РОТОРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ
ROTARY SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL

Перекрестные ссылки на соответствующую заявку
Данная заявка предъявляет притязание на право приоритета в отношении поданной 12 января 2018 года в КНР заявке на патент КНР №201810030888.1, содержание которой посредством цитаты в полном объеме приведено в данном документе.
Техническая сфера
Данное публичное заявление имеет отношение к технической сфере роторов, а именно к одному из видов роторной системы и способу управления ею и газотурбинной генераторной установке и способу управления ею.
Фон изобретения
Газовая турбина главным образом включает в себя три основных компонента: компрессор, камеру сгорания и турбину. Воздух после попадания в компрессор и сжатия в состоянии высокой температуры под высоким давлением подается в камеру сгорания, где смешивается с топливом и сгорает, образующийся при этом высокотемпературный газ под высоким давлением создает усилие расширения в турбине. Ротор при вращении с высокой скоростью подвергается воздействию сил в радиальном направлении и воздействию сил в осевом направлении. Чтобы предотвратить перемещение вала в радиальном и осевом направлениях, необходимо, чтобы в роторной системе были установлены радиальный подшипник и упорный подшипник. Традиционный радиальный подшипник и упорный подшипник представляют собой обычные подшипники контактного типа; по мере увеличения скорости вращения ротора, особенно после того, как скорость вращения ротора начинает превышать 40000 оборотов в минуту, в обычных контактных подшипниках возникает существенный механический износ, это обуславливает несоответствие подшипников такого типа требованиям рабочей скорости вращения ротора.
В газотурбинной генераторной установке ротор газовой турбины вращается с высокой скоростью и приводит во вращение ротор генератора, который производит электроэнергию. В предшествующем уровне техники, как правило, для соединения ротора газовой турбины с ротором генератора используют муфту сцепления валов. Расположение муфты сцепления валов ограничивает расположение упорного подшипника, потому что увеличение скорости вращения ротора приводит к дополнительному возрастанию осевого усилия, если упорный подшипник установить между компрессором и турбиной, то это приведет к смещению центра тяжести всей роторной системы в сторону турбины и снижению устойчивости роторной системы. Если упорный подшипник расположить на стороне муфты, которая обращена к генератору, то осевое усилие ротора полностью переместится на муфту сцепления валов, что может легко привести к ее выходу из строя.
Таким образом, на сегодняшний день существует насущная необходимость предоставить новую роторную систему, способную устранить вышеуказанные недостатки, имеющиеся в газотурбинных генераторных установках.
Содержание изобретения
Данное публичное заявление представляет роторную систему и способ управления ею и газотурбинную генераторную установку и способ управления ею, которые устраняют существующие вышеупомянутые недостатки в газотурбинных генераторных установках.
С одной стороны, данное публичное заявление представляет роторную систему, включающую в себя: вал, который имеет цельную конструкцию, упомянутый вал имеет горизонтальное расположение; электродвигатель, компрессор и турбину, которые последовательно установлены на упомянутый вал; а также упорный подшипник и как минимум два радиальных подшипника, установленные на упомянутый вал; в том числе упомянутый упорный подшипник установлен в предварительно заданном положении со стороны упомянутого компрессора рядом с упомянутой турбиной; упомянутое предварительно заданное положение является положением, обеспечивающим расположение центра тяжести упомянутой роторной системы между двумя самыми далеко расположенными друг от друга подшипниками из числа минимум двух упомянутых радиальных подшипников.
Как вариант, как минимум два упомянутых радиальных подшипника могут включать в себя первый радиальный подшипник и второй радиальный подшипник, при этом упомянутый первый радиальный подшипник может быть установлен со стороны упомянутого компрессора, удаленно расположенного от электродвигателя, а упомянутый второй радиальный подшипник может быть расположен между упомянутым компрессором и упомянутой турбиной; в том числе упомянутый упорный подшипник может быть установлен между упомянутым первым радиальным подшипником и упомянутым электродвигателем; или упомянутый упорный подшипник может быть установлен со стороны упомянутого электродвигателя, удаленно расположенного от упомянутого первого радиального подшипника; или упомянутый упорный подшипник может быть установлен между упомянутым электродвигателем и упомянутым компрессором.
Как вариант, упомянутые как минимум два радиальных подшипника также могут включать в себя третий радиальный подшипник, который может быть установлен между упомянутым электродвигателем и упомянутым компрессором.
Как вариант, упомянутые как минимум два радиальных подшипника также могут включать в себя четвертый радиальный подшипник, который может быть установлен со стороны упомянутого компрессора, удаленно расположенного от упомянутой турбины; в том числе упомянутый упорный подшипник может быть установлен между упомянутым первым радиальным подшипником и упомянутым электродвигателем; или упомянутый упорный подшипник может быть установлен со стороны упомянутого электродвигателя, удаленно расположенного от упомянутого первого радиального подшипника; или упомянутый упорный подшипник может быть установлен между упомянутым электродвигателем и упомянутым компрессором; или упомянутый опорный подшипник может быть установлен между упомянутыми компрессором и упомянутым вторым радиальным подшипником.
Как вариант, упомянутый четвертый радиальный подшипник может представлять собой гибридный газодинамический/газостатический радиальный подшипник.
Как вариант, одна сторона упомянутого второго радиального подшипника, расположенного рядом с упомянутой турбиной, может быть оборудована теплоизоляционным слоем.
Как вариант, упомянутый электродвигатель может представлять собой электродвигатель с газодинамическим подшипником, при этом в соответствующем месте относительно упомянутого вала на подшипнике упомянутого электродвигателя может быть устроена первая канавка образования динамического давления.
Как вариант, упомянутый электродвигатель может представлять собой возбуждающий моноблочный электродвигатель.
Как вариант, упомянутая роторная система также может включать в себя блокировочное устройство, используемое для фиксации упомянутого вала, когда он находится в статическом состоянии.
Как вариант, на поверхность вала, на которую устанавливаются подшипники, может наноситься антифрикционный слой.
Как вариант, упомянутой упорный подшипник может представлять собой газомагнитный гибридный упорный подшипник; из числа упомянутых не менее двух радиальных подшипников как минимум один радиальный подшипник может представлять собой газомагнитный гибридный радиальный подшипник или газодинамический/газостатический гибридный радиальный подшипник.
Как вариант,, когда в качестве упомянутого второго радиального подшипника используется газомагнитный гибридный радиальный подшипник, магнитный элемент упомянутого второго радиального подшипника устанавливается в зоне упомянутого второго радиального подшипника, удаленно расположенной от упомянутой турбины.
Как вариант, упомянутый газомагнитный гибридный упорный подшипник может представлять собой лепестковый газомагнитный гибридный упорный подшипник, который включает в себя первый упорный диск, жестко фиксируемый упомянутого вала, а также первый статор и второй статор, надетые на упомянутый вал, которые устанавливаются с двух противоположных сторон упомянутого первого упорного диска; каждый из упомянутых первого и второго статоров включает в себя первый магнитный подшипник и первый лепестковый подшипник, в направлении вдоль окружности на первом магнитном подшипнике установлены несколько первых магнитных элементов, а на упомянутом первом лепестковом подшипнике установлен второй магнитный элемент, который способен взаимодействовать с упомянутыми несколькими первыми магнитными элементами и создавать магнитную силу; в том числе упомянутый первый лепестковый подшипник может располагаться между упомянутым первым магнитным подшипником и упомянутым первым упорным диском, при этом между ним и первым упорным диском образуется первый зазор, и упомянутый первый лепестковый подшипник под действием магнитной силы, образующейся между упомянутыми первыми магнитными элементами и упомянутым вторым магнитным элементом, может перемещаться в осевом направлении упомянутого вала.
Как вариант, упомянутый первый лепестковый подшипник может включать в себя гнездо первого лепесткового подшипника, жестко соединенное с гнездом упомянутого первого магнитного подшипника, а также установленные на упомянутом гнезде первого лепесткового подшипника первый лепесток и второй лепесток, при этом упомянутый первый лепесток устанавливается на упомянутом гнезде первого лепесткового подшипника, а упомянутый второй лепесток устанавливается с наложением на расположенную ближе к упомянутому первую лепестку сторону упомянутого первого упорного диска.
Как вариант, упомянутый второй лепесток может представлять собой плоский лепесток, на котором установлен упомянутый второй магнитный элемент, вследствие чего упомянутый второй лепесток под действием магнитной силы, образующейся между упомянутыми первыми магнитными элементами и упомянутым вторым магнитным элементом, может перемещаться в осевом направлении упомянутого вала; упомянутый первый лепесток может представлять собой упруго деформирующийся лепесток, создающий упругую деформацию при перемещении упомянутого второго лепестка.
Как вариант, упомянутый газомагнитный гибридный упорный подшипник может представлять собой газомагнитный гибридный упорный подшипник с канавками, включающий в себя: второй упорный диск, который жестко крепится на упомянутом вале, на упомянутый второй упорный диск устанавливается третий магнитный элемент; а также третий статор и четвертый статор, надетые на упомянутый вал, которые устанавливаются с двух противоположных сторон упомянутого второго упорного диска; каждый из упомянутых третьего и четвертого статоров включает в себя второй магнитный подшипник, в направлении вдоль окружности на втором магнитном подшипнике установлены несколько четвертых магнитных элементов, которые способны взаимодействовать с упомянутым третьим магнитным элементом и создавать магнитную силу; между упомянутым вторым магнитным подшипником и упомянутым вторым упорным диском образуется второй зазор, и упомянутый второй упорный подшипник под действием магнитной силы, образующейся между упомянутым третьим магнитным элементом и упомянутыми несколькими четвертыми магнитным элементами, может перемещаться в осевом направлении упомянутого вала; при этом поверхности упомянутого второго упорного диска обращены к торцевым поверхностям упомянутого третьего ротора и упомянутого четвертого ротора; или поверхности упомянутого третьего ротора и упомянутого четвертого ротора обращены ко второй канавке образования динамического давления, расположенной на торцевой поверхности упомянутого второго упорного диска.
Как вариант, в каждом из упомянутых третьем роторе или четвертом роторе может быть устроено первое дроссельное впускное отверстие статического давления, которое одним концом сообщается с упомянутым вторым зазором, а другим концом соединяется с внешним источником газа и используется для подачи газа из внешнего источника в упомянутый второй зазор.
Как вариант, упомянутый газомагнитный гибридный радиальный подшипник может представлять собой лепестковый газомагнитный гибридный радиальный подшипник, который включает в себя: одеваемый на упомянутый вал третий магнитный подшипник, на котором в направлении вдоль окружности расположены несколько пятых магнитных элементов; одеваемый на упомянутый вал второй лепестковый подшипник, располагающийся между упомянутым третьим магнитным подшипником и упомянутым валом, на упомянутом втором лепестковом подшипнике установлен шестой магнитный элемент, который способен взаимодействовать с упомянутым несколькими пятыми магнитными элементами и создавать магнитную силу; при этом между упомянутым вторым лепестковым подшипником и упомянутым валом образуется третий зазор, и упомянутый второй лепестковый подшипник под действием магнитной силы, образующейся между упомянутыми пятыми магнитными элементами и упомянутым шестым магнитным элементом, может перемещаться в радиальном направлении упомянутого вала.
Как вариант, упомянутый газомагнитный гибридный радиальный подшипник может представлять собой газомагнитный гибридный радиальный подшипник с канавками, который включает в себя: надетый на упомянутой вал четвертый магнитный подшипник, на котором в направлении вдоль окружности расположены несколько седьмых магнитных элементов; упомянутый четвертый магнитный подшипник обращен к боковой стенке упомянутого вала, или на круговой поверхности обращенного к упомянутому валу упомянутого четвертого магнитного подшипника имеется третья канавка возникновения динамического давления; при этом между упомянутым четвертым магнитным подшипником и упомянутым валом образуется четвертый зазор, и упомянутый вал под действием магнитной силы, образуемой упомянутыми седьмыми магнитными элементами, может перемещаться в радиальном направлении упомянутого вала.
Как вариант, в упомянутом четвертом магнитном подшипнике может быть устроено второе дроссельное впускное отверстие статического давления, которое одним концом сообщается с упомянутым четвертым зазором, а другим концом соединяется с внешним источником газа и используется для подачи газа из внешнего источника в упомянутый четвертый зазор.
Как вариант, в упомянутой роторной системе упомянутый упорный подшипник может быть представлять единую конструкцию с упомянутым соседним радиальным подшипником, составляя единый интегрированный подшипник, который включает в себя: третий корпус подшипника, который представляет соой полое тело вращения, в упомянутом третьем корпусе подшипника устроены первая вмещающая камера и вторая вмещающая камера; вспомогательный радиальный подшипник, располагающийся в упомянутой первой вмещающей камере, который надет на упомянутый вал, между упомянутым вспомогательным радиальным подшипником и упомянутым валом образуется пятый зазор; а также вспомогательный упорный подшипник, располагающийся в упомянутой второй вмещающей камере, который включает в себя третий упорный диск и располагающиеся с двух сторон упомянутого упорного диска пятый статор и шестой статор, упомянутый упорный диск жестко крепится на упомянутом валу, упомянутый пятый статор и шестой статор одеты на упомянутый вал; между каждым из упомянутых пятым статором и шестым статором и упомянутым третьем упорным диском образуется шестой зазор.
Как вариант, упомянутый вспомогательный радиальный подшипник может одеваться на расположенный на упомянутом валу пятый магнитный подшипник, при этом между пятым магнитным подшипником и упомянутым валом имеется упомянутый пятый зазор, а на пятом магнитном подшипнике в направлении вдоль его окружности расположены несколько восьмых магнитных элементов, и упомянутый вал под действием магнитной силы, образуемой упомянутыми восьмыми магнитными элементами, может перемещаться в радиальном направлении упомянутого вала; каждый из упомянутых пятого и шестого статоров включает в себя шестой магнитный подшипник, в направлении вдоль окружности которого расположены несколько девятых магнитных элементов; на упомянутом третьем упорном диске установлен десятый магнитный элемент, и упомянутый третий упорный диск под действием магнитной силы, образующейся между упомянутыми девятыми магнитными элементами и упомянутыми десятыми магнитными элементами, может перемещаться в осевом направлении упомянутого вала.
Как вариант, в третьем корпусе подшипника может быть устроено третье дроссельное впускное отверстие статического давления, которое одним концом соединяется с внешним источником газа, а другим концом через упомянутый радиальный подшипник сообщается с упомянутым пятым зазором, и/или через упомянутый пятый статор и упомянутый шестой статор сообщается с упомянутым шестым зазором и используется для подачи газа из внешнего источника в упомянутый пятый и/или шестой зазор.
С другой стороны, данное публичное заявление представляет способ управления роторной системой, применяемый для упомянутой роторной системы, который включает в себя следующее: происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упорного подшипника, упомянутый вал перемещается в предварительно заданное радиальное положение так, чтобы упорный диск упомянутого упорного подшипника переместился в предварительно заданное осевое положение; после того, как скорость вращения упомянутого вала достигла значения рабочей скорости вращения, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника; чтобы остановить работу упомянутой роторной системы, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и газостатического подшипника упомянутого упорного подшипника; после того, как скорость вращения упомянутого вала снизилась до нуля, происходит остановка упомянутого газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника; в том числе запуск упомянутого газостатического подшипника включает в себя запуск магнитного подшипника на подшипнике и/или подачу газа в дроссельное впускное отверстие статического давления в подшипнике; остановка включает в себя остановку магнитного подшипника на подшипнике и/или остановку подачи газа в дроссельное впускное отверстие статического давления в подшипнике.
С другой стороны, данное публичное заявление представляет способ управления роторной системой, применяемый для упомянутой роторной системы, который включает в себя следующее: происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника, упомянутый вал перемещается в предварительно заданное радиальное положение так, чтобы упорный диск упомянутого упорного подшипника переместился в предварительно заданное осевое положение; после того, как скорость вращения упомянутого вала достигла первого предварительно заданного значения, происходит остановка газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника; когда скорость вращение роторной системы возрастет до критической скорости первой ступени или критической скорости второй ступени, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника; когда устойчивость роторной системы превысит критическую скорость первой ступени или критическую скорость второй ступени, происходит остановка газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника; когда скорость вращения упомянутой роторной системы снизится до второго предварительно заданного значения, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и газостатического подшипника упомянутого упорного подшипника; когда скорость вращения упомянутой роторной системы снизится до нуля, происходит остановка газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника; в том числе запуск упомянутого газостатического подшипника включает в себя запуск магнитного подшипника на подшипнике и/или подачу газа в дроссельное впускное отверстие статического давления в подшипнике; остановка включает в себя остановку магнитного подшипника на подшипнике и/или остановку подачи газа в дроссельное впускное отверстие статического давления в подшипнике.
Как вариант, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого упорного подшипника, чтобы упорный диск упомянутого упорного подшипника переместился в предварительно заданное осевое положение, операция включает в себя следующее: происходит запуск упомянутого первого статора и первого магнитного подшипника упомянутого второго статора, под управляемым действием магнитной силы, создаваемой первыми магнитными элементами, упомянутый первый упорный диск перемещается в осевом направлении упомянутого вала так, чтобы упомянутый первый зазор между упомянутым первым упорным диском и первым лепестковым подшипником на упомянутом первом статоре стал равным упомянутому первому зазору между упомянутым первым упорным диском и первым лепестковым подшипником на упомянутом втором статоре; упомянутый способ включает в себя следующее: когда на упомянутый первый упорный диск оказывается нагрузка, он под действием этой нагрузки перемещается в осевом направлении упомянутого вала, если при этом упомянутый первый зазор между упомянутым первым упорным диском и первым лепестковым подшипником на упомянутом первом статоре не равен упомянутому первому зазору между упомянутым первым упорным диском и первым лепестковым подшипником на упомянутом втором статоре, то происходит запуск упомянутого первого статора и первого магнитного подшипника упомянутого второго статора; если упомянутый первый зазор между упомянутым первым упорным диском и первым лепестковым подшипником на упомянутом первом статоре стал равным упомянутому первому зазору между упомянутым первым упорным диском и первым лепестковым подшипником на упомянутом втором статоре, то происходит остановка упомянутого первого статора и первого магнитного подшипника упомянутого второго статора.
Как вариант, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого упорного подшипника, чтобы упорный диск упомянутого упорного подшипника переместился в предварительно заданное осевое положение, операция включает в себя следующее: происходит запуск упомянутого третьего статора и второго магнитного подшипника упомянутого четвертого статора, под управляемым действием магнитной силы, возникающей между упомянутым третьим магнитным элементом и несколькими четвертыми магнитными элементами, упомянутый второй упорный диск перемещается в осевом направлении упомянутого вала так, чтобы разница между упомянутым вторым зазором между упомянутым вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником на упомянутом третьем статоре и упомянутым вторым зазором между упомянутым вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником на упомянутом четвертом статоре была меньше и равна предварительно заданному значению; упомянутый способ также включает в себя следующее: когда на упомянутый второй упорный диск оказывается нагрузка, он под действием этой нагрузки перемещается в осевом направлении упомянутого вала, когда разница между упомянутым вторым зазором между упомянутым вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником на упомянутом третьем статоре и упомянутым вторым зазором между упомянутым вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником на упомянутом четвертом статоре становится больше или равна предварительно заданному значению, происходит запуск упомянутого третьего статора или второго магнитного подшипника упомянутого четвертого статора; когда разница между упомянутым вторым зазором между упомянутым вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником на упомянутом третьем статоре и упомянутым вторым зазором между упомянутым вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником на упомянутом четвертом статоре становится меньше или равна предварительно заданному значению, происходит остановка упомянутого третьего статора или второго магнитного подшипника упомянутого четвертого статора.
Как вариант, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника, чтобы упомянутый вал переместился в предварительно заданное радиальное положение, операция включает в себя следующее: происходит запуск упомянутого третьего магнитного подшипника, под управляемым действием магнитной силы, создаваемой упомянутыми пятыми магнитными элементами, упомянутый вал перемещается в радиальном направлении в предварительно заданное радиальное положение; упомянутый способ также включает в себя следующее: при изменении третьего зазора между упомянутым валом и упомянутым вторым лепестковым подшипником происходит запуск упомянутого третьего магнитного подшипника, это приводит к тому, что второй лепестковый подшипник, соответствующий стороне уменьшения зазора, под действием магнитной силы, возникающей между упомянутыми пятыми магнитными элементами и упомянутым шестым магнитным элементом, соответствующим образом перемещается в направлении упомянутого вала; после того, как упомянутый вал установится в равновесном радиальном положении, происходит остановка упомянутого третьего магнитного подшипника.
