Электрическая машина с бесконтактным уплотнением подшипника
Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение надежности подшипникового узла. Электрическая машина содержит корпус, в котором расположены статор и ротор, закрепленный на валу между первым и вторым подшипниками. Для смазки подшипников использован консистентный смазочный материал. Корпус содержит закрывающий элемент, отделяющий первый подшипник от основной полости и имеющий головную и хвостовую охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности, окружающие головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности вала, с образованием бесконтактных уплотнений. Указанные уплотнения формируют единый уплотнительный канал. На головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности выполнена головная винтовая канавка с направлением винта, являющимся противоположным направлению вращения вала, а на хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности - с направлением винта, совпадающим с направлением вращения вала (если смотреть со стороны второго подшипника в сторону первого подшипника). 15 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
[1] Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам. В контексте настоящего изобретения под электрической машиной понимается электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот, а именно генераторы электрического тока и электродвигатели.
[2] Обращая внимание на тот факт, что изобретение может быть использовано для изготовления любой из указанных электрических машин, авторы изобретения полагают, что основным направлением для использования изобретения являются генераторы электрического тока, а именно - синхронные генераторы, преимущественно предназначенные для применения в системах электроснабжения летательных аппаратов.
Предпосылки к созданию изобретения
[3] Традиционная электрическая машина содержит корпус, в основной полости которого размещены статор и ротор, причем статор прикреплен к корпусу, а ротор закреплен на валу, который установлен в корпусе на подшипниках. Для предотвращения утечки смазочного материала, а также для предотвращения попадания в подшипник посторонних частиц и жидкостей каждый подшипник герметизирован с обеих своих сторон посредством бесконтактных уплотнений. Воздушное охлаждение статора и ротора обеспечивается крыльчаткой, установленной на валу в основной полости корпуса. Данная конфигурация электрической машины раскрыта, например, в публикации JP2016103871A, 02.06.2016.
[4] Спецификой синхронных генераторов, применяемых в авиации, является необходимость обеспечения работоспособности в течение продолжительного времени на высокой частоте вращения приводного вала, например, 8000 об/мин и выше, и температуре окружающей среды до 80 °С и выше. Данное обстоятельство требует эффективного охлаждения статора и ротора, а значит, большого расхода охлаждающего воздуха, проходящего через основную полость корпуса генератора.
[5] Однако высокая скорость течения воздуха в основной полости корпуса сопровождается падением давления в ней относительно давления снаружи корпуса, и возникающий перепад давления побуждает смазочный материал подшипника просачиваться через бесконтактные уплотнения в основную полость корпуса генератора. Следует отметить, что данный нежелательный эффект может быть усилен при осуществлении продольных ускорений или замедлений летательного аппарата. В результате подшипник синхронного генератора, выполненного согласно известной конфигурации, может лишиться смазочного материала, что приведет к его разрушению и выходу генератора из строя.
[6] Соответственно, первая техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в таком усовершенствовании конструкции синхронного генератора, которое сможет не допустить выдавливание смазочного материала от подшипника в основную полость корпуса при сохранении заданного расхода воздуха, необходимого для эффективного охлаждения элементов генератора.
[7] Вторая техническая проблема, решаемая изобретением, связана с необходимостью надежно предотвращать проникновение посторонних частиц, жидкостей и паров из основной полости к подшипнику. Несмотря на то, что градиент давления направлен от подшипника к основной полости, поступающий в основную полость поток воздуха содержит частицы пыли и т.п., которые могут попадать в смазочный материал и мигрировать в подшипник. Зачастую эти частицы обладают абразивными свойствами, и присутствие их в смазочном материале ускоряет износ подшипника.
[8] Особую актуальность указанная проблема приобретает в синхронных генераторах с комбинированным охлаждением, когда в дополнение к воздушному охлаждению при слабом давлении атмосферы в основную полость впрыскивается быстро испаряющаяся жидкость, которая образует пар, компенсирующий недостаток атмосферного воздуха. В этом случае жидкость, мигрируя в смазочном материале, вступает с ним в реакцию, в результате чего происходит быстрая деградация смазочного материала и обусловленные этим перегрев и разрушение подшипника.
[9] Таким образом, целью изобретения является надежная герметизация подшипника со стороны основной полости, позволяющая как сохранить вблизи подшипника требуемое количество смазочного материала, так и обеспечить его требуемую чистоту и химический состав, что в конечном счете является условием для безаварийной работы подшипника.
Сущность изобретения
[10] Для решения указанных технических проблем в качестве изобретения предложена электрическая машина, содержащая корпус, в основной полости которого расположены статор и ротор, при этом ротор электрической машины закреплен на валу между первым и вторым подшипниками, которые удерживают вал в корпусе. Для смазки первого и второго подшипников использован консистентный смазочный материал. Корпус содержит закрывающий элемент, отделяющий первый подшипник от основной полости, при этом закрывающий элемент имеет головную и хвостовую охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности. Вал в свою имеет головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности. Головная и хвостовая охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности окружают соответственно головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности с образованием головного и хвостового бесконтактных уплотнений. Головное и хвостовое бесконтактные уплотнения при этом формируют единый уплотнительный канал, в котором головное бесконтактное уплотнение расположено со стороны первого подшипника, а хвостовое бесконтактное уплотнение расположено со стороны основной полости. На головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности выполнена головная винтовая канавка с направлением винта, являющимся противоположным направлению вращения вала, если смотреть со стороны второго подшипника в сторону первого подшипника. На хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности выполнена хвостовая винтовая канавка с направлением винта, совпадающим с направлением вращения вала, если смотреть со стороны второго подшипника в сторону первого подшипника.
