МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ
MAGNETIC BEARING ASSEMBLY

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок замкнутого цикла большой мощности.
Известен радиальный подшипник на магнитной подвеске, включающий кольцевые коаксиальные постоянные магниты, снабженные экранами и взаимодействующие в радиальном направлении одним одноименным действующим полюсом (см. RU 2264565, МПК7 F16C 32/04, 21.11.2003).
В известной конструкции подшипника экраны не обеспечивают надежную осевую стабилизацию, что при высоких оборотах во время работы может вызвать смещение и колебание оси; магнитное взаимодействие одним рабочим полюсом снижает эффективность использования магнитной энергии единицы объема постоянных магнитов. Энергетические потери в известной конструкции могут быть скомпенсированы увеличением массы постоянных магнитов. Следствием этого является либо увеличение габаритов или ограничение динамического диапазона радиально-осевых перемещений, что ухудшает эксплуатационные характеристики подшипника в целом.
Известен также магнитный подшипниковый узел, содержащий корпус, внутри которого смонтированы магнитные упорный и радиальный подшипники, при этом радиальный подшипник содержит кольцевые коаксиальные постоянные магниты, обращенные друг к другу неэкранированными поверхностями, один из которых скреплен с корпусом подшипника, а другой скреплен с ротором, причем упорный подшипник содержит пяту, перпендикулярную продольной оси ротора и жестко скрепленную с ним, на которой закреплен кольцевой постоянный магнит, обращенный с зазором к неэкранированному от него кольцевому постоянному магниту, закрепленному в корпусе подшипника (см. RU 2314443, МПК7 F16C 32/04, 10.01.2008).
Магнитные подвесы большинства известных на сегодня газотурбинных двигателей выполнены на базе электромагнитов (активных магнитных подшипников). Недостатки таких систем - сложная система контроля зазора между цапфой и электромагнитами, относительно большой зазор между ними, высокое энергопотребление, необходимость установки страховочных подшипников, что увеличивает массу установки. С появлением высококоэрцитивных постоянных магнитов из редкоземельных материалов появилась возможность создавать пассивные магнитные подшипники, которые позволяют отказаться от сложных систем стабилизации магнитных подшипников, уменьшить немагнитный зазор, повысить надежность, несущую способность и жесткость магнитных подшипников.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности упорного и радиального подшипниковых узлов турбогенератора, повышение надежности их работы, уменьшение потерь на трение в рабочем режиме, исключение загрязнения рабочего тела турбомашины маслом, повышение механического КПД турбогенератора.
Технический результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности упорного и радиального подшипникового узлов в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение, повышении его надежности работы, повышении механического КПД турбогенератора.
Поставленная задача решается тем, что магнитный подшипниковый узел, содержащий корпус, внутри которого смонтированы магнитные упорный и радиальный подшипники, при этом радиальный подшипник содержит кольцевые коаксиальные постоянные магниты, обращенные друг к другу неэкранированными поверхностями, один из которых скреплен с корпусом подшипника, а другой скреплен с ротором, причем упорный подшипник содержит пяту, перпендикулярную продольной оси ротора и жестко скрепленную с ним, на которой закреплен кольцевой постоянный магнит, обращенный с зазором к неэкранированному от него кольцевому постоянному магниту, закрепленному в корпусе подшипника, отличается тем, что ось вращения ротора ориентирована вертикально, при этом подпятник осевого подшипника размещен под пятой, причем пята содержит цилиндрическую выточку, на дне которой жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, причем кольцевой постоянный магнит, закрепленный в корпусе подшипника, выполнен аналогично и обращен в зазор с кольцевым магнитом пяты, так что составляющие его кольца обращены к кольцам, составляющим кольцевой магнит пяты, одноименными полюсами, кроме того, верхней части ротора, выступающей над пятой, придана форма стакана, а центральная часть крышки корпуса подшипника снабжена цилиндрическим выступом, выполненным с возможностью размещения в полости верхней части ротора, при этом на внутренней поверхности полости верхней части ротора жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием, причем на поверхности цилиндрического выступа крышки корпуса подшипника, обращенной к поверхности полости верхней части ротора, жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, по размерам и направлению намагниченности аналогичные закрепленным на внутренней поверхности полости верхней части ротора, но смещенные относительно них по вертикали, кроме того, внешняя поверхность верхней части ротора, обращенная в зазор с полостью крышки корпуса подшипника, и цилиндрическая кромка пяты, обращенная к внутренней поверхности корпуса подшипника, снабжены бандажом, выполненным намоткой высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол.
