ТУРБОМАШИНА
TURBOMACHINE

Изобретение относится к турбомашине, имеющей корпус, вал ротора для установки, по меньшей мере, одного лопастного колеса, подшипниковый узел, имеющий, по меньшей мере, один активный магнитный подшипник, на который опирается вал ротора внутри корпуса, по меньшей мере, один датчик зазора и контроллер, подключенный к датчику зазора для управления активным магнитным подшипником. Для точного определения положения при помощи датчика зазора на валу ротора выполнена контрольная поверхность, взаимодействующая с датчиком зазора.
Магнитные подшипники работают без контактного износа и поэтому особенно пригодны для установок, в которых имеет место вращение с высокой скоростью, таких как турбомашины. Между вращающимися деталями и противоположными им неподвижными деталями магнитного подшипника сохраняется зазор, который необходимо по возможности поддерживать постоянным. В частности, необходимо избегать возникновения прямого контакта вследствие наклонов, ударов и тому подобных воздействий. В случае активного магнитного подшипника положение ротора непрерывно отслеживается датчиком зазора и обеспечивается создание восстанавливающих сил при помощи соответствующего приведения в действие магнитного подшипника для возврата ротора, т.е. вращающегося вала, в требуемое положение.
Для обеспечения непрерывного определения положения при помощи датчика зазора на валу ротора имеется контрольная поверхность, взаимодействующая с датчиком зазора, которая должна выполняться при изготовлении вала ротора.
В применяемых турбомашинах обычно в качестве контрольной поверхности используются пакеты тонких дисков, которые прикрепляются при изготовлении вала ротора. Для этой цели пакеты дисков предварительно собирают и подвергают механической обработке, устанавливают на вал ротора и затем подвергают точному обтачиванию до диаметра вала ротора. В результате взаимодействия дискового узла и датчика зазора генерируется сигнал, зависящий от величины зазора и, таким образом, определяется точное положение вала. Данный подход доказал свою пригодность на практике. Однако, производственные затраты и, следовательно, стоимость производства являются высокими, и также происходит увеличение внешнего диаметра вала ротора за счет установки дискового узла.
С учетом данного уровня техники целью изобретения является снижение производственных затрат за счет изготовления турбомашины, обладающей признаками, описанными выше, без ухудшения ее функциональных свойств.
На основе турбомашины с признаками, описанными выше, цель достигается за счет того, что в качестве контрольной поверхности на основной материал вала ротора наносится слой меди. Слой меди отличается хорошей проводимостью, за счет чего без применения дисков возможно надежное определение измерительного сигнала при помощи датчика зазора, на основании данного измерительного сигнала определяется текущий зазор между датчиком зазора и валом ротора.
По сравнению с установкой дискового узла существенно упрощается изготовление. Кроме того, для размещения слоя меди требуется гораздо меньше пространства, чем для установки дискового узла. В частности, слой меди может также размещаться в канавке вала ротора таким образом, что формируемая слоем меди контрольная поверхность может располагаться заподлицо с поверхностью вала ротора или лишь незначительно выступать над ней.
Кроме того, для снижения затрат на изготовление и сборку возможно улучшение динамических свойств ротора за счет уменьшения его диаметра.
В рамках изобретения может устанавливаться датчик зазора для определения радиального зазора, в котором слой меди выполнен на внешней в радиальном направлении поверхности вала ротора. Измерительный узел данного типа устанавливается для управления активным радиальным магнитным подшипником.
Согласно альтернативному варианту осуществления для определения осевого положения изобретения устанавливается датчик зазора, в котором медный слой выполнен на торцевой поверхности вала ротора. В рамках изобретения под «торцевой поверхностью» подразумевается поверхность вала ротора, которая проходит перпендикулярно оси вращения. В связи с этим она может представлять собой не только торец вала ротора, но также и ступеньку, утолщение и тому подобный элемент.
И, наконец, в рамках изобретения подшипниковый узел может также иметь, по меньшей мере, один активный осевой магнитный подшипник и, по меньшей мере, один активный радиальный магнитный подшипник, по меньшей мере, один датчик зазора и контрольную поверхность из слоя меди, расположенную на валу ротора для управления обоими магнитными подшипниками. Как описано выше, на внешней поверхности вала ротора предпочтительно имеется один слой меди, а на торцевой поверхности перпендикулярно оси вращения располагается другой слой меди.
