Вращающаяся машина (варианты)
Группа изобретений относится к вращающимся машинам. Вращающаяся машина содержит вал (14), корпус, по меньшей мере один основной магнитный подшипник, присоединенный к валу (14) для поддержки с возможностью вращения вала внутри корпуса, по меньшей мере один первый и один второй вспомогательные подшипники (20, 22), расположенные между валом и корпусом для поддержки осевых и радиальных нагрузок, и первое и второе осевые упорные средства (44, 54), расположенные на валу ля передачи осевых нагрузок к внутренним кольцам подшипников качения. Машина также содержит разделительную деталь (28), расположенную в осевом направлении между обращенными друг к другу поверхностями внутренних колец (20а, 22а) указанных подшипников качения для передачи осевых нагрузок между указанными внутренними кольцами, и по меньшей мере первое осевое удерживающее средство (58), расположенное в корпусе и находящееся в осевом направлении между обращенными друг к другу поверхностями внешних колец (20b, 22b) для передачи осевых нагрузок по меньшей мере между одним из указанных внешних колец и корпусом. Группа изобретений направлена на увеличение срока службы подшипников. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил.
Описанные варианты относятся, в целом, к вращающимся машинам с по меньшей мере одним основным активным магнитным подшипником и вспомогательными подшипниками качения. В частности, варианты относятся к вращающимся турбомашинам, таким как компрессоры, детандеры, турбины, насосы и т.д. Турбомашины используются в двигателях, турбинах, при выработке электроэнергии, в криогенных установках, при добыче нефти и газа, в нефтехимической промышленности и т.д.
Турбомашина, часто используемая в промышленности, включает центробежный компрессор, который повышает давление сжимаемого газа посредством использования механической энергии вращающегося центробежного рабочего колеса с лопатками, через которые проходит газ. Рабочие колеса крепятся к валу компрессора. Вращающийся вал и присоединенные рабочие колеса образуют роторный узел, который поддерживается в статоре компрессора активными радиальными и осевыми магнитными подшипниками.
Активные магнитные подшипники приподнимают и поддерживают роторный узел в положении внутри статора посредством приложения электромагнитных сил к указанному узлу в осевом и радиальном направлениях. Для этой цели активные магнитные подшипники содержат электромагниты, питаемые электрической энергией. С такими магнитными подшипниками узел ротора удерживается без механического контакта. Такое удерживание требует подачи к электромагнитам достаточной электрической мощности.
Поломка или недостаточно корректная работа активных магнитных подшипников может иногда происходить при прерывании подачи электрической энергии. Поломка или недостаточно корректная работа активных магнитных подшипников может также произойти в случае чрезмерных нагрузок, прикладываемых к роторному узлу.
В таких случаях активные магнитные подшипники больше не могут центрировать роторный узел внутри статора. Соответственно, наступает фаза "опускания", во время которой роторный узел стремится войти в контакт со статором и удерживается механическим контактом.
Для преодоления указанного недостатка, центробежный компрессор также содержит два однорядных радиально-упорных шариковых подшипника, установенных обращенными друг к другу поверхностями друг к другу на компрессорном валу, рядом в осевом направлении с основными магнитными подшипниками. Каждый вспомогательный подшипник качения устанавливают для поддержки как радиальных, так и осевых нагрузок при наступлении фазы "опускания".
Однако с такими подшипниками качения число фаз опускания, которое может быть выдержано без каких-либо недопустимых изменений в размерах зазоров указанных подшипников, ограничено. Это ведет к снижению надежности вращающейся машины и к увеличению работ по техническому обслуживанию. Кроме того, для вращающейся машины с ограниченной доступностью, стоимость таких работ по техническому обслуживанию может быть чрезмерно высокой.
Ближайший аналог заявленной вращающейся машины описан в патенте США 4629261 А. В нем описано центрирующее устройство, содержащее пару шариковых подшипников, а также нижний и верхний радиальные разделительные элементы, расположенные между подшипниками. При этом указанный верхний разделительный элемент выполнен с возможностью свободного перемещения в осевом направлении и, следовательно, не может выступать в качестве осевого удерживающего средства для вспомогательных подшипников.
Таким образом, в указанном документе не описана возможность размещения какого-либо осевого удерживающего средства между вспомогательными подшипниками.
Одна из целей настоящего изобретения заключается в преодолении этих недостатков.
Кроме того, целью настоящего изобретения является создание вращающейся машины, имеющей вспомогательные подшипники качения с увеличенным сроком службы, для обеспечения возможности достижения большего числа фаз опускания.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в создании вращающейся машины с низкой стоимостью обслуживания, обусловленного такими фазами опускания.