Кроме того, пята и ротор выполнены полыми и снабжены, предпочтительно, радиальными ребрами жесткости.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие, что «ось вращения ротора ориентирована вертикально, при этом подпятник осевого подшипника размещен под пятой», позволяют использовать один упорный магнитный подшипник для восприятия суммарной нагрузки от веса ротора генератора, турбины и компрессора, ось вращения которых ориентирована вертикально.
Признак, указывающий, что «пята содержит цилиндрическую выточку, на дне которой жестко закреплен составной постоянный магнит», обеспечивает жесткое скрепление постоянных магнитов с пятой, что способствует уменьшению деформации поверхности пяты магнитного подшипника и восприятию высоких нагрузок магнитным подшипником.
Признаки, указывающие, что составной постоянный магнит содержит «как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с осевым намагничиванием, причем кольцевой постоянный магнит, закрепленный в корпусе подшипника, выполнен аналогично и обращен в зазор с кольцевым магнитом пяты, так что составляющие его кольца обращены к кольцам, составляющим кольцевой магнит пяты, одноименными полюсами», формируют схему намагничивания постоянных магнитов пяты и подпятника (схему Хальбаха), которая обеспечивает увеличение магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора упорного подшипникового узла для получения значительных сил отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов. Это повышает несущую способность и жесткость упорного подшипникового узла.
Признаки, указывающие, что «верхней части ротора, выступающей над пятой, придана форма стакана, а центральная часть крышки корпуса подшипника снабжена цилиндрическим выступом, выполненным с возможностью размещения в полости верхней части ротора», обеспечивают размещение радиального магнитного подшипника в верхней части упорного магнитного подшипника и способствуют уменьшению деформации поверхности радиального магнитного подшипника и восприятию высоких радиальных нагрузок магнитным подшипником.
Признаки «… на внутренней поверхности полости верхней части ротора жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием, причем на поверхности цилиндрического выступа крышки корпуса подшипника, обращенной к поверхности полости верхней части ротора, жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита, по размерам и направлению намагниченности аналогичные закрепленным на внутренней поверхности полости верхней части ротора, но смещенные относительно них по вертикали…» формируют схему намагничивания (схему Хальбаха) наружных и внутренних постоянных магнитов, что обеспечивает увеличение магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора радиального подшипникового узла для получения значительных сил отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов для получения высокой несущей способности радиального магнитного подшипника. Смещение внутренних и наружных постоянных магнитов по вертикали создает дополнительную осевую силу, которая препятствует перемещению ротора вверх при изменении величины и направления осевой силы на частичных и переходных режимах, действующих на ротор турбины и компрессора.
Признаки, указывающие, что «внешняя поверхность верхней части ротора, обращенная в зазор с полостью крышки корпуса подшипника, и цилиндрическая кромка пяты, обращенная к внутренней поверхности корпуса подшипника, снабжены бандажом, выполненным намоткой высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол», повышают прочность пяты и стакана при действии значительных центробежных сил при вращении ротора.
Признаки, указывающие, что «пята и ротор выполнены полыми и снабжены, предпочтительно, радиальными ребрами жесткости», способствуют снижению массы и массовых моментов инерции ротора турбогенератора, а также улучшают динамические характеристики ротора при пуске и остановке турбомашины.
На фиг.1 показан продольный разрез магнитного подшипникового узла по оси вращения, а на фиг.2, 3, 4 - поперечные разрезы.
На чертежах показаны корпус 1, коаксиальные постоянные магниты 2 и 3, осевой зазор 4, крышка 5 корпуса 1 подшипника, стакан 6, ротор 7, пята 8, кольцевой постоянный магнит 9, радиальный зазор 10, кольцевой постоянный магнит 11, цилиндрическая выточка 12, цилиндрический выступ 13, бандажи 14, 15, радиальные ребра жесткости 16, 17.
Магнитный подшипниковый узел содержит корпус 1, внутри которого смонтированы радиальный и упорный магнитные подшипники. Упорный магнитный подшипник состоит из пяты и подпятника. Подпятник размещен под пятой 8, причем пята 8 содержит цилиндрическую выточку 12, на дне которой жестко закреплен составной постоянный магнит 3, содержащий, как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, причем кольцевой постоянный магнит 2, закрепленный в корпусе 1 подшипника, выполнен аналогично и обращен в зазор 4 с кольцевым магнитом 3 пяты 8 так, что составляющие его кольца обращены к кольцам, составляющим кольцевой магнит 3 пяты 8, одноименными полюсами, то есть намагничены по схеме Хальбаха. Ось вращения ротора 7 ориентирована вертикально.
