МАГНИТНОЕ ПОДШИПНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ МАХОВИКА МАГНИТНОГО УПОРНОГО ПОДШИПНИКА
MAGNETIC BEARING DEVICE AND METHOD OF COOLING FLYWHEEL OF MAGNETIC THRUST BEARING

Настоящее изобретение относится к подшипниковым устройствам, охлаждаемым текучей средой, в особенности к устройствам, содержащим магнитный упорный подшипник, охлаждаемый потоком текучей среды.
В патенте Великобритании №2357321 описан вращательный вал газотурбинного двигателя, причем между компрессором и турбиной указанного двигателя выполнен фланец. Холодный воздух под низким давлением протекает из пространства в корпусе по каналам во фланце, через выпускную часть в диске и через радиальные отверстия в наружной периферийной части диска поступает обратно в указанное пространство.
Обычно в подшипнике поток текучей среды, например газовый поток, вводится в один или несколько воздушных зазоров между вращающимся маховиком упорного подшипника и одним или несколькими неподвижными упорами упорного подшипника. Газовый поток должен быть достаточным для отведения тепловой энергии, обусловленной магнитной индукцией, и тепловой энергии, выделяющейся из-за внутреннего трения текучей среды в воздушном зазоре. Потери на вентиляцию относятся к потерям последнего типа.
Если подшипниковое устройство является частью вращательной машины, такой как турбина или компрессор, то большой расход газа, требуемого для охлаждения, иногда приводит к необходимости создания контура циркуляции охлаждающей текучей среды для охлаждения не только подшипникового устройства, но и других компонентов машины. Этот охлаждающий контур может быть внутренним по отношению к машине, т.е. может использовать, например, основную текучую среду, протекающую по машине, и перепад давления в этой машине, или может быть образован отдельно в виде специального охлаждающего контура, возможно использующего другую охлаждающую текучую среду (например, но не обязательно, воздух) и устройство для создания специального потока текучей среды.
В любом случае большой расход охлаждающей текучей среды непосредственно приводит к экономическим потерям или из-за снижения производительности турбомашины (внутренний контур), или из-за затрат, связанных с инвестициями и с использованием внешней системы охлаждения.
Для уменьшения стоимости охлаждения необходимо уменьшить поток охлаждающей текучей среды, но при сохранении тех же рабочих температур компонентов подшипника или подшипникового устройства.
Изобретение направлено на создание подшипника или подшипникового устройства, охлаждаемых посредством системы циркуляции текучей среды, позволяющей эффективно охлаждать подшипник, т.е. отводить тепло, выделяющееся в результате магнитных, электрических и вентиляционных потерь, используя только меньший расход охлаждающей текучей среды. Целью изобретения является уменьшение потребности в охлаждении благодаря уменьшению потерь на вентиляцию. Потери на вентиляцию обычно соответствуют энергии, передаваемой вращающимся маховиком охлаждающей текучей среде. Эта энергия может быть положительной, отрицательной или нулевой.
- Если локальная скорость маховика больше скорости текучей среды, то маховик заставляет текучую среду вращаться. Текучая среда нагревается. Чем больше разность между скоростью текучей среды и скоростью маховика, тем более важное значение имеют потери энергии.
- Если локальная скорость текучей среды равна скорости маховика, то трение отсутствует и отсутствуют потери на вентиляцию.
- Если скорость текучей среды больше скорости маховика и имеет одинаковое с ней направление, то текучая среда приводит во вращение маховик, передавая ему энергию.
Это говорит о том, что потери на вентиляцию могут быть ограничены или исключены путем уменьшения существующей разности скоростей маховика с упором и охлаждающей текучей среды в любой точке.
Основным принципом настоящего изобретения является введение охлаждающей текучей среды, предпочтительно с большой скоростью, в направлении вращения (тангенциальном направлении) упора, чтобы минимизировать потери на трение. Под высокой скоростью понимается тангенциальная скорость текучей среды, равная 50% - 150% тангенциальной скорости упора в точке упора, которая проходит перед точкой введения текучей среды.
Исходя из условия сохранения момента количества движения вводимой текучей среды, понятно, что для уменьшения потерь на трение при данной скорости ввода больший эффект достигается при подаче текучей среды на периферию маховика, а не к внутреннему диаметру.