Для обеспечения непрерывного определения положения контрольная поверхность в форме слоя меди обычно является кольцевой и расположена либо на торцевой поверхности, либо на внешней поверхности.
Для повышения точности определения положения могут устанавливаться несколько датчиков зазора для обычно кольцевой контрольной поверхности, датчики зазора при этом расположены с угловым смещением в виде кольцевого массива. В результате также можно определить любые неисправности путем вычисления разницы или путем сравнения сигналов датчиков, при этом некоторая избыточность информации позволяет компенсировать сбой одного из датчиков. И, наконец, легко определить ситуацию, при которой один из нескольких датчиков выдает искаженный сигнал.
Объем изобретения не накладывает ограничений на дополнительные варианты осуществления тубромашины. В частности, турбомашина может представлять собой компрессор, расширитель или сжимающе-расширительное устройство, имеющее, по меньшей мере, одну ступень сжатия и одну расширительную ступень.
Ниже приводится разъяснение изобретения на основании чертежа, на котором показан только один пример осуществления изобретения. На данном чертеже:
фиг.1 - турбомашина по изобретению;
фиг.2 - местный вид вала ротора турбомашины в зоне датчика для определения радиального положения;
фиг.3 - местный вид вала ротора в зоне датчика зазора для определения осевого положения.
На фиг.1 показана турбомашина, содержащая корпус 1 и вал ротора 2, установленный в корпусе 1. В показанном варианте осуществления изобретения на валу 2 ротора установлены два лопастных колеса 3, не имеющие опоры на торцах, данные лопастные колеса установлены для сжатия или расширения рабочей текучей среды. Кроме того, показана электрическая машина 4, которая является генератором или электродвигателем в зависимости от режима работы турбомашины.
Турбомашина имеет подшипниковый узел, который в показанном варианте осуществления изобретения имеет два активных радиальных магнитных подшипника 5А и два активных осевых магнитных подшипника 5В. Для определения и компенсации отклонений от требуемого положения у магнитных подшипников 5А и 5В установлены датчики 6А и 6В зазоров, которые взаимодействуют с соответствующими контрольными поверхностями 7А и 7В на валу 2 ротора, расстояния между датчиками 6А и 6В зазора и соответствующими контрольными поверхностями 7А и 7В могут быть определены по сигналу датчика. Для этой цели датчики 6А и 6В зазора соединены с контроллером 8, который управляет током через витки магнитных подшипников 5А и 5В в зависимости от выходных сигналов датчика для создания компенсирующих усилий в радиальном или осевом направлении при отклонении вала 2 от требуемого положения.
На фиг.2 и 3 в качестве примера схематично показана зона установки датчика 6А или 6В зазора для определения радиального или осевого положения.
Согласно фиг.2 слой меди наносится на основной материал вала 2 ротора на контрольной поверхности 7А и располагается в окружном направлении в виде кольца по периметру внешней поверхности вала 2 ротора. Слой меди размещен в кольцевой канавке 9А, выполненной на внешней поверхности вала 2 ротора, благодаря чему слой меди встроен в поверхность вала 2 ротора заподлицо. Указанный датчик 6А зазора может быть, таким образом, установлен на малом расстоянии от вала 2 ротора.
На фиг.2 также показано, что для определения радиального положения могут устанавливаться несколько датчиков 6А зазора с целью повышения точности измерений и/или надежности измерений.
Как показано на фиг.3, для определения осевого положения предлагается аналогичный вариант осуществления изобретения, в котором в качестве контрольной поверхности 7В на торцевой поверхности вала ротора 2 имеется взаимодействующий с соответствующим датчиком 6В слой меди, расположенный перпендикулярно оси D вращения вала 2 ротора. Данный слой меди также встроен внутрь канавки 9В на торцевой поверхности, причем контрольная поверхность 7В расположена по периметру окружности вала 2 ротора в виде кольца. Для определения осевого положения могут также применяться несколько датчиков 6В.
Слои меди, выполняющие функцию контрольных поверхностей 7А, 7В наносятся непосредственно в процессе изготовления вала 2 ротора. При этом обеспечивается существенное упрощение изготовлении и, следовательно, снижение производственных затрат по сравнению с установкой дисковых узлов, применяемой на известном уровне техники.