МАГНИТНАЯ ОПОРА ВЕРТИКАЛЬНОГО РОТОРА
VERTICAL ROTOR MAGNETIC SUPPORT

Изобретение относится к машиностроению и преимущественно к опорам высокооборотных роторов с вертикальной осью вращения, например, роторов газовых центрифуг, накопителей энергии, гироскопов и подобных устройств.
Известна опора ротора газовой центрифуги, опирающегося на подпятник, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно ротору на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно с ней, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающеего к нижнему торцу магнита.
Патент ФРГ №1071593, В04В 9/12, опубл. 09.06.1960 г.
Данная магнитная опора обеспечивает вращение ротора без механических контактов с элементами верхней части корпуса, разгружает подпятник действием осевой силы притяжения магнита и стабилизирует положение оси вращения ротора за счет радиальной жесткости, обусловленной действием симметричного магнитного поля. Однако конструкция элементов данной магнитной опоры не позволяет эффективно использовать всю энергию магнита для повышения несущей способности и жесткости опоры. В этой опоре увеличение осевой силы притяжения ротора и повышение радиальной жесткости может быть достигнуто за счет увеличения массы и габаритов магнита, что существенно увеличивает стоимость.
Известна магнитная опора вертикального ротора, содержащая ферромагнитную втулку, закрепленную соосно с ротором на его верхней крышке, кольцевой аксиально намагниченный магнит, установленный в корпусе над втулкой соосно с ней, и полюсный наконечник, выполненный в виде кольца с радиальной полкой у торца, примыкающего к нижнему торцу магнита, при этом ферромагнитная втулка в верхней части снабжена кольцевым радиальным выступом, толщина которого оптимизирована с шириной нижнего торца полюсного наконечника, а наружный диаметр наконечника оптимизирован со средним диаметром магнита (Патент России №2054334, МПК В04В 9/12, опубл. 20.02.96 г. ).
Данная магнитная опора позволяет одновременно повысить бесконтактную радиальную жесткую связь магнитной опоры на 10% и уменьшить давление на подпятник на 5%, однако этого недостаточно для более тяжелых роторов
Известна магнитная опора вертикального ротора, содержащая кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником в виде кольца, примыкающего к нижнему торцу магнита, и размещенную соосно на роторе напротив нижнего торца магнита ферромагнитную втулку с кольцевым радиальным выступом, при этом кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником, выполненным с поперечным сечением в форме прямоугольника, установлен на корпусе, внутренний диаметр наконечника составляет 0,8…0,9 от внутреннего диаметра ферромагнитной втулки, а толщина наконечника составляет 0,5…1,2 от толщины верхнего торца ферромагнитной втулки (Патент России №2272676 МПК B04B 9/12, F16C 32/04 опубл. 27.03.2006).
Известна магнитная опора вертикального ротора, содержащая кольцевой аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником на нижнем торце, установленный на корпусе над ферромагнитной втулкой, закрепленной соосно с ротором на его верхней крышке, на верхнем торце магнита установлено ферромагнитное кольцо, толщина которого равна 0,1…0,4 толщины магнита, причем внутренний диаметр ферромагнитного кольца совпадает с внутренним диаметром магнита, а его наружный диаметр составляет 1,2…1,5 среднего диаметра магнита.
Патент России №2265757, МПК В04В 9/12, F16C 32/04, опубл. 10.12.2005.
Данные магнитные опоры позволяют уменьшить давление на нижнюю опору и уменьшить массу и габариты магнитной опоры, но не обеспечивают ее достаточную радиальную жесткость и прочность.
Задача, которая решается настоящим изобретением, состоит в создании простой и одновременно более эффективной конструкции верхней магнитной опоры, обеспечивающей ее радиальную жесткость и прочность, и надежность работы газовой центрифуги.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитной опоре вертикального ротора, включающей установленные соосно вертикальному ротору аксиально намагниченный кольцевой магнит с полюсным наконечником, расположенные на крышке герметичного корпуса и расположенную напротив нижнего торца магнита ферромагнитную втулку, установленную на верхней крышке тонкостенного вертикального ротора, у нижнего торца ферромагнитной втулки выполнен радиальный кольцевой выступ, выше которого расположена коническая образующая поверхность в форме обратного усеченного конуса.