Как вариант, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника, чтобы упомянутый вал переместился в предварительно заданное радиальное положение, операция включает в себя следующее: происходит запуск упомянутого четвертого магнитного подшипника, под управляемым действием магнитной силы, создаваемой упомянутыми седьмыми магнитными элементами, упомянутый вал перемещается в радиальном направлении в предварительно заданное радиальное положение; упомянутый способ также включает в себя следующее: при изменении четвертого зазора между упомянутым валом и упомянутым четвертым магнитным подшипником происходит запуск упомянутого четвертого магнитного подшипника, это приводит к тому, что упомянутый подшипник под действием магнитной силы, создаваемой упомянутыми седьмыми магнитными элементами, соответствующим образом перемещается к дальней стороне уменьшения зазора; после того, как упомянутый вал установится в равновесном радиальном положении, происходит остановка упомянутого четвертого магнитного подшипника.
Как вариант, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника, чтобы упомянутый вал переместился в предварительно заданное радиальное положение, операция включает в себя следующее: происходит запуск упомянутого четвертого магнитного подшипника и/или запуск внешнего источника газа, через упомянутое второе впускное дроссельное отверстие статического давления газ подается в упомянутый четвертый зазор; под управляемым действием магнитной силы, создаваемой упомянутыми седьмыми магнитными элементами, и/или под действием толкающей силы газа упомянутый вал перемещается в радиальном направлении в предварительно заданное радиальное положение.
С другой стороны, данное публичное заявление представляет газотурбинную генераторную установку, которая включает в себя воздухозаборный канал, камеру сгорания и упомянутую роторную систему, упомянутый воздухозаборный канал соединен с воздухозаборным отверстием упомянутого компрессора, воздуховыпускное отверстие упомянутого компрессора соединено с воздухозаборным отверстием упомянутой камеры сгорания, воздуховыпускное отверстие камеры сгорания соединено с воздухозаборным отверстием упомянутой турбины.
Как вариант, впускной канал может быть образован кожухом двигателя и кожухом газотурбинной генераторной установки.
С другой стороны, данное публичное заявление представляет способ управления газотурбинной генераторной установкой, применяемый для упомянутой газотурбинной генераторной установки, упомянутый способ включает в себя следующее: происходит запуск упомянутого радиального подшипника и газостатического подшипника упомянутого упорного подшипника, упомянутый вал перемещается в предварительно заданное радиальное положение так, чтобы упорный диск упомянутого упорного подшипника переместился в предварительно заданное осевое положение; происходит запуск упомянутой газотурбинной генераторной установки, воздух после сжатия упомянутым компрессором подается в упомянутую камеру сгорания, в которой смешивается с топливом и сгорает; выходящий из упомянутой камеры сгорания нагретый до высокой температуры газ под высоким давлением ударяет в турбинное колесо упомянутой турбины, приводя его во вращение, турбинное колесо, в свою очередь, через упомянутой вал приводит во вращение упомянутый электродвигатель, который вырабатывает электроэнергию; после того, как скорость вращения упомянутого вала поднимется до значения рабочей скорости вращения, происходит остановка газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника; чтобы остановить работу упомянутой газотурбинной генераторной установки, происходит запуск газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и газостатического подшипника упомянутого упорного подшипника; после того, как скорость вращения упомянутого вала снизилась до нуля, происходит остановка газостатического подшипника упомянутого радиального подшипника и упомянутого упорного подшипника; в том числе запуск упомянутого газостатического подшипника включает в себя запуск магнитного подшипника на подшипнике и/или подачу газа в дроссельное впускное отверстие статического давления в подшипнике; остановка включает в себя остановку магнитного подшипника на подшипнике и/или остановку подачи газа в дроссельное впускное отверстие статического давления в подшипнике.
В данном публичном заявлении посредством применения для тела вала роторной системы исполнения в виде единой конструкции устраняется проблема существующих газотурбинных генераторных установок, заключающаяся в ограниченности места монтажа упорных подшипников вследствие применения муфты сцепления валов. Данное публичное заявление посредством регулировки положения установки упорных подшипников позволяет расположить центр тяжести всей роторной системы между двумя наиболее удаленными радиальными подшипниками, что, в отличие от традиционной консольной конструкции, способно обеспечить устойчивость конструкции при высокоскоростном вращении роторной системы и удовлетворить требования, предъявляемые при высокой скорости вращения газовой турбины.
Пояснения к чертежам
В целях предоставления более понятного описания технических решений вариантов реализации данного публичного заявления ниже приводится обобщенный обзор чертежей, которые необходимы для использования при описании вариантов реализации данного публичного заявления; очевидно, что представленные в нижеприведенном описании чертежи иллюстрируют лишь отдельные варианты реализации данного публичного заявления, неквалифицированный технический персонал данной сферы может при условии неиспользования изобретательского труда на основании приведенных чертежей создать другие чертежи.
Рис. 1 - схема конструкции роторной системы, представленной в варианте реализации 1;
Рис. 2 - схема конструкции роторной системы другого типа, представленной в варианте реализации 1;
Рис. 3 - схема конструкции роторной системы другого типа, представленной в варианте реализации 1;
Рис. 4 - схема конструкции соответствующего Рис. 1 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 5 - схема конструкции соответствующего Рис. 2 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 6 - схема конструкции соответствующего Рис. 3 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 7 - схема конструкции роторной системы, представленной в варианте реализации 2;
Рис. 8 - схема конструкции роторной системы другого типа, представленной в варианте реализации 2;
Рис. 9 - схема конструкции роторной системы другого типа, представленной в варианте реализации 2;
Рис. 10 - схема конструкции роторной системы другого типа, представленной в варианте реализации 2;
Рис. 11 - схема конструкции соответствующего Рис. 7 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 12 - схема конструкции соответствующего Рис. 8 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 13 - схема конструкции соответствующего Рис. 9 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 14 - схема конструкции соответствующего Рис. 10 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 15 - схема конструкции роторной системы другого типа, представленной в варианте реализации 3;
Рис. 16 - схема конструкции соответствующего Рис. 15 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 17 - схема конструкции роторной системы другого типа, представленной в варианте реализации 4;
Рис. 18 - схема конструкции соответствующего Рис. 17 магнитного подшипника, устанавливаемого на втором радиальном подшипнике;
Рис. 19 - схема конструкции блокирующего устройства, устанавливаемого на роторной системе, представленной в варианте реализации 5;
Рис. 20 - схема конструкции блокирующего устройства, устанавливаемого на роторной системе другого типа, представленной в варианте реализации 5;
Рис. 21 - схема конструкции, представленной на Рис. 20, вид С-С;
Рис. 22 - схема конструкции антифрикционного слоя, нанесенного на вал, представленный в варианте реализации 6;
Рис. 23 - схема конструкции газотурбинной генераторной установки, представленной в варианте реализации 7;
Рис. 24 - схема технологического процесса способа управления газотурбинной генераторной установкой, представленной в варианте реализации 7;
Рис. 25 - схема технологического процесса способа управления газотурбинной генераторной установкой другого типа, представленной в варианте реализации 7;
Рис. 26 - схема технологического процесса способа управления роторной системой, представленной в варианте реализации 8;
Рис. 27 - схема технологического процесса способа управления роторной системой другого типа, представленной в варианте реализации 8;
Рис. 28 - вид в разрезе лепесткового газомагнитного гибридного упорного подшипника, представленного в варианте реализации 9;
Рис. 29 - схема конструкции первого магнитного подшипника в составе лепесткового газомагнитного гибридного упорного подшипника, представленного в варианте реализации 9;
Рис. 30 - схема конструкции гнезда первого магнитного подшипника в составе лепесткового газомагнитного гибридного упорного подшипника, представленного в варианте реализации 9;
Рис. 31 - схема конструкции первого лепестка лепесткового газомагнитного гибридного упорного подшипника, представленного в варианте реализации 9;
Рис. 32 - вид в разрезе лоткового газомагнитного гибридного упорного подшипника, представленного в варианте реализации 10;
Рис. 33 - схема конструкции второго магнитного подшипника в составе газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 10;
Рис. 34 - схема конструкции гнезда второго магнитного подшипника в составе газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 10;
Рис. 35 - первая из схем конструкции второй канавки образования динамического давления на втором упорном диске газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 10;
Рис. 36 - вторая из схем конструкции второй канавки образования динамического давления на втором упорном диске газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 10;
Рис. 37 - первая из схем конструкции второй канавки образования динамического давления на первом прессовом кольце газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 10;
Рис. 38 - вторая из схем конструкции второй канавки образования динамического давления на первом прессовом кольце газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 10;
Рис. 39 - схема половины разреза газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 11;
Рис. 40 - схема половины разреза газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавками другого типа, представленного в варианте реализации 11;
Рис. 41 - схема внешнего вида газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 11;
Рис. 42 - схема конструкции четвертого магнитного подшипника в составе газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 11;
Рис. 43 - схема конструкции четвертого магнитного подшипника в составе газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 11;
Рис. 44 - первая из схем конструкции третьей канавки образования динамического давления на втором держателе подшипника в составе газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 11;
Рис. 45 - вторая из схем конструкции третьей канавки образования динамического давления на втором держателе подшипника в составе газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 11;
Рис. 46 - схема конструкции третьей канавки образования динамического давления на валу в составе газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавками, представленного в варианте реализации 11;
Схема конструкции используемой в подшипнике интегрированного типа роторной системы, соответствующая Рис. от 47 до 62 и Рис. от 1 до 18;
Рис. 63 - вид в разрезе подшипника интегрированного типа, представленного в варианте реализации 12;
Рис. 64 - вид в разрезе А-А элемента, представленного на Рис. 63;
Рис. 65 - вид в разрезе В-В элемента, представленного на Рис. 63;
Рис. 66 - первая из схем конструкции пятой канавки образования динамического давления на третьем держателе подшипника в составе подшипника интегрированного типа, представленного в варианте реализации 12;
Рис. 67 - вторая из схем конструкции пятой канавки образования динамического давления на третьем держателе подшипника в составе подшипника интегрированного типа, представленного в варианте реализации 12;
Рис. 68 - схема конструкции пятой канавки образования динамического давления на вале в составе подшипника интегрированного типа, представленного в варианте реализации 12;
Рис. 69 - первая из схем конструкции шестой канавки образования динамического давления на третьем упорном диске подшипника интегрированного типа, представленного в варианте реализации 12;
Рис. 70 - вторая из схем конструкции шестой канавки образования динамического давления на третьем упорном диске подшипника интегрированного типа, представленного в варианте реализации 12;
Конкретные способы реализации
Ниже вместе с чертежами, иллюстрирующими варианты реализации данного публичного заявления, представлено точное и полное описание технических решений вариантов реализации данного публичного заявления; очевидно, что все описанные варианты реализации являются частью вариантов реализации данного публичного заявления и не являются полным перечнем вариантов его реализации. Все иные чертежи, полученные неквалифицированным техническим персоналом данной сферы на основе вариантов реализации, представленных в данном публичном заявлении при условии неиспользования изобретательского труда, входят в сферу защиты данного публичного заявления.
Варианты реализации данного публичного заявления представляют роторную систему, которая включает в себя: вал, тело вала, имеющее цельную конструкцию, вал имеет горизонтальное расположение; электродвигатель, компрессор и турбину, которые последовательно установлены на вал; а также упорный подшипник и как минимум два радиальных подшипника, установленные на вал; в том числе упорный подшипник установлен в предварительно заданном положении со стороны компрессора рядом с турбиной; предварительно заданное положение является положением, обеспечивающим расположение центра тяжести роторной системы между двумя самыми далеко расположенными друг от друга подшипниками из числа минимум двух радиальных подшипников.
В вариантах реализации данного публичного заявления упорный подшипник представляет собой подшипник, ограничивающий перемещение вала в осевом направлении, а радиальный подшипник представляет собой подшипник, ограничивающий перемещение вала в радиальном направлении.
По мере увеличения скорости вращения ротора обычный электромагнитный подшипник, равно как и воздушный подшипник, перестают удовлетворять требованиям, предъявляемым к работе ротора с высокой скоростью вращения. Поэтому в вариантах реализации данного публичного заявления с целью удовлетворения запросов в развитии высокоскоростного вращения ротора в качестве упорного подшипника и радиального подшипника можно использовать бесконтактные подшипники.
В вариантах реализации данного публичного заявления тело вращающегося вала представляет собой цельную конструкцию, это можно понимать так, что тело вращающегося вала представляет собой цельную ось, либо представляет собой конструкцию из нескольких жестко соединенных сегментов вала. По причине того, что тело вращающегося вала представляет собой цельную конструкцию, прочность любой части тела вала будет одинаковой, таким образом место установки упорного подшипника на валу не ограничивается.
Более того, чтобы обеспечить возможность поддержания устойчивости конструкции при высокоскоростном вращении роторной системы, центр тяжести всей роторной системы должен располагаться между двумя самыми далеко расположенными друг от друга подшипниками из числа минимум двух радиальных подшипников. В этом случае роторная система в целом формирует конструкцию в виде веретена, таким образом, в отличие от традиционной конструкции консольного типа, варианты реализации данного публичного заявления повышают общую устойчивость роторной системы. Так как место установки упорного подшипника на валу не ограничено, то в вариантах реализации данного публичного заявления, исходя из количества устанавливаемых как минимум двух радиальных подшипников, а также с учетом положения установки каждого радиального подшипника и веса каждого компонента всей роторной системы (включая вес самого упорного подшипника), выполняется оперативная регулировка положения установки упорного подшипника так, чтобы центр тяжести всей роторной системы располагался между двумя самыми далеко расположенными друг от друга подшипниками; наиболее предпочтительно, чтобы центр тяжести роторной системы располагался на компрессоре.
В вариантах реализации данного публичного заявления вал имеет горизонтальное расположение, поэтому можно сделать вывод о том, что роторная система в данном в варианте реализации публичного заявления представляет собой горизонтальную роторную систему, которая пригодна для горизонтально расположенных агрегатов, требующих использования горизонтальных роторных систем, например, таких как горизонтальная газотурбинная генераторная установка, подробное описание которой представлено ниже.
Для большего понимания технического решения общей конструкции роторной системы, используемой в вариантах реализации данного публичного заявления, ниже вместе с прилагаемыми чертежами приведено подробное описание разных вариантов реализации роторной системы, используемой в вариантах реализации данного публичного заявления.
Вариант реализации 1
Как показано на Рис. 1-3, роторная система включает в себя: вал 100, тело вала 100 имеет цельную конструкцию, вал 100 имеет горизонтальное расположение; электродвигатель 200, компрессор 300 и турбину 400, последовательно расположенные на вале 100; а также установленные на вале 100 упорный подшипник 500, первый радиальный подшипник 600 и второй радиальный подшипник 700, при этом первый радиальный подшипник 600 установлен со стороны компрессора 300, удаленно расположенного от электродвигателя 200, а второй радиальный подшипник 700 установлен между компрессором 300 и турбиной 400.
Упорный подшипник 500 установлен между первым радиальным подшипником 600 и электродвигателем 200, как показано на Рис. 1; или упорный подшипник 500 установлен со стороны электродвигателя 200, удаленно расположенного от радиального подшипника 600, как показано на Рис. 2; или упорный подшипник 500 установлен между электродвигателем 200 и компрессором 300, как показано на Рис. 3.
В том числе при большой массе турбины 400, например, когда турбина 400 изготовлена из металлического материала, чтобы обеспечить расположение центра тяжести всей роторной системы между первым радиальным подшипником 60о и вторым радиальным подшипником 700, можно прибегнуть к способу реализации, представленному на Рис. 1 или Рис. 2.
А при небольшом весе турбины 400, например, когда турбина 400 изготовлена из керамического или волоконно-керамического композитного материала, чтобы обеспечить расположение центра тяжести всей роторной системы между первым радиальным подшипником 60о и вторым радиальным подшипником 700, можно прибегнуть к способу реализации, представленному на Рис. 3.
Необходимо пояснить, что касательно способа реализации, представленного на Рис. 3, в котором упорный подшипник 500 установлен между электродвигателем 200 и компрессором 300, чтобы упорный диск упорного подшипника 500 не закрывал воздухозаборное отверстие компрессора 300, применяемый в представленном на Рис. 3 способе реализации упорный подшипник 500 должен использовать упорный диск относительно небольшого диаметра.
На сегодняшний день в качестве бесконтактных подшипников обычно используются электромагнитные подшипники и воздушные подшипники. Однако длительное включенное состояние электромагнитного подшипника приводит к возникновению проблем чрезмерно завышенного потребления энергии и выделения тепла; а касательно воздушных подшипников следует отметить, что когда линейная скорость их поверхности приближается или превышает скорость звука, это вызывает скачок уплотнения, что вызывает биение вала, приводит к нарушению устойчивости подшипника и другим катастрофическим последствиям.
Поэтому, учитывая запросы в развитии высокой скорости вращения газовых турбин или газотурбинных генераторных установок, в целях повышения рабочих характеристик упорных подшипников и радиальных подшипников в варианте реализации данного публичного заявления в качестве опорного подшипника 500 можно использовать газомагнитный гибридный упорный подшипник, а в качестве первого радиального подшипника 600 можно использовать гибридный газомагнитный радиальный подшипник или газодинамический/газостатический гибридный радиальный подшипник.
Кроме этого, так как второй радиальный подшипник 700 располагается рядом с турбиной 400, то с учетом того, что магнитные элементы магнитного подшипника не способны выдерживать распространяемую турбиной 400 высокую температуру, в качестве второго радиального подшипника 700 можно использовать газодинамический/газостатический гибридный радиальный подшипник.
В качестве другого варианта реализации второй радиальный подшипник 700 может также быть гибридным газомагнитным радиальным подшипником, в этом случае магнитный элемент второго радиального подшипника 700 располагается в области второго радиального подшипника 700, удаленной от турбины 400. То есть в области второго радиального подшипника 700 около турбины 400 нет магнитного элемента.
Чтобы защитить магнитные элементы на втором радиальном подшипнике 700, надо уменьшить тепловую энергию, излучаемую турбиной 400 на второй радиальный подшипник 700. В частности, сторона турбины 400 рядом со вторым радиальным подшипником 700 покрыта теплоизоляционным слоем (не показан на чертеже). Здесь в качестве теплоизоляционного слоя может быть использован аэрогель или иной материал с хорошими теплозащитными характеристиками.
На Рис. 4-6 представлены схемы магнитных элементов, установленные в удаленной от турбины 400 зоне второго радиального подшипника, изображенного на Рис. 1-3.
В вариантах реализации данного публичного заявления компрессор 300 может представлять собой центробежный компрессор 300, турбинное колесо турбины 400 может представлять собой центробежную турбину; электродвигатель 200 может представлять собой электродвигатель с газодинамическим подшипником, а на валу 100 в месте, соответствующем расположению подшипника электродвигателя 200, может располагаться первая канавка возникновения динамического давления 201.
Далее, электродвигатель 200 может представлять собой возбуждающий моноблочный электродвигатель.
Таким образом в момент начального запуска роторной системы старт электродвигателя 200 может производиться в режиме пуска, чтобы запустить вращение роторной системы, когда скорость вращения роторной системы увеличится до предварительно заданного значения, можно переключить режим работы электродвигателя 200 в режим генерации электроэнергии.
Вариант реализации 2
Как показано на Рис. 7-10, роторная система включает в себя: вал 100, тело вала 100 имеет цельную конструкцию, вал 100 имеет горизонтальное расположение; электродвигатель 200, компрессор 300 и турбину 400, последовательно расположенные на вале 100; а также установленные на вале 100 упорный подшипник 500, первый радиальный подшипник 600, второй радиальный подшипник 700 и третий радиальный подшипник 800, при этом первый радиальный подшипник 600 установлен со стороны компрессора 300, удаленно расположенного от электродвигателя 200, второй радиальный подшипник 700 установлен между компрессором 300 и турбиной 400, а третий радиальный подшипник 800 установлен между электродвигателем 200 и компрессором 300.