Поэтому согласно изобретению предлагается магнитное подшипниковое устройство, содержащее вращающийся маховик упорного подшипника, установленный с возможностью магнитного взаимодействия с по меньшей мере одним неподвижным осевым упором.
Устройство содержит проход для охлаждающей текучей среды, предназначенный для подачи потока охлаждающей текучей среды к маховику в направлении по существу в радиальной плоскости относительно оси вращения маховика.
Текучая среда вводится в подшипниковое устройство так, что она течет вдоль одной или нескольких открытых сторон маховика в осевом воздушном зазоре между маховиком и одним или несколькими осевыми упорами.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, текучая среда подается к периферийной окружной поверхности маховика. Согласно одному варианту осуществления изобретения, текучая среда подается к периферийной окружной поверхности маховика так, что она ударяется об эту поверхность. Согласно другому варианту осуществления изобретения, текучая среда подается к периферийной окружной поверхности так, что поток течет вдоль по существу радиальной поверхности, граничащей с периферийной окружной поверхностью.
Под периферийной окружной поверхностью понимается поверхность, ограничивающая размер маховика в радиальном направлении. Эта поверхность может быть частью цилиндрической поверхности вращения, может быть цилиндрической поверхностью некруглого профиля или может быть частью нецилиндрической поверхности, например, частью тороидальной поверхности, на которой установлены лопасти.
В данном описании под радиальной поверхностью понимается плоская поверхность, образованная прямыми линиями, перпендикулярными к оси маховика и проходящими через одну и ту же точку оси. Под осевым направлением понимается прямолинейное направление, параллельное оси. Под осевой поверхностью понимается часть поверхности, образованной прямыми линиями, параллельными оси. Такая поверхность фактически является цилиндрической поверхностью или частью цилиндрической поверхности.
Возможны варианты осуществления изобретения, в которых поток текучей среды вводится, например, через упор, в воздушный зазор между маховиком и упором, не достигая наиболее периферийного участка маховика. В этом случае направление введения потока находится по существу в плоскости воздушного зазора. Например, направление введения потока образует с осью маховика угол от 70° до 110°, а предпочтительно от 80° до 100°.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, охлаждающий поток подается к маховику так, что по меньшей мере в одной точке удара потока о маховик составляющая скорости потока, перпендикулярная к радиальному направлению, больше половины линейной скорости вращения маховика в этой точке удара или равна половине этой линейной скорости, а предпочтительно больше или равна 0,7 линейной скорости вращения маховика в этой точке удара. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, в особенности при подаче потока на периферийную окружную поверхность маховика, тангенциальная скорость потока текучей среды (т.е. скорость, перпендикулярная к радиальному направлению) больше линейной скорости вращения в точке удара, чтобы не только ограничить внутреннее трение текучей среды, обусловленное охлаждающим потоком, но также сообщить маховику вращательную механическую энергию. Здесь под точкой удара имеется в виду точка пересечения траектории текучей среды с поверхностью маховика. Тангенциальная скорость потока текучей среды может быть меньше локальной скорости вращения маховика, особенно в случае, когда поток текучей среды подается при его центрировании относительно воздушного зазора между маховиком и осевым упором. Направление потока текучей среды может быть задано путем направления трубы или каналов для перемещения текучей среды к маховику, например, через направляющий элемент для потока. Требуемая полная скорость потока текучей среды может быть задана, в частности, сечением труб или каналами для подвода текучей среды, длиной этих каналов и давлением текучей среды на входе этих каналов или труб.
Магнитное подшипниковое устройство предпочтительно содержит по меньшей мере один направляющий элемент для потока текучей среды, пересекаемый по меньшей мере одним каналом, который открывается вблизи периферийной окружной поверхности маховика. Канал может быть выполнен так, чтобы поток охлаждающей текучей среды подавался к маховику в направлении, перпендикулярном или наклонном к локальному радиальному направлению в месте пересечения линии потока охлаждающей текучей среды с маховиком.
