МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ (ВАРИАНТЫ)
MAGNETIC BEARING ON HIGH TEMPERATURE SUPER-CONDUCTORS (VERSIONS)

Изобретение относится к области подшипников для вращающихся валов, в частности к магнитным подшипникам на высокотемпературных сверхпроводниках, и может быть использовано в машиностроении, газотурбостроении и других областях техники.
По первому варианту изобретения известен магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках, содержащий диски с кольцевыми постоянными магнитами и размещенные между последними с зазором диски с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП-диски), при этом ВТСП-диски установлены внутри герметичной оболочки азотного криостата, обеспечивающего захолаживание сверхпроводящих элементов до критических температур (см. ЕР №1767798, Кл. F16C 32/04, опубл. 23.09.2005).
Недостаток известного магнитного подшипника - его невысокая грузоподъемность. Повышение грузоподъемности известного магнитного подшипника можно было достигнуть посредством увеличения количества ВТСП-дисков, однако, это увеличение ограничено разностью теплового расширения вала, имеющего комнатную температуру, и блока ВТСП-дисков, захолаживаемых до температуры кипения жидкого азота, что может при определенном количестве дисков привести к замыканию зазора между дисками и невозможности вращения вала.
По второму варианту изобретения известен магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках, содержащий диски с кольцевыми постоянными магнитами и размещенные между последними с зазором диски с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП-диски), при этом диски с ВТСП установлены внутри герметичной оболочки азотного криостата, обеспечивающего захолаживание сверхпроводящих элементов до критических температур (см. ЕР №1767798, Кл. F16C 32/04, опубл. 23.09.2005).
Недостаток известного магнитного подшипника - его невысокая грузоподъемность. Повышение грузоподъемности известного магнитного подшипника можно было достигнуть посредством увеличения количества ВТСП-дисков, однако, это увеличение ограничено разностью теплового расширения вала, имеющего комнатную температуру, и блока ВТСП-дисков, захолаживаемых до температуры кипения жидкого азота, что может при определенном количестве дисков привести к замыканию зазора между дисками и невозможности вращения вала.
Технический результат предложенного изобретения по первому варианту - повышение грузоподъемности подшипника при сохранении его удельных характеристик.
Технический результат предложенного изобретения по второму варианту - повышение грузоподъемности подшипника при сохранении его удельных характеристик.
Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что в магнитном подшипнике на высокотемпературных сверхпроводниках, содержащем диски с постоянными магнитами, закрепленные на внутренней обойме, и диски с высокотемпературными сверхпроводниками, расположенные между магнитными дисками поочередно, согласно изобретению диски с высокотемпературными сверхпроводниками установлены в вакуумной полости, образованной внешней обоймой подшипника, боковыми кольцевыми стенками и герметично скрепленными между собой вакуумными кожухами, в каждом из которых расположен диск с высокотемпературными сверхпроводниками, при этом диски с высокотемпературными сверхпроводниками в количестве до десяти снабжены устройством их охлаждения и устройством для их перемещения в радиальном и осевом направлении, закрепленном на наружной обойме, и в указанном количестве диски с высокотемпературными сверхпроводниками, устройство охлаждения и устройство перемещения объединены в модуль, причем количество модулей один или несколько, и модули между собой связаны не жестко.
Указанное количество дисков с высокотемпературными сверхпроводниками является существенным признаком, так как при увеличении количества дисков из-за эффекта разности теплового расширения вала и блока ВТСП-дисков необходимо увеличивать осевой, а значит и магнитный зазор, что приведет к уменьшению допустимой предельной нагрузки и при более 10 дисках достигнет недопустимых величин.
Устройство перемещения может быть выполнено в виде металлокерамических толкателей, связанных через упругий элемент с наружной обоймой подшипника, что снижает теплопритоки к системе охлаждения и уменьшает потери мощности на охлаждение.
Для повышения надежности и упрощения конструкции устройства охлаждения устройство охлаждения может быть выполнено в виде спиральной трубки, соединенной с устройством подачи рабочего тела.