[11] Первый технический результат изобретения состоит в том, что консистентный смазочный материал, просачиваясь от первого подшипника в головное бесконтактное уплотнение, при вращении вала направляется поверхностью головной винтовой канавки в сторону первого подшипника. Таким образом, даже в условиях описанного выше перепада давления предотвращается выход консистентного смазочного материала от первого подшипника в основную полость через единый уплотнительный канал, а значит, первая техническая проблема, поставленная перед изобретением, является решенной.
[12] Второй технический результат состоит в том посторонние частицы и капли жидкости, попадая из основной полости в хвостовое бесконтактное уплотнение, при вращении вала направляются поверхностью хвостовой винтовой канавки в сторону основной полости. Таким образом, предотвращается попадание частиц и жидкостей в консистентный смазочный материал с его последующей деградацией, а значит, вторая техническая проблема, поставленная перед изобретением, является решенной.
[13] В частном случае изобретения головная винтовая канавка заполнена консистентным смазочным материалом, который препятствует выходу консистентного смазочного материала из первого подшипника. В этом случае создается непрерывный объем консистентного смазочного материала между подшипником и головной винтовой канавкой, и головная винтовая канавка нагнетает консистентный смазочный материал непосредственно в первый подшипник.
[14] В частном случае изобретения на головной охватывающей уплотнительной цилиндрической поверхности выполнена, по меньшей мере, одна кольцевая канавка, которая, предпочтительно, заполнена консистентным смазочным материалом. Данное решение позволяет создать дополнительное препятствие для консистентного смазочного материала при его перемещении в сторону основной полости, что усиливает первый технический результат изобретения.
[15] В частном случае изобретения головная винтовая канавка является одной из множества винтовых канавок, выполненных в виде многозаходного винта. Это позволяет повысить плотность витков головной винтовой канавки даже при ее выполнении с малым углом наклона к продольной оси вала, в результате чего обеспечивается более эффективное возвращение консистентного смазочного материала к первому подшипнику.
[16] В частном случае изобретения хвостовая винтовая канавка является одной из множества винтовых канавок, выполненных в виде многозаходного винта. Это позволяет повысить плотность витков хвостовой винтовой канавки даже при ее выполнении с малым углом наклона к продольной оси вала, в результате чего обеспечивается более эффективное воспрепятствование проникновению посторонних частиц и капель жидкости из основной полости к консистентному смазочному материалу.
[17] В частном случае изобретения единый уплотнительный канал имеет продольную конфигурацию, в которой хвостовое бесконтактное уплотнение имеет продольное смещение относительно головного бесконтактного уплотнения. Данное исполнение изобретения характеризуется малым радиальным размером уплотнительного узла первого подшипника.
[18] В частном случае изобретения единый уплотнительный канал имеет лабиринтную конфигурацию, в которой хвостовое бесконтактное уплотнение имеет радиальное смещение относительно головного бесконтактного уплотнения. Данное исполнение изобретения характеризуется малым продольным размером внутреннего уплотнительного узла первого подшипника, а также возможностью выполнения ряда последовательно расположенных головных бесконтактных уплотнений.
[19] В последнем частном случае изобретения головное бесконтактное уплотнение может являться первым головным бесконтактным уплотнением, при этом единый уплотнительный канал может содержать второе головное бесконтактное уплотнение, выполненное аналогично первому головному бесконтактному уплотнению и расположенное с радиальным смещением относительно первого головного и хвостового бесконтактных уплотнений. Это позволяет увеличить суммарную осевую длину головных бесконтактных уплотнений с периодическим изменения направления потока, что способствует повышению гидравлического сопротивления единого уплотнительного канала и затрудняет перетекание консистентного смазочного материала от первого подшипника в основную полость.
[20] Кроме того, пространство между первым и вторым головными бесконтактными уплотнениями, а также принадлежащие им головные винтовые канавки могут быть заполнены консистентным смазочным материалом. Данные решения повышают эффективность возвращения консистентного смазочного материала к первому подшипнику.
[21] В частных случаях изобретения первый подшипник может являться подшипником, расположенным со стороны приводного элемента вала или со стороны, противоположной стороне приводного элемента вала. Данное исполнение позволяет обеспечить надежную герметизацию как первого, так и второго подшипника электрической машины.
[22] В частном случае изобретения закрывающий элемент является первым закрывающим элементом, головная и хвостовая охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности являются соответственно головной и хвостовой охватывающими уплотнительными цилиндрическими поверхностями стороны первого подшипника, а головная и хвостовая охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности являются соответственно головной и хвостовой охватываемыми уплотнительными цилиндрическими поверхностями стороны первого подшипника. Корпус при этом содержит второй закрывающий элемент, отделяющий второй подшипник от основной полости. Второй закрывающий элемент имеет головную и хвостовую охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника, а вал имеет головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника. Головная и хвостовая охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника окружают соответственно головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника с образованием головного и хвостового бесконтактных уплотнений стороны второго подшипника. Головное и хвостовое бесконтактные уплотнения стороны второго подшипника формируют единый уплотнительный канал, в котором головное бесконтактное уплотнение стороны второго подшипника расположено со стороны второго подшипника, а хвостовое бесконтактное уплотнение стороны второго подшипника расположено со стороны основной полости. На головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности стороны второго подшипника выполнена головная винтовая канавка с направлением винта, являющимся противоположным направлению вращения вала, если смотреть со стороны первого подшипника в сторону второго подшипника. На хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности стороны второго подшипника выполнена хвостовая винтовая канавка с направлением винта, совпадающим с направлением вращения вала, если смотреть со стороны первого подшипника в сторону второго подшипника.