Выражение «вблизи периферийной окружной поверхности» означает, что поток текучей среды соприкасается с этой поверхностью или с по меньшей мере одним ее краем. Угол между направлением падения потока и локальным радиальным направлением маховика может быть определен, в первом приближении, как угол между по меньшей мере одной линией, касательной к направляющей поверхности на выходе канала в направляющем элементе, и радиальным направлением маховика, проходящим через точку пересечения этой линии с маховиком.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, канал проходит в направлении, которое является по существу тангенциальным относительно периферийной окружной поверхности маховика. Если периферийная поверхность гладкая, то можно считать, что направление канала является по существу тангенциальным, если по меньшей мере одна линия, касательная к направляющей поверхности на выходе канала, является касательной к периферийной поверхности маховика. Целесообразно, чтобы канал был расположен по существу параллельно радиальной плоскости маховика, т.е. параллельно плоскостям воздушных зазоров, граничащих с маховиком. Вообще говоря, можно считать, что направление канала является по существу тангенциальным относительно маховика, если по меньшей мере одна линия, касательная к направляющей поверхности на выходе канала, образует угол от 45 ° до 90° с радиальным направлением маховика в точке его пересечения касательной линией.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, направляющий элемент для потока окружает маховик. Через направляющий элемент для потока предпочтительно проходят несколько каналов, распределенных вокруг него, причем каждый канал открывается вблизи маховика. Согласно первому варианту осуществления изобретения, каналы по существу центрированы относительно середины осевой ширины маховика.
Согласно второму варианту осуществления изобретения, каналы по меньшей мере одной группы по существу центрированы относительно воздушного зазора, разделяющего маховик и связанный с ним осевой упор. Выражение «связанный с маховиком осевой упор» означает, что осевой упор расположен так, что может магнитно взаимодействовать с маховиком.
Целесообразно, чтобы подшипниковое устройство содержало маховик, выполненный с возможностью магнитного взаимодействия с первым и вторым осевыми упорами, расположенными по разным сторонам от маховика. В этом случае направляющий элемент для потока может иметь две группы каналов, при этом каналы первой группы по существу центрированы по оси относительно воздушного зазора между маховиком и первым осевым упором, а каналы второй группы по существу центрированы по оси относительно воздушного зазора между маховиком и вторым осевым упором.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, магнитное подшипниковое устройство содержит полость вокруг направляющего элемента, которая предназначена для подачи в нее газа под давлением и в которую открываются по меньшей мере радиально наружные концы двух каналов направляющего элемента для потока.
Периферийная окружная поверхность маховика в простейшем случае может быть гладкой, или может быть снабжена рельефом или лопастями, проходящими к периферии маховика в осевом направлении. Это рельеф или эти лопасти образуют радиальные выступы маховика.
В некоторых вариантах осуществления изобретения рельеф или лопасти могут проходить в осевом направлении только на части осевой ширины маховика. В других вариантах осуществления изобретения рельеф или лопасти могут проходить в осевом направлении на всю осевую ширину маховика.
Возможны альтернативные варианты осуществления изобретения, в которых рельеф выполнен на по меньшей мере одной радиальной поверхности маховика и проходит по меньшей мере частично в радиальном направлении маховика. Эти рельеф и/или лопасти, расположенные на периферийной окружной поверхности и/или на радиальных поверхностях маховика внутри его воздушного зазора, способствуют приведению маховика во вращение потоком охлаждающей текучей среды, особенно если локальная тангенциальная скорость текучей среды, то есть, тангенциальная скорость текучей среды относительно орторадиального направления маховика, больше угловой скорости маховика в месте контакта с текучей средой.
Согласно другому аспекту изобретения, предлагается способ охлаждения магнитного подшипника маховика, установленного с возможностью вращения относительно неподвижного осевого упора или с возможностью вращения между двумя неподвижными осевыми упорами, при этом способ включает подачу потока охлаждающей текучей среды к маховику в направлении, проходящем по существу в радиальной плоскости относительно оси вращения маховика.