Упорный подшипник 500 установлен между первым радиальным подшипником 600 и электродвигателем 200, как показано на Рис. 7; или упорный подшипник 500 установлен со стороны электродвигателя 200, удаленно расположенного от радиального подшипника 600, как показано на Рис. 8; или упорный подшипник 500 установлен между электродвигателем 200 и компрессором 300, как показано на Рис. 9 или Рис. 10.
Так как добавлен третий радиальный подшипник 800, когда в данном варианте реализации публичного заявления упорный подшипник 500 располагается между двигателем 200 и компрессором 300, его можно разместить между двигателем 200 и третьим радиальным подшипником 800, как показано на Рис. 9. Упорный подшипник 500 также может быть расположен между третьим радиальным подшипником 800 и компрессором 300, как показано на Рис. 10.
По сравнению с первым вариантом реализации, в данном публичном заявлении между двигателем 200 и компрессором 300 добавляется третий радиальный подшипник 800, что может дополнительно улучшить стабильность всей роторной системы.
В данном варианте реализации публичного заявления упорный подшипник 500 может быть газомагнитным гибридным упорным подшипником, а первый радиальный подшипник 600 может быть газомагнитным гибридным радиальным подшипником или гибридным радиальным газодинамическим или газостатическим подшипником. Так как второй радиальный подшипник 700 находится рядом с турбиной 400, учитывая, что магнитные элементы, содержащиеся в магнитном подшипнике, не могут выдерживать высокую температуру, передаваемую от турбины 400, второй радиальный подшипник 700 может быть гибридным радиальным газодинамическим или газостатическим подшипником.
В качестве другого варианта реализации второй радиальный подшипник 700 может также быть гибридным газомагнитным радиальным подшипником, в этом случае магнитный элемент второго радиального подшипника 700 располагается в области второго радиального подшипника 700, удаленной от турбины 400. То есть в области второго радиального подшипника 700 около турбины 400 нет магнитного элемента.
Чтобы защитить магнитные элементы на втором радиальном подшипнике 700, надо уменьшить тепловую энергию, излучаемую турбиной 400 на второй радиальный подшипник 700. В частности, сторона турбины 400 рядом со вторым радиальным подшипником 700 покрыта теплоизоляционным слоем (не показан на чертеже). Здесь теплоизоляционный слой может представлен аэрогелем или другими материалами.
На Рис. 11-14 показаны схематичные виды магнитных элементов на втором радиальном подшипнике 700 в области, удаленной от турбины 400 на Рис. 7-10.
Что касается остального, оно описано в первом варианте реализации публичного заявления и позволяет достигнуть того же технического эффекта. Во избежание повторения в данном публичном заявлении это описание будет опущено.
Вариант реализации 3
Как показано на Рис. 15, роторная система включает в себя следующее: вращающийся вал 100, расположенный горизонтально, корпус которого представляет собой интегрированную конструкцию; затем двигатель 200, компрессор 300 и турбина 400, расположенные по порядку на вращающемся валу 100; а также упорный подшипник 500, первый радиальный подшипник 600, второй радиальный подшипник 700 и четвертый радиальный подшипник 900, расположенные на валу 100; первый радиальный подшипник 600 расположен на стороне двигателя 200 вдали от компрессора 300; второй радиальный подшипник 700 установлен между компрессором 300 и турбиной 400, четвертый радиальный подшипник 900 расположен на стороне турбины 400 вдали от компрессора 300, а упорный подшипник 500 расположен между компрессором 300 и вторым радиальным подшипником 700.
Настоящий вариант реализации публичного заявления может применяться в случаях, когда двигатель 200 имеет слишком большую массу. В этом случае, чтобы обеспечить стабильность роторной системы, обе стороны этой системы должны быть снабжены радиальными подшипниками (то есть первым радиальным подшипником 600 и четвертым радиальным подшипником 900), в то время как упорный подшипник 500 необходимо переместить по направлению к одной стороне турбины 400.
Учитывая высокую температуру турбины 400, когда упорный подшипник 500 является газомагнитным гибридным упорным подшипником, так как магнитные элементы в магнитном подшипнике не могут выдерживать высокую температуру, передаваемую турбиной 400, упорный подшипник 500 может быть установлен между компрессором 300 и вторым радиальным подшипником 700. Соответственно, второй радиальный подшипник 700 может быть гибридным радиальным газодинамическим или газостатическим подшипником.
Как правило, температура на стороне турбины 400 рядом с четвертым радиальным подшипником 900 выше, чем температура на стороне турбины 400 рядом со вторым радиальным подшипником 700. Следовательно, в качестве четвертого радиального подшипника 900 предпочтительно используется гибридный радиальный газодинамический или газостатический подшипник.
В качестве другого варианта реализации второй радиальный подшипник 700 может также быть гибридным газомагнитным радиальным подшипником, в этом случае магнитный элемент второго радиального подшипника 700 располагается в области второго радиального подшипника 700, удаленной от турбины 400. То есть в области второго радиального подшипника 700 около турбины 400 нет магнитного элемента.
Чтобы защитить магнитные элементы на втором радиальном подшипнике 700, надо уменьшить тепловую энергию, излучаемую турбиной 400 на второй радиальный подшипник 700. В частности, сторона турбины 400 рядом со вторым радиальным подшипником 700 покрыта теплоизоляционным слоем (не показан на чертеже). Здесь теплоизоляционный слой может представлен аэрогелем или другими материалами.
На Рис. 16 представлен схематический вид, показывающий магнитный элемент, расположенный на участке второго радиального подшипника 700 (Рис. 15) вдали от турбины 400.
Следует отметить, что если масса двигателя 200 не слишком велика, упорный подшипник 500 может быть расположен между первым радиальным подшипником 600 и двигателем 200; или на стороне двигателя 200, удаленной от первого радиального подшипника 600; или между двигателем 200 и компрессором 300. Здесь не приводятся более подробные описания, так как и так все понятно.
Что касается остального, оно описано в первом варианте реализации публичного заявления и позволяет достигнуть того же технического эффекта. Во избежание повторения в данном публичном заявлении это описание будет опущено.
Вариант реализации 4
Как показано на Рис. 17, роторная система включает в себя следующее: вращающийся вал 100, расположенный горизонтально, корпус которого представляет собой интегрированную конструкцию; затем двигатель 200, компрессор 300 и турбина 400, расположенные по порядку на вращающемся валу 100; а также упорный подшипник 500, первый радиальный подшипник 600, второй радиальный подшипник 700, третий радиальный подшипник 800 и четвертый радиальный подшипник 900, расположенные на валу 100; первый радиальный подшипник 600 расположен на стороне двигателя 200 вдали от компрессора 300; второй радиальный подшипник 700 установлен между компрессором 300 и турбиной 400, третий радиальный подшипник 800 расположен двигателем 200 и компрессором 300; четвертый радиальный подшипник 900 расположен на стороне турбины 400 вдали от компрессора 300, а упорный подшипник 500 расположен между компрессором 300 и вторым радиальным подшипником 700.
В настоящем варианте реализации публичного заявления, чтобы дополнительно улучшить стабильность всей роторной системы, на основе третьего варианта реализации между двигателем 200 и компрессором 300 добавлен третий радиальный подшипник 800.
В этом варианте реализации публичного заявления упорный подшипник 500 может представлять собой газомагнитный гибридный упорный подшипник, а второй радиальный подшипник 700 и четвертый радиальный подшипник 900 могут представлять собой гибридный радиальный газодинамический или газостатический подшипник.
В качестве другого варианта реализации второй радиальный подшипник 700 может также быть гибридным газомагнитным радиальным подшипником, в этом случае магнитный элемент второго радиального подшипника 700 располагается в области второго радиального подшипника 700, удаленной от турбины 400. То есть в области второго радиального подшипника 700 около турбины 400 нет магнитного элемента.
Чтобы защитить магнитные элементы на втором радиальном подшипнике 700, надо уменьшить тепловую энергию, излучаемую турбиной 400 на второй радиальный подшипник 700. В частности, сторона турбины 400 рядом со вторым радиальным подшипником 700 покрыта теплоизоляционным слоем (не показан на чертеже). Здесь теплоизоляционный слой может представлен аэрогелем или другими материалами.
На Рис. 18 представлен схематический вид, показывающий магнитный элемент, расположенный на участке второго радиального подшипника 700 (Рис. 17) вдали от турбины 400.
Что касается остального, оно описано в третьем варианте реализации и позволяет достигнуть того же технического эффекта. Во избежание повторения в данном варианте реализации публичного заявления это описание будет опущено.
Вариант реализации 5
Когда роторная система в настоящей заявке используется на мобильном оборудовании, таком как электромобиль с увеличенным пробегом, вал ротора напрямую контактирует с подшипником, когда роторная система не работает.Во время движения автомобиля вал перемещается в радиальном или осевом направлении относительно подшипника из-за ударов или вибраций, что вызывает истирание между валом и подшипником, влияет на точность и срок службы подшипника.
Следовательно, чтобы решить эту проблему, на основе других вариантов реализации в публичном заявлении роторная система в данном варианте реализации снабжается блокирующим устройством для блокировки вращающегося вала, когда система не работает.
В данном варианте реализации в публичном заявлении конструктивное исполнение и способ установки блокирующего устройства не являются уникальными. Чтобы облегчить понимание, ниже подробно описаны два способа реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи.
В одном способе реализации, как показано на Рис. 19, блокирующее устройство 110 включает в себя телескопический блок сжатия 111, соединительный стержень 112 и фиксирующий элемент 113, один конец соединительного стержня 112 соединяется с фиксирующим элементом 113, а другой конец соединяется с телескопическим блоком сжатия 111, который обращен к торцевой поверхности одного конца вращающегося вала 100, удаленного от турбины 400, а другой конец фиксирующего элемента 113 жестко соединен с корпусом, где установлена роторная система по настоящей заявке.
Когда роторная система выключается, срабатывает телескопический блок сжатия 111 фиксирующего элемента 110, и двигает вал 100 в осевом направлении вращающегося вала 100, так что статор упорного подшипника 500 контактирует с упорным диском таким образом, что вал 100 фиксируется в осевом направлении фиксирован, в то время как трение статора упорного подшипника 500 и упорного диска приводит к фиксации вращающегося вала 100 в радиальном направлении.
Более того, телескопический блок сжатия 111 имеет верхнюю острую часть (не показана на рисунке), а на торцевой поверхности конца вращающегося вала 100, удаленного от турбины 400, имеется центральное отверстие (не показано на рисунке). В заблокированном состоянии верхняя часть входит в центральное отверстие вращающегося вала 100, что улучшает его фиксацию, а также предотвращает истирание и повреждение вращающегося вала 100 и подшипника во время движения транспортного средства.
При другом варианте реализации, как показано на Рис. 20 и Рис. 21, блокирующее устройство 120 также может иметь конструкцию с зажимным кольцом. В частности, блокирующее устройство 120 включает в себя телескопический блок сжатия 121 и зажимное кольцо 122, которое соединяется с телескопической стороной блока 122. Зажимное кольцо 122 может быть полукруглым, радиус которого равен или немного больше радиуса вращающегося вала 100. Ось кольца 122 расположена параллельно оси вращающегося вала 100. Телескопический блок 121 установлен практически в середине осевого сечения вращающегося вала 100 и неподвижно прикреплен к корпусу, где установлена роторная система по настоящей заявке.
Когда роторная система выключена, телескопический блок 121 вытягивается, и зажимное кольцо 122 захватывает вращающийся вал 100, толкая его так, чтобы он вошел в контакт с радиальным подшипником и зафиксировался в радиальном направлении. При этом сила трения радиального подшипника и вала 100 приводит к фиксации вала 100 в осевом направлении.
Кроме того, телескопический блок 121 может выбирать компонент для телескопического управления, например, цилиндр поршневого типа или гидравлический цилиндр.
В этом варианте реализации положение установки блокирующего устройства 120 на вращающемся валу 100 не имеет ограничений. Предпочтительно, чтобы блокирующее устройство 120 находилось между двумя радиальными подшипниками в роторной системе.
Следует отметить, что блокирующие устройства на Рис. 19 и Рис. 20 основаны на настройках роторной системы, показанных на Рис. 1, поэтому блокирующие устройства в роторной системе других вариантов реализации данного публичного заявления здесь не описываются отдельно.
В данном варианте реализации публичного заявления установка блокирующего устройства позволяет блокировать вращающийся вал, когда роторная система не работает.Таким образом, можно предотвратить радиальное или осевое перемещение вращающегося вала относительно подшипника, а также повысить точность и срок службы подшипника.
Вариант реализации 6
Когда роторная система в настоящей заявке используется на мобильном оборудовании, таком как электромобиль с увеличенным пробегом, вал ротора напрямую контактирует с подшипником, когда роторная система не работает.Во время движения автомобиля вал перемещается в радиальном или осевом направлении относительно подшипника из-за ударов или вибраций, что вызывает истирание между валом и подшипником, влияет на точность и срок службы подшипника.
Поэтому, чтобы решить эту проблему, на основе других вариантов реализации публичного заявления роторную систему в данном варианте покрывают износостойким покрытием 101 на валу 100, где установлен подшипник, как показано на Рис. 22.
Износостойкое покрытие 101 наносится на вал 100, где установлен подшипник, и может эффективно предотвратить износ вала 100 и подшипника. Износостойкое покрытие 101 предпочтительно выбирают из материалов с химической стабильностью, коррозионной стойкостью, высокой смазывающей способностью, без вязкости, с хорошей устойчивостью к старению, таких как политетрафторэтилен.
Любая из роторных систем в вариантах реализации с первого по шестой может быть применена к горизонтальной газотурбинной генераторной установке и, в частности, к горизонтальной микрогазотурбинной генераторной установке. Ниже приводится описание на примере роторной системы, применимой к горизонтальной газотурбинной генераторной установке.
Вариант реализации 7
Как показано на Рис. 23, данный вариант реализации публичного заявления предусматривает газотурбинную генераторную установку, которая включает в себя корпус 310, впускной канал 320 и камеру сгорания 330, а также любую из роторных систем из вариантов реализации с первого по шестой, где роторная система включает в себя вращающийся вал 100, двигатель 200, компрессор 300, турбину 400, упорный подшипник и радиальный подшипник (не показан на рисунке), установленные на вращающемся валу 100. При этом впускной канал 320 сообщается с впускным каналом компрессора 300, а выпускной канал компрессора 300 сообщается с впускным каналом камеры сгорания 330, а выпускной канал камеры сгорания 330 сообщается с впускным каналом турбины 400.
При этом компрессор 300 может быть центробежным компрессором 300, а турбина 400 турбиной может быть центробежной турбиной, подшипник двигателя 200 может быть газодинамическим подшипником, а часть вала 100, соответствующая подшипнику двигателя 200, может иметь канавку возникновения динамического давления 201. Камера сгорания 330 может быть кольцевой камерой сгорания.
Как вариант, впускной канал 320 может быть образован кожухом двигателя 200 и кожухом 310 газотурбинной генераторной установки. Таким образом, когда воздух поступает в компрессор 300 через впускной канал 320, он проходит через кожух двигателя 200, охлаждая двигатель 200.
При необходимости двигатель 200 может представлять собой возбуждающий моноблочный электродвигатель.
Процесс работы газотурбинной генераторной установки подробно описывается ниже.
Как показано ранее, упорный подшипник в роторной системе может быть газомагнитным гибридным упорным подшипником, а радиальный подшипник может быть газомагнитным гибридным упорным подшипником или гибридным радиальным газостатическим или газодинамическим подшипником. Для удобства описания мы определим подшипник, который может выполнять функцию смазки без вращения вала 100, как газостатический подшипник, а подшипник, который может работать, когда вал 100 вращается с определенной скоростью, как газодинамический подшипник. Следуя этой логике, магнитные подшипники и газостатические подшипники в газомагнитных гибридных упорных подшипниках, а также газостатические подшипники в гибридных радиальных газостатических и газодинамических подшипниках могут называться газостатическими подшипниками, а газодинамические подшипники в газомагнитных гибридных упорных подшипниках, а также газодинамические подшипники в радиальных гибридных газостатических и газодинамических подшипниках могут называться как газодинамические подшипники.
Как показано на Рис. 24, данный вариант реализации публичного заявления обеспечивает способ управления газотурбинной генераторной установкой, включающий в себя:
S11. Запуск радиального и упорного газостатического подшипника позволяет перевести вал в заданное радиальное положение, а упорный диск упорного подшипника - в заданное положение оси.
При этом запуск газостатического подшипника включает в себя: запуск магнитного подшипника в подшипнике и/или подачу газа во впускное дросселирующее отверстие подшипника.
S12. Запуск газотурбинной генераторной установки, после сжатия в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания и сгорает вместе с топливом. Высокотемпературный газ под высоким давлением, выходящий из камеры сгорания, воздействует на колесо турбины, вызывая ее вращение.
Далее для подробного описания процесса запуска газотурбинной генераторной установки в качестве примера будет использоваться моноблочный возбуждающий двигатель.
После получения сигнала пуска контроллер газовой турбины (ECU) отправляет команду режима управления двигателем контроллеру мощности двигателя (в центр обработки данных DPC), DPC переключается в режим управления двигателем, преобразует частоту постоянного тока во встроенных аккумуляторах турбины, приводит в движение двигатель, который повышает частоту оборотов газовой турбины.
После того как частота оборотов газовой турбины увеличивается до числа оборотов зажигания, открывается топливный клапан, запускается процесс зажигания. Воздух поступает в компрессор через впускной канал, где он сжимается, поступает в регенератор и предварительно нагревается высокотемпературным газом, выходящим из турбины. Предварительно нагретый сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом и сжигается. После полного сгорания в камере газ с высокой температурой и под высоким давлением поступает в турбину и воздействует на ее колесо, вызывая вращение колеса турбины, и отработанный газ турбины поступает в регенератор для предварительного нагрева холодного сжатого воздуха перед поступлением в камеру сгорания, после чего выпускается из выхлопной трубы. Так как турбина соединена с компрессором и двигателем через вращающийся вал, вращение колеса турбины приводит в движение компрессор, которые начинают вращаться вместе на скорости, которая поддерживается сама собой.
После того как газовая турбина достигает скорости, на которой вращение поддерживается само собой, DPC зависает, двигатель на холостом ходу продолжает повышать обороты, а турбина продолжает увеличивать мощность, и скорость увеличивается до рабочего значения. ECU отправляет команду режима управления двигателем в DPC, DPC переключается в режим управления двигателем, и посредством выпрямителя преобразует переменный ток, выводимый двигателем, в ток с напряжением, необходимым потребителю.
Компрессор представляет собой центробежный компрессор, который содержит поворотные лопасти и неповоротные лопасти, расположенные по кругу, при этом неповоротная лопасть представляет собой диффузор. Таким образом, конкретный процесс подачи воздуха в компрессор из впускного канала для сжатия может быть следующим. После того как воздух поступает на поворотные лопасти центробежного компрессора и сжимается, он поступает в расположенный по окружности диффузор (то есть неповоротные лопасти), где продолжает сжиматься.
Турбина является центробежной и снабжена поворотными лопастями. Неповоротные лопасти расположены по кругу на выходе камеры сгорания и представляют собой сопло. Таким образом, газ высокой температуры и под высоким давлением после того, как полностью сгорает в камере сгорания, поступает в турбину, заставляя ее работать. Процесс вращения колеса турбины может быть следующим. После полного сгорания газ проходит через расположенные по окружности сопла (то есть неповоротные лопасти), расширяется и ускоряется, воздействуя на поворотные лопасти турбины и вращая ее.
S13. После того как вращающийся вал выходит на рабочие обороты, газостатический подшипник на радиальном и упорном подшипнике закрывается.
При этом остановка газостатического подшипника включает в себя остановку магнитного подшипника и/или прекращение подачи газа к впускному отверстию в газостатическом подшипнике.
S14. Когда газотурбинная генераторная установка выключена, запускаются газостатические радиальные подшипники в радиальных и упорных подшипниках.
S15. После снижения скорости вращения вала до нуля газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике останавливаются.
