МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ РОТАЦИОННОЙ МАШИНЫ и ТУРБОМАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ УЗЕЛ
ROTARY MACHINE MAGNETIC BEARING ASSEMBLY AND TURBOMACHINE THEREWITH

Изобретение относится к подшипникам, в особенности к магнитным подшипникам, используемым в ротационных машинах, имеющих ротор.
В частности, настоящее изобретение относится к осевым упорным активным магнитным подшипникам, имеющим электромагнитные элементы, расположенные в радиальном направлении и приспособленные работать совместно с упорным кольцом, прикрепленным к ротору.
В осевых магнитных подшипниках используются электромагнитные силы, действующие в противоположных направлениях на упорное кольцо, чтобы поддерживать относительное положение вращающегося узла (ротора) по отношению к неподвижному компоненту (статору). Упорное кольцо обычно является плоским сплошным ферромагнитным диском, прикрепленным к ротору. Дискообразные электромагнитные элементы расположены с обеих сторон упорного кольца и крепятся болтами к корпусу ротационной машины с образованием активного осевого магнитного подшипника.
Использование магнитных подшипников в ротационных машинах становится все более и более широко распространенным, в особенности, в случае коррозионных или горячих текучих сред. Внутренняя вентиляция магнитного подшипника, таким образом, является важной для увеличения срока службы подшипника.
Трение, создаваемое относительным движением упорного кольца относительно электромагнитных элементов, создает радиальный поток текучей среды, что ведет к охлаждению магнитного подшипника.
Однако такой поток зависит от трения между двумя компонентами и от скорости вращения ротора и, таким образом, не является надежным. Кроме того, из-за неопределенности в распределении давления может появиться обратное течение, которое приведет к недостатку радиального потока текучей среды.
Современные осевые магнитные подшипники не обеспечивают достаточной внутренней вентиляции, так что потока текучей среды оказывается недостаточным для охлаждения магнитного подшипника.
Цель изобретения состоит в устранении отмеченных выше недостатков.
Практическая цель изобретения состоит в создании осевого магнитного подшипникового узла, имеющего увеличенный охлаждающий поток, в то же время, легкого в изготовлении.
Другой целью изобретения является обеспечение рециркуляции потока охлаждающей текучей среды, даже в случае слабого перепада давления внутри подшипника.
В одном варианте выполнения магнитный подшипниковый узел для ротационной машины, имеющей роторный вал, содержит магнитопровод статора, прикрепленный к неподвижному опорному элементу и содержащий, по меньшей мере, один элемент из ферромагнитного материала и, по меньшей мере, одну катушку, при этом указанный ферромагнитный элемент и указанная катушка помещены в защитный кольцевой корпус, оставляя незакрытыми поверхность вращения указанного ферромагнитного элемента и поверхность вращения указанной одной катушки, причем магнитный подшипниковый узел содержит упорное кольцо, прикрепленное к роторному валу и проходящее в радиальном направлении к магнитопроводу статора своей радиальной частью, которая обращена к незакрытым поверхностям указанного ферромагнитного элемента и указанной по меньшей мере одной катушки.
Упорное кольцо имеет, по меньшей мере, один проточный канал.
Такие проточные каналы облегчают нагнетание потока охлаждающей текучей среды, увеличивая охлаждение магнитного подшипника.
Преимущественно, указанный по меньшей мере один проточный канал проходит от внешней цилиндрической поверхности указанной радиальной части к роторному валу.
В одном варианте выполнения указанный по меньшей мере один проточный канал является канавкой, выполненной, по меньшей мере, на одной из боковых поверхностей радиальной части упорного кольца.
В другом варианте выполнения указанный по меньшей мере один проточный канал является канавкой, расположенной внутри радиальной части упорного кольца.
Например, указанная канавка является наклонной и/или радиальной и может выходить на внешнюю цилиндрическую поверхность роторного вала.
Преимущественно, указанная канавка может проходить радиально и тангенциально.
В одном варианте выполнения подшипниковый узел содержит несколько проточных каналов.
Преимущественно, магнитопровод статора содержит два элемента из ферромагнитного материала, каждый из которых обращен к одной боковой поверхности указанной радиальной части упорного кольца.
Подшипник является, например, осевым магнитным подшипником.
Согласно другому аспекту изобретения, турбомашина содержит статор, ротор, который установлен с возможностью вращения в указанном статоре, и, по меньшей мере, один магнитный подшипниковый узел, как описано выше, расположенный в радиальном направлении между ротором и статором.
Настоящее изобретение можно лучше понять, изучая подробное описание вариантов выполнения, рассматриваемых в качестве не ограничивающих примеров и иллюстрируемых приложенными чертежами, на которых
фиг. 1 является половинным осевым разрезом осевого магнитного подшипникового узла, установленного между двумя компонентами двигателя, согласно первому варианту выполнения изобретения;
фиг. 2 является половинным разрезом упорного кольца по линии II-II на фиг. 1, согласно первому варианту выполнения изобретения;
фиг. 3 является половинным видом упорного кольца, показанного на фиг. 1, установленного на роторе, согласно первому варианту выполнения изобретения;
фиг. 4 является половинным разрезом упорного кольца согласно второму варианту выполнения изобретения;
фиг. 5 является половинным видом упорного кольца, установленного на роторе, согласно второму варианту выполнения изобретения.