Можно забирать по меньшей мере часть потока охлаждающей текучей среды, протекающего в воздушном зазоре между маховиком и осевым упором, и подавать ее через радиальный подшипник для охлаждения последнего. Забор части потока можно осуществить, например, соединив пространство радиального зазора между маховиком и осевым упором, которое само сообщается с воздушным зазором, и пространство радиального зазора между неподвижной частью и вращающейся частью радиального магнитного подшипника. Также можно соединить радиальный зазор между маховиком и упором и охлаждающие каналы, проходящие через неподвижную часть радиального магнитного подшипника. Сливные трубы для охлаждающей текучей среды находятся, разумеется, снаружи от радиального магнитного подшипника, на осевой стороне, расположенной напротив входа текучей среды, поступающей от упорного подшипника, чтобы охлаждающая текучая среда могла циркулировать через радиальный подшипник. Радиальный магнитный подшипник может быть магнитным подшипником, входящим в тот же механический подузел, что и упорный магнитный подшипник. Согласно другому альтернативному варианту осуществления изобретения, радиальный магнитный подшипник может находиться на расстоянии от упорного магнитного подшипника, иначе говоря, радиальный подшипник может быть отделен от упорного подшипника третьим вращающимся элементом, например радиальным подшипником, относящимся к компрессорной ступени вращательной машины.
Другие цели, признаки и преимущества изобретения будут понятны из представленного ниже описания, приведенного в качестве примера и не ограничивающего изобретения. Описание сопровождается чертежами, где
На Фиг.1 схематично изображен продольный разрез подшипникового устройства согласно изобретению,
На Фиг.2 упрощенно изображен поперечный разрез подузла, относящегося к подшипнику согласно изобретению,
На Фиг.3 упрощенно изображен поперечный разрез подузла, относящегося другому подшипнику согласно изобретению,
На Фиг.4 упрощенно изображен поперечный разрез еще одного подшипника согласно изобретению и
На Фиг.5 упрощенно изображен продольный разрез варианта выполнения подшипника согласно изобретению.
Как показано на Фиг.1, магнитное подшипниковое устройство 1 для вращательной машины согласно изобретению установлено на валу 5, имеющем геометрическую ось XX’, и содержит установленный на валу 5 маховик 2, вращающийся вместе с валом и закрепленный на нем посредством, например, гайки 11. Магнитное подшипниковое устройство 1 содержит также первый осевой упор 3 и второй осевой упор 4, составляющие одно целое с корпусом 9 подшипникового устройства, при этом корпус 9 установлен неподвижно. Устройство содержит по меньшей мере одну зону 32 центрального радиального зазора, определяющую радиальный зазор между валом 5 или между центральной частью маховика 2, окружающего вал 5, и неподвижными элементами устройства 1, например упором 3 или 4. Благодаря этим зонам 32 возможно бесконтактное вращение узла, состоящего из вала и маховика, относительно неподвижных частей, расположенных вокруг вала вблизи маховика. Кроме того, благодаря этим зонам 32 можно посредством ведущих в них газоходов отводить газы, протекающие в воздушных зазорах 21 и 22.
Упоры 3 и 4 расположены в непосредственной близости от маховика 2 и отделены от него в осевом направлении первым воздушным зазором 21 и вторым воздушным зазором 22, соответственно.
Первый упор 3 и второй упор 4 содержат электрические обмотки для генерирования соответственно первого и второго магнитных полей, притягивающих в осевом направлении маховик 2, соответственно к первому осевому упору 3 и второму осевому упору 4. Благодаря равновесию этих сил притяжения в осевом направлении сохраняется осевое положение маховика 3 и, следовательно, вала 5, относительно корпуса 9 магнитного подшипникового устройства.
В данном случае корпус 9 состоит из нескольких частей 9a, 9b, 9c и 9d, но может быть выполнен в виде единого целого или состоять из другого количества частей. В рассматриваемом примере одна из частей 9с и так называемый осевой клин 17 удерживают, соответственно, второй упор 4 и первый упор 3 от смещения в осевом направлении относительно корпуса 9.
В корпусе 9 просверлен канал 8 для подачи текучей среды, который открывается в полость 6 повышенного давления, окружающую наружную периферию маховика 2. Эта полость 6 отделена в радиальном направлении элементом 7, предназначенным для направления потока, от полости 23, непосредственно окружающей маховик, или от радиального промежутка между маховиком и направляющим элементом 7 для потока. Полость 23, образующая непосредственное окружение маховика, определяет объем газа, в котором находится наружная периферия маховика 2. В показанном примере в этом объеме находятся также по меньшей мере часть наружной периферии первого осевого упора 3 и второго осевого упора 4.
Эта полость 23 непосредственного окружения также сообщается с первым воздушным зазором 21 и со вторым воздушным зазором 22.