В примере варианта выполнения вращающаяся машина содержит вал, корпус, по меньшей мере один основной магнитный подшипник, присоединенный к валу для поддержки с возможностью вращения вала внутри корпуса, и по меньшей мере один первый и один второй вспомогательные подшипники качения, расположенные между валом и корпусом для поддержки осевых и радиальных нагрузок, причем каждый из вспомогательных подшипников качения содержит внутреннее кольцо, внешнее кольцо и по меньшей мере один ряд элементов качения, расположенных между кольцами. Вращающаяся машина также содержит первое и второе осевые упорные средства, расположенные на валу, для передачи осевых нагрузок внутренним кольцам первого и второго подшипников качения, разделительную деталь, расположенную вдоль оси между обращенными друг к другу поверхностями внутренних колец указанных подшипников качения и установленную в осевом контакте с указанными поверхностями для передачи осевых нагрузок между указанными внутренними кольцами, и по меньшей мере первым осевым удерживающим средством, размещенным на корпусе и расположенным вдоль оси между обращенными друг к другу поверхностями внешних колец первого и второго подшипников качения, для передачи осевых нагрузок между по меньшей мере одним из указанных внешних колец и корпусом.
Благодаря размещению разделительной детали и первого осевого удерживающего средства между первым и вторым подшипниками качения, осевые нагрузки, приложенные упорными средствами, разделяются каждой парой подшипников качения. Соответственно, срок службы каждого подшипника качения существенно возрастает. Число фаз опускания, которое могут выдержать вспомогательные подшипники качения, также возрастает.
Каждое упорное средство может быть в осевом направлении обращено к одному из внутренних колец на стороне, противоположной разделительной детали.
В некоторых вариантах вал содержит по меньшей мере одну втулку, вставленную в радиальном направлении между внешней поверхностью указанного вала и внутренними кольцами первого и второго подшипников качения. Преимущественно, втулка может содержать одно из первого и второго осевых упорных средств.
В одном варианте корпус содержит промежуточный корпус, расположенный в радиальном направлении между каналом указанного корпуса и внешним кольцом одного из первого и второго подшипников качения. Промежуточный корпус может содержать первое осевое удерживающее средство.
Преимущественно, вращающаяся машина может также содержать второе и третье осевые удерживающие средства, расположенные на корпусе для поддерживания в осевом направлении внешних колец первого и второго подшипников качения, причем каждое из второго и третьего осевых удерживающих средств расположено в осевом направлении на стороне, противоположной первому осевому удерживающему средству, по отношению к присоединенным подшипникам качения.
В одном варианте выполнения вращающаяся машина содержит по меньшей мере один демпфирующий элемент, создающий предварительное напряжение и прикладывающий осевое усилие к каждому из первого и второго подшипников качения.
Срок службы каждого подшипника также увеличивается при использовании по меньшей мере одного осевого демпфирующего элемента, создающего предварительное напряжение, который может уменьшить динамические осевые эффекты опускания нагрузки.
В некоторых вариантах выполнения вращающаяся машина может содержать один демпфирующий элемент, создающий предварительное напряжение и расположенный в осевом направлении между вторым осевым удерживающим средством корпуса и внешним кольцом присоединенного подшипника качения. Один демпфирующий элемент, создающий предварительное напряжение, может быть расположен в осевом направлении между третьим осевым удерживающим средством корпуса и внешним кольцом присоединенного подшипника качения. Вращающаяся машина может содержать один демпфирующий элемент, создающий предварительное напряжение и расположенный в осевом направлении между первым осевым удерживающим средством корпуса и внешним кольцом каждого присоединенного подшипника качения. Демпфирующие элементы, создающие предварительное напряжение, могут содержать упругую пластинчатую пружину или коническую шайбу.
В некоторых вариантах вращающаяся машина содержит два первых подшипника качения, находящиеся в осевом направлении в контакте друг с другом, и два вторых подшипника качения, находящиеся в осевом направлении в контакте друг с другом. Преимущественно, первый и второй подшипники качения могут быть идентичны друг другу. В одном варианте первый и второй подшипники качения расположены в осевом направлении рядом с основным магнитным подшипником. Первый и второй подшипники качения могут быть радиально-упорными шариковыми подшипниками.
Другие используемые признаки будут видны при чтении следующего подробного описания конкретного варианта изобретения, приведенного в качестве не ограничивающего примера и проиллюстрированного сопровождающими чертежами, где:
на фиг. 1 показан частичный осевой разрез вращающейся машины согласно примеру варианта выполнения;
на фиг. 2 показана часть разреза, изображенного на фиг. 1, в большем масштабе.
