополнительно, данные чертежи не обязательно выполнены в масштабе.

Фиг. 1 и 2 показывают первый вариант выполнения предложенного упорного магнитного подшипника 1, заключенного в кожух и предназначенного для ротационной установки. Магнитный подшипник 1 содержит статорную арматуру 2 и роторную арматуру 3, выполненную в форме диска, прикрепленную к вращающемуся валу 4 ротационной установки.

Статорная арматура 2 содержит статорный магнитопровод 5, содержащий, общепринятым способом, одну или более кольцеобразных обмоток 6 и ферромагнитное тело 7. Ферромагнитное тело 7 может быть цельным или частично ламинированным. Статорный магнитопровод 5 размещен в металлической кольцеобразной опоре 8, прикрепленной к неподвижному опорному компоненту 9.

Статорный магнитопровод 5 расположен так, что он обращен к роторной арматуре 3. Статорная арматура 2 ограничивает воздушный зазор Δ относительно роторной арматуры 3. В некоторых вариантах выполнения величина воздушного зазора Δ может лежать в диапазоне 0,4-1,5 мм, предпочтительно в диапазоне 0,4-1,2 мм.

Кольцеобразная опора 8 магнитопровода 5 имеет U-образное сечение с радиальной перемычкой 10 и внутренним и наружным осевыми выступами 11 и 12. Длина выступов 11 и 12 в направлении оси вращающегося вала 4 равна по меньшей мере высоте ферромагнитного тела 7 магнитопровода 5.

Магнитный подшипник 1 также содержит кольцеобразный кожух 13, который приварен к кольцеобразной опоре 8. Материал кожуха 13 выбран из магнитных материалов, предпочтительно из ферромагнитных материалов, таких как углеродистые и низколегированные стали. В частности, поскольку кожух покрыт защитным слоем, обеспечивающим защиту от коррозии, то больше нет необходимости в использовании материалов с высокими антикоррозийными свойствами. Материал кожуха 13 выбран в соответствии с магнитными и механическими свойствами материала. В этом случае кожух 13 не увеличивает воздушный зазор между магнитопроводом 5 и роторной арматурой 3.

Магнитный подшипник 1 также содержит защитный слой 17. Назначение защитного слоя 17 заключается в защите магнитопровода 5 и кожуха от коррозии. Защитный слой 17 имеется на поверхности кожуха 13. Защитный слой 17 также может покрывать наружную поверхность выступов 11, 12 кольцеобразной опоры 8.

В некоторых вариантах выполнения диапазон толщины защитного слоя 17 может составлять 1 нм - 1 мм, предпочтительно 100 нм - 10 мкм.

В некоторых вариантах выполнения защитный слой 17 может быть слоем из никеля. Слой из никеля может быть выполнен способом нанесения покрытия методом химического восстановления никеля. Слой из никеля может содержать никель и фосфор.

Благодаря использованию кольцеобразного кожуха 13 и защитного слоя 17, становится возможным обеспечить защиту магнитопровода 5 от коррозии при одновременном сохранении уменьшенного воздушного зазора Δ между магнитопроводом 5 и роторной арматурой 3 по сравнению с известным магнитным подшипником. В частности, когда кольцеобразный кожух 13 содержит ферромагнитный материал, то воздушный зазор Δ определяется суммой величины расстояния между защитным слоем 17 и роторной арматурой 3 и величины толщины защитного слоя 17.

В иллюстративном варианте выполнения, показанном на фиг. 3, упорный магнитный подшипник 1, заключенный в кожух и предназначенный для ротационной установки, содержит кольцеобразный кожух 13, имеющий U-образное сечение с радиальной перемычкой 14 и внутренним и наружным осевыми выступами 15 и 16. Осевые выступы 15, 16 кожуха 13 приварены к выступам 11, 12 опоры 8.

В частности, кожух 13 может содержать два материала - один материал для радиальной перемычки 14 и другой материал для осевых выступов 15, 16. Материал осевых выступов 15, 16 выбран из материалов, которые могут быть легко сварены и которые являются устойчивыми к коррозии, например сплав на основе никеля, такой как Inconel® 625. Материал перемычки 14 выбран из магнитных материалов, предпочтительно из ферромагнитных материалов.

В этом иллюстративном варианте выполнения материал осевых выступов кожуха 13 не должен быть защищен от коррозии. В этом случае, защитный слой 17 может быть нанесен на поверхность кольцеобразного кожуха 13 перед этапом приваривания кожуха 13 к кольцеобразной опоре 8. В действительности во время этапа сварки защитный слой 17 может быть удален со свариваемых участков кольцеобразного кожуха, т.е. с осевых выступов 15, 16, но не с радиальной перемычки 14. Затем становится возможным выполнить термообработку (например, при температуре в 600°C) защитного слоя 17, после его осаждения на кольцеобразном кожухе 13 и перед этапом приваривания кожуха 13 к кольцеобразной опоре 8. Термообработка перед этапом сварки позволяет получить лучшее покрытие защитного слоя 17 на кожухе 13 и в то же время не повредить обмотки 6 статорного магнитопровода 5. Помимо этого, использование особых материалов для выступов 15, 16 кольцеобразного кожуха 13 позволяет избежать коррозии указанных выступов после удаления защитного слоя со свариваемых участков во время этапа сварки.