В описанном выше процессе контроль подшипников в роторной системе обеспечивает, что газостатические подшипники в радиальных и упорных подшипниках работают вплоть до тех пор, пока вращающийся вал не выйдет на рабочие обороты.
При выключенной газотурбинной генераторной установке контроль подшипников роторной системы обеспечивает, что газостатические подшипники радиальных и упорных подшипников работают вплоть до тех пор, пока обороты вращающегося вала не снизятся до нуля.
Как показано на Рис. 25, в данном варианте реализации публичного заявления представлен другой способ управления газотурбинной генераторной установкой, включающий в себя:
S21. Запуск газостатических подшипников радиальных и упорных подшипников позволяет переместить вал в заданное радиальное положение, а упорный диск упорного подшипника перемещается в заданное осевое положение.
При этом запуск газостатического подшипника включает в себя: запуск магнитного подшипника в подшипнике и/или подачу газа во впускное дросселирующее отверстие подшипника.
S22. Запустить газотурбинную генераторную установку. После сжатия компрессором воздух поступает в камеру сгорания и сгорает вместе с топливом. Затем высокотемпературный газ под высоким давлением выходит из камеры сгорания, воздействуя на колесо турбины и вызывая ее вращение, турбина вращает двигатель через вал, вырабатывая электричество.
S23. После того как скорость вала увеличивается до первого заданного значения, газостатические подшипники радиальных и упорных подшипников останавливаются.
Первое заданное значение может составлять от 5% до 30% от номинальной скорости.
При этом остановка газостатического подшипника включает в себя закрытие магнитного подшипника и/или прекращение подачи газа к впускному отверстию в газостатическом подшипнике.
S24. Когда роторная система ускоряется до критической скорости первого или второго порядка, газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике запускаются.
S25. После того как роторная система ротора плавно пройдет критическую скорость первого или второго порядка, газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике останавливаются.
S26. В процессе выключения газотурбинной генераторной установки, когда обороты роторной системы снижаются до критической скорости первого или второго порядка, газостатический подшипник радиального и упорного подшипника запускается.
S27. После того как роторная система ротора плавно пройдет критическую скорость первого или второго порядка, газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике останавливаются.
S28. Когда обороты вала снижаются до второй заданной величины, запускается газостатический подшипник радиального и упорного подшипника.
При этом второе заданное значение может быть равным или не равным первому заданному значению, а второе заданное значение может составлять от 5% до 30% от номинальной скорости.
S29. После снижения оборотов вращения вала до нуля газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике останавливаются.
В описанном выше процессе, перед запуском газотурбинной генераторной установки контроль подшипников роторной системы обеспечивает запуск газостатического подшипника радиальных и упорных подшипников. Таким образом, под действием газостатического подшипника вал поднимается до заданного радиального положения, упорный диск под действием газостатического подшипника толкается до заданного осевого положения.
После запуска газотурбинной генераторной установки скорость вращения вала постепенно увеличивается. И когда она достигает первого заданного значения, например, от 5% до 30% от номинальной скорости вращения, контроль подшипников в роторной системе обеспечивает прекращение работы газостатического подшипника радиального и упорного подшипника. Когда скорость вращения вала достигает критической скорости первого или второго порядка, управление подшипником роторной системы обеспечивает повторный запуск газостатического подшипника радиального и упорного подшипника. Когда вал проходит через критическую скорость первого или второго порядка, управление подшипником в роторной системе приводит к тому, что газостатический подшипник снова останавливается.
В процессе выключения газотурбинной генераторной установки скорость вращения вала постепенно уменьшается, и когда достигает критическую скорость первого или второго порядка, управление подшипником роторной системы приводит к повторному запуску газостатического подшипника радиального и упорного подшипников. Когда вал плавно проходит через критическую скорость второго или первого порядка, управление подшипником в роторной системе приводит к тому, что газостатический подшипник снова останавливается. Когда скорость вращения вала падает до заданного значения, например, до 5%-30% от номинальной скорости, управление подшипником в роторной системе приводит к тому, что газостатические подшипники радиальных и упорных подшипников снова запускаются, пока скорость вращения не снижается до нуля, после чего через управление подшипником в роторной системе газостатический подшипник в радиальных и упорных подшипниках снова перестает работать.
Описание способа управления роторной системой на основе способа управления газотурбинной генераторной установкой приводится ниже.
Вариант реализации 8
Как показано на Рис. 26, данный вариант реализации публичного заявления обеспечивает способ управления роторной системой, включающий в себя:
S101. Запуск газостатического подшипника радиального и упорного подшипника приводит к перемещению вала в заданное радиальное положение, а упорный диск упорного подшипника перемещается в заданное осевое положение.
При этом запуск газостатического подшипника включает в себя: запуск магнитного подшипника в подшипнике и/или подачу газа во впускное дросселирующее отверстие подшипника.
S102. После того как вращающийся вал выходит на рабочие обороты, газостатический подшипник на радиальном и упорном подшипнике закрывается.
При этом остановка газостатического подшипника включает в себя остановку магнитного подшипника и/или прекращение подачи газа к впускному отверстию в газостатическом подшипнике.
S103. Когда роторная система выключена, газостатические подшипники в радиальных и упорных подшипниках запускаются.
S104. После снижения скорости вращения вала до нуля газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике останавливаются.
В описанном выше процессе, перед запуском роторной системы контроль подшипников роторной системы обеспечивает запуск газостатического подшипника радиальных и упорных подшипников. Таким образом, под действием газостатического подшипника вал поднимается до заданного радиального положения, упорный диск под действием газостатического подшипника толкается до заданного осевого положения. Газостатические подшипники в радиальных и упорных подшипниках вращаются до тех пор, пока вал не достигнет рабочих оборотов.
Когда роторная система включена, контроль подшипников роторной системы обеспечивает, что газостатические подшипники радиальных и упорных подшипников работают до тех пор, пока обороты вращающегося вала не снизятся до нуля.
Как показано на Рис. 27, данный вариант реализации публичного заявления обеспечивает способ управления роторной системой, включающий в себя:
S11. Запуск газостатического подшипника радиального и упорного подшипника переводит вал в заданное радиальное положение, а упорный диск упорного подшипника - в заданное осевое положение.
При этом запуск газостатического подшипника включает в себя: запуск магнитного подшипника и/или подачу газа во впускное дросселирующее отверстие радиального подшипника.
S202. После того как скорость вала увеличивается до первого заданного значения, газостатические подшипники радиальных и упорных подшипников останавливаются.
Первое заданное значение может составлять от 5% до 30% от номинальной скорости.
При этом остановка газостатического подшипника включает в себя закрытие магнитного подшипника и/или прекращение подачи газа к впускному отверстию в газостатическом подшипнике.
S24. Когда роторная система ускоряется до критической скорости первого или второго порядка, газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике запускаются.
S204. После того как роторная система ротора плавно пройдет критическую скорость первого или второго порядка, газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике останавливаются.
S205. Когда роторная система замедляется до критической скорости первого или второго порядка, газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике запускаются.
S206. После того как роторная система ротора плавно пройдет критическую скорость первого или второго порядка, газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике останавливаются.
S207. Когда обороты вала снижаются до второй заданной величины, запускается газостатический подшипник радиального и упорного подшипника.
При этом второе заданное значение может быть равным или не равным первому заданному значению, а второе заданное значение может составлять от 5% до 30% от номинальной скорости.
S208. После снижения скорости вращения вала до нуля газостатические подшипники в радиальном и упорном подшипнике останавливаются.
В описанном выше процессе, перед запуском роторной системы контроль подшипников роторной системы обеспечивает запуск газостатического подшипника радиальных и упорных подшипников. Таким образом, под действием газостатического подшипника вал поднимается до заданного радиального положения, упорный диск под действием газостатического подшипника толкается до заданного осевого положения.
После запуска газотурбинной генераторной установки скорость вращения вала постепенно увеличивается. И когда она достигает первого заданного значения, например, от 5% до 30% от номинальной скорости вращения, контроль подшипников в роторной системе обеспечивает прекращение работы газостатического подшипника радиального и упорного подшипника. Когда скорость вращения вала достигает критической скорости первого или второго порядка, управление подшипником роторной системы обеспечивает повторный запуск газостатического подшипника радиального и упорного подшипника. Когда вал проходит через критическую скорость первого или второго порядка, управление подшипником в роторной системе приводит к тому, что газостатический подшипник снова останавливается.
В процессе выключения роторной системы скорость вращения вала постепенно уменьшается, и когда она достигает критической скорости второго или первого порядка, управление подшипником роторной системы приводит к повторному запуску газостатического подшипника радиального и упорного подшипников. Когда вал плавно проходит через критическую скорость второго или первого порядка, управление подшипником в роторной системе приводит к тому, что газостатический подшипник снова останавливается. Когда скорость вращения вала падает до заданного значения, например, до 5%-30% от номинальной скорости, управление подшипником в роторной системе приводит к тому, что газостатические подшипники радиальных и упорных подшипников снова запускаются, пока скорость вращения не снижается до нуля, после чего через управление подшипником в роторной системе газостатический подшипник в радиальных и упорных подшипниках снова перестает работать.
Учитывая все вышеизложенное, мы ясно понимаем общую структуру роторной системы, предусмотренной в данном варианте реализации публичного заявления, общую структуру газотурбинной генераторной установки, использующей вышеупомянутую роторную систему, способ управления газотурбинной генераторной установкой и роторной системой.
Следует отметить, что упорный и радиальный подшипник в роторной системе ротора могут иметь разные конструктивные формы. Что касается газомагнитного гибридного упорного подшипника, он может включать в себя газомагнитный упорный лепестковый подшипник или газомагнитный упорный подшипник с канавкой. Что касается газомагнитного гибридного радиального подшипника, он может включать в себя газомагнитный радиальный лепестковый подшипник или газомагнитный радиальный подшипник с канавкой.
Далее подробно описаны различные конструктивные формы упорных и радиальных подшипников в роторной системе, а также конкретные процессы управления каждым упорным и радиальным подшипником при управлении роторной системой со ссылкой на чертежи.
Вариант реализации 9
На Рис. 28-31 показаны схематические структурные схемы газомагнитных гибридных упорных лепестковых подшипников, предоставленных в данном варианте реализации публичного заявления.
Как показано на Рис. 28-31, газомагнитный гибридный упорный лепестковый подшипник 5100 включает в себя первый упорный диск 5101, который жестко соединен с вращающимся валом 100, а также первый статор 5102, проходящий через вращающийся вал 100, и второй статор 5103; первый статор 5102 и второй статор 5103 расположены на противоположных сторонах первого упорного диска 5101; в первом статоре 5102 и втором статоре 5103 каждый из статоров включает в себя первый магнитный подшипник 5104 и первый лепестковый подшипник 5105. Первый магнитный подшипник 5104 снабжен множеством первых магнитных элементов по окружности. Первый лепестковый подшипник 5105 снабжен множеством первых магнитных элементов, достаточных для того, чтобы создавать магнитную силу со множеством первых магнитных элементов, причем первый лепестковый подшипник 5105 расположен между первым магнитным подшипником 5104 и первым упорным диском 5101, и имеет первый зазор 5106 с первым упорным диском, а первый лепестковый подшипник 5105 может под воздействием магнитной силы, созданной между первым и вторым магнитным элементом, перемещаться в направлении оси вала100.
В данном варианте реализации посредством создания первого зазора 5106 в упорном подшипнике 5100 и первого магнитного подшипника 5104 данный упорный подшипник 5100 образует газомагнитный гибридный упорный подшипник.
В процессе работы газовый подшипник в упорном подшипнике 5100 работает согласованно с первым магнитным подшипником 5104, и когда упорный подшипник 5100 переходит в стабильное рабочее состояние, с помощью газового подшипника реализуется опора. Когда упорный подшипник 5100 находится в нестабильном рабочем состоянии, первый магнитный подшипник 5104 используется для контроля и своевременного реагирования на упорный подшипник 5100.
Из этого видно, что данный вариант реализации способен улучшить упорный подшипник, в частности, динамические характеристики и стабильность при вращении на высокой скорости, выдерживать энергию движения, улучшая предельную нагрузку упорного подшипника. В данном варианте реализации упорный подшипник отвечает требованиям высокоскоростной роторной системы, например, требованиям газовой турбины или газотурбинной генераторной установки.
В данном варианте реализации первый упорный диск 5101, первый статор 5102 и второй статор 5103 могут имеет одинаковый внешний диаметр, причем первый статор 5102 и второй статор 5103 имеют полностью идентичную конструкцию.
Когда роторная система в данном варианте реализации применяется в газовой турбине или газотурбинной генераторной установке, первый статор 5102 и второй статор 5103 могут соединяться с кожухом газовой турбины с помощью соединительного элемента.
Как вариант, множество первых магнитных элементов включает в себя множество первых постоянных магнитов, которые расположены по окружности на первом магнитном подшипнике 5104; или множество первых магнитных элементов включает в себя множество первых электромагнитных элементов, которые расположены по окружности на первом магнитном подшипнике 5104, и каждый из первых электромагнитов на множестве первых электромагнитов включает в себя первый магнитный сердечник 51041, расположенный на первом магнитном подшипнике 5104, и первую катушку 51042 вокруг первого магнитного сердечника.
В данном варианте реализации, когда для газомагнитного гибридного упорного лепесткового подшипника 5100 требуется только магнитная сила магнитного элемента и не требуется магнитное управление, первый магнитный элемент предпочтительно представляет собой первый постоянный магнит; если для газомагнитного гибридного упорного лепесткового подшипника 5100 одновременно требуется и магнитная сила, и магнитное управление, первый магнитный элемент предпочтительно является первым электромагнитом.
Когда первый магнитный элемент является первым электромагнитом, электрический ток подается на первую катушку 51042, так что первый магнитный сердечник 51041 может генерировать магнитную силу. В первую катушку 51042 поступает ток разной величины, первый магнитный сердечник 51041 также генерирует разную магнитную силу. В первую катушку 51042 ток поступает с разных направлений, и магнитные полюса первого магнитного сердечника 51041 также различаются.
Поскольку кремнестальной лист или лист из кремнистой стали имеет такие физические характеристики, как высокая магнитная проницаемость и низкие вихревые потери, в данном предпочтительном варианте реализации первый магнитный сердечник 51041 сформирован путем прессования нескольких кремнестальных листов или листов из кремнистой стали.
Как вариант, первый магнитный подшипник 5104 содержит следующее: гнездо первого магнитного подшипника 51043, причем гнездо первого магнитного подшипника 51043 расположен напротив первого упорного диска, а гнездо первого магнитного подшипника 51043 снабжено множеством расположенных по окружности первых слотов 51044, множество первых магнитных элементов расположено во множестве первых слотов 51044. Первая торцевая крышка 51045 расположена на стороне первого гнезда магнитного подшипника 51043, удаленной от лепесткового подшипника 5105, и взаимодействует с первым лепестковым подшипником 5105, фиксируя первый магнитный элемент на первом гнезде магнитного подшипника 51043. Поскольку кремнестальной лист или лист из кремнистой стали имеет такие физические характеристики, как высокая магнитная проницаемость и низкие вихревые потери, в данном предпочтительном варианте реализации первое гнездо магнитного подшипника 51043 сформировано путем прессования нескольких кремнестальных листов или листов из кремнистой стали. Число первых слотов 51044 может составлять, без ограничений, шесть или восемь, и эти слоты равномерно расположены вдоль окружности первого гнезда магнитного подшипника 51043. Таким образом, магнитная сила между первым гнездом магнитного подшипника 51043 и первым лепестковым подшипником 5105 становится более равномерной и стабильной. Следует отметить, что множество первых магнитных элементов также может быть расположено на первом гнезде магнитного подшипника 51043 другими способами, в отношении которых нет ограничений. Материал первой торцевой крышки 51045 может быть немагнитным, предпочтительно твердым алюминиевым материалом.
Как вариант, первый лепестковый подшипник 5105 включает в себя первое гнездо лепесткового подшипника 51051, неподвижно соединенное с первым гнездом магнитного подшипника 51051, а также первый лепесток 51052 и второй лепесток 51053, расположенные в первом гнезде лепесткового подшипника 51051, первый лепесток 51053 устанавливается на гнезде первого лепесткового подшипника 51052, второй лепесток 51053 накладывается на стороне первого лепестка 51052 около упорного диска 5101. При этом второй лепесток 51053 представляет собой плоский лепесток, а второй магнитный элемент расположен на втором лепестке 51053, так что второй лепесток 51053 под воздействием магнитной силы первого магнитного элемента и второго магнитного элемента перемещается в направлении оси вала 100. Первый лепесток 51052 является лепестком с возможностью упругой деформации и может эластично деформироваться при перемещении второго лепестка 51053.
Материал первого гнезда лепесткового подшипника 51051 является немагнитным материалом, предпочтительно твердым алюминиевым материалом. Первый лепесток 51052 является упруго деформируемым лепестком. Учитывая, что материал магнитопроводящего материала является твердым и хрупким, он не подходит для упруго деформируемого лепестка, поэтому первый лепесток 51052 предпочтительно является немагнитопроводящей лентой из нержавеющей стали.
В данном варианте реализации в качестве второго лепестка 51053 используется плоский лепесток, что упрощает управление расстоянием между вторым лепестком 51053 и первым упорным диском 5101, иначе говоря, облегчает контроль размера первого зазора 5106. Для первого лепестка 51052 используется упруго деформируемый лепесток; с одной стороны, он играет роль соединителя второго лепестка 51053 и первого гнезда лепесткового подшипника 51051, а с другой стороны, способен обеспечить перемещение второго лепестка 51053 относительно первого седла лепесткового подшипника 51051 вдоль осевого направления вращающегося вала 100.
Как вариант, первый лепесток 51052 представляет собой упруго деформируемый гофрированный лепесток, который имеет форму незамкнутого кольца. На лепестке предусмотрено отверстие, одна сторона которого крепится к первому гнезду лепесткового подшипника 51051, другая сторона отверстия является подвижной.
При этом, когда второй лепесток 51053 движется в осевом направлении вращающегося вала 100, гофрированный первый лепесток 51052 растягивается или сжимается, и подвижный конец перемещается вдоль кольца.
В данном варианте реализации применение гофрированного упруго деформируемого лепестка в качестве первого лепестка 51052 позволяет использовать возможность растяжения или сжатия, чтобы толкать второй лепесток 51053 в осевом направлении вращающегося вала 100.
Следует отметить, что в данном варианте реализации первый лепесток 51052 может иметь не только гофрированную форму. Он может иметь и любую другую форму, которая способна обеспечивать упругую деформацию.
Как вариант, второй магнитный элемент включает в себя первый магнитный материал, расположенный на боковой поверхности второго лепестка 51053 рядом с первым магнитным подшипником 5104.
В этом случае первый магнитный материал распределен в форме полосы на втором лепестке 51053, сформировав множество магнитных частей в форме полосы, которые имеют радиальную или кольцевую форму.
Первые магнитные элементы также могут быть распределены на втором лепестке 51053 в виде точек.
В этом случае в качестве материала второго лепестка 51053 предпочтительно используется немагнитопроводящий материал. После того как поверхность второго лепестка 51053 экранирована от первого магнитного материала, на него может быть нанесено керамическое покрытие. Второй лепесток 51053 может быть изготовлен путем спекания керамического нанопорошка с использованием 40% диоксида циркония, 30% альфа-оксида алюминия и 30% магниевой шпинели.
Если поверхность второго лепестка 51053 полностью покрывает первый магнитный материал, магнитная сила, создаваемая между первым магнитным материалом и первым магнитным элементом, значительно вырастет, что легко приведет к деформации второго лепестка 51053. Ввиду этого в данном варианте реализации нанесение первого магнитного материала на поверхность второго лепестка 51053 позволяет распределить первый магнитный материал в виде полос или точек на втором лепестке 51053. Магнитная сила, создаваемая между первым магнитным материалом и первым магнитным элементом, сдерживается в разумных пределах, предотвращая деформацию второго лепестка 51053 из-за чрезмерной магнитной силы.
Как вариант, газомагнитный гибридный упорный лепестковый подшипник 5100 может дополнительно включать в себя первый датчик 5107, измерительный щуп первого датчика 5107 расположен в первом зазоре 5106.
