РАДИАЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИКОВЫЙ УЗЕЛ
RADIAL MAGNETIC BEARING ASSEMBLY

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок замкнутого цикла большой мощности.
Известен радиальный подшипник на магнитной подвеске, включающий кольцевые коаксиальные постоянные магниты, снабженные экранами и взаимодействующие в радиальном направлении одним одноименным действующим полюсом (см. RU 2264565, МПК F16C 32/04, 2003).
В известной конструкции подшипника экраны не обеспечивают надежную осевую стабилизацию, что при высоких оборотах во время работы может вызвать смещение и колебание оси; магнитное взаимодействие одним рабочим полюсом снижает эффективность использования магнитной энергии единицы объема постоянных магнитов. Энергетические потери в известной конструкции могут быть скомпенсированы увеличением массы постоянных магнитов. Следствием этого является либо увеличение габаритов, либо ограничение динамического диапазона радиально-осевых перемещений, что ухудшает эксплуатационные характеристики подшипника в целом.
Известен также магнитный подшипниковый узел, содержащий полый цилиндрический корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу (см. RU 2314443, МПК F16C 32/04, 2008).
Магнитные подвесы большинства известных на сегодня газотурбинных двигателей выполнены на базе электромагнитов (активных магнитных подшипников). Недостатки таких систем - сложная система контроля зазора между цапфой и электромагнитами, относительно большой зазор между ними, высокое энергопотребление, необходимость установки страховочных подшипников, что увеличивает массу установки. С появлением высококоэрцитивных постоянных магнитов из редкоземельных материалов появилась возможность создавать пассивные магнитные подшипники, которые позволяют отказаться от сложных систем стабилизации магнитных подшипников, уменьшить немагнитный зазор, повысить надежность, несущую способность и жесткость магнитных подшипников.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности радиального подшипникового узла, повышение надежности его работы, уменьшение потерь на трение, исключение загрязнения рабочего тела турбомашины маслом, повышение механического КПД механизма.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального подшипникового узла при уменьшении в нем потерь на трение, повышении его надежности работы, повышении механического КПД механизма, повышении окружной скорости цапфы.
Поставленная задача решается тем, что радиальный магнитный подшипниковый узел, включающий полый цилиндрический корпус, в полости которого размещена втулка, выполненная из сегментов, и цапфу, отличается тем, что сегменты втулки выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, как объемные желобообразные удлиненные элементы одинаковой угловой длины и закреплены на внешней поверхности медной цилиндрической обечайки и отделены друг от друга ее выступами, размещенными в зазорах между сегментами, при этом медная цилиндрическая обечайка оперта и скреплена с несущим корпусом втулки, предпочтительно содержащим торцевые кольца, скрепленные друг с другом продольными стержнями, предпочтительно прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность которых совпадает с очертаниями торцевых колец и скреплена с внутренней поверхностью медной цилиндрической обечайки, кроме того, торцы втулки заглушены круглыми фланцами, поверхность которых, обращенная к втулке, снабжена периферийным кольцевым выступом и центральным цилиндрическим выступом или буртиком, с диаметром соответствующим диаметру отверстий торцевых колец, при этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной сегментами, совпадает с внешним диаметром фланцев и их периферийных кольцевых выступов, которые совпадают с кольцевыми проточками, на обращенной к ним кромке поверхности, образованной сегментами втулки, кроме того, свободные поверхности фланцев снабжены теплозащитным покрытием, при этом, в одном из фланцев и его теплозащитном покрытии выполнены, как минимум, два сквозных отверстия, выполненные с возможностью подвода - отвода охлаждающего агента, причем на внутренней поверхности полости полого цилиндрического корпуса сформирована магнитная система, выполненная по схеме Хальбаха, например, включающая набор одинаковых колец из магнитного материала, с чередованием радиальной и тангенциальной намагниченности, жестко скрепленных с поверхностью полости полого цилиндрического корпуса, причем внутренняя полость, образованная в магнитной системе образует рабочий зазор с внешней поверхностью втулки, с возможностью вращения относительно нее полого цилиндрического корпуса.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие, что «сегменты втулки выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, как объемные желобообразные удлиненные элементы одинаковой угловой длины и закреплены на внешней поверхности медной цилиндрической обечайки и отделены друг от друга ее выступами, размещенными в зазорах между сегментами» формируют втулку радиального магнитного подшипника и делают возможным формирование силы левитации цапфы при воздействии на сверхпроводник внешнего магнитного поля цапфы.