[23] Данное исполнение изобретения позволяет одновременно обеспечить надежную герметизацию первого и второго подшипников. Поскольку уплотнение второго подшипника выполняется аналогично уплотнению первого подшипника, то все технические результаты, указанные выше для первого подшипника, справедливы и для второго подшипника.
[24] В частном случае изобретения охлаждение генератора обеспечивается путем создания потока воздуха в основной полости с возможностью впрыска охлаждающей жидкости в основную полость. В этом случае приобретают значение такие неблагоприятные факторы как наличие градиента давления, направленного в сторону основной полости и побуждающего консистентный смазочный материал продвигаться от первого подшипника в сторону основной полости, и наличие капель жидкости, способной взаимодействовать с консистентным смазочным материалом и вызывать его деградацию. Соответственно, упомянутые первый и второй технические результаты, обеспечиваемые изобретением и являющиеся его преимуществом, в этих условиях проявляются наиболее ярко.
[25] В частном случае изобретения электрическая машина представляет собой синхронный генератор, что отражает наиболее предпочтительную область использование изобретения.
Краткое описание чертежей
[26] Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - продольный разрез синхронного генератора, выполненного согласно изобретению;
Фиг. 2 - внутренний уплотнительный узел первого подшипника, известный из уровня техники;
Фиг. 3 - внутренний уплотнительный узел первого подшипника, выполненный согласно изобретению;
Фиг. 4 - внутренний уплотнительный узел первого подшипника, выполненный согласно частному случаю изобретения, с разрезом уплотнительного элемента вала;
Фиг. 5 - уплотнительный элемент вала согласно частному случаю изобретению, вид со стороны первого подшипника;
Фиг. 6 - внутренний уплотнительный узел первого подшипника, выполненный согласно частному случаю изобретения, без разреза уплотнительного элемента вала;
Фиг. 7 - охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности вала, выполненные согласно частному случаю изобретения.
Осуществление изобретения
[27] Осуществление изобретения будет показано на наилучших известных авторам примерах его реализации, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[28] Синхронный генератор 1, продольный разрез которого представлен на Фиг. 1, содержит корпус 10, статор 20 и ротор 30. Корпус 10 включает в себя цилиндрическую часть 11 и два соединенных с ней щита 12 и 13, которые все вместе образуют основную полость 14 корпуса 10, замкнутую в продольном и радиальном направлении. Следует отметить, что цилиндрическая часть 11 может быть выполнена с одним из щитов 12 или 13 заодно или может быть соединена с каждым из них в процессе сборки.
[29] Статор 20 и ротор 30 размещены в основной полости 14, при этом статор 20 закреплен на цилиндрической части 11, а ротор закреплен на валу 40, который удерживается в корпусе 10 при помощи первого и второго подшипников 50 и 70, установленных соответственно в первом и втором щитах 12 и 13. Закрепление ротора 30 на валу 40 осуществлено на участке между первым подшипником 50 и вторым подшипником 70.
[30] Вал 40 приводится во вращение через приводной элемент 41, входящий в зубчатое зацепление с выходным элементом приводного устройства (не показано), при этом синхронный генератор расположен в летательном аппарате так, что ось вала 40 совпадает с направлением полета (стрелка 2), а зубчатый элемент 41 находится спереди. Вал 40 вращается по часовой стрелке (стрелка 3), если смотреть в направлении полета, т.е. со стороны второго щита 13 в сторону первого щита 12.
[31] Статор 20 и ротор 30 охлаждаются потоком воздуха (стрелки 4), который создается крыльчаткой 42, жестко установленной на валу 40. Поток воздуха 4 поступает в основную полость 14 через осевые отверстия 15 и выходит из основной полости через радиальные отверстия 16, проходя как между статором 20 и ротором 30, так и через сквозные отверстия в них. Как было показано выше, поток воздуха 4 имеет высокую скорость, в результате чего в основной полости 14 создается разреженная атмосфера с давлением ниже давления внешнего пространства, т.е. ниже атмосферного давления.
[32] В условиях низкого атмосферного давления, например, при подъеме на большую высоту эффективность воздушного охлаждения снижается. Чтобы компенсировать недостаток охлаждающего воздуха, через форсунки, выполненные в валу 40, в полость 14 впрыскивается быстро испаряющаяся охлаждающая жидкость (стрелки 5), нагнетаемая в полость вала 40.
[33] Первый и второй подшипники 50 и 70 являются подшипниками качения, а именно - шариковыми подшипниками. Смазывание каждого подшипника из первого и второго подшипников 50 и 70 осуществляется путем размещения между его подвижным и неподвижным кольцами консистентного смазочного материала. Установочная конфигурация первого подшипника 50 аналогична таковой у второго подшипника 70, поэтому в дальнейшем изложении детально будет рассмотрен, главным образом, первый подшипник 50.
