Магнитный подшипниковый узел для ротационной машины и турбомашина, содержащая такой узел
Изобретение относится к подшипникам, в частности к магнитным подшипникам, используемым в ротационных машинах, имеющих ротор. Магнитный подшипниковый узел для ротационной машины имеет обмотку (17) ротора и магнитную обмотку (18, 44) статора, закрепленную на неподвижном опорном элементе (26, 2), имеющем по меньшей мере один элемент, выполненный из ферромагнитного материала (22, 48), и по меньшей мере одну катушку (20, 46), при этом оба эти элемента установлены в защитном кольцевом корпусе (24, 50), оставляя открытой поверхность вращения (22а, 48а) указанного ферромагнитного элемента (22, 48). Поверхность вращения (20а, 46а) указанной одной катушки (20, 46) обращена к поверхности вращения (16d, 16е, 12b) обмотки (17) ротора. Подшипниковый узел (10, 40) содержит по меньшей мере один ряд лопаток (30, 32, 56, 58), закрепленных на обмотке (17) ротора. Обмотка (17) ротора имеет кольцевой упорный выступ (6), содержащий осевой участок (16а), закрепленный на валу (12) ротора, и проходящий в радиальном направлении магнитной обмотки (18) статора радиальный участок (16). Радиальный участок (16b) обращен к открытым поверхностям (20а, 22а) ферромагнитного элемента (22) и одной катушки (20). Ряд лопаток (30, 32) закреплен на кольцевом упорном выступе (16) и проходит радиально от кольцевого упорного выступа (16) в направлении магнитной обмотки (18) статора. Технический результат: создание магнитного подшипникового узла, который имеет интенсивный поток охлаждения, при этом размещение рядов лопаток обеспечивает подачу потока текучей среды, улучшая охлаждение активного магнитного подшипника, таким образом, обеспечивается возможность внутренней вентиляции магнитного подшипника. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к подшипникам, в частности к магнитным подшипникам, используемым в ротационных машинах, имеющих ротор.
В частности, настоящее изобретение относится к активным магнитным подшипникам, имеющим электромагнитные элементы, расположенные в радиальном направлении, и выполненные с возможностью взаимодействия с обмоткой ротора, прикрепленной к ротору.
В упорных магнитных подшипниках используются электромагнитные силы, толкающие в противоположных направлениях упорный выступ, закрепленный на валу ротора, с целью поддержания относительного положения вращающегося узла (ротора) относительно неподвижной части (статора). Упорный выступ представляет собой, в целом, плоский, цельный ферромагнитный диск, закрепленный на роторе. Дискообразные электромагнитные элементы расположены с каждой стороны упорного выступа и прикреплены болтами к корпусу ротационной машины, образуя активный упорный магнитный подшипник.
Магнитные подшипники находят все большее применение в ротационных машинах, в частности, при работе с агрессивной или горячей текучей средой. Таким образом, внутренняя вентиляция магнитного подшипника имеет важное значение для продления срока его службы.
Трение, возникающее при движении упорного выступа относительно электромагнитных элементов, создает радиальное движение текучей среды, которое приводит к охлаждению магнитного подшипника.
При этом такой поток зависит от трения между двумя компонентами и частоты вращения ротора и, следовательно, не является достоверным. Кроме того, из-за ошибок при распределении давления может возникнуть обратный поток, который может привести к отсутствию потока охлаждающей текучей среды.
Существующие типы магнитных подшипников не обеспечивают достаточную внутреннюю вентиляцию, в результате чего потока текучей среды становится недостаточно для охлаждения упорного магнитного подшипника.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков.
Конкретной целью настоящего изобретения является создание магнитного подшипникового узла, имеющего интенсивный охлаждающий поток и при этом простого в изготовлении.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение рециркуляции потока охлаждающей текучей среды даже в случае недостаточного перепада давления внутри подшипника.
В одном варианте выполнения магнитный подшипниковый узел для ротационной машины содержит обмотку ротора и магнитную обмотку статора, закрепленную на неподвижном опорном элементе и содержащую по меньшей мере один элемент, выполненный из ферромагнитного материала, и по меньшей мере одну катушку, при этом оба эти элемента установлены в защитном кольцевом корпусе, оставляя открытой поверхность вращения указанного ферромагнитного элемента и поверхность вращения указанной одной катушки, обращенную к поверхности вращения обмотки ротора, причем обмотка ротора имеет кольцевой упорный выступ, имеющий осевую часть, закрепленную на валу ротора, и проходящую в радиальном направлении магнитной обмотки статора радиальную часть, при этом указанная радиальная часть обращена к указанным открытым поверхностям ферромагнитного элемента и указанной одной катушки.