Направляющий элемент 7 для потока пропускает текучую среду, находящуюся в полости 6 повышенного давления, в полость 23 через выполненные в нем один или несколько каналов 20. Каналы 20 направляют поток текучей среды из полости 6 повышенного давления к маховику 2 в направлении, проходящем по существу в радиальной плоскости, от периферии к центру. В данном описании осевое направление означает направление, параллельное оси вращения ХХ’ машины, а радиальное направление – направление, перпендикулярное к оси вращения ХХ’ и проходящее через эту ось ХХ’. Поток 31 охлаждающей текучей среды, показанный черными стрелками, проходит по подающему каналу 8, затем через один или несколько каналов 20 в направляющем элементе 7 и сталкивается с маховиком 2, с одной стороны, с его периферийной окружной поверхностью 24, и с другой стороны, с его радиальными поверхностями 25 и 26. Радиальные поверхности 25 и 26 маховика ограничивают в осевом направлении соответственно первый воздушный зазор 21 и второй воздушный зазор 22. Возможны альтернативные варианты, в которых охлаждающий поток попадает на маховик в направлении, лежащем в радиальной плоскости, и ударяется либо только о периферийную окружную поверхность 24 маховика, либо только об одну или о две его радиальные поверхности 25, 26. В последнем случае поток охлаждающей текучей среды предпочтительно направлен так, что он ударяется о каждую из двух радиальных поверхностей с соизмеримыми скоростями, чтобы по возможности избежать изменения осевой балансировки маховика.
Независимо от того, с какой поверхностью маховика 2 происходит столкновение, поток 31 текучей среды течет вдоль радиальных поверхностей 25 и 26 маховика 2 до тех пор, пока он не достигнет зон 32 центрального радиального зазора. Из этих зон 32 охлаждающая текучая среда может направляться к другим элементам, подлежащим охлаждению.
В рассматриваемом примере поток текучей среды, текущий по одной из радиальных поверхностей маховика 2, в данном случае по левой стороне, т.е. по поверхности 25 маховика, затем направляется через радиальный магнитный подшипник 12, находящийся в той же вращательной машине, что и упорный магнитный подшипник 1, для охлаждения радиального подшипника 12. Вращательная машина может представлять собой турбину или компрессор, работающие с газом или жидкостью. Охлаждающая текучая среда может подаваться от упорного подшипника 1 к радиальному подшипнику, относящемуся к той же ступени сжатия или разрежения, что и упорный подшипник 1, или может подаваться к другой ступени вращательной машины. Поскольку поток охлаждающей текучей среды направляется, как описано далее, на по меньшей мере одну поверхность маховика с по меньшей мере одной ненулевой тангенциальной составляющей скорости на поверхности, и кроме того, поскольку, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, тангенциальная скорость текучей среды относительно поверхности меньше абсолютной скорости в фиксированной реперной метке, связанной с корпусом 9, потери давления охлаждающей текучей среды при контакте с маховиком 2 меньше, чем в обычных конструкциях, в которых текучая среда подается на одну из радиальных поверхностей маховика по существу в осевом направлении. Кроме того, охлаждающая текучая среда нагревается меньше, чем в обычных конструкциях при сопоставимой скорости потока. Это меньшее падение давления и меньшее нагревание позволяют повторно использовать охлаждающую текучую среду более эффективно для охлаждения других элементов после охлаждения маховика 2.
В рассматриваемом примере часть охлаждающей текучей среды из зоны 32 радиального зазора упорного подшипника направляется в радиальный зазор 33, образованный между вращающейся частью 12а и неподвижной частью 12b радиального подшипника 12, а часть текучей среды направляется через один или несколько охлаждающих каналов 13, проходящих через неподвижную часть радиального подшипника 12 в том же осевом направлении. Эти каналы 13 просверлены вокруг оси ХХ’ только в пределах ограниченного угла, и не образуют радиального зазора вокруг оси ХХ’. Текучая среда, прошедшая через радиальный подшипник 12, затем может быть удалена из магнитного подшипникового устройства 1 через отверстие 34 для слива текучей среды, проходящее через корпус 9. Подшипниковое устройство может также по выбору содержать радиальный шариковый подшипник 18, чтобы сохранялась способность вала 5 вращаться относительно неподвижного корпуса 9 при выходе из строя радиального магнитного подшипника 12.