Приведенное выше описание выполнено со ссылкой на магнитный подшипник упорного типа. Однако оно подобным образом может быть применено к магнитному подшипнику радиального типа или к магнитному подшипнику конического типа, сочетающего функции радиального и упорного подшипников.

1. Магнитный подшипник, заключенный в кожух и предназначенный для ротационной установки, содержащей ротор, причем подшипник содержит статорный магнитопровод, прикрепленный к неподвижному опорному компоненту, при этом статорный магнитопровод содержит по меньшей мере одну обмотку и ферромагнитное тело, размещенные в металлическом защитном ограждении, которое содержит кольцеобразную опору и кольцеобразный кожух, при этом кольцеобразная опора и кольцеобразный кожух соединены сваркой, причем кольцеобразный кожух содержит магнитный материал и покрыт защитным слоем.

2. Подшипник по п. 1, в котором защитный слой содержит слой из никеля.

3. Подшипник по п. 2, в котором указанный слой из никеля сформирован нанесением покрытия методом химического восстановления никеля.

4. Подшипник по п. 2, в котором указанный слой из никеля содержит никель и фосфор.

5. Подшипник по п. 1, в котором кольцеобразный кожух содержит магнитный материал, выбранный из группы, содержащей ферромагнитный материал, магнитную нержавеющую сталь и сплав на основе никеля.

6. Подшипник по п. 1, который является упорным магнитным подшипником, заключенным в кожух.

7. Подшипник по п. 1, содержащий роторную арматуру в форме диска, прикрепленную к ротору, при этом статорный магнитопровод обращен к указанной роторной арматуре.

8. Подшипник по п. 7, в котором ротор и роторная арматура при использовании находятся в контакте с текучей средой, например с газообразной окружающей средой, являющейся коррозионной, кислотной или переносящей частицы.

9. Подшипник по п. 1, в котором кольцеобразный кожух находится в контакте с указанной обмоткой и/или с ферромагнитным телом.

10. Подшипник по п. 1, в котором защитное ограждение дополнительно содержит магнитный материал и покрыто указанным защитным слоем.

11. Подшипник по п. 2, в котором указанный слой из никеля содержит никель и фосфор.

12. Подшипник по п. 11, в котором кольцеобразный кожух содержит магнитный материал, выбранный из группы, содержащей ферромагнитный материал, магнитную нержавеющую сталь и сплав на основе никеля.

13. Подшипник по п. 12, который является упорным магнитным подшипником, заключенным в кожух.

14. Подшипник по п. 13, содержащий роторную арматуру в форме диска, прикрепленную к ротору, при этом статорный магнитопровод обращен к указанной роторной арматуре.

15. Подшипник по п. 14, в котором ротор и роторная арматура при использовании находятся в контакте с текучей средой, например с газообразной окружающей средой, являющейся коррозионной, кислотной или переносящей частицы.

16. Подшипник по п. 15, в котором кольцеобразный кожух находится в контакте с указанной обмоткой и/или с ферромагнитным телом.

17. Подшипник по п. 16, в котором защитное ограждение дополнительно содержит магнитный материал и покрыто указанным защитным слоем.

18. Ротационная установка, содержащая

ротор и

подшипник, содержащий статорный магнитопровод, прикрепленный к неподвижному опорному компоненту, при этом статорный магнитопровод содержит по меньшей мере одну обмотку и ферромагнитное тело, размещенные в металлическом защитном ограждении, которое содержит кольцеобразную опору и кольцеобразный кожух, при этом кольцеобразная опора и кольцеобразный кожух соединены сваркой, причем кольцеобразный кожух содержит магнитный материал и покрыт защитным слоем.

19. Способ изготовления подшипника, содержащего статорный магнитопровод, прикрепленный к неподвижному опорному компоненту, при этом статорный магнитопровод содержит по меньшей мере одну обмотку и ферромагнитное тело, размещенные в металлическом защитном ограждении, которое содержит кольцеобразную опору и кольцеобразный кожух, при этом способ включает приваривание кольцеобразного кожуха к кольцеобразной опоре и покрытие кольцеобразного кожуха защитным слоем.

20. Способ по п. 19, в котором кольцеобразный кожух имеет U-образное сечение с радиальной перемычкой и двумя осевыми выступами, при этом указанные два выступа содержат сплав на основе никеля, причем в способе покрывают кольцеобразный кожух указанным защитным слоем, выполняют термообработку покрытого защитным слоем кольцеобразного кожуха и затем приваривают покрытый защитным слоем кольцеобразный кожух к кольцеобразной опоре.