Подшипниковый узел содержит по меньшей мере один ряд лопаток, закрепленных на обмотке ротора, причем указанный ряд лопаток закреплен, например, на кольцевом упорном выступе и проходит радиально от этого выступа в направлении магнитной обмотки статора.
Указанный ряд лопаток облегчает нагнетание потока охлаждающей текучей среды, способствуя интенсивному охлаждению магнитного подшипника.
Преимущественно, указанный один ряд лопаток содержит несколько
лопаток, выступающих из обмотки ротора.
В одном варианте выполнения подшипник представляет собой упорный магнитный подшипник.
В другом варианте выполнения подшипник представляет собой радиальный магнитный подшипник.
Указанный один ряд лопаток может содержать несколько осевых лопаток или несколько радиальных лопаток, или комбинацию лопаток радиального и осевого типа.
В одном варианте выполнения подшипниковый узел содержит два ряда лопаток.
Указанный радиальный магнитный подшипник в осевом направлении может быть расположен между двумя рядами лопаток.
В одном варианте выполнения магнитная обмотка статора имеет два элемента, выполненные из ферромагнитного материала, каждый из которых обращен к радиальной боковой поверхности радиальной части указанного кольцевого упорного выступа, при этом каждый ряд лопаток закреплен на осевой части указанного выступа и расположен радиально между кольцевым упорным выступом и каждым статором магнитной обмотки.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, турбомашина содержит статор, ротор, установленный с возможностью вращения в указанном статоре, и по меньшей мере один магнитный подшипниковый узел, как описано выше, радиально расположенный между ротором и статором.
Настоящее изобретение станет более понятным при изучении подробного описания нескольких вариантов выполнения, рассматриваемых исключительно посредством неограничивающих примеров и проиллюстрированных на прилагаемых чертежах, на которых:
- Фиг. 1 изображает осевой половинчатый разрез магнитного подшипникового узла, выполненного в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения;
- Фиг. 2 изображает осевой половинчатый разрез магнитного подшипникового узла, выполненного в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения;
- Фиг. 3 изображает поперечное сечение по линии III-III, показанной на Фиг. 2.
В приведенном ниже подробном описании иллюстративных вариантов выполнения даны ссылки на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
Как показано на Фиг. 1, магнитный подшипниковый узел, обозначенный в целом номером позиции 10, предназначенный для установки в ротационной машине (не показана), содержит кожух или корпус, вращающийся вал 12, проходящий по оси Х-Х и выполненный с возможностью поддержки ротора (не показан). Например, если вращающаяся машина представляет собой центробежный компрессор, ротора содержит крыльчатки.
Как показано на Фиг. 1, магнитный подшипник 10 является упорным и предназначен для поддержания указанного вала 12 ротора в кожухе статора.
Активный магнитный подшипник 10 содержит обмотку 14 статора, прикрепленную к кожуху статора, и якорь 16 ротора или кольцевой упорный выступ, имеющий форму диска и прикрепленный к вращающемуся валу 12.
Кольцевой упорный выступ 16 и вал 12 ротора образуют обмотку 17 ротора. Кольцевой упорный выступ 16 проходит радиально от осевой пластины 16а, закрепленной на валу 12 ротора, в направлении магнитной обмотки 18 статора, за счет радиальной части 16b, имеющей наружную цилиндрическую поверхность 16с и две боковые поверхности 16d, 16е.
Обмотка 14 статора содержит магнитную обмотку 18 статора, содержащую, традиционно, одну или несколько кольцевых катушек 20 и два ферромагнитных элемента 22, которые могут быть монолитными или локально слоистыми. В примере, показанном на Фиг. 1, каждый ферромагнитный элемент 22 охватывает две кольцевые катушки 20. Обмотка 14 статора содержит также защитную кольцевую опорную конструкцию или кольцевой корпус 24, в который помещена магнитная обмотка 18 статора, оставляя открытой поверхность 22а вращения указанных ферромагнитных элементов 22 и поверхность 20а вращения каждой катушки 20. Опорная конструкция 24 прикреплена к неподвижному опорному элементу 26, который также прикреплен к корпусу. Как
показано, поверхности 20а, 22а вращения являются осевыми боковыми поверхностями.