[34] Ввиду того, что консистентный смазочный материал со временем вырабатывается, то для того, чтобы первый подшипник 50 имел заданный ресурс безаварийной эксплуатации, вблизи него должно находится некоторое избыточное количество консистентного смазочного материала. В целях сохранения консистентного смазочного материала вблизи первого подшипника 50 на протяжении длительного времени, а также для недопущения попадания к первому подшипнику 50 абразивных частиц, жидкостей и т.п., первый подшипник 50 установлен в изолированной камере, ограниченной в радиальном направлении первым щитом 12 и валом 40, а в продольном направлении - первыми внешним и внутренним уплотнительными узлами 51 и 52. Указанная изолированная камера включает в себя внешнюю и внутреннюю полости 53 и 54 (Фиг. 2, 3), расположенные с обеих продольных сторон первого подшипника 50 и заполненные консистентным смазочным материалом.
[35] На Фиг. 2 показан первый внутренний уплотнительный узел 52, выполненный согласно известному решению. Здесь первый внутренний уплотнительный узел 52 образован закрывающим элементом 60 в качестве элемента корпуса 10 и уплотнительным элементом 43 в качестве элемента вала 40, причем между закрывающим элементом 60 и уплотнительным элементом 43 обеспечено бесконтактное уплотнение в виде зазора 55 с малым просветом.
[36] Далее, поскольку, как было показано выше, давление снаружи корпуса 10 выше давления в его основной полости 14, то указанный перепад давления будет побуждать консистентный смазочный материал просачиваться в основную полость 14 сквозь бесконтактное уплотнение внутреннего уплотнительного узла 52, т.е. через зазор 55 между закрывающим элементом 60 и уплотнительным элементом 43. Еще одним фактором, интенсифицирующим перетекание консистентного смазочного материала от первого подшипника 50 в основную полость 14, являются разгонные ускорения летательного аппарата, в результате которых инерция отбрасывает консистентный смазочный материал в сторону основной полости 14.
[37] Кроме того, частицы пыли, циркулирующие в основной полости 14, и капли охлаждающей жидкости 5 будут смешиваться с выдавливаемым из зазора 55 консистентным смазочным материалом и мигрировать в сторону первого подшипника 50. Как было показано выше, частицы пыли производят абразивное воздействие на элементы первого подшипника, в то время как охлаждающая жидкость разлагает консистентный смазочный материал химически.
[38] Даже при том, что консистентный смазочный материал характеризуется достаточно высокой вязкостью, показанная на Фиг. 2 конфигурация первого внутреннего уплотнительного узла 52 все равно будет допускать как постепенное выдавливание консистентного смазочного материала из внутренней полости 54 через зазор 55 в основную полость 14, так и миграцию частиц и жидкостей из основной полости 14 к первому подшипнику 14, ухудшая характеристики оставшегося консистентного смазочного материала. Данные нежелательные эффекты являются присущими известному решению ввиду того, что гидравлическое сопротивление известного бесконтактного уплотнения оказывается недостаточным.
[39] На Фиг. 3 показан первый внутренний уплотнительный узел 52, выполненный согласно изобретению. В этом случае первый внутренний уплотнительный узел 52 образован закрывающим элементом 60 в качестве элемента корпуса 10 и уплотнительным элементом 43 в качестве элемента вала 40, причем между закрывающим элементом 60 и уплотнительным элементом 43 обеспечены головное и хвостовое бесконтактные уплотнение в виде зазоров 56 и 58 с малым просветом. Следует отметить, что закрывающий элемент 60 может быть выполнен с первым щитом 12 заодно или может быть соединен с ним в процессе сборки.
[40] Закрывающий элемент 60 имеет головную и хвостовую охватывающие уплотнительную цилиндрическую поверхность 61 и 63, а уплотнительный элемент 43 имеет головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности 44 и 48. Головная охватывающая уплотнительная цилиндрическая поверхность 61 концентрически окружает головную охватываемую уплотнительную цилиндрическую поверхность 44 без контакта с ней с образованием головного бесконтактного уплотнения 56, в свою очередь, хвостовая охватывающая уплотнительная цилиндрическая поверхность 63 концентрически окружает хвостовую охватываемую уплотнительную цилиндрическую поверхность 48 без контакта с ней с образованием хвостового бесконтактного уплотнения 58. Отметим, что головное и хвостовое бесконтактные уплотнения 56 и 58 формируют единый уплотнительный канал, в котором головное бесконтактное уплотнение 56 расположено со стороны первого подшипника 50, а хвостовое бесконтактное уплотнение 58 расположено со стороны основной полости 14.
[41] Здесь следует отметить, что бесконтактное уплотнение вала как таковое является общеизвестной и широко применяемой технологией, получившую глубокую теоретическую и практическую проработку. В данном случае, например, головное бесконтактное уплотнение 56 реализовано посредством того, что головная охватывающая уплотнительная цилиндрическая поверхность 61 находится на достаточно малом расстоянии от головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 44. Это расстояние, т.е. радиальная величина зазора 56, является настолько малым, что находящийся в зазоре 56 между поверхностями 61 и 44 консистентный смазочный материал одновременно контактирует с обеими из них, в результате чего образуется гидравлическое сопротивление его течению. Аналогичное рассуждение справедливо и для хвостового бесконтактного уплотнения 58 с учетом того, что малая величина зазора 58 создает гидравлическое сопротивление для воздуха, содержащего взвешенные частицы пыли и капли охлаждающей жидкости.