Каждый диск с высокотемпературными сверхпроводниками может быть выполнен с кольцевыми углублениями, разделенными перегородкой, высокотемпературные сверхпроводники расположены в проточках и скреплены с перегородкой, что позволяет сформировать оптимальное направление тепловых потоков и обеспечить минимальный перепад температур между ВТСП-диском и системой охлаждения.
Каждый вакуумный кожух может быть выполнен со штырями для крепления стенок вакуумного кожуха между собой, что дополнительно позволяет повысить жесткость стенок вакуумного кожуха и получить заданный осевой зазор между дисками.
Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что в магнитном подшипнике на высокотемпературных сверхпроводниках, содержащем диски с постоянными магнитами, закрепленные на внутренней обойме, и диски с высокотемпературными сверхпроводниками, расположенные между магнитными дисками поочередно, согласно изобретению дополнительно содержит силовой корпус и выполнен в виде расположенных в силовом корпусе модулей, каждый из которых состоит из размещенных в вакуумном корпусе, в качестве внешней стенки которого использована наружная обойма, дисков с высокотемпературными сверхпроводниками в количестве до десяти, устройства их охлаждения и устройства перемещения модуля в радиальном и осевом направлениях, при этом диски с высокотемпературными сверхпроводниками размещены в вакуумных кожухах, герметично скрепленных между собой, а устройства перемещения модулей расположены на силовом корпусе, и модули связаны между собой не жестко.
Указанное количество дисков с высокотемпературными сверхпроводниками является существенным признаком, так как при увеличении количества дисков из-за эффекта разности теплового расширения вала и блока ВТСП-дисков необходимо увеличивать осевой, а значит и магнитный зазор, что приведет к уменьшению допустимой предельной нагрузки и при более 10 дисках достигнет недопустимых величин.
Устройство охлаждения может быть выполнено в виде спиральной трубки, соединенной с устройством подачи рабочего тела, что позволяет повысить надежность и упростить конструкцию устройства охлаждения.
Каждый диск с высокотемпературными сверхпроводниками может быть выполнен с кольцевыми углублениями, разделенными перегородкой, высокотемпературные сверхпроводники расположены в проточках и скреплены с перегородкой, что позволяет сформировать оптимальное направление тепловых потоков и обеспечить минимальный перепад температур между ВТСП-диском и системой охлаждения.
Каждый вакуумный кожух может быть выполнен со штырями для крепления стенок вакуумного кожуха между собой, что дополнительно позволяет повысить жесткость стенок вакуумного кожуха и получить заданный осевой зазор между дисками.
На фиг.1 изображен магнитный подшипник по первому варианту;
на фиг.2 - устройство перемещения;
на фиг.3 - диск с высокотемпературными сверхпроводниками, выполненный с кольцевыми углублениями, разделенными перегородкой;
на фиг.4 - магнитный подшипник по второму варианту.
Магнитный подшипник (по первому варианту, фиг.1) с наружной и внутренней обоймами 1, 2 выполнен в виде отдельных связанных не жестко между собой модулей в количестве, например, двух. Каждый модуль содержит диски 3 (ВТСП-диски) с высокотемпературными сверхпроводниками 4, например, из керамики, в количестве, например, 3 единицы, расположенные в вакуумных кожухах 5, между которыми поочередно установлены и закреплены на внутренней обойме 2 диски 6 с постоянными магнитами, устройств 7 охлаждения, выполненное в виде спиральной трубки, соединенной с устройством подачи (не показано) рабочего тела, например жидкого азота, причем устройство перемещения 8 ВТСП-дисков установлено на наружной обойме 1.
Ограниченное число дисков 3, жестко скрепленных между собой и устройством охлаждения 7, дает возможность уменьшить первоначальный зазор между дисками 3 и 6, что возможно из-за минимального влияния изменения зазоров при подаче жидкого азота в устройство охлаждения 7 и увеличить удельную грузоподъемность конструкции.