Радиальный подшипник содержит кольцевые постоянные магниты 9 и 11, обращенные друг к другу неэкранированными поверхностями с зазором 10. Постоянный магнит 11 скреплен с крышкой 5 корпуса 1 подшипника, а другой магнит 9 скреплен со стаканом 6.
Верхней части ротора 7, выступающей над пятой 8, придана форма стакана 6, а центральная часть крышки 5 корпуса 1 подшипника снабжена цилиндрическим выступом 13, в полости которого размещена верхняя часть ротора 7. На внутренней поверхности стакана 6 жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита 9, при этом нечетные кольца, начиная с крайнего, намагничены по оси ротора 7 и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные кольца выполнены с радиальным намагничиванием. На поверхности цилиндрического выступа 13 крышки 5 корпуса 1 подшипника, обращенной к поверхности полости верхней части ротора 7, жестко закреплены друг над другом, как минимум, три кольцевых постоянных магнита 11, по размерам и намагниченности аналогичные закрепленным на внутренней поверхности стакана 6 верхней части ротора 7, но смещенные относительно них по вертикали. Внешняя поверхность стакана 6, обращенная в зазор с полостью крышки 5 корпуса 1 подшипника, и цилиндрическая кромка пяты 8, обращенная к внутренней поверхности корпуса 1 подшипника, снабжены бандажом 14, 15, выполненным намоткой высокопрочного волокна на связующем из твердеющих синтетических смол.
Пята 8 и ротор 7 выполнены полыми и снабжены, предпочтительно, радиальными ребрами жесткости 16, 17.
Магнитный подшипниковый узел изготавливают и собирают в следующем порядке. С помощью токарной обработки и сварки изготавливают корпус 1, крышку 5 подшипника с ребрами жесткости и ротор 7 с ребрами жесткости 16, 17, стакан 6 и пяту 8.
Стакан 6 жестко скрепляют с ребрами жесткости 17 по центру ротора 7, например, контактной сваркой. На наружную цилиндрическую поверхность ротора 7 и стакана 6 наматывают бандаж 15 и 14 из углеволокна и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. В кольцевые полости стакана 6 ротора 7 устанавливают на клей предварительно намагниченные в радиальном и осевом направлениях кольцевые магниты 9 радиального магнитного подшипника в строгом соответствии с их расположением на фиг.1. На торцевые внутренние кольцевые полости корпуса 1 подшипника и пяты 8 устанавливают на клей предварительно намагниченные в радиальном и осевом направлениях кольцевые коаксиальные магниты 2 и 3 упорного магнитного подшипника в строгом соответствии с их расположением на фиг.1.
Сборка крышки 5 магнитного подшипника
На наружную цилиндрическую поверхность меньшего диаметра больших кольцевых полостей крышки 5 магнитного подшипника устанавливают на клей предварительно намагниченные в радиальном и осевом направлениях кольцевые магниты 11 в строгом соответствии с их расположением на фиг.1.
Сборка магнитного подшипника
Собранный ротор 7 вставляют в корпус 1 подшипника. Сверху магнитного подшипника надевают крышку 5 магнитного подшипника. Крышку 5 прижимают до соединения с корпусом 1 подшипника с помощью струбцин. Фиксируют фланцы крышки 5 и корпуса 1 подшипника болтами. При правильной сборке ротор 7 подшипникового узла должен свободно вращаться в радиальном и упорном магнитных подшипниках, не касаясь корпуса 1 подшипника и крышки 5.
Магнитный подшипниковый узел работает следующим образом. Вследствие действия отталкивающих сил упорного и радиального магнитных подшипников ротор 7 подшипникового узла располагается симметрично корпусу 1 с радиальным зазором 4 и осевым зазором 10 без механического контакта. Упорный магнитный подшипник имеет как осевую жесткость, так и радиальную, но первая значительно больше. Радиальный магнитный подшипник имеет как радиальную жесткость, так и осевую, но первая значительно больше. Смещение внутренних магнитов 11 относительно наружных 9 радиального магнитного подшипника создает предварительное осевое усилие, направленное вниз. Оно необходимо для предотвращения чрезмерного перемещения ротора 7 турбогенератора вверх при изменении осевого усилия, обусловленного газодинамическими силами турбины и компрессора, на частичных и переходных режимах.