В данном варианте реализации установка первого датчика 5107 позволяет измерять такие параметры в первом зазоре 5106 в реальном времени, как давление газовой оболочки в первом зазоре 5106. Таким образом, первый магнитный подшипник 5104 способен активно управлять упорным подшипником 5100 на основании результатов измерений первого датчика 5107, чтобы обеспечивает более высокую точность управления.
Как вариант, первый датчик 5107 включает в себя крышку первого датчика 51071 и щуп первого датчика 51072, при этом первый конец щупа первого датчика 51072 соединен с крышкой первого датчика 51071, которая в свою очередь закреплена на первом магнитном подшипнике 5104. Первый магнитный подшипник 5104 и первый лепестковый подшипник 5105 имеют отверстие для пропускания щупа первого датчика 51072, а второй конец щупа первого датчика 51072 проходит через отверстие в первом магнитном подшипнике 5104 и первом лепестковом подшипнике 5105, он растягивается до первого зазора 5106, и торец второго конца щупа первого датчика 51072 выравнивается по стороне первого лепесткового подшипника 5105, примыкающего к первому упорному диску 5101.
В данном варианте реализации устройство и способ установки первого датчика 5107 позволяют более устойчиво разместить первый датчик 5107 на первом магнитном подшипнике 5104. Выравнивание торца второго конца щупа первого датчика 51072 по стороне первого лепесткового подшипника 5101, примыкающей к первому упорному диску 5101, с одной стороны, позволяет избежать ударов первого упорного диска 5101 на щуп первого датчика 51072, что позволит защитить щуп первого датчика 51072, с другой стороны, это не повлияет на образование газовой оболочки в первом зазоре 5106 и предотвратит ее нарушение.
Как вариант, первый датчик 5107 расположен между двумя соседними первыми магнитными элементами.
В данном варианте реализации каждый статор должен быть снабжен по меньшей мере одним первым датчиком 5107, предпочтительно одним первым датчиком 5107, который предпочтительно располагается между двумя соседними первыми магнитными элементами.
Как вариант, первый датчик 5107 представляет собой любую одну или несколько из следующих комбинаций:
Датчик смещения для определения положения первого упорного диска 5101.
Датчик давления для определения давления газовой оболочки в первом зазоре 5106.
Датчик скорости для определения скорости вращения первого упорного диска 5101.
Датчик ускорения для определения вращательного ускорения первого упорного диска 5101.
Далее приводится подробное описание конкретного способа управления, когда в данном варианте реализации газомагнитный гибридный упорный подшипник (в том числе когда первый магнитный элемент в первом магнитном подшипнике является электромагнитом) участвует в процессе управления роторной системой.
Данный вариант реализации обеспечивает способ управления газомагнитным гибридным упорным лепестковым подшипником, включающий в себя:
S511. При запуске первых магнитных подшипников в первом и втором статоре управление первым упорным диском приводит к перемещению вала в осевом направлении под действием магнитной силы множества первых магнитных элементов, при этом первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником в первом статоре равен первому зазору между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником во втором статоре.
S512. После того как вращающийся вал выйдет на рабочие обороты, первый магнитный подшипник в первом и во втором статоре останавливается.
S513. Когда роторная система остановлена, первый магнитный подшипник в первом и втором статоре запускается.
S514. После того как обороты вращающегося вала падают до нуля, первый магнитный подшипник в первом и во втором статоре останавливается.
В описанном выше процессе после запуска первого магнитного подшипника первый упорный диск под действием первого магнитного подшипника достигает заданного положения между первым и вторым статором. Между торцами первого упорного диска и первого и второго статора имеется первый зазор.
При вращении вала первый упорный диск начинает вращаться относительно первого и второго статора при условии наличия струйной смазки в первом зазоре для предотвращения износа. Конкретный процесс запуска первого магнитного подшипника заключается в следующем: в первую катушку подается сигнал тока заданного значения, и первый упорный диск под действием первого магнитного подшипника достигает предварительно заданного положения между первым и вторым статором.
С увеличением скорости вращения вала скорость первого упорного диска синхронно растет, и когда вал выходит на рабочие обороты, давление газовой оболочки, созданное газодинамическим подшипником упорного подшипника (между первым упорным диском и первым и вторым статором имеется первый зазор, что создает газодинамический подшипник упорного подшипника), стабилизирует первый упорный подшипник, и затем первый магнитный подшипник останавливается.
Когда роторная система остановлена, первый упорный диск замедляется по мере замедления вала. Для поддержания стабильности вала во время останова всей роторной системы первый магнитный подшипник открывается, когда роторная система останавливается, первый упорный диск запускается и работает до тех пор, пока первый упорный диск не остановится полностью.
Данный вариант реализации также обеспечивает и другой способ управления газомагнитным гибридным упорным лепестковым подшипником, включающий в себя:
S521. При запуске первых магнитных подшипников в первом и втором статоре управление первым упорным диском приводит к перемещению вала в осевом направлении под действием магнитной силы множества первых магнитных элементов, при этом первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником в первом статоре равен первому зазору между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником во втором статоре.
S522. После того как скорость вращения вала достигнет первого заданного значения, первый магнитный подшипник в первом и во втором статоре останавливается.
S523. Когда скорость вращения вала снижается до второго заданного значения, первый магнитный подшипник в первом и втором статоре запускается.
S524. После того как обороты вала падают до нуля, первый магнитный подшипник в первом и во втором статоре останавливается.
В описанном выше процессе после запуска первого магнитного подшипника первый упорный диск под действием первого магнитного подшипника достигает заданного положения между первым и вторым статором. Между торцами первого упорного диска и первого и второго статора имеется первый зазор.
При вращении вала первый упорный диск начинает вращаться относительно первого и второго статора при условии наличия струйной смазки в первом зазоре для предотвращения износа. Конкретный процесс запуска первого магнитного подшипника заключается в следующем: в первую катушку подается сигнал тока заданного значения, и первый упорный диск под действием первого магнитного подшипника достигает предварительно заданного положения между первым и вторым статором.
С увеличением скорости вращения вала скорость первого упорного диска синхронно возрастает, и когда скорость вращения вала достигает первого заданного значения, например, 5%-30% от номинальной скорости, давление газовой оболочки, созданное газодинамическим подшипником упорного подшипника (между первым упорным диском и первым и вторым статором имеется первый зазор, что создает газодинамический подшипник данного газомагнитного гибридного упорного лепесткового подшипника), стабилизирует первый упорный подшипник, и затем первый магнитный подшипник останавливается.
В процессе остановки роторной системы первый упорный диск замедляется по мере замедления вала, и когда скорость вращения вала падает ниже второго заданного значения, например, 5%-30% от номинальной скорости вращения, в это время давление газовой оболочки, созданное газодинамическим подшипником упорного подшипника, также уменьшается по мере замедления первого упорного диска. Поэтому необходимо запустить первый магнитный подшипник, чтобы поддержать стабильность первого упорного диска до тех пор, пока первый упорный диск не остановится полностью.
Как вариант, вышеуказанный способ также включает следующее: когда нагрузка приходится на первый упорный диск, он под действием этой нагрузки перемещается в осевом направлении вращающегося вала, а первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником первого статора не равен первому зазору между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником во втором статоре, запускается первый магнитный подшипник в первом и втором статоре. Когда первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником в первом статоре равен первому зазору между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником во втором статоре, первый магнитный подшипник в первом и втором статоре останавливается.
Когда нагрузка приходится на первый упорный диск, первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником первого или второго статора уменьшается, приближаясь к первому лепестковому подшипнику на этой стороне, первый датчик (здесь первый датчик предпочтительно представляет собой датчик давления) получает сигнал о том, что давление воздуха растет, и в это время первый магнитный подшипник включается в работу. Первый магнитный подшипник не полностью передает магнитную силу на первый упорный диск, она передается на первый лепестковый подшипник на другой стороне. Эта магнитная сила используется для того, чтобы переместить первый лепестковый подшипник с другой стороны по направлению к удалению от первого упорного диска, при этом первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником на другой стороне увеличивается, давление на стороне уменьшения первого зазора растет так, чтобы обеспечивать выдерживать вес нагрузки на первый упорный диск, при этом автоматически давление газа перераспределяется между двумя первыми зазорами. Когда первый упорный диск достигает нового положения равновесия, первый магнитный подшипник перестает работать.
В частности, если первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником первого статора меньше, чем первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником второго статора, посредством управления первый лепестковый подшипник второго статора под действием магнитной силы, созданной множеством первых магнитных элементов и множеством вторых магнитных элементов, удаляется от первого упорного диска в осевом направлении вала.
Если первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником во втором статоре меньше первого зазора между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником в первом статоре, посредством управления первый лепестковый подшипник первого статора под действием магнитной силы, созданном между множеством первых и вторых магнитных элементов, удаляется от первого упорного диска в осевом направлении вала.
Как вариант, когда нагрузка приходится на первый упорный диск, он под действием нагрузки перемещается в осевом направлении вращающегося вала; первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником первого статора не равен первому зазору между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником во втором статоре, и первый магнитный подшипник первого и второго статора запускается, в том числе:
Когда нагрузка приходится на первый упорный диск, он под действием нагрузки перемещается в осевом направлении вращающегося вала; первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником первого статора не равен первому зазору между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником во втором статоре, и посредством управления первый магнитный подшипник первого и второго статора запускается на максимальной мощности, или,
Когда нагрузка приходится на первый упорный диск, он под действием нагрузки перемещается в осевом направлении вращающегося вала; первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником первого статора не равен первому зазору между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником во втором статоре, и посредством управления первый магнитный подшипник первого и второго статора запускается на предустановленной мощности стробоскопическим способом.
Когда возникает внешнее возмущение, первый упорный диск может быстро приближаться к первому лепестковому подшипнику на какой-либо одной стороне, что может на мгновение привести к тому, что первый зазор на этой стороне будет слишком мал, так что локальная скорость газа в первом зазоре на этой стороне будет близка или даже достигнет скорости звука, в результате чего ударная волна приведет к самовозбуждению. Создание ударной волны вызовет возмущение и хаос в локальном газовом потоке. Когда скорость среды перейдет от скорости звука к дозвуковой скорости, ее давление начнет значительно уменьшаться ступенчатым образом. В этом случае необходимо, чтобы первый лепестковый подшипник на этой стороне «уступил место» первому упорному диску, и тогда первый зазор на этой стороне увеличится, и скорость среды тогда сможет поддерживаться на дозвуковом уровне, обеспечивая нормальное давление среды. В частности, необходимо одновременно управлять первым магнитным подшипником на первом и втором статоре, чтобы магнитные полюса первого магнитного подшипника возбуждались с одинаковой полярностью, то есть на стороне, где первый зазор уменьшается, создается сила притяжения, которая притягивает первый лепестковый подшипник на этой стороне, а сила притяжения, создаваемая на стороне увеличения первого зазора, вытягивает первый упорный диск. Таким образом, разность магнитных сил из-за разницы в расстоянии действия магнитной силы с обеих сторон вытягивает первый упорный диск, восстанавливая первый зазор между первым упорным диском и первым лепестковым подшипником с обеих сторон до нормального значения, так что первый упорный диск возвращается в состояние равновесия.
В описанном выше процессе используется преимущество возможности удобного управления первым магнитным подшипником в реальном времени. Балансирование несбалансированной массы или вихря первого упорного диска приводит к чрезмерному смещению первого упорного диска, в результате чего он фиксируется в определенном минимальном диапазоне в осевом направлении вращающегося вала. Кроме того, в процессе ускорения первого упорного диска можно точно определить положение создаваемой ударной волны (то есть часть с линейной и сверхзвуковой скоростью), а путем управления величиной и направлением тока первого магнитного подшипника обратная сила первого магнитного подшипника уравновешивает действие удара. После того как ударная волна стабилизируется, необходимо снова подрегулировать стратегию управления первым магнитного подшипника, чтобы зафиксировать первый упорный диск в очень маленьком диапазоне самым энергоэффективным способом.
Таким образом, в данном варианте реализации имеются следующие полезные эффекты:
Во-первых, электромагнитный подшипник и газовый подшипник работают согласованно, улучшая динамические характеристики и стабильность подшипника в условиях высокоскоростного вращения. Подшипник способен выдерживать большие нагрузки, что повышает его нагрузочную способность. При этом электромагнитный подшипник и газовый подшипник имеют параллельное соединение, что упрощает конструкцию, имеет высокую степень интеграции, просто в обработке, изготовлении и эксплуатации и улучшает всесторонние характеристики подшипника. Когда система ротора запускается или останавливается, можно с помощью электромагнитного подшипника заставить упорный диск подшипника и статор вращаться в зазоре подшипника, что улучшает низкоскоростные характеристики подшипника, продлевает срок службы подшипника и может повысить безопасность и надежность подшипника и всей системы.
Во-вторых, по сравнению с обычным газодинамическим и газостатическим гибридным упорным подшипником, в котором используется комбинация газостатического и газодинамического подшипников, газомагнитный гибридный упорный лепестковый подшипник в данной варианте реализации имеет такое преимущество, как более высокая скорость отклика.
В-третьих, благодаря нанесению магнитного материала на лепесток, благодаря способности магнитных полюсов в электромагнитном подшипнике к притяжению, лепесток соответствующим образом деформируется, что повышает максимальное давление на стороне газовой оболочки смазки подшипника и предотвращает утечку смазки, повышается способность упорного диска противостоять ударам, а это также улучшает нагрузочную способность подшипника.
В-четвертых, недорогой датчик давления используется для сбора изменений давления газовой оболочки, при этом деформация лепестка контролируется простым методом, который может обеспечить более высокое демпфирование ротора, тем самым улучшая его стабильность. Кроме того, поскольку этот метод управления прост, не требуется высокая точность обработки подшипника.
Вариант реализации 10
На Рис. 32-38 представлены схемы газомагнитных гибридных упорных дисков с канавкой, используемых в данном варианте реализации.
Как показано на Рис. 32-38, газомагнитный гибридный упорный диск с канавкой 5200 включает в себя второй упорный диск 5201, который жестко соединен с вращающимся валом 100, третий магнитный элемент, расположенный на втором упорном диске 5201; а также третий статор 5202 и четвертый статор 5203 на валу 100, причем третий и четвертый статоры расположены на противоположных сторонах второго упорного диска 5201; каждый из третьего статора 5202 и четвертого статора статор 5203 включает в себя второй магнитный подшипник 5204. Второй магнитный подшипник 5204 снабжен множеством четвертых магнитных элементов, расположенных по окружности, способных генерировать магнитную силу с третьими магнитными элементами. Между вторым магнитным подшипником 5204 и вторым упорным диском 5201 имеется второй зазор 5206, и второй упорный диск 5201 может перемещаться в осевом направлении вращающегося вала 100 под действием магнитной силы, создаваемой между третьим магнитным элементом и множеством четвертых магнитных элементов; при этом торцевая сторона второго упорного диска 5201, обращенная к третьему статору 5202 и четвертому статору 5203, или торцевая сторона третьего статора 5202и четвертого статора 5203, обращенная ко второму упорному диску 5201, имеет вторую канавку возникновения динамического давления 5205.
В данном варианте реализации посредством создания первого зазора 5206 и второго магнитного подшипника 5204 на упорном диске 5200 данный упорный подшипник 5200 образует газомагнитный гибридный упорный подшипник.
В процессе работы газовый подшипник 5204 в упорном подшипнике 5200 работает согласованно со вторым магнитным подшипником 5204, и когда упорный подшипник 5200 переходит в стабильное рабочее состояние, с помощью газового подшипника реализуется опора. Когда упорный подшипник 5200 находится в нестабильном рабочем состоянии, второй магнитный подшипник 5204 используется для контроля и своевременного реагирования на упорный подшипник 5200.
Из этого видно, что данный вариант реализации способен улучшить упорный подшипник, в частности, динамические характеристики и стабильность при вращении на высокой скорости, выдерживать энергию движения, улучшая предельную нагрузку упорного подшипника. В данном варианте реализации упорный подшипник отвечает требованиям высокоскоростной роторной системы, например, требованиям газовой турбины или газотурбинной генераторной установки.
В настоящем варианте реализации второй упорный диск 5201, третий статор 5202 и четвертый статор 5203 могут иметь одинаковый наружный диаметр, а третий статор 5202 и четвертый статор 5203 могут иметь идентичную конструкцию.
Когда роторная система в данном варианте реализации применяется для газовой турбины, третий статор 5202 и четвертый статор 5203 могут соединяться с кожухом газовой турбины через соединительный элемент.
В данном варианте реализации, когда второй упорный диск 5201 вращается, газовая среда, присутствующая во втором зазоре 5206, давит на вторую канавку 5205, созданную давлением, тем самое создавая давление, и второй упорный диск 5201 бесконтактно удерживается в осевом направлении. При этом величина давления, создаваемого второй канавкой 5205, изменяется в зависимости от угла, ширины, длины, глубины, количества канавок и плоскостности второй канавки 5205. Кроме того, размер второй канавки 5205 также зависит от скорости вращения второго упорного диска 5201 и второго зазора 5206. Параметры второй канавки 5205 могут рассчитываться в соответствии с фактическими условиями работы. Вторая канавка 5205 может быть сформирована на третьем статоре 5202 и четвертом статоре 5203 путем ковки, прокатки, травления или штамповки; или вторая канавка 5205 возникновения динамического давления может быть сформирована на втором упорном диске 5201 путем ковки, прокатки, травления или штамповки и т.п.
Как вариант, множество четвертых магнитных элементов включает в себя множество вторых постоянных магнитов, которые расположены по окружности на втором магнитном подшипнике 5204; или множество четвертых магнитных элементов включают в себя множество вторых электромагнитов,которые расположены по окружности на втором магнитном подшипнике 5204, и каждый из множества вторых электромагнитов включает в себя второй магнитный сердечник 52041 на втором магнитном подшипнике 5204, и вторую катушка 52042 на втором магнитном сердечнике 52041.
В данном варианте реализации, когда для газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавкой 5200 требуется только магнитная сила магнитного элемента и не требуется магнитное управление, четвертый магнитный элемент предпочтительно представляет собой второй постоянный магнит; если для газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавкой 5200 одновременно требуется и магнитная сила, и магнитное управление, четвертый магнитный элемент предпочтительно является вторым электромагнитом.
Когда четвертый магнитный элемент представляет собой второй электромагнит, ток передается на вторую катушку 52042, так что второй магнитный сердечник 52041 генерирует магнитную силу. Во вторую катушку 52042 поступает ток разной величины, второй магнитный сердечник 52041 также генерирует разную магнитную силу. Во вторую катушку 52042 ток поступает с разных направлений, и магнитные полюса второго магнитного сердечника 51041 также различаются.
Поскольку кремнестальной лист или лист из кремнистой стали имеет такие физические характеристики, как высокая магнитная проницаемость и низкие вихревые потери, в данном предпочтительном варианте реализации второй магнитный сердечник 52041 сформирован путем прессования нескольких кремнестальных листов или листов из кремнистой стали.
Как вариант, второй магнитный подшипник 5204 включает в себя: гнездо второго магнитного подшипника 52043, причем гнездо второго магнитного подшипника 52043 и второй упорный диск 5201 расположены напротив друг друга. Вокруг гнезда второго магнитного подшипника 52043 имеется множество вторых слотов 52044, а на множестве четвертых магнитных элементов расположено множество вторых слотов 52044; магнитные полюсы множества четвертых магнитных элементов обращены к той стороне, где расположен второй упорный диск 5201; вторая торцевая крышка 52045 и первое прижимное кольцо 52046, вторая торцевая крышка 52045 находится на стороне гнезда второго магнитного подшипника 52043, удаленной от второго упорного диска 5201; первое прижимное кольцо 52046 находится на стороне гнезда второго магнитного подшипника 52043 рядом со вторым упорным диском 5201; вторая торцевая крышка 52045 взаимодействует с первым прижимным кольцом 52046, фиксируя множество четвертых магнитных элементов на седле второго магнитного подшипника 52043.