При поступлении потока 31 текучей среды на маховик 2 упорного подшипника в по существу радиальном направлении влияние внутреннего трения текучей среды на уровне воздушных зазоров 21 и 22 уменьшается. Кроме того, при подаче текучей среды через каналы 20 наклонно относительно локальной нормали к периферийной окружной поверхности 24 маховика давление потока 31 охлаждающей текучей среды может способствовать вращению маховика 2, а не создавать силы внутреннего трения текучей среды, которые имеют тенденцию, наоборот, замедлять вращение маховика 2 и вырабатывать дополнительное тепло вследствие внутреннего трения.
Поэтому предпочтительно, чтобы по меньшей мере в некоторых точках удара охлаждающей текучей среды по маховику 2 орторадиальная скорость текучей среды была больше или равна локальной линейной скорости точки на маховике 2, в которую ударяет охлаждающая текучая среда.
Точки с таким соотношением скоростей могут находиться либо на периферийной окружной поверхности 24 маховика, либо на его первой радиальной поверхности 25 или на второй радиальной поверхности 26.
На Фиг.2 упрощенно изображен разрез в радиальной плоскости направляющего элемента 7 для потока согласно изобретению и маховика 2 согласно изобретению. Одинаковые элементы на Фиг.1 и 2 имеют одинаковые цифровые позиции. Граница между маховиком 2 и валом 5 на Фиг.2 не показана.
В направляющем элементе 7 для потока пробито несколько каналов 20, при этом все они проходит симметрично по обеим сторонам от средней радиальной плоскости, соответствующей, например, плоскости чертежа. Каждый канал 20 является по существу прямолинейным и его направление по существу соответствует наклонному направлению F потока охлаждающей текучей среды, выходящего из этого канала к маховику 2. Направление F является по существу тангенциальным относительно периферийной окружной поверхности 24 маховика. Таким образом, скорость охлаждающей текучей среды, ударяющейся о маховик 2, может эффективно способствовать передаче ему вращающего момента. В примере на Фиг.2 предполагается, что обычным направлением вращения маховика 2 является вращение по часовой стрелке. Угол α падения потока охлаждающей среды в точке М маховика 2 можно определить как угол между направлением F поступления потока на маховик и радиальным направлением Rad (M), проходящим через точку М и ось XX'. Поток охлаждающей текучей среды, поступающий через каналы 20, может течь, с одной стороны и в первую очередь, вокруг периферийной окружной поверхности 24 маховика и, с другой стороны, непосредственно или во вторую очередь, вдоль радиальных поверхностей 25 и 26 маховика в направлении к оси XX', как показано на Фиг.2 раздвоенной стрелкой 31 в точке М удара на маховике.
Как показано на фиг.2, периферийная окружная поверхность 24 маховика может иметь рельеф, неровности или гребни 27, усиливающие эффект приведения маховика во вращение от удара потока охлаждающей текучей среды, поступающего на маховик с тангенциальной составляющей скорости. Такой рельеф или такие неровности или гребни могут также находиться на первой радиальной поверхности 25 и на второй радиальной поверхности 26 маховика 2 или могут находиться только на этих радиальных 15 поверхностях. Однако рельеф на периферийной окружной поверхности 24, по сравнению с рельефом на радиальных поверхностях 25 и 26, легче сформировать так, чтобы линии магнитного поля в маховике искажались лишь незначительно.
В показанном примере каналы 20, подводящие поток текучей среды к маховику 2, распределены равномерно по его окружности. В альтернативных вариантах осуществления изобретения каналы 20 могут быть расположены так, что угловое смещение между ними неодинаковое, так что все каналы не находятся на одном и том же расстоянии друг от друга. Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, каналы 20 даже могут быть неравномерно распределены вокруг оси XX'. Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, поток охлаждающей среды может подаваться через один канал или только через одну группу каналов, имеющих одинаковое угловое положение относительно направляющего элемента 7 для потока.
Фиг.3 упрощенно изображает разрез в радиальной плоскости другого направляющего элемента 7 для потока, согласно изобретению, и другого маховика 2, согласно изобретению.
