Поворотное устройство для турбомашины
ROTARY DEVICE FOR TURBO-MACHINE

Настоящее изобретение относится к поворотному устройству для турбомашины. А именно, настоящее изобретение относится к устройству, которое действует на вал турбомашины так, чтобы обеспечивать вращение такой турбомашины с низкой скорости во время режима простоя. Это делается по нескольким причинам, например, чтобы препятствовать изгибанию вала турбомашины под весом роторов. Кроме того, в особенности в применении к паровым турбинам, такое поворотное устройство используется, чтобы избежать деформации вала после остановки во время фазы охлаждения и перед пуском, когда пар нагнетается в уплотнения при закрытым впускном клапане.
Более конкретно, известное поворотное устройство, называемое также поворотным механизмом, содержит электрический двигатель, связанный с вторичным валом. Имеется механическая передача для соединения вторичного вала с главным валом турбомашины, а именно, валом, к которому прикреплены вращающиеся компоненты, предназначенные для обмена энергией с рабочей средой. Такая механическая передача может представлять собой, например, качающуюся шестерню, то есть шестерня входит в зацепление с механизмом, когда это необходимо, и выходит из зацепления в противном случае. Шестерня может входит в зацепление с помощью вращающегося рычага. Альтернативно, поворотный механизм может иметь захватную муфту.
Поскольку поворотный механизм используется, когда турбомашина или остановлена или находится в стадии пуска, необходимо осуществить выход из зацепления до нормальной работы турбомашины. Однако механическая передача может иногда не сработать, что приводит к заклиниванию турбомашины.
Кроме того, поворотный механизм может, очевидно, войти в зацепление, когда турбомашина вращается с полной скоростью. Это представляет угрозу безопасности, поскольку в таких условиях вращающиеся элементы поворотного механизма подвержены чрезмерным динамическим нагрузкам и ударам, что может привести к катастрофическому выходу из строя турбомашины, вылету элементов и опасности поражения персонала вокруг турбомашины.
Сущность изобретения
Первый вариант выполнения настоящего изобретения относится к поворотному устройству для турбомашины. Поворотное устройство содержит множество электромагнитов, подключаемых к источнику электроэнергии. Ротор имеет магнитную связь с электромагнитами и установлен с возможностью соединения с главным валом турбомашины. Ротор имеет ось вращения.
Электромагниты обращены к ротору для индуцирования вихревых токов на поверхности ротора.
Модуляция токов, текущих в катушках электромагнитов, генерирует переменные магнитные потоки, которые индуцируют электрические токи на поверхности ротора. Эти вихревые токи создают магнитные потоки, которые стремятся воздействовать на причину изменения. Таким образом, электромагниты, имеющий нужные размеры, способны создать в роторе вращающий момент, заставляющий вращаться главный вал.
Предпочтительно, это абсолютно бесконтактная версия поворотного механизма. Поэтому она решает все проблемы безопасности, так как устройство для своей работы не нуждается в физическом сцеплении. Действительно, поворотное устройство согласно указанному выше варианту выполнения настоящего изобретения не может испытывать заклинивания и не требует смазки.
Кроме того, уровень безопасности устройства значительно повышается по сравнению со сцепляемым поворотным механизмом, поскольку снимает угрозу опасности, так как устраняет риск случайного зацепления во время работы турбомашины. Действительно, описанное выше поворотное устройство работает при абсолютно бесконтактной передаче вращающего момента, поэтому, даже если произойдет случайное взаимодействие, нет никакого риска для оператора машины или людей, находящихся поблизости.
Еще более предпочтительно, чтобы в качестве опции вышеуказанное поворотное устройство использовалось в качестве тормоза.
Более подробная информация и конкретные варианты выполнения настоящего изобретения содержатся на сопровождающих чертежах, где:
на фиг. 1 схематично показано поворотное устройство согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения; и
на фиг. 2 показана часть поворотного устройства, изображенного на фиг. 1.
Подробное описание
Последующее описание вариантов выполнения настоящего изобретения относится к сопровождающим чертежам. Одинаковыми позициями на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает объем изобретения. Напротив, объем изобретения определен пунктами формулы изобретения.