Признаки, указывающие, что «медная цилиндрическая обечайка оперта и скреплена с несущим корпусом втулки, предпочтительно содержащим торцевые кольца, скрепленные друг с другом продольными стержнями, предпочтительно прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность которых совпадает с очертаниями торцевых колец и скреплена с внутренней поверхностью медной цилиндрической обечайки» способствуют формированию жесткого и прочного корпуса магнитного подшипника, обеспечивают эффективное охлаждение объемных высокотемпературных сверхпроводимых (ВТСП) сегментов вследствие высокой теплопроводности меди.
Признаки, указывающие, что «торцы втулки заглушены круглыми фланцами, поверхность которых, обращенная к втулке, снабжена периферийным кольцевым выступом и центральным цилиндрическим выступом или буртиком, с диаметром, соответствующим диаметру отверстий торцевых колец, при этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной сегментами, совпадает с внешним диаметром фланцев и их периферийных кольцевых выступов, которые совпадают с кольцевыми проточками, на обращенной к ним кромке поверхности, образованной сегментами втулки», способствуют обеспечению жесткого скрепления объемных ВТСП сегментов с медной цилиндрической обечайкой, что уменьшает деформации поверхности объемных ВТСП сегментов и обеспечивает их надежную фиксацию при температурных деформациях корпуса магнитного подшипника и восприятию высоких нагрузок магнитным подшипником.
Признаки, указывающие, что «свободные поверхности фланцев снабжены теплозащитным покрытием, при этом, в одном из фланцев и его теплозащитном покрытии выполнены, как минимум, два сквозных отверстия, выполненные с возможностью подвода - отвода охлаждающего агента», способствуют формированию камеры криостата и обеспечивают поддержание необходимой температуры объемных ВТСП сегментов для поддержания эффекта сверхпроводимости.
Признаки, указывающие, что «на внутренней поверхности полости полого цилиндрического корпуса сформирована магнитная система, выполненная по схеме Хальбаха, например, включающая набор одинаковых колец из магнитного материала, с чередованием радиальной и тангенциальной намагниченности, жестко скрепленных с поверхностью полости полого цилиндрического корпуса», формируют схему намагничивания постоянных магнитов цапфы (схему Хальбаха), которая обеспечивает увеличение магнитного потока и направление его основной части в зону рабочего зазора радиального подшипникового узла для получения значительных сил отталкивания между магнитами и объемными ВТСП сегментами. Это повышает несущую способность и жесткость радиального подшипникового узла.
Признаки, указывающие, что «внутренняя полость, образованная в магнитной системе, образует рабочий зазор с внешней поверхностью втулки, с возможностью вращения относительно нее полого цилиндрического корпуса» обеспечивает возможность вращения цапфы вокруг втулки при минимальных потерях на трение и обеспечивают прочность цапфы при высоких окружных скоростях.
На фиг. 1 показан продольный разрез магнитного подшипникового узла по оси вращения, а на фиг. 2 - поперечный разрез.
На чертежах обозначены: корпус 1, составная цилиндрическая втулка 2, выполненная из сегментов 3, цапфа 4, медная цилиндрическая обечайка 5, выступы 6, торцевые кольца 7, 8, продольные стержни 9, фланцы 10, 11, периферийные кольцевые выступы 12, 13, центральные цилиндрические выступы 14, 15, кольцевые проточки 16, 17, теплозащитные покрытия 18, 19, сквозные отверстия 20, 21, кольца 22, 23 из магнитного материала, рабочий зазор 24, бандаж 25.
Радиальный магнитный подшипниковый узел включает полый цилиндрический корпус 1, на внешней поверхности которого оперта и закреплена медная цилиндрическая обечайка 5, на внешней поверхности которой размещена составная цилиндрическая втулка 2, состоящая из сегментов 3 втулки, и цапфа 4.