Поскольку кремнестальной лист или лист из кремнистой стали имеет такие физические характеристики, как высокая магнитная проницаемость и низкие вихревые потери, в данном предпочтительном варианте реализации гнездо второго магнитного подшипника 52043 сформировано путем прессования нескольких кремнестальных листов или листов из кремнистой стали. Число вторых слотов 52044 может составлять, без ограничений, шесть или восемь, и эти слоты равномерно расположены вдоль окружности гнезда второго магнитного подшипника 52043. Таким образом, магнитная сила между вторым магнитным подшипником 5204 и вторым упорным диском 5201 становится более равномерной и стабильной. Следует отметить, что множество четвертых магнитных элементов также может быть расположено на гнезде второго магнитного подшипника 52043 другими способами, в отношении которых нет ограничений. Материал второй торцевой крышки 52045 может быть немагнитным, предпочтительно твердым алюминиевым материалом. Материал первого прижимного кольца 52046 может быть немагнитным, предпочтительно твердым алюминиевым материалом.
В данном варианте реализации на первом прижимном кольце 52046 может быть вторая канавка 5205, что упрощает обработку второй канавки 5205, а первое прижимное кольцо 52046 может быть изготовлено из нержавеющей стали.
Как вариант, третий магнитный элемент включает в себя следующее: второй магнитный материал (не показан на рисунке), расположенный на втором упорном диске 5201, обращенный к торцевой части третьего статора 5202 и четвертого статора 5203; при этом второй магнитный материал распределен на втором упорном диске 5201 в форме полосы, и так формируется множество магнитных полос, которые расходятся радиально или в виде кольца; или второй магнитный элемент распределен на втором упорном диске 5201 точками.
В данном варианте реализации второй магнитный материал распределен на втором упорном диске 5201 в виде полос или точек, что позволяет регулировать магнитную силу, генерируемую между вторым и четвертым магнитным материалом, в разумных пределах.
Как вариант, вторые канавки 5205 расположены в форме радиальной или концентрической окружности. Это позволяет распределять газовую оболочку во втором зазоре 5206 более равномерно.
Как вариант, вторая канавка 5205 включает в себя первую винтовую канавку 52051 и вторую винтовую канавку 52052. Первая винтовая канавка 52051 идет снаружи вокруг второй винтовой канавки 52052. Первая винтовая канавка 52051 и вторая винтовая канавка 52052 идут в противоположном направлении. Конец первой винтовой канавки 52051 рядом со второй винтовой канавкой 52052 соединен или не соединен с концом второй винтовой канавки 52052 рядом с первой винтовой канавкой 52051.
При этом расстояние от конца первой винтовой канавки 52051 около второй винтовой канавки 52052 до оси вала 100 равно расстоянию по внешнему краю между концом первой винтовой канавки 52051 около второй винтовой канавки 52052 и третьим статором 5202 или четвертым статором 5203 или вторым упорным диском 5201. Как вариант, расстояние от конца второй винтовой канавки 52052 возле первой винтовой канавки 52051 до оси вала 100 равно расстоянию по внешнему краю между концом второй винтовой канавки 52052 возле первой винтовой канавки 52051 и третьим статором 5202 или четвертым статором 5203 или вторым упорным диском 5201.
В данном варианте реализации указанный выше способ установки второй канавки 5205 способен при условии вращения вала 100 в прямом или обратном направлении обеспечить его поддержку бесконтактным способом ожидаемым образом вторым упорным диском 5201, в результате чего вал 100 получает такие преимущества, как высокая нагрузочная способность и хорошая стабильность.
Как вариант, в каждом из упомянутых третьем роторе 5202 и четвертом роторе 5203 имеется первое дроссельное впускное отверстие статического давления 5208, которое одним концом сообщается с упомянутым вторым зазором 5206, а другим концом соединяется с внешним источником газа и используется для подачи газа из внешнего источника в упомянутый второй зазор 5206.
В данном варианте реализации устройство первого впускного дроссельного отверстия 5208 статического давления позволяет создать газостатический подшипник, так упорный подшипник 5200 может сформировать газодинамический - магнитный гибридный упорный подшипник. При этом диаметр потока первого впускного дроссельного отверстия 5208 статического давления можно регулировать в соответствии с фактическими условиями работы, такими как потребность в газе.
Как вариант, в каждом из третьих статоров 5202 и четвертых статоров 5203 имеется множество первых впускных дроссельных отверстий статического давления 5208, которые расположены с интервалом по окружности вдоль статора.
В данном варианте реализации множество первых впускных дроссельных отверстий статического давления 5208 расположены по окружности статора предпочтительно с равными интервалами. Таким образом, давление газовой оболочки во втором зазоре 5206 становится более равномерным.
Как вариант, в третьем статоре 5202 и четвертом статоре 5203 расстояние между первым впускным дроссельным отверстием 5208 статического давления и центром вала 100 больше или равно расстоянию по внешнему краю между первым впускным дроссельным отверстием 5208 статического давления и статором.
В данном варианте реализации вышеупомянутый способ расположения первого впускного дроссельного отверстия 5208 делает газостатический подшипник более стабильным. Если это впускное отверстие расположено слишком близко к оси вращающегося вала 100, газовая оболочка не сможет своевременно и эффективно покрывать всю торцевую поверхность второго упорного диска 5201, и поэтому второй упорный диск 5201 будет вращаться недостаточно стабильно. Предпочтительно, чтобы расстояние от первого отверстия 5208 до центра вращающегося вала 100 было равно расстоянию по внешнему краю от первого отверстия 5208 до статора.
Как вариант, газомагнитный гибридный подшипник с канавкой 5200 дополнительно включает в себя второй датчик 5207, щуп которого расположен во втором зазоре 5206.
В данном варианте реализации установка второго датчика 5207 позволяет измерять такие параметры во втором зазоре 5206 в реальном времени, как давление газовой оболочки во втором зазоре 5206. Таким образом, второй магнитный подшипник 5204 способен активно управлять упорным подшипником 5200 на основании результатов измерений второго датчика 5207, что обеспечивает более высокую точность управления.
Как вариант, второй датчик 5207 включает в себя крышку второго датчика 52071 и щуп второго датчик 52072, первый конец щупа второго датчика 52072 соединен с крышкой второго датчика 52071, и крышка второго датчика 52071 закреплена на втором магнитном подшипнике 5204. Второй магнитный подшипник 5204 снабжен сквозным отверстием, через которое проходит щуп второго датчика 52072, а второй конец щупа второго датчика 52072 проходит через сквозное отверстие на втором магнитном подшипнике 5204 и идет до второго зазора 5206. и второй датчик зонда часть 52072, а торец второго конца щупа второго датчика 52072 выровнен по стороне второго магнитного подшипника, расположенной рядом со вторым упорным диском 5201.
В данном варианте реализации устройство и способ установки второго датчика 5207 позволяют более устойчиво разместить второй датчик 5207 на втором магнитном подшипнике 5204. Кроме того, торец второго конца щупа второго датчика 52072 выровнен по стороне второго магнитного подшипника 5204 рядом со вторым упорным диском 5201. С одной стороны, это предотвращает удары щупа второго датчика 52072 со стороны второго упорного диска 5201, защищая щуп второго датчика 52072, с другой стороны, оно не влияет на газовую оболочку во втором зазоре 5206, предотвращает нарушение газовой оболочки во втором зазоре 5206.
Как вариант, второй датчик 5207 расположен между двумя соседними четвертыми магнитными элементами.
В данном варианте реализации каждый статор должен быть снабжен по меньшей мере одним вторым датчиком 5207, предпочтительно одним вторым датчиком 5207, который предпочтительно располагается между двумя соседними четвертыми магнитными элементами.
Как вариант, второй датчик 5207 представляет собой любую одну или несколько из следующих комбинаций:
Датчик смещения для определения положения второго упорного диска 5201.
Датчик давления для определения давления газовой оболочки во втором зазоре 5106.
Датчик скорости для определения скорости вращения второго упорного диска 5201.
Датчик ускорения для определения вращательного ускорения второго упорного диска 5201.
Далее приводится подробное описание конкретного способа управления, когда в данном варианте реализации газомагнитный гибридный упорный подшипник с канавкой (в том числе когда четвертый магнитный элемент во втором магнитном подшипнике является электромагнитом) участвует в процессе управления роторной системой.
Данный вариант реализации обеспечивает способ управления газомагнитным гибридным упорным подшипником с канавкой, включающий в себя:
S531. Запускается второй магнитный подшипник в третьем и четвертом статоре, и с помощью управления второй упорный диск перемещается в осевом направлении вала под действием магнитной силы, созданной между третьим магнитным элементом и множеством четвертых магнитных элементов. В результате разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в третьем статоре и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в четвертом статоре становится меньше или равно заданному значению
S532. После того как вал выйдет на рабочие обороты, второй магнитный подшипник в третьем и четвертом статоре останавливается.
S533. Когда роторная система остановлена, второй магнитный подшипник в третьем и четвертом статоре запускается.
S534. После того как обороты вала падают до нуля, второй магнитный подшипник в третьем и четвертом статоре останавливается.
В описанном выше способе, после запуска второго магнитного подшипника второй упорный диск достигает заданного положения между третьими и четвертыми статорами под действием второго магнитного подшипника, а на торцевой поверхности второго упорного диска и третьего и четвертого статора появляется второй зазор.
При вращении вала второй упорный диск начинает вращаться относительно третьего и четвертого статора при условии наличия струйной смазки во втором зазоре для предотвращения износа. Конкретный процесс запуска второго магнитного подшипника заключается в следующем: во вторую катушку подается сигнал тока заданного значения, и второй упорный диск под действием второго магнитного подшипника достигает предварительно заданного положения между третьим и четвертым статором.
С увеличением скорости вращения вала скорость второго упорного диска синхронно растет, и когда вал выходит на рабочие обороты, давление газовой оболочки, созданное газодинамическим подшипником данного упорного подшипника (между вторым упорным диском и третьим и четвертым статором имеется второй зазор, что создает газодинамический подшипник данного упорного подшипника), стабилизирует второй упорный подшипник, и затем второй магнитный подшипник останавливается.
Когда роторная система остановлена, второй упорный диск замедляется по мере замедления вала. Для поддержания стабильности вала во время останова всей роторной системы второй магнитный подшипник запускается, когда роторная система останавливается, и работает до тех пор, пока второй упорный диск не остановится полностью.
Данный вариант реализации также обеспечивает и другой способ управления газомагнитным гибридным упорным подшипником с канавкой, включающий в себя:
S541. Запускается второй магнитный подшипник в третьем и четвертом статоре, и с помощью управления второй упорный диск перемещается в осевом направлении вала под действием магнитной силы, созданной между третьим магнитным элементом и множеством четвертых магнитных элементов. В результате разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в третьем статоре и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в четвертом статоре становится меньше или равно заданному значению.
S542. После того как скорость вращения вала достигнет первого заданного значения, второй магнитный подшипник в третьем и четвертом статоре останавливается.
S543. Когда скорость вращения вала снижается до второго заданного значения, второй магнитный подшипник в третьем и четвертом статоре запускается.
S544. После того как обороты вала падают до нуля, второй магнитный подшипник в третьем и четвертом статоре останавливается.
В описанном выше способе, после запуска второго магнитного подшипника второй упорный диск достигает заданного положения между третьими и четвертыми статорами под действием второго магнитного подшипника, а на торцевой поверхности второго упорного диска и третьего и четвертого статора появляется второй зазор. При вращении вала второй упорный диск начинает вращаться относительно третьего и четвертого статора при условии наличия струйной смазки во втором зазоре для предотвращения износа. Конкретный процесс запуска второго магнитного подшипника заключается в следующем: во вторую катушку подается сигнал тока заданного значения, и второй упорный диск под действием второго магнитного подшипника достигает предварительно заданного положения между третьим и четвертым статором.
С увеличением скорости вращения вала скорость второго упорного диска синхронно возрастает, и когда скорость вращения вала достигает второго заданного значения, например, 5%-30% от номинальной скорости, давление газовой оболочки, созданное газодинамическим подшипником данного упорного подшипника (между вторым упорным диском и третьим и четвертым статором имеется второй зазор, что создает газодинамический подшипник данного газомагнитного гибридного упорного подшипника с канавкой), стабилизирует второй упорный подшипник, и затем второй магнитный подшипник останавливается.
В процессе остановки роторной системы второй упорный диск замедляется по мере замедления вала, и когда скорость вращения вала падает ниже второго заданного значения, например, 5%-30% от номинальной скорости вращения, в это время давление газовой оболочки, созданное газодинамическим подшипником данного упорного подшипника также уменьшается по мере замедления второго упорного диска. Поэтому необходимо запустить второй магнитный подшипник, чтобы поддержать стабильность второго упорного диска, до тех пор, пока второй упорный диск не остановится полностью.
Как вариант, вышеупомянутый способ дополнительно включает в себя:
Когда нагрузка приходится на второй упорный диск, он под действием нагрузки перемещается в осевом направлении вала, и когда разница между вторым зазором между вторым упорным диском и и вторым магнитным подшипником третьего статора разница и вторым зазором между вторым упорным диком и вторым магнитным подшипником четвертого статора становится больше заданного значения, запускается второй магнитный подшипник в третьем или четвертом статоре.
Когда разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в третьем статоре и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в четвертом статоре меньше или равна заданному значению, второй магнитный подшипник в третьем или четвертом статоре останавливается.
Когда нагрузка приходится на второй упорный диск, второй зазор между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником третьего или четвертого статора уменьшается, приближаясь ко второму магнитному подшипнику на этой стороне, второй датчик (здесь второй датчик предпочтительно представляет собой датчик давления) получает сигнал о том, что давление воздуха растет, и в это время второй магнитный подшипник включается в работу. Второй магнитный подшипник передает магнитную силу на второй упорный диск, который перемещается ко второму магнитному подшипнику на другой стороне, и когда второй упорный диск достигает нового положения равновесия, второй магнитный подшипник останавливается.
В частности, если второй зазор между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в третьем статоре меньше, чем второй зазор между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в четвертом статоре, и когда разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в третьем статоре и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в четвертом статоре больше заданного значения, необходимо управлять вторым магнитным подшипником четвертого статора, чтобы второй упорный диск под действием магнитной силы, созданной между третьим магнитным элементом и множеством четвертых магнитных элементов, переместился в осевом направлении вала в сторону, удаленную от четвертого статора.
Если второй зазор между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в четвертом статоре меньше, чем второй зазор между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в третьем статоре, и при этом разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником третьего статора и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником четвертого статора больше заданного значения, необходимо управлять вторым магнитным подшипником третьего статора, чтобы второй упорный диск под действием магнитной силы, созданной третьим магнитным элементом и множеством четвертых магнитных элементов, переместился в осевом направлении вала в направлении в сторону, удаленную от третьего статора.
Как вариант, когда нагрузка приходится на второй упорный диск, он под действием нагрузки перемещается в осевом направлении вала, и когда разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником третьего статора и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником четвертого статора становится больше заданного значения, запускается второй магнитный подшипник третьего или четвертого статора.
Когда нагрузка приходится на второй упорный диск, он под действием нагрузки перемещается в осевом направлении вала, и когда разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником третьего статора и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником четвертого статора становится больше заданного значения, необходимо запустить второй магнитный подшипник третьего или четвертого статора на максимальной мощности.
Когда нагрузка приходится на второй упорный диск, он под действием нагрузки перемещается в осевом направлении вала, и когда разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником третьего статора и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником четвертого статора становится больше заданного значения, необходимо запустить второй магнитный подшипник третьего или четвертого статора на заданной частоте стробоскопическим способом.
Когда возникает внешнее возмущение, второй упорный диск может быстро приближаться ко второму магнитному подшипнику на какой-либо одной стороне, что может на мгновение привести к тому, что второй зазор на этой стороне будет слишком мал, так что локальная скорость газа во втором зазоре на этой стороне будет близка или даже достигнет скорости звука, в результате чего ударная волна приведет к самовозбуждению. Создание ударной волны вызовет возмущение и хаос в локальном газовом потоке. Когда скорость среды перейдет от скорости звука к дозвуковой скорости, ее давление начнет значительно уменьшаться ступенчатым образом. В этом случае необходимо запустить второй магнитный подшипник третьего или четвертого статора на максимальной мощности, или запустить второй магнитный подшипник третьего или четвертого статора на заданной частоте стробоскопическим способом, чтобы обеспечить демпфирующее действие в отношении помех, тем самым эффективно подавляя внешние помехи. Когда второй упорный диск возвращается в состояние равновесия, второй магнитный подшипник перестает работать.
Следует отметить, что в данном варианте реализации, когда одновременно установлен как электромагнитный подшипник (четвертый магнитный элемент во втором магнитном подшипнике является электромагнитом, образуя электромагнитный подшипник), так и газостатический подшипник (на третьем и четвертом статоре имеется первое впускное дроссельное отверстие, образуя газостатический подшипник), электромагнитный и газостатический подшипник могут резервировать друг друга. В случае, если один из них выходит из строя, выходит из строя или не запускается, его функцию может выполнить другой. Например, когда обнаруживается отказ электромагнитного подшипника, включается внешний источник газа, который начинает работать вместо электромагнитного подшипника, тем самым повышая безопасность и надежность подшипника.
В данном варианте реализации, когда одновременно имеется как электромагнитный, так и газостатический подшипник, этап «Запуск газостатического подшипника в упорном подшипнике для перемещения упорного диска в заданное осевое положение» может включать в себя следующие способы реализации:
Запускается второй магнитный подшипник третьего и четвертого статора и/или внешний источник для подачи газа во второй зазор через первое впускное дроссельное отверстие.
Второй упорный диск под действием магнитной силы, созданной между третьим магнитным элементом и четвертым магнитным элементом, или под действием газовой среды перемещается в осевом направлении вала, для того чтобы разница между вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в третьем статоре и вторым зазором между вторым упорным диском и вторым магнитным подшипником в четвертом статоре была меньше или равна заданному значению.
В описанном выше процессе используется преимущество возможности удобного управления вторым магнитным подшипником в реальном времени. Балансирование несбалансированной массы или вихря второго упорного диска приводит к чрезмерному смещению второго упорного диска, в результате чего он фиксируется в определенном минимальном диапазоне в осевом направлении вращающегося вала. Кроме того, в процессе ускорения второго упорного диска можно точно определить положение создаваемой ударной волны (то есть часть с линейной и сверхзвуковой скоростью), а путем управления величиной и направлением тока второго магнитного подшипника обратная сила второго магнитного подшипника уравновешивает действие удара. После того как ударная волна стабилизируется, необходимо снова подрегулировать стратегию управления вторым магнитным подшипником, чтобы зафиксировать второй упорный диск в очень маленьком диапазоне самым энергоэффективным способом.
Таким образом, в данном варианте реализации имеются следующие полезные эффекты:
Во-первых, электромагнитный подшипник и газовый подшипник работают согласованно, улучшая динамические характеристики и стабильность подшипника в условиях высокоскоростного вращения. Подшипник способен выдерживать большие нагрузки, что повышает его нагрузочную способность. При этом электромагнитный подшипник и газовый подшипник имеют параллельное соединение, что упрощает конструкцию, имеет высокую степень интеграции, просто в обработке, изготовлении и эксплуатации и улучшает всесторонние характеристики подшипника. Когда роторная система запускается или останавливается, можно с помощью электромагнитного подшипника заставить упорный диск подшипника и статор вращаться во втором зазоре подшипника, что улучшает низкоскоростные характеристики подшипника, продлевает срок службы подшипника и может повысить безопасность и надежность подшипника и всей системы.
Во-вторых, по сравнению с обычным газодинамическим и газостатическим гибридным упорным подшипником, в котором используется комбинация газостатического и газодинамического подшипников, газомагнитный гибридный упорный подшипник с канавкой в данном варианте реализации имеет такое преимущество, как более высокая скорость отклика.
В-третьих, увеличение газостатического подшипника образует газостатический газодинамический - магнитный гибридный упорный подшипник с канавкой, и когда одновременно имеется электромагнитный подшипник и газостатический подшипник, нагрузочная способность подшипника еще вырастает, и электромагнитный и газостатический подшипник могут резервировать друг друга. Если один из них выходит из строя или не запускается, его функцию выполняет второй. Например, когда обнаруживается отказ электромагнитного подшипника, запускается газостатический подшипник, который начинает работать вместо электромагнитного подшипника, тем самым повышая безопасность и надежность подшипника.