Следующее подробное описание примера варианта выполнения ссылается на сопровождающие чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах соответствуют одинаковым элементам.
На фиг. 1 частично показан пример варианта выполнения вращающейся машины 10 согласно изобретению. Вращающаяся машина 10 содержит корпус 12, вращающийся вал 14, проходящий вдоль оси 14а и выполненный с возможностью поддерживания роторной части (не показана). Например, если вращающаяся машина является центробежным компрессором, роторная часть содержит лопастные колеса. Вращающийся вал и присоединенная роторная часть образуют роторный узел.
Вращающаяся машина 10 также содержит по меньшей мере один основной активный магнитный подшипник, присоединенный к валу 14 и поддерживающий указанный вал внутри корпуса 12, и вспомогательные подшипники 18-24 качения, связанные с магнитным подшипником 16 и в радиальном направлении установленные между валом 14 и корпусом 12 для поддержки и передачи радиальных и осевых нагрузок между ними, когда указанный магнитный подшипник 16 не работает нормально. Вращающаяся машина 10 также содержит кольцевую втулку 26, в радиальном направлении расположенную между вспомогательными подшипниками 18-24 и валом 14, и кольцевую разделительную деталь 28, в осевом направлении расположенную между подшипниками 18, 20 качения и другими подшипниками 22, 24 качения. Вспомогательные подшипники 18-24 расположены в осевом направлении рядом с магнитным подшипником 16 на одной стороне указанного подшипника. Вспомогательные подшипники 18-24 прикреплены к корпусу 12 и в радиальном направлении окружают втулку 26 вала. Подшипники 18, 20 расположены на расстоянии в осевом направлении от подшипников 22, 24.
Основной магнитный подшипник 16 может быть расположен на одном конце корпуса 12. Магнитный подшипник 16 относится к осевому типу. Основной магнитный подшипник радиального типа (не показан) может также быть присоединен к осевому магнитному подшипнику 16 для поддержки вращающегося вала 14. Активный магнитный подшипник 16 содержит статорную арматуру 30, прикрепленную к корпусу 12, и роторную арматуру 32 в виде диска, прикрепленного к вращающемуся валу 14. Статорная арматура 30 содержит статорную магнитную цепь 34, включающую, как обычно, кольцевые катушки 36 и ферромагнитное тело 38, которое может быть сплошным, или локально ламинированным. Статорная арматура 30 также содержит защитную кольцевую опору 40, в которой расположена магнитная цепь 34. Опора 40 прикреплена к неподвижному опорному элементу 41, который сам прикреплен к корпусу 12. Статорная магнитная цепь 34 обращена в осевом направлении к роторной арматуре 32, без механического контакта.
При нормальной работе, то есть с магнитным подшипником (подшипниками), работающим (работающими) нормально и без чрезмерных нагрузок на вал 14, указанный подшипник (подшипники) удерживает (удерживают) роторный узел центрированным в корпусе 12. Когда магнитный подшипник (подшипники) не работает (не работают) нормально, подшипники 18-24 ограничивают радиальное и осевое перемещения вала 14 внутри корпуса 12 и поддерживают и передают осевую и радиальную нагрузки между ними. Как будет объяснено далее, размещение подшипников 18-24 выполнено с обеспечением возможности увеличения их срока службы.
В описанном варианте выполнения подшипники 18-24 являются радиально-упорными подшипниками качения. Подшипники 18-24 расположены парами и обращенными своими поверхностями друг к другу, для обеспечения возможности восприятия каждой парой подшипников качения осевых нагрузок, действующих в обоих направлениях. В каждой паре два подшипника качения находятся в контакте в осевом направлении. Так как подшипники 18-24 являются идентичными, только один из них будет описан здесь, при этом следует понимать, что идентичные элементы других подшипников качения имеют одинаковые ссылки.