Следующее подробное описание примерных вариантов сделано со ссылкой на сопровождающие чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
Как показано на фиг. 1, магнитный подшипник, обозначенный номером 10 позиции, предназначен для установки в ротационной машине (не показана), содержащей корпус или кожух, вращающийся вал 12, проходящий вдоль оси X-X и предназначенный для поддержки части ротора (не показан). Например, если ротационная машина является центробежным компрессором, часть ротора содержит рабочие колеса. Вращающийся вал 12 и присоединенная часть ротора образуют роторный узел.
Как показано на фиг. 1, подшипник 10 является подшипником осевого типа и предназначен поддерживать роторный вал 12 внутри корпуса статора. К осевому подшипнику 10 также может быть присоединен магнитный подшипник радиального типа (не показан), чтобы поддерживать вал 12.
Активный подшипник 10 содержит статорную арматуру 14, прикрепленную к корпусу статора, и роторную арматуру 16 или упорное кольцо, имеющее форму диска, прикрепленного к валу 12. Упорное кольцо 16 проходит радиально от осевой пластины 16а, прикрепленной к валу 12 ротора, в направлении магнитопровода 18 статора своей радиальной частью 16b, имеющей внешнюю цилиндрическую поверхность 16с и две боковых поверхности 16d, 16e.
Статорная арматура 14 содержит магнитопровод 18 статора, включающий, как правило, одну или более кольцевых катушек 20 и два ферромагнитных элемента 22, которые могут быть сплошными или ламинированными локально. В примере на фиг. 1 в каждом ферромагнитном элементе 22 заключены две кольцевых катушки 20. Статорная арматура 14 также содержит защитную кольцевую опору или кольцевой корпус 24, в который помещается магнитопровод 18, оставляя открытыми поверхность 22а вращения указанных ферромагнитных элементов 22 и поверхность 20а вращения всех катушек 20. Опора 24 прикреплена к неподвижному опорному элементу 26, который сам прикреплен к корпусу.
Как показано на чертеже, радиальная часть 16b упорного кольца 16 обращена к незакрытым поверхностям 20а, 22а, соответственно, каждого из ферромагнитных элементов 22 и каждой из катушек 20. Другими словами, магнитопровод 18 расположен так, что он обращен в осевом направлении к упорному кольцу 16, без механического контакта, оставляя осевой зазор 28 между упорным кольцом 16 и магнитопроводом 18.
Вал 12 может иметь ступенчатый профиль 12а для осевого позиционирования упорного кольца 16. Упорное кольцо 16 может, например, быть выполнено заодно целое с валом 12.
Как показано на фиг. 2 и 3, кольцо 16 имеет несколько канавок 30 на обеих радиальных боковых поверхностях 16d, 16е радиальной части 16b. Канавки 30 действуют как проточные каналы для текучей среды. Проточные каналы 30 проходят от внешней цилиндрической поверхности 16c радиальной части 16b к валу 12 и являются наклонными канавками, направленными радиально к валу 12, и выполнены на боковой поверхности 16d радиальной части 16b кольца 16. Как показано, канавки 30 направлены радиально и тангенциально к внешней поверхности 16с радиальной части 16b.
Как показано на фиг. 3, каналы 30 расположены на обеих боковых поверхностях 16d, 16е радиальной части 16b кольца 16. В альтернативном случае проточные каналы могут быть расположены на одной боковой поверхности кольца 16.
Как показано, каналы 30 выходят на осевую пластину 16а кольца 16. В альтернативном случае проточные каналы могут выходить на внешнюю цилиндрическую поверхность 12b вала 12. Текучая среда внутри турбомашины течет через воздушный зазор 28 и внутри каналов 30. Направление потока показано стрелкой F.
Такие каналы 30 увеличивают вентиляцию внутри магнитного подшипника и обеспечивают его охлаждение.
Вариант выполнения, показанный на фиг. 4 и 5, где одинаковые части имеют одинаковые номера позиции, по существу отличается от варианта выполнения, показанного на фиг. 2 и 3, расположением проточных каналов.
Как показано на фиг. 4 и 5, кольцо 16 имеет несколько канавок 32, расположенных внутри радиальной части 16b. Канавки 32 действуют как проточные каналы для текучей среды и выходят только на внешнюю цилиндрическую поверхность 16c радиальной части 16b. В альтернативном случае проточные каналы могут выходить на внешнюю цилиндрическую поверхность 12b вала 12.
Канавки 32 наклонены и радиально направлены к валу 12. Как показано, канавки 32 радиально и тангенциально направлены к внешней цилиндрической поверхности 16c радиальной части 16b.
Благодаря изобретению, в осевом магнитном подшипниковом узле увеличен охлаждающий поток.
Действительно, проточные каналы облегчают нагнетание потока текучей среды, увеличивая охлаждение активного магнитного подшипника. Магнитный подшипник, таким образом, снабжен внутренней вентиляцией.