Такие определения в описании, как «один вариант выполнения настоящего изобретения» или «вариант выполнения настоящего изобретения» означают, что некий признак, структура или характеристика, описанная в связи с этим вариантом выполнения настоящего изобретения, входит по меньшей мере в один раскрытый вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте выполнения настоящего изобретения» или «в варианте выполнения настоящего изобретения» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения настоящего изобретения. Кроме того, конкретные признаки, структура или характеристики могут быть скомбинированы любым подходящим способом в одном или большем количестве вариантов выполнения настоящего изобретения.
На сопровождающих чертежах позицией 1 обозначено поворотное устройство для турбомашины.
Устройство 1 содержит множество электромагнитов 2. Эти электромагниты могут соединяться с источником 3 электроэнергии. Кроме того, электромагниты 2 формируют статор устройства 1, поэтому они прикреплены к неподвижной части конструкции турбомашины (не показана). Более подробная информация об электромагнитах 2 и источнике 3 энергии дана в последующей части настоящего описания.
Ротор 4 имеет магнитную связь с электромагнитами 2. Ротор 4 выполнен с возможностью соединения с главным валом «S» турбомашины.
Кроме того, ротор 4 имеет ось «А» вращения. Предпочтительно, ротор 4 имеет форму диска. Поэтому у ротора имеется центральная зона 4с, расположенная вокруг оси «А» вращения, и периферийная зона 4b, расположенная внешним образом относительно оси «А» вращения. Другими словами, периферийная зона 4b расположена снаружи относительно центральной зоны 4с.
Кроме того, ротор 4 имеет две поверхности 4а, расположенные друг напротив друга. Поверхности 4а являются по существу плоскими. Кроме того, поверхности 4а расположены по существу перпендикулярно относительно оси «А» вращения.
Сам ротор 4 изготовлен из электропроводящего, но не магнитного материала. Например, таким материалом может быть инконель или сталь.
Относительно вышеуказанных электромагнитов 2 следует подчеркнуть, что они установлены так, что обращены к ротору 4, чтобы вызывать вихревые токи 7 на поверхности 4а ротора 4. В результате на ротор 4 действует вращающий момент, который передается от ротора 4 к главному валу «S» и вращает главный вал «S». Более конкретно, такой вращающий момент можно оценить в диапазоне от 500 Нм для малых турбомашин до 60000 Нм для самых больших моделей, производимых в настоящее время.
На фиг. 1 ротор 4 показан вместе с электромагнитами 2. Электромагниты 2 установлены так, чтобы их ось «север-юг», то есть ось катушек, была по существу перпендикулярна ротору 4. Показано, что магнитное поле 8 пересекает ротор 4. Действительно, модуляция токов, текущих в катушках электромагнитов 2, генерирует переменные магнитные потоки, которые вызывают вышеуказанные вихревые электрические токи 7 на поверхностях 4а ротора 4. Эти вихревые токи 7 создают магнитные потоки, которые, взаимодействуя с магнитным полем 8, перемещают ротор 4 желательным образом. Другими словами, как следствие поверхностных вихревых токов 7, на части поверхности 4а ротора 4, на которой они текут, создается магнитное поле (на чертежах не показано), которое взаимодействует с магнитным полем от электромагнитов 2. Для реализации подобного сценария необходим источник 3 электроэнергии, поставляющий такой вращающийся переменный ток в электромагниты 2, чтобы их магнитное поле 8 имело правильную фазу. Ниже это описано подробнее.
Если описывать подробнее, устройство 1 содержит по меньшей мере два набора 5 электромагнитов 2. Каждый набор 5 содержит по меньшей мере один электромагнит 2. Каждый набор 5 расположен в соответствующем угловом положении относительно оси «А» вращения ротора 4. На фиг. 1 показано два набора 5 электромагнитов 2, разнесенные на угол 180°. Если необходимо больше наборов 5 магнитов 2, они предпочтительно расположены с одинаковым угловым смещением, а именно: любые два последовательных радиальных направления магнитов смещены на одинаковый угол.