Вариант реализации 11
На Рис. 39-46 показаны структурные схемы газомагнитных гибридных радиальных подшипников с канавкой, предоставленных в данном варианте реализации.
Как показано на Рис. 39-46, газомагнитный гибридный радиальный подшипник с канавкой 6200 включает в себя четвертый магнитный подшипник 6201, установленный на валу 100, и множество седьмых магнитных элементов, установленных по кругу на четвертом магнитном подшипнике 6201; четвертый магнитный подшипник 6201 направлен в сторону боковой стенки вала 100; или вал 100 направлен в сторону третьей канавки 6202 на окружности четвертого магнитного подшипника 6201. При этом между четвертым магнитным подшипником 6201 и валом 100 имеется четвертый зазор 6203, и вал 100 может перемещаться в радиальном направлении вала 100 под действием магнитной силы множества седьмых магнитных элементов.
В данном варианте реализации радиальный подшипник 6200 снабжен четвертым зазором 6203 и четвертым магнитным подшипником 6201, так что радиальный подшипник 6200 образует газомагнитный гибридный радиальный подшипник.
В процессе работы газовый подшипник в радиальном подшипнике 6200 работает согласованно с четвертым магнитным подшипником 6201, и когда радиальный подшипник 6200 переходит в стабильное рабочее состояние, с помощью газового подшипника реализуется опора. Когда радиальный подшипник 6200 находится в нестабильном рабочем состоянии, четвертый магнитный подшипник 6201 используется для контроля и своевременного реагирования на радиальный подшипник 6200.
Из этого видно, что данный вариант реализации способен улучшить радиальный подшипник, в частности, динамические характеристики и стабильность при вращении на высокой скорости, выдерживать энергию движения, улучшая нагрузочную способность радиального подшипника. В данном варианте реализации радиальный подшипник отвечает требованиям высокоскоростной роторной системы, например, требованиям газовой турбины или газотурбинной генераторной установки.
В данном варианте реализации, поскольку кремнестальной лист или лист из кремнистой стали имеет такие физические характеристики, как высокая магнитная проницаемость и низкие вихревые потери, вращающийся вал 100 может быть сформирован путем прессования нескольких кремнестальных листов или листов из кремнистой стали.
В данном варианте реализации, когда вал 100 вращается, газ, находящийся в четвертом зазоре 6203, вдавливается в третью канавку 6202, создавая динамическое давление. Вал 100 поднимается наверх и поддерживается в радиальном направлении бесконтактным способом. При этом величина давления, создаваемого третьей канавкой 6202, изменяется в зависимости от угла, ширины, длины, глубины, количества канавок и плоскостности третьей канавки 6202. Кроме того, величина давления, создаваемого третьей канавкой 6202, также связана со скоростью вращения вала 100 и четвертым зазором 6203. Параметры третьей канавки 6202 могут рассчитываться в соответствии с фактическими условиями работы. Третья канавка 6202 может быть сформирована на четвертом магнитном подшипнике 6201 или на валу посредством ковки, прокатки, травления или штамповки.
Как вариант, множество седьмых магнитных элементов включает в себя множество четвертых постоянных магнитов, которые расположены по окружности на четвертом магнитном подшипнике 6201; или множество седьмых магнитных элементов включает в себя множество четвертых электромагнитных элементов, которые расположены по окружности на четвертом магнитном подшипнике 6201, и каждый из четвертых электромагнитов включает в себя четвертый магнитный сердечник 62011, предусмотренный на четвертом магнитном подшипнике 6201, и четвертую катушку 62012, намотанную на четвертый магнитный сердечник 62011.
В данном варианте реализации, когда для газомагнитного гибридного радиального подшипника с канавкой 6200 требуется только магнитная сила магнитного элемента и не требуется магнитное управление, седьмой магнитный элемент предпочтительно представляет собой четвертый постоянный магнит; если для газомагнитного гибридного упорного лепесткового подшипника одновременно требуется и магнитная сила, и магнитное управление, седьмой магнитный элемент предпочтительно является четвертым электромагнитом.
Когда седьмой магнитный элемент представляет собой четвертый электромагнит, ток передается на четвертую катушку 62012, так что четвертый магнитный сердечник 62011 может генерировать магнитную силу. В четвертую катушку 62012 поступает ток разной величины, четвертый магнитный сердечник 62011 также генерирует разную магнитную силу. В четвертую катушку 62012 ток поступает с разных направлений, и магнитные полюса четвертого магнитного сердечника 62011 также различаются.
Поскольку кремнестальной лист или лист из кремнистой стали имеет такие физические характеристики, как высокая магнитная проницаемость и низкие вихревые потери, в данном предпочтительном варианте реализации четвертый магнитный сердечник 62011 сформирован путем прессования нескольких кремнестальных листов или листов из кремнистой стали.
Как вариант, четвертый магнитный подшипник 6201 включает в себя гнездо четвертого магнитного подшипника 62013, которое надевается на вал 100, и множество четвертых слотов 62014, расположенных по окружности на четвертом магнитном подшипнике, при этом магнитные полюсы множества седьмых магнитных элементов обращены к валу 100; корпус второго подшипника 62015 расположен с наружной стороны гнезда четвертого магнитного подшипника 62013; держатель второго подшипника 62016, расположенный между гнездом четвертого магнитного подшипника 62013 и валом 100, а также пятую торцевую крышку 62017 и шестую торцевую крышку 62018, расположенные с обоих концов корпуса второго подшипника 62015, причем держатель второго подшипника вторая втулка 62016, пятая торцевая крышка 62017 и шестая торцевая крышка 62018 взаимодействуют друг с другом, фиксируя множество седьмых магнитных элементов на гнезде четвертого магнитного подшипника 62013.
В данном варианте реализации установка держателя второго подшипника 62016 позволяет закрыть зазор, образованный между четвертым магнитным сердечником 62011 и четвертой катушкой 62012, в результате чего между держателем второго подшипника 62016 и валом 100 образуется стабильная газовая оболочка с равномерным давлением. Кроме того, установка держателей второго подшипника 62016 с разной радиальной толщиной позволит удобно регулировать и контролировать размер четвертого зазора 6203.
При этом ширина четвертого зазора 6203 между держателем второго подшипника 62016 и валом 100 может быть от 5 до 12 мкм, предпочтительно от 8 до 10 мкм.
Поскольку кремнестальной лист или лист из кремнистой стали имеет такие физические характеристики, как высокая магнитная проницаемость и низкие вихревые потери, в данном предпочтительном варианте реализации первое гнездо четвертого магнитного подшипника 62013 сформировано путем прессования нескольких кремнестальных листов или листов из кремнистой стали. Число четвертых слотов 62014 может составлять, без ограничений, шесть или восемь, и эти слоты равномерно расположены вдоль окружности гнезда четвертого магнитного подшипника 62013. Таким образом, магнитная сила между четвертым магнитным подшипником 6201 и валом 100 становится более равномерной и стабильной. Следует отметить, что множество седьмых магнитных элементов также может быть расположено на гнезде четвертого магнитного подшипника 62013 другими способами, в отношении которых нет ограничений. Материал пятой торцевой крышки 62017 и шестой торцевой крышки 62018 может быть немагнитным материалом, предпочтительно твердым алюминиевым материалом. Материал держателя второго подшипника 62013 51045 может быть немагнитным, предпочтительно твердым алюминиевым материалом. Материал корпуса второго подшипника 62015 51045 может быть немагнитным, предпочтительно твердым алюминиевым материалом.
Предпочтительно, пятая торцевая крышка 62017 и шестая торцевая крышка 62018 62017 крышка снабжена выступом, наружный диаметр которого идентичен внутреннего диаметру корпуса второго подшипника; выступ пятой торцевой крышки 62017 и шестой торцевой крышки 62018 используется для закрепления с обеих сторон и прессования кремнестального листа или листа из кремнистой стали для гнезда четвертого магнитного подшипника 62013.
В данном варианте реализации на держателе второго подшипника 62016 может быть третья канавка 6202, которая облегчает обработку этой третьей канавки 6202, а держатель второго подшипника 62016 может быть изготовлен из нержавеющей стали. В частности, третья канавка 6202 может быть предусмотрена на валу 100 и соответствовать средней части периферии держателя второго подшипника 62016, а также можно установить третью канавку 6202 симметрично по обеим сторонам средней части, причем каждая из частей независима друг от друга. Третья канавка 6202 может быть предусмотрена в средней части внутренней боковой стенки держателя второго подшипника 62016, а также симметрично по обеим сторонам внутренней боковой стенки держателя второго подшипника 62016, на двух независимых друг от друга частях.
Как вариант, третьи канавки 6202 распределены матрицей. Таким образом, это позволяет более равномерно распределить газовую оболочку в четвертом зазоре 6203.
Как вариант, третья канавка 6202 представляет собой сплошную или прерывистую V-образную канавку.
В данном варианте реализации указанный выше способ установки третьей канавки 6202 способен при условии вращения вала 100 в прямом или обратном направлении обеспечить его поддержку бесконтактным способом ожидаемым образом, в результате чего вал 100 получает такие преимущества, как высокая нагрузочная способность и хорошая стабильность. Третья канавка 6202 может быть выполнена в виде V-образной канавки или канавки в форме елочки или другой формы.
Как вариант, в четвертом магнитном подшипнике 6201 может быть устроено второе дроссельное впускное отверстие статического давления 6205, которое одним концом сообщается с четвертым зазором 203, а другим концом соединяется с внешним источником газа и используется для подачи газа из внешнего источника в четвертый зазор 6203.
В данном варианте реализации устройством указанного выше второго впускного дроссельного отверстия 6205 формируется газостатический подшипник, тем самым этот газомагнитный гибридный радиальный подшипник с канавкой 6200 образует газостатический магнитный гибридный радиальный подшипник с канавкой. При этом диаметр потока второго впускного дроссельного отверстия 6205 можно регулировать в соответствии с фактическими условиями работы, такими как потребность в газе.
Как вариант, второе впускное дроссельное отверстие 6205 в четвертом магнитном подшипнике 6201 разделено по меньшей мере на две ветви и сообщается с четвертым зазором 6203.
В данном варианте реализации второе впускное дроссельное отверстие 6205 может по очереди проходить через пятую торцевую крышку 62017 или шестую торцевую крышку 62018, четвертый магнитный подшипник 6201 и держатель второго подшипника 62016, соединяя внешний источник газа с четвертым зазором 6203. Кроме того, второе впускное дроссельное отверстие 6205 может быть разделено на две или более ветви для сообщения с четвертым зазором 6203, так что давление газовой оболочки в четвертом зазоре 6203 становится более равномерным. Кроме того, пятая торцевая крышка 62017 или шестая торцевая крышка 62018 могут быть снабжены кольцевой канавкой, и множество вторых впускных отверстий 6205 может быть предусмотрено на четвертом магнитном подшипнике 6201 в кольцевой области, соответствующей данной кольцевой канавке. Например, второе впускное отверстие 6205 предусмотрено в каждом четвертом магнитном сердечнике 62011 или в каждых двух соседних четвертых магнитных сердечниках 62011. При этом второе впускное отверстие 6205 для воздуха и диаметр циркуляции ответвления можно регулировать в соответствии с фактическими условиями работы, такими как потребность в газе.
Как вариант, газомагнитный гибридный радиальный подшипник с канавкой 6200 дополнительно включает в себя множество четвертых датчиков 6204, разнесенных друг от друга вдоль окружности четвертого магнитного подшипника 6201, причем щуп каждого четвертого датчика 6204 расположен в четвертом зазоре 6203.
В данном варианте реализации установка четвертого датчика 6204 позволяет измерять такие параметры в четвертом зазоре 6203 в реальном времени, как давление газовой оболочки в четвертом зазоре 5106. Таким образом, четвертый магнитный подшипник 6201 способен активно управлять радиальным подшипником 6200 на основании результатов измерений четвертого датчика 6204, что обеспечивает более высокую точность управления.
Как вариант, из множества четвертых датчиков 6204 каждый четвертый датчик 6204 включает в себя крышку четвертного датчика 62041 и щуп четвертого датчика 62040, а первый конец четвертого датчика 62041 соединен с крышкой четвертого датчика 62041, которая крепится на четвертом магнитном подшипнике 6201. Четвертый магнитный подшипник 6201 снабжен сквозным отверстием, через которое проходит щуп четвертого датчика 62041, а второй конец щупа четвертого датчика 62041 проходит через отверстие четвертого магнитного подшипника 6201 и идет дальше к четвертому зазору 6203, а торец второго конца щупа четвертого датчика 62042 датчика находится на одном уровне со стороной четвертого магнитного подшипника 6201, расположенной около вала 100.
В данном варианте реализации устройство и способ установки четвертого датчика 6204 позволяют более устойчиво разместить четвертый датчик 6204 на четвертом магнитном подшипнике 6201. Кроме того, торец второго конца четвертого датчика 62042 находится на одном уровне со стороной четвертого магнитного подшипника 6201 рядом с вращающимся валом 100. С одной стороны, это позволяет избежать ударов щупа четвертого датчика 62042 со стороны вала 100, что помогает защитить щуп четвертого датчика 62042, с другой стороны, это не влияет на газовую оболочку в четвертом зазоре 6203 и предотвращает ее нарушение в четвертом зазоре 6203.
В данном варианте реализации число четвертых датчиков 6204 может быть таким же, как количество седьмых магнитных элементов. Четвертый датчик 6204 может быть расположен между двумя соседними седьмыми магнитными элементами или проходить через седьмой магнитный элемент, и в данном варианте реализации в отношении этого нет ограничений. Каждый четвертый датчик 6204 предпочтительно располагается в середине четвертого магнитного подшипника 6201.
Как вариант, множество четвертых датчиков 6204 представляет собой любую одну или несколько из следующих комбинаций:
Датчик перемещения для определения положения вращающегося вала 100.
Датчик давления для определения давления газовой оболочки в четвертом зазоре 6203.
Датчик скорости для определения скорости вращения вала 100.
Датчик ускорения для определения ускорения вращения вала 100.
Далее приводится подробное описание конкретного способа управления, когда в данном варианте реализации газомагнитный гибридный радиальный подшипник с канавкой (в том числе когда седьмой магнитный элемент в четвертом магнитном подшипнике является электромагнитом) участвует в процессе управления роторной системой.
Данный вариант реализации обеспечивает способ управления газомагнитным гибридным радиальным подшипником с канавкой, включающий в себя:
S631. Запускается четвертый магнитный подшипник, и посредством управления вал под действием магнитной силы множества седьмых магнитных элементов перемещается в предустановленное радиальное положение.
S632. После того как скорость вращения вала увеличена до рабочих оборотов, четвертый магнитный подшипник останавливается.
S633. Когда роторная система остановлена, запускается четвертый магнитный подшипник.
S634. После того как скорость вращения вала падает до нуля, четвертый магнитный подшипник останавливается.
В вышеописанном процессе после запуска четвертого магнитного подшипника вращающийся вал под действием четвертого магнитного подшипника поднимается и достигает заданного радиального положения, и между четвертым магнитным подшипником и валом образуется четвертый зазор.
С вращением вал начинает вращаться при условии смазки в газовой среде в четвертом зазоре, чтобы предотвратить износ.Конкретный процесс запуска четвертого магнитного подшипника заключается в следующем: на четвертую катушку подается сигнал тока заданного значения, и вал под действием четвертого магнитного подшипника поднимается и достигает заданного радиального положения.
Когда скорость вращения вала становится все больше и выходит на рабочие обороты, давление газовой оболочки, образованное газодинамическим подшипником данного радиального подшипника (между четвертым магнитным подшипником и валом образуется четвертый зазор и появляется газодинамический подшипник данного радиального подшипника), стабилизирует вал, после чего четвертый магнитный подшипник может остановиться.
Когда роторная система остановлена, вал замедляется, и для поддержания его стабильности во время останова всей роторной системы, в момент останова роторной системы запускается четвертый магнитный подшипник, который останавливается только после того, как вал полностью остановится.
Данный вариант реализации также обеспечивает и другой способ управления газомагнитным гибридным радиальным подшипником с канавкой, включающий в себя:
S641. Запускается четвертый магнитный подшипник, и посредством управления вал под действием магнитной силы множества седьмых магнитных элементов перемещается в предустановленное радиальное положение.
S642. После того как скорость вращения вала увеличивается до первого заданного значения, четвертый магнитный подшипник останавливается.
S643. Когда скорость вращения вала увеличивается до критической скорости первого или второго порядка, запускается четвертый магнитный подшипник.
В частности, когда скорость потока газа в четвертом зазоре между валом и четвертым магнитным подшипником достигает критической скорости первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник запускается и работает до тех пор, пока вал не вернется в сбалансированное радиальное положение.
Как вариант, когда скорость вращения вала увеличивается до критической скорости первого или второго порядка, запускается четвертый магнитный подшипник, что включает в себя следующее.
Когда скорость вращения вала увеличивается до критической скорости первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник запускается на максимальной мощности; или
Когда скорость вращения вала увеличивается до критической скорости первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник запускается на заданной частоте стробоскопическим способом.
S644. После того как роторная система плавно пройдет критическую скорость первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник останавливается.
S645. Во время отключения роторной системы, когда система замедляется до критической скорости первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник запускается.
В частности, когда скорость потока газа в четвертом зазоре между валом и четвертым магнитным подшипником снижается до критической скорости первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник запускается и работает до тех пор, пока вал не вернется в сбалансированное радиальное положение.
Как вариант, когда скорость вращения вала падает до критической скорости первого или второго порядка, запускается четвертый магнитный подшипник, что включает в себя следующее.
Когда скорость вращения вала падает до критической скорости первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник запускается на максимальной мощности; или
Когда скорость вращения вала падает до критической скорости первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник запускается на заданной частоте стробоскопическим способом.
S646. После того как роторная система плавно пройдет критическую скорость первого или второго порядка, четвертый магнитный подшипник останавливается.
S647. Когда скорость вращения вала уменьшается до второго заданного значения, запускается четвертый магнитный подшипник.
S648. После того как скорость вращения вала падает до нуля, четвертый магнитный подшипник останавливается.
В вышеописанном процессе после запуска четвертого магнитного подшипника вращающийся вал под действием четвертого магнитного подшипника поднимается и достигает заданного радиального положения, и между четвертым магнитным подшипником и валом образуется четвертый зазор.
С вращением вал начинает вращаться при условии смазки в газовой среде в четвертом зазоре, чтобы предотвратить износ.Конкретный процесс запуска четвертого магнитного подшипника заключается в следующем: на четвертую катушку подается сигнал тока заданного значения, и вал под действием четвертого магнитного подшипника поднимается и достигает заданного радиального положения.
Когда скорость вращения вала становится все больше и достигает первого заданного значения, давление газовой оболочки, образованное газодинамическим подшипником данного радиального подшипника (между четвертым магнитным подшипником и валом образуется четвертый зазор и появляется газодинамический подшипник данного радиального подшипника), стабилизирует вал, после чего четвертый магнитный подшипник может остановиться.
Во время остановки роторной системы вал замедляется, и когда скорость вращения вала падает до второго заданного значения, например, до 5%-30% от номинальной скорости, запускается четвертый магнитный подшипник, который работает до тех пор, пока вал не остановится полностью.
Как вариант, вышеупомянутый способ также включает в себя:
Когда в четвертом зазоре между валом и четвертым магнитным подшипником происходят изменения, запускается четвертый магнитный подшипник, так что вал под действием магнитной силы множества седьмых магнитных элементов перемещается направлении, удаленном от стороны, где зазор уменьшился.
После того как вал переходит в сбалансированное радиальное положение, четвертый магнитный подшипник останавливается.
Когда нагрузка приходится на вал, вал постепенно опускается и приближается к нижнему четвертому магнитному подшипнику, четвертый датчик (четвертый датчик здесь предпочтительно представляет собой датчик давления) получает сигнал о повышении давления воздуха. В это время в работу вступает четвертый магнитный подшипник. Четвертый магнитный подшипник передает магнитную силу на вал, переводя его вверх. Когда вал достигает нового положения равновесия, четвертый магнитный подшипник перестает работать.