[42] Очевидно, что для повышения эффективности бесконтактного уплотнения является предпочтительным, чтобы зазор 56 (или 58) между поверхностями 61 (63) и 44 (48) был минимально возможным с точки зрения обрабатывающих и сборочных технологий, доступных производителю. В случае синхронного генератора 1 надлежащая эффективность бесконтактного уплотнения обеспечивается при величине зазора 56 (58) менее 1,0 мм.
[43] Обратим внимание, что хотя в данном случае уплотнительный элемент 43 представляет собой просто участок вала 40, признак изобретения «вал имеет головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности» следует понимать так, что головная и хвостовая охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности 44 и 48 могут быть также выполнены на любом элементе, жестко связанном с валом 40, например, на крыльчатке 42, роторе 30 или специально предусмотренной втулке.
[44] Далее, на головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 44 выполнена головная винтовая канавка 45 с направлением винта, являющимся противоположным направлению 3 вращения вала 40, если смотреть со стороны второго подшипника 70 в сторону первого подшипника 50. В свою очередь, на хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 48 выполнена хвостовая винтовая канавка 49 с направлением винта, совпадающим с направлением вращения вала 40, если смотреть со стороны второго подшипника 70 в сторону первого подшипника 50.
[45] Под направлением винта здесь понимается то направление его вращения, которое приводит к умозрительному вкручиванию винта в заданном продольном направлении (в данном случае заданное продольное направление задано направлением взгляда со стороны второго подшипника 70 в сторону первого подшипника 50). Головная винтовая канавка 45 может быть выполнена в виде резьбы треугольного профиля, однако, головная винтовая канавка 45 может иметь прямоугольный, трапециевидный или любой иной профиль. Аналогичную конфигурацию может иметь и хвостовая винтовая канавка 49.
[46] Консистентный смазочный материал, попадая в головную винтовую канавку 45, при вращении вала 40 направляется ее боковой поверхностью в сторону первого подшипника 50, ведь головная охватываемая уплотнительная цилиндрическая поверхность 44 с выполненной на ней головной винтовой канавкой 45 по сути представляет собой шнек, способный перемещать находящуюся в нем среду. Благодаря этому консистентный смазочный материал даже в условиях большого перепада давления, побуждающего его к движению в сторону основной полости 14, возвращается к первому подшипнику 50, в результате чего во внутренней полости 54 изолированной камеры обеспечивается то количество консистентного смазочного материала, которое является достаточным для длительной и бесперебойной работы первого подшипника 50.
[47] Далее, угол α наклона головной винтовой канавки 45 к продольной оси вала 40, измеренный, например, между срединной линией головной винтовой канавки 45 и продольной осью вала 40 на прямоугольной проекции срединной линии головной винтовой канавки 45 на плоскость, проходящую через продольную ось вала 40, определяется вязкостью консистентного смазочного материала и частотой вращения вала 40. Угол α может лежать в диапазоне 10 - 80°.
[48] Предпочтительно, если внутренняя полость 54 предварительно заполнена консистентным смазочным материалом, и еще более предпочтительно, если им предварительно заполнены одновременно внутренняя полость 54 и головная винтовая канавка 45. В этом случае консистентный смазочный материал нагнетается к первому подшипнику 50, начиная с момента включения синхронного генератора 1, что еще более способствует удержанию консистентного смазочного материала вблизи первого подшипника 50.
[49] На головной охватывающей уплотнительной цилиндрической поверхности 61 может быть выполнена, по меньшей мере, одна кольцевая канавка 62, которая локально увеличивает проходное сечение зазора 56 и образует область с повышенным давлением потока. В результате этого создается дополнительное гидравлическое сопротивление движению консистентного смазочного материала в направлении основной полости 14. Предпочтительно, если количество кольцевых канавок 62 составляет две или более, и еще более предпочтительно, если они предварительно заполнены консистентным смазочным материалом.
[50] Следует, однако, отметить, что при малых значениях угла α витки головной винтовой канавки 45 будут находиться на некотором удалении друг от друга в направлении продольной оси, оставляя гладкой значительную площадь охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 44. Данная конфигурация не является оптимальной, поэтому в предпочтительном случае головная винтовая канавка 45 является одной из множества расположенных рядом друг с другом головных винтовых канавок, выполненных в виде многозаходного винта. В последнем случае эффективность нагнетания консистентного смазочного материала к первому подшипнику 50 становится значительно выше.
[51] Что касается хвостовой винтовой канавки 49, то при указанном стрелкой 3 вращении вала 40 она отбрасывает проникающие в нее частицы пыли и капли охлаждающей жидкости обратно в основную полость 14, не допуская их проникновения к консистентному смазочному материалу. При определении угла наклона винта и возможности выполнения его многозаходным, в отношении хвостовой винтовой канавки 49 целесообразно руководствоваться теми же рассуждениями и выбором тех же параметров и решений, которые были раскрыты выше для головной винтовой канавки 45.