Как показано более отчетливо на фиг. 2, подшипник 18 содержит внутреннее кольцо 18а, внешнее кольцо 18b и множество элементов 18 с качения, которыми в данном случае являются шарики, расположенные в радиальном направлении между указанными кольцами. Ось подшипника 18 соосна с осью вала. Внутреннее кольцо 18а имеет цилиндрический канал, расположенный вокруг внешней цилиндрической поверхности втулки 26, внешнюю цилиндрическую поверхность, две противоположные радиальные поверхности, ограничивающие в осевом направлении указанный канал и внешнюю поверхность, и тороидальную круговую дорожку качения, сформированную на внешней поверхности для элементов 18 с качения, причем указанная дорожка направлена радиально наружу. Внешнее кольцо 18b содержит внешнюю цилиндрическую поверхность, устанавливаемую в осевой канал 42 корпуса, первый цилиндрический канал малого диаметра, второй цилиндрический канал большего диаметра и круговую дорожку качения для элементов 18с, соединенных с указанными каналами для обеспечения возможности восприятия подшипником 18 осевых нагрузок только в одном направлении. Внешнее кольцо 18b также содержит две противолежащие радиальные поверхности, ограничивающие в осевом направлении внешнюю поверхность и каналы.
Как упомянуто выше, два подшипника 18, 20 установлены в осевом направлении в контакте друг с другом. Радиальные поверхности внутреннего и внешнего колец 18а, 18b подшипника 18, которые ориентированы в осевом направлении к другому подшипнику 20 качения, упираются в осевом направлении в соответствующие радиальные поверхности внутреннего и внешнего колец 20а, 20b указанного подшипника. Противоположная радиальная поверхность внутреннего кольца 18а обращена в осевом направлении к радиальному кольцевому ребру 44, образованному на осевом конце втулки 26, причем указанное ребро находится в контакте в осевом направлении с радиальным выступом 46, образованным на валу. Ребро 44 образует упорное средство для внутреннего кольца 18а. Между ребром 44 и внутренним кольцом 18а выполнен осевой зазор 45. Радиальная поверхность внутреннего кольца 20а, которая расположена в осевом направлении на стороне, противоположной подшипнику 18, то есть ориентированная в осевом направлении наружу, упирается в осевом направлении в разделительную деталь 28.
В осевом направлении, на стороне, противоположной подшипнику 20, радиальная поверхность внешнего кольца 18b обращена в осевом направлении к радиальному выступу 48, образованному в канале 42 корпуса, и проходит радиально внутрь. Канал 42 имеет ступенчатую форму и содержит осевую поверхность 42а малого диаметра, осевую поверхность 42b большого диаметра и радиальную поверхность 42с, выполненную между указанными осевыми поверхностями. Внешние кольца 18b, 20b подшипников качения устанавливают у осевой поверхности 42а канала, имеющего малый диаметр. Выступ 48 сформирован на конце в осевом направлении указанной осевой поверхности 42а. Подшипник 20 слегка выступает вдоль оси, по отношению к радиальной поверхности 42с канала.
Вращающаяся машина 10 также содержит промежуточный корпус 50, установленный радиально в контакте с осевой поверхностью 42b канала, имеющей большой диаметр. Корпус 50 крепят к корпусу 12, например, болтами. Корпус содержит осевой канал 52, в который устанавливают внешние кольца подшипников 22, 24. Подшипник 24 слегка выступает в осевом направлении наружу относительно канала 52.
Как указанно выше, два подшипника 22, 24 устанавливают в осевом направлении в контакте друг с другом. Подшипники 22, 24 расположены обращенными поверхностями друг к другу для восприятия осевых нагрузок, действующих в обоих направлениях. Радиальные поверхности внутреннего и внешнего колец 22а, 22b подшипника 22, которые ориентированы в осевом направлении к другому подшипнику 24, в осевом направлении упираются в соответствующие радиальные поверхности внутреннего и внешнего колец 24а, 24b указанного подшипника. Противоположная радиальная поверхность внутреннего кольца 22а упирается в осевом направлении в разделительную деталь 28. Разделительная деталь 28 находится в осевом контакте с подшипником 22 с одной стороны и в осевом контакте с подшипником 20 с другой стороны. В описанном варианте выполнения радиальный размер разделительной детали 28 равен размеру внутренних колец 20а, 22а.
Вращающаяся машина 10 также содержит упорное кольцо 54, закрепленное на валу 14. Упорное кольцо 54 в осевом направлении обращено к радиальной поверхности внутреннего кольца 24а, которое расположено в осевом направлении на стороне, противоположной подшипнику 22, то есть ориентировано в осевом направлении наружу. Упорное кольцо 54 в осевом направлении упирается во втулку 26. Между упорным кольцом 54 и внутренним кольцом 24а выполнен осевой зазор 55. Вращающаяся машина 10 также содержит удерживающее кольцо 56, закрепленное на корпусе 12, например, болтами, которое в радиальном направлении окружает упорное кольцо 54. Удерживающее кольцо 56 в осевом направлении обращено к радиальной поверхности внешнего кольца 24b, ориентированного в осевом направлении наружу. Радиальная поверхность внешнего кольца 22b, ориентированного в осевом направлении внутрь, обращена к радиальному выступу 58, образованному в канале 52 корпуса и проходящему радиально внутрь. Внешние кольца подшипников 22, 24 в осевом направлении удерживаются в положении в канале 52 стопорными или удерживающими средствами, расположенными на корпусе 12, то есть выступом 58 и удерживающим кольцом 56. Внешние кольца подшипников 18, 20 по оси поддерживаются в положении внутрь канала 42 корпуса выступами 48, 58.