Как показано, радиальная часть 16b упорного диска 16 обращена к открытым поверхностям 20а, 22а, соответственно, каждого ферромагнитного элемента 22 и каждой катушки 20. То есть, магнитная обмотка 18 статора, расположенная в осевом направлении, обращена к одной из радиальных боковых поверхностей 16d, 16е радиальной части 16b кольцевого упорного выступа 16, без механического контакта, оставляя осевой зазор 28 между кольцевым упорным выступом 16 и статором 18 магнитной обмотки.
Вращающийся вал 12 может иметь ступенчатый профиль 12а для осевого позиционирования упорного выступа 16. В качестве альтернативы, кольцевой упорный выступ 16 может быть, например, выполнен за одно целое с валом 12 ротора.
Как показано на Фиг. 1, подшипниковый узел 10 содержит два ряда лопаток 30, 32, имеющих несколько лопаток (не показаны), которые могут быть осевыми или радиальными, или их комбинацию, закрепленных на осевой пластине 16а упорного выступа 16. Лопатки 30, 32 проходят в радиальном направлении от кольцевого упорного выступа 16 к статору 18. В качестве альтернативы, ряды лопаток 30, 32 могут быть закреплены непосредственно на валу 12 ротора. Как показано, каждый ряд лопаток 30, 32 может быть расположен радиально между кольцевым упорным выступом 16 и кольцевым корпусом 24 магнитных обмоток 18 статора, оставляя радиальный воздушный зазор 34 между кольцевым корпусом 24 и одним рядом лопаток 30, 32.
Указанные ряды лопаток 30, 32 увеличивают вентиляцию внутри магнитного подшипника и обеспечивают охлаждение магнитного подшипника.
Вариант выполнения, показанный на Фиг. 2 и 3, в котором одинаковые детали обозначены одинаковыми номерами позиций, отличается от варианта выполнения, показанного на Фиг. 1, типом магнитного подшипника.
Как показано на Фиг. 2 и 3, магнитный подшипник 40 представляет собой магнитный подшипник радиального типа и предназначен для радиальной поддержки вала 12 ротора в корпусе статора.
Радиальный магнитный подшипник 40 содержит обмотку 42 статора,
прикрепленную к корпусу статора, и вращающийся вал 12, образующий обмотку 17 ротора. В качестве альтернативы, дополнительная обмотка ротора может быть прикреплена к валу 12 ротора, обращенному к обмотке 42 статора.
Обмотка 42 статора содержит магнитную обмотку 44 статора, содержащую, традиционно, одну или несколько катушек 46 и один ферромагнитный элемент 48, который может быть монолитным или локально слоистым. Как показано на Фиг. 3, ферромагнитный элемент 48 охватывает четыре равномерно разнесенные по окружности кольцевые катушки 46. Обмотка 42 статора также содержит защитную кольцевую опорную конструкцию или кольцевой корпус 50, в который помещена магнитная обмотка 44 статора, оставляя открытой поверхность 48а вращения указанного ферромагнитного элемента 48 и поверхность 46а вращения каждой катушки 46. Защитная кольцевая опорная конструкция 50 прикреплена к неподвижному опорному элементу 52, который сам прикреплен к корпусу.
Как показано, наружная цилиндрическая поверхность 12b вала 12 ротора обращена к открытым поверхностям 46а, 48а, соответственно, ферромагнитного элемента 48 и каждой катушки 46. То есть, магнитная обмотка 44 статора расположена радиально и обращена к наружной цилиндрической поверхности 12b вала 12 ротора, оставляя радиальный воздушный зазор 54 между валом 12 ротора и магнитной обмоткой 44 статора.
Как показано на Фиг. 2, подшипниковый узел 40 содержит два ряда лопаток 56, 58, имеющих несколько лопаток (не показаны), которые могут быть осевыми или радиальными или их комбинацией, закрепленными на наружной цилиндрической поверхности 16а вала 12 ротора. Лопатки 56, 58 проходят в осевом направлении от вала 12 ротора к магнитной обмотке 44 статора. Как показано, магнитная обмотка 44 статора расположена в осевом направлении между двумя рядами лопаток 56, 58, с радиальным воздушным зазором 59 между кольцевым корпусом 50 и каждым рядом лопаток 56, 58.