[52] В отношении второго подшипника 70, снабженного вторыми внешним и внутренним уплотнительными узлами 71 и 72, можно заметить, что факторы, побуждающие консистентный смазочный материал перетекать через второй внутренний уплотнительный узел 72 в основную полость 14, являются ослабленными по сравнению с таковыми у первого подшипника 50. Во-первых, перепад давления между внешним пространством и основной полостью 14 в области второго подшипника 70 меньше, что объясняется наличием потока всасываемого воздуха с внешней стороны второго щита 13, а значит, и несколько пониженным давлением в области у внешней стороны второго щита 13 относительно атмосферного давления. Во-вторых, отрицательные ускорения при замедлении летательного аппарата, которые вызывают инерционное движение консистентного смазочного материала от второго подшипника 70 в сторону основной полости 14 через второй внутренний уплотнительный узел 72, существенно ниже ускорений разгона. Что касается частиц пыли и капель воды, то они в подавляющем количестве уносятся потоком воздуха 4 в сторону первого подшипника 50.
[53] Тем не менее, второй внутренний уплотнительный узел 72 может быть выполнен аналогично первому внутреннему уплотнительному узлу 52. Подробное изображение второго внутреннего уплотнительного узла 72 не представлено, поскольку оно соответствует зеркальному отображению Фиг. 3 относительно вертикальной оси.
[54] Здесь следует отметить, что признаки формулы изобретения «первый подшипник» и «второй подшипник» следует понимать лишь как указание для их различения, не имеющее привязки к первому подшипнику 50 и второму подшипнику 70. В качестве «первого подшипника» в контексте формулы изобретения может выступать как первый подшипник 50, так и второй подшипник 70.
[55] Однако объем изобретения включает в себя и такой случай, когда изобретение использовано одновременно на стороне первого внутреннего уплотнительного узла 52 и стороне второго внутреннего уплотнительного узла 72. В этом случае закрывающий элемент 60 является первым закрывающим элементом, головная и хвостовая охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности 61 и 63 являются соответственно головной и хвостовой охватывающими уплотнительными цилиндрическими поверхностями стороны первого подшипника, а головная и хвостовая охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности 44 и 48 являются соответственно головной и хвостовой охватываемыми уплотнительными цилиндрическими поверхностями стороны первого подшипника. Корпус 10 при этом содержит второй закрывающий элемент, отделяющий второй подшипник 70 от основной полости 14. Второй закрывающий элемент имеет головную и хвостовую охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника, а вал 40 имеет головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника. Головная и хвостовая охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника окружают соответственно головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника с образованием головного и хвостового бесконтактных уплотнений стороны второго подшипника. Головное и хвостовое бесконтактные уплотнения стороны второго подшипника формируют единый уплотнительный канал, в котором головное бесконтактное уплотнение стороны второго подшипника расположено со стороны второго подшипника 70, а хвостовое бесконтактное уплотнение стороны второго подшипника расположено со стороны основной полости 14. На головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности стороны второго подшипника выполнена головная винтовая канавка с направлением винта, являющимся противоположным направлению вращения вала 40, если смотреть со стороны первого подшипника 50 в сторону второго подшипника 70. На хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности стороны второго подшипника выполнена хвостовая винтовая канавка с направлением винта, совпадающим с направлением вращения вала 40, если смотреть со стороны первого подшипника 50 в сторону второго подшипника 70.
[56] Все особенности конструкции и технические результаты, описанные выше для первого внутреннего уплотнительного узла 52 первого подшипника 50, справедливы также и для второго внутреннего уплотнительного узла 72 второго подшипника 70.
[57] Далее, исполнение первого внутреннего уплотнительного узла 52, показанное на Фиг. 3, характеризуется тем, что единый уплотнительный канал имеет продольную конфигурацию, в которой хвостовое бесконтактное уплотнение 58 имеет продольное смещение относительно головного бесконтактного уплотнения 56. Данное исполнение изобретения позволяет минимизировать радиальный размер первого внутреннего уплотнительного узла 52.
[58] Однако, как показано на Фиг. 4, первый внутренний уплотнительный узел 52 может быть выполнен так, что единый уплотнительный канал имеет лабиринтную конфигурацию, в которой хвостовое бесконтактное уплотнение 58 имеет радиальное смещение относительно головного бесконтактного уплотнения 56. Более того, Фиг. 4 отражает частный случай изобретения, когда головное бесконтактное уплотнение 56 является первым головным бесконтактным уплотнением 56, при этом единый уплотнительный канал содержит второе головное бесконтактное уплотнение 57, выполненное аналогично первому головному бесконтактному уплотнению 56 и расположенное с радиальным смещением относительно первого головного и хвостового бесконтактных уплотнений 56 и 58.
[59] В случае, показанном на Фиг. 4, головная охватывающая уплотнительная цилиндрическая поверхность 61 является первой головной охватывающей уплотнительной цилиндрической поверхностью 61, а головная охватываемая уплотнительная цилиндрическая поверхность 44 является первой головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхностью 44. Головная винтовая канавка 45, в свою очередь, является первой головной винтовой канавкой 45.
[60] Закрывающий элемент 60 при этом имеет вторую головную охватывающую уплотнительную цилиндрическую поверхность 62, расположенную на большем удалении от оси вращения вала 40 по отношению к первой головной охватывающей уплотнительной цилиндрической поверхности 61 и концентрически с ней. В данном случае первая и вторая головные охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности 61 и 62 выполнены соответственно на первом и втором втулочных участках 65 и 66 закрывающего элемента 60, которые с радиальным промежутком между собой закреплены на дисковом участке 68 закрывающего элемента 60.