Действительно, электромагниты 2 установлены так, чтобы создавать вращающий момент вдоль заранее заданного направления вращения главного вала «S» для ускорения главного вала «S». Поэтому поворотное устройство 1 может поддерживать медленное вращение турбомашины во время ее режима простоя. Термин «медленное вращение», согласно настоящему описанию, означает нерабочее вращение не более 300 оборотов в минуту, как правило 20 оборотов в минуту. В типичном приложении медленное вращение поддерживается по меньшей мере в течение 10 минут перед пуском машины и максимум спустя 100 часов после работы машины.
Более конкретно, набор электромагнитов 2 рассчитан на полное потребление электроэнергии между 1000 Вт и 150000 Вт.
Для создания вихревых токов 7 каждый электромагнит 2 размещен близко к поверхности 4а ротора 4. Это расстояние может быть между 1 мм и 2 мм.
Как показано на фиг. 1, два электромагнита 2 могут быть активными в том же самом месте ротора 4, при этом каждый установлен напротив другого относительно ротора 4 и обращен к соответствующей поверхности 4b ротора 4. Предпочтительно, это способствует более равномерной нагрузке на ротор 4.
Следует отметить, что каждый набор 5 действует по меньшей мере на периферийную зону 4b ротора 4, другими словами, зону ротора 4, расположенную дальше от оси «А» вращения. Это позволяет максимизировать вращающий момент, создаваемый каждым электромагнитом. В качестве опции, каждый набор 5 может также действовать на центральную зону 4с ротора 4. Это позволяет распределить нагрузку на ротор 4 более равномерно вдоль радиального направления ротора 4.
Как показано на фиг. 1, каждый набор 5 содержит несколько электромагнитов 2, установленных вдоль радиального направления ротора 4. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения, не показанном на чертежах, электромагниты 2 могут быть установлены любым наиболее удобным способом.
Каждый набор 5 питается соответствующей фазой входного электрического тока. Предпочтительно, как показано на фиг. 1, чтобы каждый набор 5 электромагнитов 2 питался от одного источника 3 электроэнергии. Эти источники 3 электроэнергии имеют разную фазу в зависимости от общего количества наборов 5 электромагнитов 2. Предпочтительно, имеется по меньшей мере два источника 3 электроэнергии, а именно, по меньшей мере две электрических фазы, что позволяет устройству 1 запускаться из состояния покоя.
В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения ротор 4 является полым. Это позволяет иметь более легкий ротор 4, чем обычно, при том, что устройство 1 все еще может функционировать, поскольку вихревые токи 7 генерируются только на поверхности 4а, обращенной к электромагнитам 2, и не проникают очень глубоко в сам ротор 4.
Предпочтительно, чтобы в роторе 4 имелось множество отверстий 6. Эти отверстия 6 позволяют оптимизировать как вес ротора 4, так и его охлаждение. Один пример расположения отверстий 6 показан на фиг. 2. Соответственно, можно использовать другие расположения отверстий 6 в роторе 4 после оптимизации конструкции. Действительно, в варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг. 1, как ротор 4, так и электромагниты 2 имеют пассивное газовое охлаждение. В других вариантах выполнения настоящего изобретения, не показанных на чертежах, ротор 4 и электромагниты 2 имеют активное газовое или жидкостное охлаждение.
Кроме того, электромагниты 2 могут в качестве опции прикладывать вращающий момент в направлении, противоположном заранее заданному направлению вращения главного вала «S», для замедления главного вала «S». Другими словами, это позволяет использовать поворотное устройство 1 в качестве тормоза для турбомашины, на которой оно установлено. Преимущество заключается в том, что для получения этого эффекта необходимо иметь только источник 3 энергии, который подает постоянное напряжение, так как вариация магнитного поля 8 обеспечивается движением самого ротора 4. В этом случае вихревые токи, генерируемые на поверхностях 4а ротора 4, таковы, что они генерируют магнитное поле, которое противодействует вращению ротора 4. Этот эффект прямо пропорционален скорости вращения ротора 4, обеспечивая, таким образом, эффект вязкого трения для ротора 4.