Например, для поддержки вращающегося вала 12 магнитный подшипниковый узел может быть выполнен как комбинация радиального магнитного подшипника 40, показанного на Фиг. 2, соединенного с осевым магнитным подшипником 10, показанным на Фиг. 1.
Благодаря изобретению, каждый магнитный подшипниковый узел имеет интенсивный поток охлаждения.
Более того, размещение рядов лопаток обеспечивает подачу потока текучей среды, улучшая охлаждение активного магнитного подшипника. Таким образом, обеспечивается возможность внутренней вентиляции магнитного подшипника.
1. Магнитный подшипниковый узел для ротационной машины, имеющей обмотку (17) ротора и магнитную обмотку (18, 44) статора, закрепленную на неподвижном опорном элементе (26, 2), имеющем по меньшей мере один элемент, выполненный из ферромагнитного материала (22, 48), и по меньшей мере одну катушку (20, 46), при этом оба эти элемента установлены в защитном кольцевом корпусе (24, 50), оставляя открытой поверхность вращения (22а, 48а) указанного ферромагнитного элемента (22, 48), причем поверхность вращения (20а, 46а) указанной одной катушки (20, 46) обращена к поверхности вращения (16d, 16е, 12b) обмотки (17) ротора,
причем подшипниковый узел (10, 40) содержит по меньшей мере один ряд лопаток (30, 32, 56, 58), закрепленных на обмотке (17) ротора, при этом обмотка (17) ротора имеет кольцевой упорный выступ (6), содержащий осевой участок (16а), закрепленный на валу (12) ротора, и проходящий в радиальном направлении магнитной обмотки (18) статора радиальный участок (16), при этом указанный радиальный участок (16b) обращен к открытым поверхностям (20а, 22а) указанного ферромагнитного элемента (22) и указанной одной катушки (20), причем ряд лопаток (30, 32) закреплен на кольцевом упорном выступе (16) и проходит радиально от кольцевого упорного выступа (16) в направлении магнитной обмотки (18) статора.
2. Подшипниковый узел по п. 1, в котором указанный один ряд лопаток (30, 32, 56, 58) содержит несколько лопаток, выступающих из обмотки (17) ротора.
3. Подшипниковый узел по п. 1, в котором подшипник (10) представляет собой упорный магнитный подшипник.
4. Подшипниковый узел по п. 1, в котором подшипник (40) представляет собой радиальный магнитный подшипник.
5. Подшипниковый узел по п. 1 или 2, в котором указанный один ряд лопаток (30, 32, 56, 58) содержит несколько осевых лопаток.
6. Подшипниковый узел по п. 1 или 2, в котором указанный один ряд лопаток (30, 32, 56, 58) содержит несколько радиальных лопаток.
7. Подшипниковый узел по п. 1 или 2, в котором указанный один ряд лопаток (30, 32, 56, 58) содержит несколько лопаток, представляющих собой комбинацию лопаток радиального и осевого типа.
8. Подшипниковый узел по п. 1, содержащий два ряда лопаток (30, 32, 56, 58).
9. Подшипниковый узел по п. 4 или 8, в котором в осевом направлении указанный радиальный магнитный подшипник (40) расположен между указанными двумя рядами лопаток (56, 58).
10. Подшипниковый узел по п. 3 или 8, в котором магнитная обмотка (18) статора содержит два элемента, выполненных из ферромагнитного материала (22), каждый из которых обращен к радиальной боковой поверхности (16d, 16е) радиального участка (16b) указанного кольцевого упорного выступа (16), при этом каждый ряд лопаток (30, 32) закреплен на осевом участке (16а) указанного выступа (16) и в радиальном направлении расположен между кольцевым упорным выступом (16) и каждой магнитной обмоткой (18) статора.
11. Турбомашина, содержащая статор, ротор, установленный с возможностью вращения в указанном статоре, и по меньшей мере один магнитный подшипниковый узел (10), выполненный в соответствии с любым из предшествующих пунктов, расположенный в радиальном направлении между ротором и статором.