Когда возникает возмущение от внешнего удара, вал может быстро приблизиться к четвертому магнитному подшипнику, что может привести к тому, что зазор между валом и четвертым магнитным подшипником будет слишком мал, так что локальная скорость газа в месте, где зазор слишком мал, приблизится или даже достигнет скорости звука. Это приведет к тому, что ударная волна вызывает самовозбуждение. Создание ударной волны вызовет возмущение и хаос в локальном газовом потоке. Когда скорость среды перейдет от скорости звука к дозвуковой скорости, ее давление начнет значительно уменьшаться ступенчатым образом. В этом случае необходимо с помощью управления запустить седьмой магнитный элемент четвертого магнитного подшипника с заданной частотой, чтобы обеспечить демпфирующее воздействие на возмущение, тем самым эффективно подавив внешнее возмущение. Когда вал возвращается в новое сбалансированное радиальное положение, четвертый магнитный подшипник перестает работать.
Следует отметить, что в данном варианте реализации, когда одновременно установлен как электромагнитный подшипник (седьмой магнитный элемент в четвертом магнитном подшипнике является электромагнитом, образуя электромагнитный подшипник), так и газостатический подшипник (на четвертом магнитном подшипнике имеется второе впускное дроссельное отверстие, образуя газостатический подшипник), электромагнитный и газостатический подшипник могут резервировать друг друга. В случае, если один из них выходит из строя, выходит из строя или не запускается, его функцию может выполнить другой. Например, когда обнаруживается отказ электромагнитного подшипника, включается внешний источник газа, который начинает работать вместо электромагнитного подшипника, тем самым повышая безопасность и надежность подшипника.
В данном варианте реализации, когда одновременно имеется как электромагнитный, так и газостатический подшипник, этап «Запуск газостатического подшипника в радиальном подшипнике для перемещения упорного диска в заданное радиальное положение" может включать в себя следующие способы реализации:
Запуск четвертого магнитного подшипника и/или внешнего источника газа, чтобы подать газ в четвертый зазор через второе впускное дроссельное отверстие статического давления;
Управление вращающимся валом для его перемещения в заданное радиальное положение под действием магнитной силы множества седьмых магнитных элементов и/или толкающей силы газа.
В вышеописанном процессе используются преимущества удобного управления четвертым магнитным подшипником в реальном времени, что активно уравновешивает такие факторы, как несбалансированная масса вала или вихрь вала, которые вызывают чрезмерное смещение вала, так что вал фиксируется в определенном небольшом диапазоне в радиальном направлении. Кроме того, в процессе ускорения вала можно точно определить положение создаваемой ударной волны (то есть часть с линейной и сверхзвуковой скоростью), а путем управления величиной и направлением тока четвертого магнитного подшипника обратная сила четвертого магнитного подшипника уравновешивает действие удара. После того как ударная волна стабилизируется, необходимо снова подрегулировать стратегию управления четвертого магнитного подшипника, чтобы зафиксировать вал в очень маленьком диапазоне самым энергоэффективным способом.
Таким образом, в данном варианте реализации имеются следующие полезные эффекты:
Во-первых, электромагнитный подшипник и газовый подшипник работают согласованно, улучшая динамические характеристики и стабильность подшипника в условиях высокоскоростного вращения. Подшипник способен выдерживать большие нагрузки, что повышает его нагрузочную способность. При этом электромагнитный подшипник и газовый подшипник имеют вложенную конструкцию, что упрощает конструкцию, имеет высокую степень интеграции, просто в обработке, изготовлении и эксплуатации и улучшает всесторонние характеристики подшипника. Когда система ротора запускается или останавливается, можно с помощью электромагнитного подшипника заставить упорный диск подшипника и статор вращаться в зазоре подшипника, что улучшает низкоскоростные характеристики подшипника, продлевает срок службы подшипника и может повысить безопасность и надежность подшипника и всей системы.
Во-вторых, по сравнению с обычным газодинамическим и газостатическим гибридным упорным подшипником, в котором используется комбинация газостатического и газодинамического подшипников, газомагнитный гибридный радиальный подшипник с канавкой в данном варианте реализации имеет такое преимущество, как более высокая скорость отклика.
В-третьих, увеличение газостатического подшипника образует газостатический газодинамический - магнитный гибридный упорный подшипник с канавкой, и когда одновременно имеется электромагнитный подшипник и газостатический подшипник, нагрузочная способность подшипника еще вырастает, и электромагнитный и газостатический подшипник могут резервировать друг друга. Если один из них выходит из строя или не запускается, его функцию выполняет второй. Например, когда обнаруживается отказ электромагнитного подшипника, запускается газостатический подшипник, который начинает работать вместо электромагнитного подшипника, тем самым повышая безопасность и надежность подшипника.
Вариант реализации 12
В роторной системе упорный подшипник и смежный с ним радиальный подшипник могут быть интегрированы, образуя интегрированный подшипник. Роторная система показана на Рис. 1-18. На Рис. 47-62 показано, как интеграция упорного подшипника с соседним радиальным подшипником создает интегрированный подшипник 1000.
На Рис. 63-70 показана схема интегрированного подшипника, предусмотренного данным вариантом реализации.
Как показано на Рис. 63-70, интегрированный подшипник 1000 включает в себя корпус третьего подшипника 1001, который является полым телом вращения и имеет первую и второй вмещающую полость. Радиальный вспомогательный подшипник 1002, установленный в первой вмещающей полости, радиальный вспомогательный подшипник 1002, проходящий через вал 100, и пятый зазор 1004 между радиальным вспомогательным подшипником 1002 и валом 100; а также упорные вспомогательные подшипники 1003 во второй вмещающей полости, которые содержат третий упорный диск 10031, пятый статор 10032 и шестой статор 10033, расположенные по обеим сторонам третьего упорного диска 10031, который жестко соединен с валом 100, пятый статор 10032 и шестой статор 10033 проходят через вал 100, каждый статор из пятого статора 10032 и шестого статора 10033 имеет шестой зазор с третьим упорным диском 10031.
В данном варианте реализации радиальный вспомогательный подшипник 1002 и упорный вспомогательный подшипник 1003 встроены в один корпус подшипника. Это упрощает обработку и установку, создает упрощенную конструкцию и высокую степень интеграции, при установке и обработке может эффективно отвечать требованиям соосности радиального вспомогательного подшипника 1002 и упорного подшипника 1003. Кроме того, так как в радиальном вспомогательном подшипнике 1002 предусмотрен пятый зазор 1004, а во вспомогательном упорном подшипнике 1003 предусмотрен шестой зазор 1005, подшипник в данном варианте реализации представляет собой бесконтактный подшипник, что отвечает требованию высокоскоростного вращения ротора.
При этом материал корпуса третьего подшипника 1001 может быть немагнитным, предпочтительно твердым алюминиевым материалом.
При этом пятый статор 10032 и корпус третьего подшипника 1001 могут быть выполнены как одно целое, а шестой статор 10033 и корпус третьего подшипника 1001 могут иметь разъемное соединение.
Когда роторная система в данном варианте реализации применяется в газовой турбине или газотурбинной генераторной установке, корпус третьего подшипника 1001 может соединяться с корпусом газовой турбины с помощью соединительного элемента.
В данном варианте реализации как радиальный вспомогательный подшипник 1002, так и упорный вспомогательный подшипник 1003 могут включать в себя магнитный подшипник. При этом конструкция магнитного подшипника в радиальном вспомогательном подшипнике 1002 является следующей: радиальный вспомогательный подшипник 1002 включает в себя пятый магнитный подшипник 10021 на валу 100, и этот пятый магнитный подшипник 10021 установлен в первой вмещающей полости разборным способом. Пятый магнитный подшипник 10021 имеет множество восьмых магнитных элементов, расположенных по окружности; при этом вал 100 может под действием магнитной силы множества восьмых магнитных элементов перемещаться в радиальном направлении.
Кроме того, пятый магнитный подшипник 10021 включает в себя гнездо пятого магнитного подшипника, которое надето на вращающийся вал 100, на гнезде пятого магнитного подшипника имеется множество пятых вмещающих полостей по окружности, множество восьмых магнитных элементов имеют множестве пятых вмещающих полостей, а магнитные полюса восьмых магнитных элементов обращены к вращающемуся валу 100; а также третий держатель подшипника 10022, надетый между гнездом пятого магнитного подшипника и валом 100, третий держатель подшипника 10022 взаимодействует с гнездом пятого магнитного подшипника, фиксируя множество восьмых магнитных элементов на гнезде пятого магнитного подшипника.
Другие варианты реализации указанного выше магнитного подшипника в радиальном вспомогательном подшипнике 1002 можно посмотреть в описании варианта реализации 10. Они дают такие же полезные эффекты и во избежание повторения здесь не описываются.
В данном варианте реализации интегрированный подшипник 1000 может дополнительно включать в себя седьмую торцевую крышку 1006, которая расположена на конце третьего корпуса подшипника 1001 рядом с первой вмещающей полостью. Седьмая торцевая крышка 1006 и гнездо пятого магнитного подшипника упираются друг в друга, фиксируя радиальный вспомогательный подшипник 1002 в первой вмещающей полости.
В настоящем варианте реализации радиальный вспомогательный подшипник 1002 и упорный вспомогательный подшипник 1003 может включать в себя магнитный подшипник, при этом в упорном вспомогательном подшипнике 1003 имеется магнитный подшипник со следующей конструкцией:
Каждый из пятого статора 10032 и шестого статора 10033 включает в себя шестой магнитный подшипник 10034, который имеет множество девятых магнитных элементов, расположенных по окружности.
Третий упорный диск 10031 имеет десятый магнитный элемент, а третий упорный диск 10031 может перемещаться в осевом направлении вала 100 под действием магнитной силы, создаваемой между множеством девятых магнитных элементов и десятым магнитным элементом.
Кроме того, шестой магнитный подшипник 10034 включает в себя следующее: гнездо шестого магнитного подшипника, которое расположено напротив третьего упорного диска 10031, на гнезде шестого магнитного подшипника имеется множество шестых вмещающих полостей, расположенных по окружности, и на множестве девятых магнитных элементов имеется множество шестых вмещающих полостей, и магнитные полюсы множества девятых магнитных элементов обращены к той стороне, где находится третий упорный диск 10031; второе прижимное кольцо, которое расположено на гнезде шестого магнитного подшипника, на стороне ближе к упорному диску 10031; второе прижимное кольцо взаимодействует с гнездом шестого магнитного подшипника, фиксируя множество девятых магнитных элементов на гнезде шестого магнитного подшипника.
Другие варианты реализации указанного выше магнитного подшипника в упорном вспомогательном подшипнике 1003 можно посмотреть в описании варианта реализации 10. Они дают такие же полезные эффекты и во избежание повторения здесь не описываются.
В данном варианте реализации посредством магнитного подшипника, установленного в интегрированном подшипнике 1000, особенно электромагнитного подшипника (восьмой магнитный элемент в пятом магнитном подшипнике 10021 представляет собой электромагнит, а девятый магнитный элемент в шестом магнитном подшипнике 10034 является электромагнитом), когда роторная система запускается или останавливается, можно использовать электромагнитный подшипник, чтобы упорный упорный диск и статор в интегрированном подшипнике 1000, а также вал и держатель подшипника вращались внутри зазора. Это улучшает низкоскоростные характеристики интегрированного подшипника 1000, продлевает срок его службы, повышает безопасность и надежность как интегрированного подшипника 1000, так и всей роторной системы.
В данном варианте реализации пятый статор 10032 может быть образован как одно целое с корпусом третьего подшипника 1001, а шестой статор 10033 может иметь разъемное соединение с корпусом третьего подшипника 1001.
В данном варианте реализации как радиальный вспомогательный подшипник 1002, так и упорный вспомогательный подшипник 1003 могут быть снабжены канавкой возникновения динамического давления. Канавки на радиальном вспомогательном подшипнике 1002 имеют следующую конструкцию:
Четвертая канавка, создающая динамическое давление 10023, предусмотрена на боковой стенке радиального вспомогательного подшипника 1002, обращенной к валу 100, или на поверхности окружности вала 100, обращенной к радиальному вспомогательному подшипнику 1002.
Кроме того, четвертые канавки 10023 расположены в матрице.
Кроме того, четвертые канавки 10023 представляют собой сплошную или прерывистую V-образную канавку.
Другие варианты реализации указанной выше канавки в радиальном вспомогательном подшипнике 1002 можно посмотреть в описании варианта реализации 11. Они дают такие же полезные эффекты и во избежание повторения здесь не описываются.
В данном варианте реализации как радиальный вспомогательный подшипник 1002, так и упорный вспомогательный подшипник 1003 могут быть снабжены канавкой возникновения динамического давления. Канавки на упорном вспомогательном подшипнике 1003 имеют следующую конструкцию:
Пятая канавка, создающая динамическое давление 10035, предусмотрена на торце третьего упорного диска 10031, обращенном к пятому статору 10032 и шестому статору 10033, или на торце третьего упорного диска 10031, обращенного к пятому статору 10032 и шестому статору 10033.
Кроме того, пятые канавки 10035 расположены радиально или концентрически.
Кроме того, пятая канавка 10035 включает в себя первую винтовую канавку и вторую винтовую канавку. Первая винтовая канавка окружает снаружи вторую винтовую канавку. Первая винтовая канавка и вторая винтовая канавка идут в противоположном направлении. Конец первой винтовой канавки рядом со второй винтовой канавкой соединен или не соединен с концом второй винтовой канавки рядом с первой винтовой канавкой.
Другие варианты реализации указанной выше канавки возникновения динамического давления в упорном вспомогательном подшипнике 1003 можно посмотреть в описании варианта реализации 10. Они дают такие же полезные эффекты и во избежание повторения здесь не описываются.
В данном варианте реализации интегрированный подшипник 1000 включает в себя канавку для создания динамического давления. Когда одновременно имеются и электромагнитный подшипник, и газодинамический подшипник, это улучшает динамические характеристики и стабильность интегрированного подшипника 1000 в условиях вращения на высокой скорости, обеспечивает высокую устойчивость к помехам, повышает нагрузочную способность подшипника. При этом электромагнитный подшипник и газодинамический подшипник имеют вложенную конструкцию, что упрощает конструкцию, имеет высокую степень интеграции, просто в обработке, изготовлении и эксплуатации и улучшает всесторонние характеристики интегрированного подшипника 1000.
В данном варианте реализации интегрированный подшипник 1000 может быть дополнительно снабжен дроссельным впускным отверстием статического давления следующей конструкции:
Корпус третьего подшипника 1001 дополнительно снабжен третьим впускным дроссельным отверстием 1007 статического давления, при этом один конец этого отверстия соединен с внешним источником газа, а другой конец с пятым зазором 1004 через радиальный вспомогательный подшипник 1002, и/или с шестым зазором 1005 через пятый статор 10032 и шестой статор 10033, что используется для подачи газа из внешнего источника в пятый зазор 1004 и/или шестой зазор 1005.
В данном варианте реализации интегрированный подшипник 1000 также может иметь впускное дроссельное отверстие статического давления. Когда одновременно имеются и электромагнитный подшипник, и газостатический подшипник, это еще больше увеличивает нагрузочную способность интегрированного подшипника 1000. Кроме того, электромагнитные и газостатические подшипники могут резервировать друг друга. В случае, если один из них выходит из строя или не запускается, его функцию может выполнять другой. Например, когда обнаруживается отказ электромагнитного подшипника, посредством управления запускается газостатический подшипник, который начинает работать вместо электромагнитного подшипника, тем самым повышая безопасность и надежность интегрированного подшипника.
Другие варианты реализации, в которых в интегрированном подшипнике 1000 имеется впускное дроссельное отверстие статического давления, можно посмотреть в вариантах реализации 10 и 11. Они обеспечивают те же полезные эффекты и во избежание повторения здесь не описываются.
В данном варианте как радиальный вспомогательный подшипник 1002, так и упорный вспомогательный подшипник 1003 могут быть снабжены датчиками, которые соответственно имеют следующую конструкцию.
Пятый датчик (не показан на рисунке) расположен на радиальном вспомогательном подшипнике 1002, а щуп пятого датчика расположен в пятом зазоре 1004.
Таким образом, это позволяет замерять такие параметры в пятом зазоре 1004 в режиме реального времени, как давление газовой оболочки в пятом зазоре 1004. Таким образом, первый магнитный подшипник 5104 способен активно управлять упорным подшипником 5100 на основании результатов измерений первого датчика 5107, что обеспечивает более высокую точность управления.
Как вариант, каждый из пятого датчика включает в себя первую крышку датчика и щуп пятого датчика, первый конец щупа пятого датчика соединен с крышкой пятого датчика, которая прикреплена к пятому магнитному подшипнику 10021. На нем имеется сквозное отверстие для прохождения щупа пятого датчика. Второй конец щупа пятого датчика проходит через сквозное отверстие на пятом магнитном подшипнике 10021 и идет до пятого зазора 1004, оа торец второго конца щупа пятого датчика находится на одном уровне со стороной пятого магнитного подшипника 10021 рядом с вращающимся валом 100.
Таким образом, это позволяет более стабильно расположить пятый датчик на пятом магнитном подшипнике 10021. Кроме того, торец второго конца щупа датчика находится на одном уровне со стороной пятого магнитного подшипника 10021 рядом с вращающимся валом 100. С одной стороны, это позволяет избежать ударов щупа датчика со стороны вала 100, что помогает защитить щуп четвертого датчика, с другой стороны, это не влияет на газовую оболочку в пятом зазоре 1004 и предотвращает ее нарушение в пятом зазоре 1004.
Упорный вспомогательный подшипник 1003 снабжен шестым датчиком (на чертеже не показан), а щуп шестого датчика расположен в шестом зазоре 1005.
Таким образом, это позволяет замерять такие параметры в шестом зазоре 1005 в режиме реального времени, как давление газовой оболочки в шестом зазоре 1005. Таким образом, первый магнитный подшипник 5104 способен активно управлять упорным подшипником 5100 на основании результатов измерений первого датчика 5107, что обеспечивает более высокую точность управления.
Как вариант, шестой датчик включает в себя крышку шестого датчика и щуп шестого датчика, первый конец щупа шестого датчика соединяется с крышкой шестого датчика, которая крепится к шестому магнитному подшипнику 10034; на шестом магнитном подшипнике 10034 имеется сквозное отверстие для прохождения щупа шестого датчика; второй конец щупа шестого датчика проходит через сквозное отверстие на шестом магнитном подшипнике 10034 и идет до шестого зазора 1005. Торцевая часть первого конца щупа шестого датчика выровнена по стороне шестого магнитного подшипника 10034, расположенного вблизи третьего упорного диска 10031.
Таким образом, это позволяет более стабильно расположить шестой датчик на шестом магнитном подшипнике 10034. Кроме того, торец второго конца щупа шестого датчика выровнен по стороне шестого магнитного подшипника 10034 рядом с третьим упорным диском 10031. С одной стороны, это предотвращает удары щупа шестого датчика со стороны третьего упорного диска 10031, защищая щуп шестого датчика, с другой стороны, оно не влияет на газовую оболочку в шестом зазоре 1005, предотвращает нарушение газовой оболочки в шестом зазоре 1005.
Другие варианты реализации, в которых на вышеуказанном радиальном подшипнике и упорном подшипнике имеется датчик, можно посмотреть в описании вариантов реализации 11 и 10. Они дают те же самые полезные эффекты и во избежание повторения здесь не описываются.
Следует отметить, что технические решения, относящиеся к варианту реализации с 9 по 11, также применимы к данному варианту реализации. Они дают те же полезные эффекты и во избежание повторения здесь не описаны.
Конкретный способ управления в данном варианте реализации, когда интегрированный подшипник (где восьмой магнитный элемент в пятом магнитном подшипнике является электромагнитом, а девятый магнитный элемент в шестом магнитном подшипнике является электромагнитом) участвует в процессе управления роторной системой, можно посмотреть в описании вариантов реализации 11 и 10. Он дает те же самые полезные эффекты и во избежание повторения здесь не описывается.
Выше приведен только данный вариант реализации публичного заявления, однако область защиты настоящего варианта не ограничивается этим. Любой специалист в данной области техники может легко внести изменения или замены в пределах общедоступных технических возможностей, которые охватываются областью защиты данного публичного заявления. Поэтому область защиты настоящего публичного заявления должна соответствовать области защиты формулы изобретения.