Сегменты 3 втулки выполнены из высокотемпературного сверхпроводящего материала, как объемные желобообразные удлиненные элементы одинаковой угловой длины и закреплены на внешней поверхности медной цилиндрической обечайки 5 и отделены друг от друга ее выступами 6, размещенными в зазорах между сегментами 3. Медная цилиндрическая обечайка 5 оперта и скреплена с несущим цилиндрическим корпусом 1 втулки 2. Корпус 1 подшипникового узла содержит торцевые кольца 7, 8, скрепленные друг с другом продольными стержнями 9, предпочтительно прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность которых совпадает с очертаниями торцевых колец 7, 8 и скреплена с внутренней поверхностью медной цилиндрической обечайки 5. Торцы составной цилиндрической втулки 2 заглушены круглыми фланцами 10, 11, поверхность которых, обращенная к втулке 2, снабжена периферийным кольцевым выступами 12, 13 и центральными цилиндрическими выступами 14, 15 или буртиком, с диаметром, соответствующим диаметру отверстий торцевых колец 7, 8. При этом диаметр цилиндрической поверхности, образованной сегментами 3, совпадает с внешним диаметром фланцев 10, 11 и их периферийных кольцевых выступов 12, 13, которые совпадают с кольцевыми проточками 16, 17 на обращенной к ним кромке поверхности, образованной сегментами 3. Свободные поверхности фланцев 10, 11 снабжены теплозащитным покрытием 18, 19. На правом фланце 11 и его теплозащитном покрытии 19 выполнены два сквозных отверстия 20, 21, предназначенные для подвода - отвода охлаждающего агента. На внутренней поверхности полости полой цапфы 4, установлены кольца 22, 23 из магнитного материала с чередованием радиального и тангенциального направлениями намагниченности, то есть, сформирована магнитная система, выполненная по схеме Хальбаха. Причем внутренняя полость, образованная в магнитной системе, образует рабочий зазор 24 с внешней поверхностью составной втулки 2, с возможностью вращения относительно нее цапфы 4.
Радиальный магнитный подшипниковый узел изготавливают и собирают в следующем порядке. С помощью токарной и фрезерной обработки изготавливают корпус 1, медную обечайку 5, цапфу 4, фланцы 10, 11. Выращивают ВТСП сегменты 3 втулки 2, обеспечивая направление роста монокристалла ВТСП сегмента перпендикулярно плоскости постоянных магнитов. Изготавливают кольца 22, 23 из магнитного материала, например из материала неодим-железо-бор и намагничивают их. На изготовленные фланцы 10, 11 приклеивают теплозащитные покрытия 18, 19. На цилиндрический корпус 1 подшипникового узла напрессовывают цилиндрическую обечайку 5, на которую, в свою очередь, приклеивают сегменты 3 втулки 2. Устанавливают фланцы 10, 11 на корпус 1. Во внутреннюю полость цапфы 4 вклеивают кольца 22, 23 из магнитного материала с формированием намагниченности по схеме Хальбаха и наматывают бандаж 25 из высокопрочного материала, например, из углеволокна. Устанавливают цапфу 4 на корпус 1 подшипникового узла. В отверстия 20 подают охлаждающий агент (жидкий азот, водород, гелий). После перехода сегментов 3 втулки 2 в сверхпроводящее состояние появляются силы левитации, которые удерживают ротор в подвешенном состоянии.
Радиальный магнитный подшипниковый узел работает следующим образом. После охлаждения сегментов 3 составной цилиндрической втулки 2, выполненных из объемных ВТСП материалов до температуры переводящих их в сверхпроводящее состояние, на их поверхности индуцируются вихревые токи большой величины. При взаимодействии магнитного поля этих токов с полем постоянных магнитных колец 22, 23, появляются силы левитации. Вследствие действия отталкивающих сил радиального магнитного подшипника цапфа 4 подшипникового узла располагается симметрично корпусу 1 с радиальным зазором 24 без механического контакта.