[61] Далее, вал 40 имеет вторую головную охватываемую уплотнительную цилиндрическую поверхность 46, расположенную на большем удалении от оси вращения вала 40 по отношению к первой головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 44 и концентрически с ней. Здесь первая и вторая головные охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности 44 и 46 выполнены соответственно на первом и втором втулочных участках 91 и 92 уплотнительного элемента 43, которые с радиальным промежутком между собой закреплены на дисковом участке 94 уплотнительного элемента 43.
[62] Уплотнительный элемент 43 образует с закрывающим элементом 60 лабиринтное уплотнение, в котором втулочный участок 65 расположен между втулочными участками 91 и 92, не достигая в продольном направлении дискового участка 94, а втулочный участок 92 расположен между втулочными участками 65 и 66, не достигая в продольном направлении дискового участка 68.
[63] Вторая головная охватывающая уплотнительная цилиндрическая поверхность 62 при этом окружает вторую головную охватываемую уплотнительную цилиндрическую поверхность 46 с образованием второго головного бесконтактного уплотнения 57. На второй головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 46 выполнена вторая головная винтовая канавка 47 с направлением винта, являющимся противоположным направлению вращения вала 40, если смотреть со стороны второго подшипника 70 в сторону первого подшипника 50. Технический результат, производимый второй головной винтовой канавкой 47, является аналогичным тому, что был описан выше для первой головной винтовой канавки 45. В предпочтительном случае вторая головная винтовая канавка 47 предварительно заполняется консистентным смазочным материалом.
[64] Промежуток между втулочным участком 65 и дисковым участком 94, промежуток между втулочными участками 65 и 92, промежуток между втулочным участком 92 и дисковым участком 68 образуют пространство 95, проходное сечение которого больше проходного сечения первого и второго головных бесконтактных уплотнений 56 и 57, что создает дополнительное гидравлическое сопротивление для продвижения консистентного смазочного материала в сторону основной полости 14. В предпочтительном случае пространство 95 предварительно заполняется консистентным смазочным материалом, что позволяет создать единый объем консистентного смазочного материала от внутренней полости 54 до второй головной винтовой канавки 47. В результате этого вторая головная винтовая канавка 47 может нагнетать консистентный смазочный материал непосредственно в первый подшипник 50.
[65] Таким образом, лабиринтное уплотнение, образованное втулочными участками 91, 65, 92 и 66, обеспечивает участок единого уплотнительного канала, характеризующийся двукратно изменяющимся проходным сечением, двукратно изменяющимся направлением потока и двумя головными бесконтактными уплотнениями 44 и 46 с головными винтовыми канавками 45 и 47. Все это свидетельствует в пользу того, что выполненный данным образом уплотнительный узел 52 имеет очень высокую способность к предотвращению утечки консистентного смазочного материала в основную полость 14 и к его возвращению во внутреннюю полость 54.
[66] Что касается хвостового бесконтактного уплотнения 58, то хвостовая охватывающая поверхность 63 выполнена на втулочном участке 67 закрывающего элемента 60, а хвостовая охватываемая поверхность 48 с хвостовой винтовой канавкой 49 выполнена на втулочном участке 93 уплотнительного элемента 43. Втулочный участок 93 расположен между втулочными участками 66 и 67, при этом он не достигает дискового участка 68. Промежуток между втулочными участками 66 и 93 и промежуток между втулочным участком 93 и дисковым участком 68 образуют пространство 96, которое консистентным смазочным материалом не заполняется.
[67] На Фиг. 5 показан вид уплотнительного элемента 43 с Фиг. 4, если смотреть со стороны первого подшипника 50. Винтовые канавки 45, 47, 49 показаны стрелками, указывающими направление винта.
[68] На Фиг. 6 представлен вид, аналогичный виду на Фиг. 4, однако, уплотнительный элемент 43 здесь показан без разреза, что позволяет отобразить первую головную винтовую канавку 45 и хвостовую винтовую канавку 49, выполненные соответственно на первой головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 44 и хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 48. Хотя отображенные ранее на Фиг. 4 вторая головная охватываемая уплотнительная цилиндрическая поверхность 46 и вторая головная винтовая канавка 47 на Фиг. 6 оказываются скрыты, следует отметить, что вторая головная винтовая канавка 47, выполненная на второй головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 46, имеет такую же конфигурацию, что и показанная на Фиг. 6 первая головная винтовая канавка 45.
[69] На Фиг. 7 показаны разнесенные в продольном направлении первая и вторая головные охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности 44 и 46 с выполненными на них первой и второй головными винтовыми канавками 45 и 47, а также хвостовая охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности 48 с выполненной на ней хвостовой винтовой канавкой 49.
[70] Авторы изобретения обращают внимание также на то, что помимо описанных выше случаев первый внутренний уплотнительный узел 52 может иметь два, три или больше головных бесконтактных уплотнений, расположенных с увеличением радиального расстояния от оси вращения вала 40 между первым головным бесконтактным уплотнением 56 и хвостовым бесконтактным уплотнением 58. Данное решение позволяет обеспечить соответствующее увеличение герметизирующей способности первого внутреннего уплотнительного узла 52.
[71] Далее, хотя осуществление изобретения было показано на примере синхронного генератора с комбинированным охлаждением, когда в дополнение к воздушному охлаждению при слабом давлении атмосферы в основную полость 14 впрыскивается быстро испаряющаяся жидкость, которая образует пар, компенсирующий недостаток атмосферного воздуха, изобретение может быть использовано в электрических машинах, имеющих иную систему охлаждения. Например, воздушное охлаждение электрической машины может выступать в комбинации с жидкостными каналами, проходящими внутри статора и ротора, или иными решениями.