Одинаковые элементы на Фиг.3 и на предшествующих чертежах обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
В примере, показанном на Фиг.3, периферийная поверхность 24 маховика 2 имеет периферийные лопасти 28, проходящие радиально между участками маховика 2, имеющими минимальный радиус R1, и участками маховика 2 , имеющими максимальный радиус R2. Лопасти 28 имеют такую геометрию, что поток охлаждающей текучей среды, проходящий через каналы 20 и ударяющий по периферийной окружной поверхности 24 маховика 2 в направлении F, способствует приведению маховика 2 во вращение. Если считать, что точка М является точкой удара потока охлаждающей текучей среды по маховику 2, то угол α между направлением F удара и локальным радиальным направлением Rad (M) в рассматриваемом случае превышает 90°, то есть направление F удара потока не является строго тангенциальным относительно среднего контура маховика, но и «обращено» к центру маховика 2, что содействует протеканию охлаждающей текучей среды вдоль радиальных поверхностей маховика в первом и втором воздушных зазорах 21 и 22 (на Фиг.3 не показаны), и в направлении слива этой охлаждающей текучей среды. В варианте осуществления, показанном на Фиг.2, угол α близок к 90°, в результате чего обеспечивается эффект приведения маховика во вращение.
Таким образом, два варианта осуществления изобретения различаются между собой и каждый из них обладает преимуществами, связанными с геометрией направляющего элемента 7 и маховика 2. В первом альтернативном варианте осуществления направление каналов 20 таково, что поток F текучей среды направляется по касательной к окружности, центр которой расположен на оси XX' и радиус которой больше минимального радиуса R1 маховика 2 и меньше его максимального радиуса R2. В этом случае поток текучей среды, протекающей вокруг периферийной окружной поверхности 24 маховика, обеспечивает максимальный приводной эффект.
В другом варианте осуществления изобретения направление каналов 20 таково, что направление F потока является касательным к окружности, центр которой расположен на оси XX' и радиус которой меньше минимального радиуса R1 периферийной окружной поверхности 24 маховика. В этом втором альтернативном варианте облегчается прохождение потока в воздушные зазоры 21 и 22, граничащие с маховиком 2 в осевом направлении, а также облегчается, при необходимости, приведение маховика во вращение благодаря внутреннему трению охлаждающей текучей среды на радиальных поверхностях 24 и 25 маховика. Такой второй вариант показан на Фиг.3 и 4. На Фиг.4 изображен в упрощенном виде третий направляющий элемент 7 для потока, согласно изобретению, и соответствующий маховик 2.
На Фиг.4 маховик 2 показан с торца со стороны первой радиальной поверхности 25. Радиальная поверхность 25 снабжена боковыми лопастями 29, способствующими вращению маховика 2 частью потока охлаждающей текучей среды, протекающей через первый воздушный зазор 21. Такие лопасти 29 могут быть образованы, например, реброобразным рельефом, расположенным между наружной окружностью маховика 2 и внутренней границей с радиусом R3 на радиальной поверхности маховика. Осевая толщина этих лопастей должна быть небольшой, чтобы не нарушать, насколько это возможно, магнитное взаимодействие между маховиком 2 и осевыми упорами 3 и 4 (на Фиг.4 не показаны).
Чтобы улучшить охлаждение маховика 2 посредством его радиальных поверхностей 25 и 26, можно вместо каждого из расположенных по окружности каналов 20 выполнить два параллельных канала 20a и 20b, которые открываются по существу в первый воздушный зазор 21 и второй воздушный зазор 22, соответственно, как показано на Фиг.5.
Фиг.5 упрощенно изображает такой вариант осуществления изобретения в осевом разрезе. Элементы на Фиг.5, аналогичные элементам на предшествующих чертежах, имеют одинаковые цифровые позиции. Как показано на Фиг.5, два параллельных канала 20a и 20b или группы двух каналов 20a и 20b, распределенных по окружности вокруг оси XX', по существу открыты в первый воздушный зазор 21 и второй воздушный зазор 22, соответственно. В примере, изображенном на Фиг.5, осевая ширина (т.е. ширина в направлении оси XX') каждого из каналов 20a и 20b меньше, чем расстояние в осевом направлении между первым осевым упором 3 и вторым осевым упором 4. Другими словами, осевая ширина каждого канала 20a и 20b меньше осевой толщины маховика 2. Каждый канал 20a и 20b по существу центрирован относительно, соответственно, первого воздушного зазора 21 и второго воздушного зазора 22. Возможен вариант осуществления изобретения, в котором каналы 20a и 20b не строго центрированы относительно этих воздушных зазоров, но расположены симметрично относительно радиальной средней плоскости, разделяющей два воздушных зазора 21 и 22, и при этом каждое из отверстий 20a и 20b расположено, по меньшей мере частично, напротив соответствующего воздушного зазора.