Кроме того, на конической части образующей выполнена одна или несколько винтовых канавок, направление которых выбрано в зависимости от направления вращения ротора.
Кроме того, винтовые канавки выполнены переменной глубины, уменьшающейся от верхней части ферромагнитной втулки к ее низу.
Кроме того, ферромагнитная втулка выполнена состоящей из основной гладкой втулки и напрессованной конической втулки, при этом коническая втулка может иметь различное количество винтовых канавок и различный угол их наклона.
Кроме того, установлен дополнительный многополюсный магнит, охватывающий с зазором ферромагнитную втулку.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - продольный разрез ротора с магнитной опорой.
Фиг. 2 - продольный разрез ротора с дополнительной магнитной опорой.
Фиг. 3 - ферромагнитная втулка.
Фиг. 4 - разрез А-А.
Полый тонкостенный вертикальный ротор 1, установленный в герметичном корпусе 2, опирается на нижний механический подшипник, включающий иглу 3, опирающуюся на подпятник 4.
Магнитная опора включает установленные соосно вертикальному ротору 1 аксиально намагниченный кольцевой магнит 5 с полюсным наконечником 6, расположенные на крышке герметичного корпуса 2, и расположенную напротив нижнего торца магнита 5 коническую ферромагнитную втулку 7 высотой Н, установленную на верхней крышке тонкостенного вертикального ротора 1.
Внутри герметичного корпуса 2 соосно ротору 1 расположено осевое уплотнение 8 молекулярного насоса, охватывающее с зазором ферромагнитную втулку 7.
У нижнего торца ферромагнитной втулки 7 выполнен радиальный кольцевой выступ, выше которого расположена коническая образующая поверхность в форме обратного усеченного конуса.
На конической части образующей ферромагнитной втулки 7 выполнена одна или несколько винтовых канавок, с различным углом наклона, имеющих левое или правое направление, в зависимости от направления вращения ротора газовой центрифуги. Винтовые канавки имеют переменную глубину, уменьшающуюся от верхней части ферромагнитной втулки к ее низу.
Ферромагнитная втулка может быть выполнена составной из основной гладкой втулки и напрессованной конической втулки, при этом коническая втулка может иметь различное количество винтовых канавок и различный угол их наклона.
В магнитной опоре может быть установлен дополнительный многополюсный магнит 9, охватывающий с зазором ферромагнитную втулку 7.
Магнитная опора работает следующим образом.
Коническая форма ферромагнитной втулки 7 наилучшим образом соответствует распределению магнитной индукции в магнитной опоре, при этом не нарушаются существующие габариты изделия, сложившиеся в результате эксплуатации.
В случае установки магнитной опоры в газовой центрифуге и при выполнении одной или нескольких винтовых канавок на конической части ферромагнитной втулки, например, левого направления при существующем направлении вращения газовой центрифуги, происходит ускоренная откачка из-за роторного пространства, и этот длительный процесс сокращается в несколько раз. При откачке имеется несколько режимов течения газа. При высоких давлениях имеет место вязкостный режим течения, когда поток существует только в направлении отрицательного градиента давления и определяющим является внутреннее трение в газе. При дальнейшем уменьшении давления явление внутреннего трения исчезает, поскольку молекулы чаще сталкиваются со стенками втулки и корпуса, чем между собой. Длина свободного пробега молекул возрастает. При достаточно низком давлении молекулы передвигаются независимо друг от друга. Благодаря тому, что отражение молекул от стенок системы имеет существенно диффузный характер, часть столкнувшихся со стенками молекул отразится обратно и таким образом возникает обратный поток. Молекулы газа при соударении с вращающейся втулкой за счет трения получают дополнительный импульс количества движения и перемещаются внутрь ротора. Глубина паза на роторной втулке уменьшается сверху вниз, что препятствует проникновению газа в обратном направлении и уменьшает противоток.
Благодаря наличию конусной части роторной ферромагнитной втулки, повышается ее жесткость и прочность и повышается надежность центрифуги.
Применение дополнительного многополюсного магнита обеспечивает дополнительную разгрузку нижней опоры.
Использование составной втулки экономически выгодно при необходимости изменения режима работы или при проведении различных испытаний.