ВТСП-диски 3 установлены в вакуумной полости, образованной внешней обоймой 1 подшипника, боковыми кольцевыми стенками и герметично скрепленными между собой вакуумными кожухами 5.
Вакуумный кожух 5 выполнен со штырями 9, которые после установки дисков 3 жестко скрепляют противоположные стенки 10 вакуумного кожуха по периферии. При сборке подшипника этими связями обеспечивают фиксированный размер вакуумного кожуха, что чрезвычайно важно для получения необходимого осевого зазора между ВТСП и магнитными дисками.
Каждый ВТСП-диск 3 с (фиг.2) выполнен с кольцевыми проточками 12, разделенными центральной перегородкой 13, в которые устанавливаются и с хорошим тепловым контактом крепятся к центральной перегородке 13 высокотемпературные сверхпроводники 4. В качестве такого соединения может быть применена пайка или склейка клеем с добавкой теплопроводящей компоненты.
В каждом модуле вакуумные кожухи 5 с ВТСП-дисками 3 герметично соединены между собой, а сами ВТСП-диски скреплены с устройством охлаждения из спиральной трубки при помощи, например, пайки.
Каждый модуль снабжен устройством его перемещения 8, в которое входит один или несколько толкателей. Толкатель устройства 15 упирается в площадку на устройстве 7 охлаждения или других элементах, жестко связанных с ВТСП-диском (фиг.3). Устройство состоит из упругого тонкостенного элемента 14, металлокерамического толкателя 15, связанного через упругий элемент с наружной обоймой 1 подшипника. На торце толкателя 15 укреплены (один или несколько) фрагменты 16 из керамики с малой теплопроводностью, при этом высота керамики и, следовательно, ее тепловое сопротивление не ограничиваются величиной зазора между секцией 7 и наружной обоймой 1 с экранно-вакуумной изоляцией. Эти металлокерамические толкатели установлены на нижней образующей наружной обоймы, так что при компенсации весовых нагрузок керамика нагружена напряжением сжатия.
Магнитный подшипник (по второму варианту, фиг.4) с наружной и внутренней обоймами 1, 2 выполнен в виде отдельных связанных не жестко между собой модулей. Каждый модуль содержит диски 3 с высокотемпературными сверхпроводниками 4 (диски с ВТСП), например, из керамики, в количестве, например, 3 единицы, расположенные в вакуумных кожухах 5, между которыми поочередно размещены и закреплены на внутренней обойме 2 диски 6 с постоянными магнитами, устройство охлаждения 7, выполненное в виде спиральной трубки, соединенной с устройством подачи (не показано) рабочего тела, например жидкого азота. ВТСП-диски и устройство охлаждения жестко через тепловой мост 17 соединены с вакуумным корпусом 18.
Ограниченное число дисков 3, жестко скрепленных между собой и устройством охлаждения 7, дает возможность уменьшить первоначальный зазор между дисками 3 и 6, что возможно из-за минимального влияния изменения зазоров при подаче жидкого азота в устройство охлаждения 7 и увеличить удельную грузоподъемность конструкции.
В каждом модуле вакуумные кожухи 5 с ВТСП-дисками 3 герметично скреплены между собой, а сами ВТСП-диски соединены с соответствующим устройством охлаждения из спиральной трубки при помощи, например, пайки, и расположенных в общем вакуумном корпусе, соединенным с системой откачки.
Вакуумный корпус 18 образован наружной обоймой 1, герметично скрепленными кожухами 5 и боковым кольцевыми стенками. Вакуумный корпус 18, в котором в качестве внешней оболочки использована наружная обойма 1, размещен внутри силового корпуса 19, выполненного в виде обечайки, на котором установлены устройства 20 для радиального и осевого перемещения вакуумного корпуса 18, например винтовые домкраты.
Вакуумный кожух 5 выполнен со штырями 9, которые после установки дисков жестко скрепляют противоположные стенки 10, 11 вакуумного кожуха по периферии. При сборке подшипника этими связями обеспечивают фиксированный размер, что чрезвычайно важно для получения необходимого осевого зазора между ВТСП-дисками и магнитными дисками.