1. Электрическая машина, содержащая корпус, в основной полости которого расположены статор и ротор, при этом
ротор электрической машины закреплен на валу между первым и вторым подшипниками, которые удерживают вал в корпусе и для смазки которых использован консистентный смазочный материал, причем
корпус содержит закрывающий элемент, отделяющий первый подшипник от основной полости, при этом
закрывающий элемент имеет головную и хвостовую охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности, а вал имеет головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности, причем
головная и хвостовая охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности окружают соответственно головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности с образованием головного и хвостового бесконтактных уплотнений, при этом
головное и хвостовое бесконтактные уплотнения формируют единый уплотнительный канал, в котором головное бесконтактное уплотнение расположено со стороны первого подшипника, а хвостовое бесконтактное уплотнение расположено со стороны основной полости, и
на головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности выполнена головная винтовая канавка с направлением винта, являющимся противоположным направлению вращения вала, если смотреть со стороны второго подшипника в сторону первого подшипника, а
на хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности выполнена хвостовая винтовая канавка с направлением винта, совпадающим с направлением вращения вала, если смотреть со стороны второго подшипника в сторону первого подшипника.
2. Электрическая машина по п. 1, в которой головная винтовая канавка заполнена консистентным смазочным материалом.
3. Электрическая машина по п. 1, в которой на головной охватывающей уплотнительной цилиндрической поверхности выполнена по меньшей мере одна кольцевая канавка.
4. Электрическая машина по п. 3, в которой кольцевая канавка заполнена консистентным смазочным материалом.
5. Электрическая машина по п. 1, в которой головная винтовая канавка является одной из множества головных винтовых канавок, выполненных в виде многозаходного винта.
6. Электрическая машина по п. 1, в которой хвостовая винтовая канавка является одной из множества хвостовых винтовых канавок, выполненных в виде многозаходного винта.
7. Электрическая машина по любому из пп. 1-6, характеризующаяся тем, что единый уплотнительный канал имеет продольную конфигурацию, в которой хвостовое бесконтактное уплотнение имеет продольное смещение относительно головного бесконтактного уплотнения.
8. Электрическая машина по любому из пп. 1-6, характеризующаяся тем, что единый уплотнительный канал имеет лабиринтную конфигурацию, в которой хвостовое бесконтактное уплотнение имеет радиальное смещение относительно головного бесконтактного уплотнения.
9. Электрическая машина по п. 8, в которой головное бесконтактное уплотнение является первым головным бесконтактным уплотнением, при этом единый уплотнительный канал содержит второе головное бесконтактное уплотнение, выполненное аналогично первому головному бесконтактному уплотнению и расположенное с радиальным смещением относительно первого головного и хвостового бесконтактных уплотнений.
10. Электрическая машина по п. 9, в которой пространство между первым и вторым головными бесконтактными уплотнениями, а также принадлежащие им головные винтовые канавки заполнены консистентным смазочным материалом.
11. Электрическая машина по п. 1, в которой первый подшипник является подшипником, расположенным со стороны приводного элемента вала.
12. Электрическая машина по п. 1, в которой первый подшипник является подшипником, расположенным со стороны, противоположной стороне приводного элемента вала.
13. Электрическая машина по п. 1, в которой закрывающий элемент является первым закрывающим элементом, головная и хвостовая охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности являются соответственно головной и хвостовой охватывающими уплотнительными цилиндрическими поверхностями стороны первого подшипника, а головная и хвостовая охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности являются соответственно головной и хвостовой охватываемыми уплотнительными цилиндрическими поверхностями стороны первого подшипника, при этом
корпус содержит второй закрывающий элемент, отделяющий второй подшипник от основной полости, при этом
второй закрывающий элемент имеет головную и хвостовую охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника, а вал имеет головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника, причем
головная и хвостовая охватывающие уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника окружают соответственно головную и хвостовую охватываемые уплотнительные цилиндрические поверхности стороны второго подшипника с образованием головного и хвостового бесконтактных уплотнений стороны второго подшипника, при этом
головное и хвостовое бесконтактные уплотнения стороны второго подшипника формируют единый уплотнительный канал, в котором головное бесконтактное уплотнение стороны второго подшипника расположено со стороны второго подшипника, а хвостовое бесконтактное уплотнение стороны второго подшипника расположено со стороны основной полости, и
на головной охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности стороны второго подшипника выполнена головная винтовая канавка с направлением винта, являющимся противоположным направлению вращения вала, если смотреть со стороны первого подшипника в сторону второго подшипника, а
на хвостовой охватываемой уплотнительной цилиндрической поверхности стороны второго подшипника выполнена хвостовая винтовая канавка с направлением винта, совпадающим с направлением вращения вала, если смотреть со стороны первого подшипника в сторону второго подшипника.
14. Электрическая машина по п. 1, в которой охлаждение генератора обеспечивается путем создания потока воздуха в основной полости.
15. Электрическая машина по п. 1 или 14, выполненная с возможностью впрыска охлаждающей жидкости в основную полость.
16. Электрическая машина п. 1, которая представляет собой синхронный генератор.