Подшипники 18-24 в радиальном направлении расположены вокруг втулки 26, установленной на внешней поверхности вала 14. Между каналом, образованным внутренними кольцами подшипников качения и разделительной деталью 28, и внешней поверхностью втулки 26 выполнен радиальный зазор 59. Втулка 26 в осевом направлении упирается одним концом в радиальный выступ 46, образованный на валу, а противоположным осевым концом в упорное кольцо 54.
Вращающаяся машина 10 также содержит упругие пружины 60, 62, 64 и 66, предназначенные для предварительной осевой нагрузки подшипников 18, 20 и 22, 24. Упругая пружина 60 закреплена на радиальной поверхности 42 с корпуса 12 и действует на радиальную поверхность внешнего кольца 20b подшипника качения, который ориентирован в осевом направлении наружу, то есть расположен в осевом направлении на стороне, противоположной другому подшипнику 18. Упругая пружина 60 находится в осевом контакте с подшипником 20 на одной стороне, при этом между другой стороной и выступом 58 промежуточного корпуса 50 выполнен осевой зазор. Упругая пружина 60 создает постоянное осевое усилие на подшипнике 20. Упругая пружина 60 также стремится, через подшипник 20, толкать в осевом направлении и предварительно нагружать другой подшипник качения в направлении выступа 48. Нагрузка, прикладываемая упругой пружиной 60, следовательно, создает предварительные осевые напряжения в обоих подшипниках 18, 20 в сторону выступа 48. В описанном варианте выполнения осевая упругая пружина 60 содержит две наложенных одна на другую металлических упругих пластинчатых пружины.
Упругая пружина 62 расположена в осевом направлении между выступом 48 корпуса и радиальной поверхностью внешнего кольца 18b подшипника качения. Пружина 62 находится в осевом контакте с подшипником 18 с одной стороны и в осевом контакте с выступом 48 с другой стороны. Пружина 62 создает постоянное осевое усилие на подшипнике 18 вдоль направления, противоположного осевой силе, создаваемой упругой пружиной 60. Упругие пружины 60, 62 обе предварительно нагружают в осевом направлении два подшипника 18, 20. Здесь радиальный размер упругой пружины 62 по существу равен радиальному размеру внешнего кольца 18b и выступа 48. В описанном варианте выполнения осевая упругая пружина является металлической упругой шайбой, например, типа тарельчатой пружины.
Упругая пружина 64 закреплена на промежуточном корпусе 50 и действует на радиальную поверхность внешнего кольца 24b подшипника качения, который ориентирован в осевом направлении наружу, то есть расположен в осевом направлении на стороне, противоположной другому подшипнику 22. Упругая пружина 64 находится в осевом контакте с подшипником 24 с одной стороны, при этом между другой стороной и удерживающим кольцом 56 выполнен осевой зазор. Упругая пружина 64 создает постоянную осевую силу, действующую на подшипник 24. Упругая пружина 64 также стремится, через подшипник 24, толкать в осевом направлении и предварительно нагружать другой подшипник 22 в направлении выступа 58 промежуточного корпуса. Нагрузка, прикладываемая упругой пружиной 64, следовательно, создает предварительные осевые напряжения в обоих подшипниках 22, 24 в направлении выступа 58. В описанном варианте выполнения упругая осевая пружина 64 содержит две наложенные одна на другую металлические упругие пластинчатые пружины.
Упругая пружина 66 в осевом направлении расположена между выступом 58 промежуточного корпуса и радиальной поверхностью внешнего кольца 22b подшипника качения. Упругая пружина 66 находится в осевом контакте с подшипником 22 с одной стороны и в осевом контакте с выступом 58 с другой стороны. Упругая пружина 66 создает постоянное осевое усилие на подшипнике 22 вдоль направления, противоположного осевому усилию, создаваемому упругой пружиной 64. Упругие пружины 64, 66 обе в осевом направлении предварительно нагружают два подшипника 22, 24. Здесь радиальный размер упругой пружины 66 по существу равен радиальному размеру внешнего кольца 22b и выступа 58. В описанном варианте выполнения осевая упругая пружина 66 является металлической упругой шайбой, например, типа тарельчатой пружины.