Благодаря системе циркуляции охлаждающей текучей среды согласно изобретению достигается меньший подъем температуры, вызванный внутренним трением охлаждающей текучей среды на маховике 2 и осевых упорах 3 и 4. Таким образом, уменьшается количество тепла, которое нужно отводить, а также уменьшается расход охлаждающей текучей среды, необходимый для обеспечения заданной температуры магнитного подшипникового устройства. В некоторых случаях, переход от обычной конфигурации, где охлаждающая текучая среда подается в осевом направлении, к конфигурации согласно изобретению, где охлаждающая текучая среда подается в радиальной плоскости, позволяет уменьшить в два раза тепловую энергию, которую необходимо отводить от упорного подшипника.
Газ или охлаждающая текучая среда, подаваемая в канал 8 подачи текучей среды, представляет собой предпочтительно холодную текучую среду, например газ, имеющий температуру от 0 °C до 50 °C . При типичном применении упорного подшипника, например, в качестве упорного подшипника для компрессора, давление охлаждающей текучей среды в полости 6 повышенного давления, окружающей направляющий элемент 7для потока, может составлять от 2 до 3 бар. В таком случае на выходе каналов 20, в полости 23, ограниченной снаружи направляющим элементом 7 для потока и окружающей маховик 2, могут быть достигнуты давление охлаждающей текучей среды, например, от 1 до 2 бар, и скорость потока текучей среды, например, от 150 до 350 м/сек.
Целесообразно, чтобы ширина воздушного зазора была такова, что давление охлаждающей текучей среды вблизи вала 5 было все еще больше 1 бар, например, по меньшей мере больше 1,2 бар. Это избыточное давление, по сравнению с атмосферным давлением, позволяет либо отводить самотеком охлаждающую текучую среду наружу из корпуса, либо использовать эту текучую среду для охлаждения других элементов подшипникового устройства или других элементов узла, в состав которого входит это подшипниковое устройство.
Объем изобретения не ограничен описанными вариантами его осуществления и допускает различные изменения. Каналы для ввода текучей среды могут не быть прямолинейными и могут быть получены с использованием других технологий, нежели сверление на станке, например, путем литья.
Периферийная окружная поверхность 24 маховика может иметь рельеф или лопасти, выполненные как одно целое с маховиком, или может быть снабжена дополнительными элементами, улучшающими «парусность» периферийной поверхности маховика. Эта периферийная поверхность также может быть гладкой. Возможно использование альтернативных вариантов осуществления изобретения, в которых поток газа или охлаждающей текучей среды подается на маховик по существу в радиальном направлении, причем это направление не является строго радиальным, а проходит, например, под углом от 0 до 15° относительно радиального направления. Хотя этот альтернативный вариант малоэффективен в отношении приведения маховика во вращение, но он по меньшей мере позволяет уменьшить внутреннее трение текучей среды между охлаждающей текучей средой и маховиком.
Магнитное подшипниковое устройство согласно изобретению может содержать только один осевой упор, связанный с маховиком, например, в устройствах с вертикальной осью вращения. Магнитное подшипниковое устройство согласно изобретению может особенно успешно использоваться в таких устройствах как насосы, турбины и компрессоры, которые уже изначально охлаждаются циркулирующей текучей средой. Магнитное подшипниковое устройство согласно изобретению применимо к любому магнитному устройству для сохранения требуемого осевого положения оси вращения любого механического устройства. Контур охлаждающей текучей среды может быть предназначен только для охлаждения маховика упорного подшипника и одного или нескольких соответствующих упоров, без использования текучей среды для охлаждения других элементов подшипника или соответствующих механических устройств.
Для устройств, предназначенных для работы в любом направлении вращения вокруг оси XX', могут быть предусмотрены две группы каналов 20 для ввода текучей среды, используемые, та или другая, в зависимости от направления вращения, при этом каналы разных групп имеют противоположные углы наклона относительно маховика. Кроме того, каналы 20 могут быть расположены радиально относительно маховика.