Каждый ВТСП-диск 3 (фиг.3) выполнен с кольцевыми углублениями 12, разделенными центральной перегородкой 13, в которые устанавливаются и с хорошим тепловым контактом крепятся к центральной перегородке 13 высокотемпературные сверхпроводники 4. В качестве такого соединения может быть применена пайка или склейка клеем с добавкой теплопроводящей компоненты.
Сборка (по первому и второму вариантам) каждого модуля подшипника осуществляется следующим образом. Предварительно до сборки изготавливаются модули - диски 3 с высокотемпературными сверхпроводниками 4 и диски 6 с постоянными магнитами. Диск 3 изготавливают из меди с кольцевыми углублениями 12, в которые устанавливают высокотемпературные сверхпроводники 4 на основе иттриевой керамики трапециевидной формы толщиной 2-3 мм,
Вакуумный кожух 5 выполнен из высокоомного материала, например фехраля или т.п., и имеет толщину стенок δ~0,3 мм. К кольцам стенок 10, 11 жестко крепятся штыри 9 для образования жесткой конструкции модуля.
При сборке подшипника последовательно устанавливаются диски 3 и 6, причем диски 3 соединяют друг с другом по посадочным цилиндрическим поверхностям колец стенок 10, 11. После сборки всего пакета дисков осуществляется их герметизация на стыках колец стенок 10, 11.
После этого производится установка устройства 7 охлаждения, которое соединяется с дисками 3 способом, обеспечивающим минимальное тепловое соединение.
Сборка подшипника завершается установкой наружной обоймы 2 с укрепленным на ней устройством перемещения 13 металлокерамическим устройством, которое ориентируется в направлении, противоположном действующей нагрузке, и упирается (по первому варианту) в площадку секции охлаждения, а по второму варианту изобретения - в силовой корпус с установленными на нем толкателями.
Работа магнитного подшипника по первому и второму вариантам осуществляется следующим образом.
Предварительно перед захолаживанием ось ВТСП-дисков 3 выставляют ниже оси вала (не показан) на величину, необходимую для компенсации веса вала перемещением ВТСП-дисков. После захолаживания ВТСП-дисков 3 до температуры ниже критической, ось ВТСП-дисков с помощью устройств перемещения 8 (или 20 по второму варианту) устанавливают соосно с осью вала После этой процедуры вал с закрепленными на нем элементами поддерживается магнитным полем и подготовлен к вращению без трения и передаче момента.
Перемещение оси ВТСП-дисков 3 по варианту один осуществляется металлокерамическими толкателями, при этом перемещаются только ВТСП-диски, а вакуумные кожухи остаются неподвижными.
Усилие от веса вала через магнитное поле передается на жестко скрепленные между собой ВТСП-диски, далее через жесткие металлокерамические толкатели на наружную обойму подшипника по варианту один.
Перед началом захолаживания производится откачка вакуумных полостей. В качестве откачных средств могут быть использованы и криосорбционные насосы, также охлаждаемые жидким азотом.
После проведения этих процедур магнитный подшипник подготовлен к передаче момента в пассивном режиме.
В этом случае нагрузка от вала (турбины, компрессора, ротора инерционного накопителя и т.п.) через магнитное поле передается на опорную конструкцию (станину) изделия, обеспечивая возможность свободного, без механического контакта, вращения вала.
По варианту два усилие от ВТСП-дисков передается на жестко скрепленный с ними тепловой мост 17, далее - на вакуумный корпус 18 и наружную обойму 1, а с него через толкатели 15 на силовой корпус 19.
При воздействии на толкатели 15 по второму варианту перемещаются (в отличие от первого варианта) и ВТСП-диск 3, и вакуумный кожух 5, но зазор между валом неподвижными частями устройства остается неизменным.
Процедуры по захолаживанию, вакуумированию и выходу на режим для обоих вариантов одинаковы.