Вращающаяся машина также содержит кольцевую демпфирующую втулку 70, установленную в радиальном контакте с осевой поверхностью 42а канала корпуса и окружающую в радиальном направлении внешние кольца 18b, 20b подшипников качения. Демпфирующая втулка 70 может быть выполнена из рифленого слоистого материала. Между втулкой 70 и внешней поверхностью внешних колец 18b, 20b выполнен радиальный зазор 72. Подобное устройство также обеспечено между подшипниками 22, 24 и корпусом 50. В действительности, вращающаяся машина также содержит кольцевую демпфирующую втулку 74, установленную в радиальном контакте с каналом 52 корпуса и окружающую в радиальном направлении внешние кольца 22b, 24b подшипников качения. Между демпфирующей втулкой 74 и внешней поверхностью внешних колец 22b, 24b выполнен радиальный зазор 76. Втулка 74 может быть выполнена из рифленого слоистого материала.
При нормальной работе активный магнитный подшипник (подшипники) удерживает (удерживают) вал 14, центрированный в корпусе 12, и контакт между внутренними кольцами подшипников 18-24, втулкой 26 и упорным кольцом 54 отсутствует. Упругие пружины 60-64, которые предварительно нагружают в осевом направлении подшипники 18-24, предотвращают неожиданное вращение указанных подшипников.
В случае фазы опускания, вал 14 может перемещаться как в осевом направлении, так и в радиальном внутри корпуса 12. Вал 14 может перемещаться в радиальном направлении за счет радиального зазора 59, образованного между втулкой 26 и внутренними кольцами подшипников 18-24, пока втулка не войдет в контакт в радиальном направлении с указанными кольцами. Это приведет к вращению внутренних колец 18а, 20а указанных подшипников. Радиальные динамические нагрузки опускания поддерживаются подшипниками 18-24. Вал 14 может перемещаться в осевом направлении за счет осевых зазоров 45, 55, образованных между втулкой 26, упорным кольцом 54 и внутренними кольцами подшипников 18, 24.
В случае осевого смещения вала 14 во время фазы опускания, такого что роторная арматура 32 магнитного подшипника перемещается в осевом направлении к подшипникам 18-24, ребро 44 втулки упирается в осевом направлении во внутреннее кольцо 18а подшипника качения. Осевые динамические нагрузки опускания, прикладываемые ребром 44 к внутреннему кольцу 18а, передаются к внутреннему кольцу 20а соответствующего подшипника качения. Часть приложенных осевых нагрузок передается от внутреннего кольца 20а к внешнему кольцу 20b подшипника качения через элементы 20 с качения, и затем к пружине 60 и к корпусу 12. Другая часть приложенных осевых нагрузок передается от внутреннего кольца 20а к осевой разделительной детали 28 и затем к внутренним кольцам 22а, 24а двух других подшипников качения, находящихся в осевом контакте. От внутреннего кольца 24а часть приложенной осевой нагрузки передается к внешнему кольцу 24b подшипника качения через элементы 24 с качения и затем к пружине 64, к промежуточному корпусу 50 и к корпусу 12. В случае высоких осевых нагрузок радиальный выступ 58 образует упорное средство для ограничения осевой деформации внешнего кольца 24b подшипника качения.
Во время фазы нагрузки, в случае осевого смещения вала 14 в противоположном направлении, упорное кольцо 54 упирается в осевом направлении во внутреннее кольцо 24а подшипника качения. Осевые динамические нагрузки опускания, прикладываемые кольцом 54 к внутреннему кольцу 24а, передаются к внутреннему кольцу 22а соответствующего подшипника качения. Часть приложенных осевых нагрузок передается от внутреннего кольца 22а к внешнему кольцу 22b подшипника качения через элементы 24 с качения, и затем к радиальному выступу 58 промежуточного корпуса 50 и к корпусу 12. Другая часть приложенных осевых нагрузок передается от внутреннего кольца 22а к разделительной детали 28 и затем к внутренним кольцам 20а, 18а двух других подшипников 18, 20 в осевом контакте. От внутреннего кольца 18а часть приложенных осевых нагрузок передается к внешнему кольцу 24b подшипника качения и затем к корпусу 12.
В случае фазы опускания, вследствие размещения разделительной детали 28 и ребра 58 между одной парой подшипников 18, 20 и другой парой подшипников 22, 24, осевые нагрузки, приложенные либо ребром 44, либо упорным кольцом 54, разделяются каждой парой подшипников качения. Соответственно, срок службы каждого подшипника качения сильно возрастает. Количество фаз опускания, которые могут выдерживаться вспомогательными подшипниками 18-24, также возрастает.
Существует два пути для осевых нагрузок опускания: часть указанных нагрузок переносится только одной парой подшипников качения и затем передается корпусу 12, а другая часть переносится двумя парам подшипников качения и затем передается корпусу. Так как обе пары подшипников идентичны друг другу, уровни жесткости указанных пар одинаковы и осевые нагрузки поровну распределяются между ними. Соответственно, срок службы каждого подшипника качения также увеличивается. Иначе, упругие пружины 60-66 могут демпфировать осевые нагрузки опускания. Указанные упругие пружины выполняют двойную функцию, а именно, создают предварительную осевую нагрузку подшипников 18-24 и, кроме того, демпфируют осевые нагрузки опускания. Когда наступает фаза опускания, вал 14 переходит из состояния удерживания без контакта в состояние удерживания посредством механических контактов с подшипниками 18-24.
В описанном варианте подшипники 18-24 являются радиально-упорными шариковыми подшипниками. В альтернативном варианте подшипники качения могут быть шариковыми подшипниками с глубокой канавкой, шариковыми подшипниками с четырехточечным контактом, подшипниками с коническими роликами, подшипниками со сферическими роликами и т.д.
Приведенное выше описание сделано со ссылкой на вращающуюся машину, содержащую четыре подшипника качения, каждый из которых имеет один ряд элементов качения. Однако оно также может быть применимо к вращающейся машине, содержащей два подшипника качения, отделенных один от другого осевой разделительной деталью, каждый их которых имеет один ряд элементов качения или, по меньшей мере, два ряда элементов качения.
1. Вращающаяся машина, содержащая
вал,
корпус,
по меньшей мере один основной магнитный подшипник, присоединенный к валу для поддержки с возможностью вращения указанного вала,
первый вспомогательный подшипник качения и второй вспомогательный подшипник качения, которые отделены друг от друга в осевом направлении и расположены в радиальном направлении между валом и корпусом для поддержки осевых и радиальных нагрузок, и каждый из указанных первого и второго вспомогательных подшипников содержит внутреннее кольцо, внешнее кольцо и по меньшей мере один ряд элементов качения, расположенных между соответствующими внутренним и внешним кольцами, и
первое осевое упорное средство и второе осевое упорное средство, расположенные на указанном валу и предназначенные для передачи осевых нагрузок к внутренним кольцам первого и второго вспомогательных подшипников качения, причем первый и второй вспомогательные подшипники расположены между первым и вторым упорными средствами,
разделительную деталь, расположенную в осевом направлении между обращенными друг к другу поверхностями внутренних колец указанных первого и второго вспомогательных подшипников качения и установленную в осевом контакте с указанными поверхностями для передачи осевых нагрузок между указанными внутренними кольцами первого и второго вспомогательных подшипников качения,
первое осевое удерживающее средство, размещенное на корпусе и расположенное в осевом направлении между обращенными друг к другу поверхностями внешних колец первого и второго вспомогательных подшипников качения для передачи осевых нагрузок между по меньшей мере одним из указанных внешних колец первого и второго вспомогательных подшипников и корпусом, и
второе осевое удерживающее средство, размещенное на корпусе и расположенное на конце в осевом направлении поверхности внешнего кольца первого подшипника качения,
причем первое удерживающее средство расположено на расстоянии от внешнего кольца первого вспомогательного подшипника качения.
2. Вращающаяся машина по п. 1, в которой первое и второе упорные средства в осевом направлении обращены к одному из внутренних колец на стороне, противоположной указанной разделительной детали.
3. Вращающаяся машина по п. 1, в которой указанный вал содержит по меньшей мере одну втулку, в радиальном направлении расположенную между внешней поверхностью указанного вала и внутренними кольцами первого и второго вспомогательных подшипников качения.
4. Вращающаяся машина по п. 3, в которой указанная втулка содержит одно из указанных первого и второго осевых упорных средств.
5. Вращающаяся машина по п. 1, в которой корпус содержит промежуточный корпус, в радиальном направлении расположенный между каналом указанного корпуса и внешним кольцом одного из первого и второго вспомогательных подшипников качения.
6. Вращающаяся машина по п. 5, в которой промежуточный корпус содержит указанное первое осевое удерживающее средство.
7. Вращающаяся машина по п. 1, содержащая третье осевое удерживающее средство, расположенное на корпусе для удерживания в осевом направлении внешнего кольца второго вспомогательного подшипника качения, причем третье удерживающее средство расположено на конце в осевом направлении поверхности внешнего кольца второго подшипника качения.
8. Вращающаяся машина по п. 7, содержащая первый демпфирующий элемент, создающий предварительное напряжение, который расположен в осевом направлении между первым осевым удерживающим средством и внешним кольцом первого вспомогательного подшипника качения.
9. Вращающаяся машина по п. 8, содержащая второй демпфирующий элемент, создающий предварительное напряжение, который расположен в осевом направлении между третьим осевым удерживающим средством и внешним кольцом второго вспомогательного подшипника качения.
10. Вращающаяся машина по п. 9, содержащая третий демпфирующий элемент, создающий предварительное напряжение, который расположен в осевом направлении между первым осевым удерживающим средством и внешним кольцом второго вспомогательного подшипника качения, и четвертый демпфирующий элемент, создающий предварительное напряжение, который расположен в осевом направлении между вторым осевым удерживающим средством и внешним кольцом первого вспомогательного подшипника качения.
11. Вращающаяся машина по п. 10, в которой первый и второй демпфирующие элементы, создающие предварительное напряжение, содержат упругую пластинчатую пружину, а третий и четвертый демпфирующие элементы, создающие предварительное напряжение, содержат коническую шайбу.
12. Вращающаяся машина по п. 1, в которой первый и второй вспомогательные подшипники качения идентичны друг другу.
13. Вращающаяся машина по п. 1, в которой первый и второй вспомогательные подшипники качения расположены в осевом направлении рядом с основным магнитным подшипником.
14. Вращающаяся машина по п. 2, в которой указанный вал содержит по меньшей мере одну втулку, в радиальном направлении расположенную между внешней поверхностью указанного вала и внутренними кольцами первого и второго вспомогательных подшипников качения.
15. Вращающаяся машина по п. 10, содержащая первую демпфирующую втулку, расположенную в радиальном направлении между корпусом и внешним кольцом одного из первого и второго вспомогательных подшипников.
16. Вращающаяся машина по п. 15, содержащая вторую демпфирующую втулку, расположенную между корпусом и внешним кольцом другого из первого и второго вспомогательных подшипников.
17. Вращающаяся машина по п. 15, в которой первая демпфирующая втулка выполнена из рифленого слоистого материала.
18. Вращающаяся машина по п. 16, в которой вторая демпфирующая втулка выполнена из рифленого слоистого материала.
19. Вращающаяся машина по п. 9, содержащая первую и вторую демпфирующие втулки, расположенные в радиальном направлении между корпусом и внешним кольцом соответствующего первого или второго вспомогательного подшипника качения.
20. Вращающаяся машина, содержащая
вал,
корпус,
по меньшей мере один основной магнитный подшипник, присоединенный к валу для поддержки с возможностью вращения указанного вала,
первый вспомогательный подшипник качения и второй вспомогательный подшипник качения, которые отделены друг от друга в осевом направлении и расположены в радиальном направлении между валом и корпусом для поддержки осевых и радиальных нагрузок, и каждый из указанных первого и второго вспомогательных подшипников содержит внутреннее кольцо, внешнее кольцо и по меньшей мере один ряд элементов качения, расположенных между указанными соответствующими внутренним и внешним кольцами, и
первое осевое упорное средство и второе осевое упорное средство, расположенные на указанном валу и предназначенные для передачи осевых нагрузок к внутренним кольцам первого и второго вспомогательных подшипников качения, причем первый и второй вспомогательные подшипники расположены между первым и вторым упорными средствами,
разделительную деталь, расположенную в осевом направлении между обращенными друг к другу поверхностями внутренних колец указанных первого и второго вспомогательных подшипников качения и установленную в осевом контакте с указанными поверхностями для передачи осевых нагрузок между указанными внутренними кольцами первого и второго вспомогательных подшипников, и
первое осевое удерживающее средство, размещенное на корпусе и расположенное в осевом направлении между обращенными друг к другу поверхностями внешних колец первого и второго вспомогательных подшипников качения для передачи осевых нагрузок между по меньшей мере одним из указанных внешних колец первого и второго вспомогательных подшипников и корпусом,
причем первый вспомогательный подшипник качения содержит пару первых вспомогательных подшипников качения, находящихся в осевом контакте друг с другом, а второй вспомогательный подшипник качения содержит пару вторых вспомогательных подшипников качения, находящихся в осевом контакте друг с другом.
