ТУРБОМАШИНА
TURBO MACHINE

Изобретение относится к турбомашине, содержащей корпус, электрическую часть турбомашины и вал ротора, поддерживаемый в опорах корпуса, при этом ротор электрической части турбомашины монтируется на валу ротора, и радиальную крыльчатку, монтируемую с односторонней опорной частью на, по меньшей мере, одном конце вала ротора.
В уровне техники известны турбомашины, имеющие расположенный вдоль оси магнитно-поддерживаемый вал ротора, в котором для осевой фиксации вкладыши магнитного подшипника объединены с опорным диском подшипника или противолежащими буртиками-выступами вала, напрессованными на валу ротора.
Известны также комбинации конструкций магнитных подшипников, в которых два вкладыша упорного магнитного подшипника установлены на одном конце вала ротора на двух боковых поверхностях вращающейся многодисковой сборки, расположенной на валу ротора, и боковая поверхность вращающейся многодисковой сборки окружена радиальным магнитным подшипником, противоположная сторона вала ротора подобным образом может также поддерживаться с помощью радиального магнитного подшипника.
Также известны в уровне техники турбомашины, имеющие вышеописанные конструкции, и, кроме того, имеющие вал ротора, который поддерживается в активном магнитном подшипнике, установленном на конце вала ротора в передней части радиальной крыльчатки. Активные магнитные подшипники требуют постоянного электропитания, так же как, так называемые, вспомогательные подшипники для страховки основного подшипника в случае неисправности питания. Такие вспомогательные подшипники обычно механические, радиальные и упорные аварийные шариковые подшипники, поддерживающие вал ротора в остановленном состоянии или в случае неисправности магнитного подшипника.
Так как для известных сейчас магнитных подшипников необходимое магнитное поле генерируется электромагнитами, то магнитное поле и, следовательно, действующая в подшипнике сила, могут быть изменены посредством изменения силы тока в катушках электромагнитов. Поэтому, чтобы обеспечить поддержку вала ротора с помощью активного магнитного подшипника, необходима обратная связь, для того, чтобы регулировать соответствующую нагрузочную способность подшипника. Такие турбомашины могут работать на очень высоких скоростях вращения при использовании магнитного подшипника для вала ротора. Однако критические изгибные собственные частоты вала ротора при высоких скоростях вращения находятся вблизи или ниже максимальной рабочей частоты турбомашины. Это делает стабильное, активное регулирование магнитных подшипников очень сложным или даже невозможным.
Функционирование турбомашины в состоянии повышения частот до таких значений, когда они находятся в зоне критических изгибных собственных частот вала ротора, можно значительно улучшить посредством двух превентивных мер. Первая мера состоит в следующем: допустимые рабочие скорости вращения уменьшают при конструировании турбомашины. При данных мощности и нагрузке турбомашины эта мера приводит при конструировании к применению более крупных турбомашин, в которых компрессор или ступени детандера спроектированы ниже оптимальной скорости вращения, а также имеют пониженную эффективность по сравнению с оптимальной конструкцией. Вторая мера состоит в том, что дополнительный диск упорного подшипника может не использоваться. В этом случае масса вала ротора может быть уменьшена, т.к. вал ротора может быть укорочен на длину участка вала, необходимого для дополнительного диска упорного подшипника, таким образом, увеличивая критические изгибные собственные частоты вала ротора. Вкладыши упорного магнитного подшипника требуют гораздо меньшего контакта с буртиком вала или с вращающейся многодисковой сборкой, напрессованной на вал ротора, когда диск упорного подшипника не используется, но это приводит к нежелательному уменьшению сил, действующих в упорном подшипнике.
В свете этого обзора уровня существующей техники задача изобретения состоит в том, чтобы получить турбомашину, имеющую описанные выше свойства, имеющую короткий вал ротора и маленькую массу ротора, позволяющие допустить критические изгибные собственные частоты вала ротора, и, тем самым, позволить увеличить рабочую скорость вращения турбомашины, а также имеющую упорные магнитные подшипники с пригодными в эксплуатации размерами для поглощения часто возникающего высокого статического и динамического давления и осевых импульсных нагрузок на радиальную крыльчатку.
Существом изобретения и средством достижения вышеописанной задачи является турбомашина, согласно п.1 формулы изобретения. Основой конструкции турбомашины согласно изобретению является корпус, электрическая часть турбомашины и вал ротора, установленный в опорах корпуса. Ротор электрической части турбомашины монтируется на валу ротора. Радиальная крыльчатка также монтируется консольно на, по меньшей мере, одном конце вала ротора. Для осевой фиксации вала с, по меньшей мере, одной стороны ротора на стенке корпуса со стороны крыльчатки устанавливается вкладыш магнитного подшипника, который взаимодействует с ее внутренней поверхностью.
Магнитные подшипники работают без систем масляной смазки и, что уже практически доказано, без износа.
Магнитные подшипники также позволяют использовать максимальные скорости вращения с очень низкими потерями и высоким уровнем плавности работы, таким образом, гарантируя общую экономическую выгоду и сохранение герметичности подшипников во время работы. По этой причине вал ротора для турбомашины согласно изобретению предпочтительно также делать с радиальной установкой на магнитных подшипниках.
В конструкции предпочтительного варианта осуществления изобретения радиальные крыльчатки монтируются консольно на обоих концах вала ротора. Кроме того, также монтируются на обоих концах вала ротора для осевой фиксации и вкладыши магнитного подшипника, которые расположены на обоих концах стенок корпуса со стороны крыльчаток. Каждый из вкладышей магнитного подшипника воздействует на кольцевую внутреннюю поверхность радиальной крыльчатки, с которой он связан. Внутренние поверхности радиальных крыльчаток, таким образом, используются как кольцевые дисковые поверхности достаточного размера для каждого из двух вкладышей упорного магнитного подшипника и действуют как опорные диски для вкладышей упорного магнитного подшипника. С помощью этой конструкции предпочтительного варианта осуществления изобретения высокое статическое и динамическое давление и осевые импульсные нагрузки, которым подвергаются радиальные крыльчатки, противодействует значительная статическая и динамическая осевая нагрузочная способность.
Радиальный и упорный магнитные подшипники для вала ротора предпочтительно являются активными магнитными подшипниками, которые имеют систему управления, способную изменять соответствующие поддерживающие силы, действующие в подшипнике в данный момент времени. Так как положение вала ротора может быть измерено с помощью бесконтактных датчиков, то возможно также и точно управлять подшипником вала ротора во время работы турбомашины. Для страховки активных магнитных подшипников в этой конструкции турбомашины на валу ротора установлены радиальные вспомогательные подшипники в зоне между цапфами для радиальных магнитных подшипников и радиальными крыльчатками. Эти радиальные вспомогательные подшипники обычно выполняются как подшипники скольжения, или, предпочтительно, как подшипники качения, например роликовые. Кроме того, для уплотнения вала ротора вращающиеся детали уплотнения вала устанавливаются между вспомогательными подшипниками и радиальными крыльчатками.
Для осевой фиксации вала ротора в одной особенно предпочтительной конструкции настоящего изобретения вкладыши магнитного подшипника устанавливаются в зоне уступов вала для вспомогательных подшипников и вращающихся деталей уплотнений вала. Такой конструктивный подход уменьшает требования по осевому зазору по сравнению с известными турбомашинами и позволяет избежать дополнительного удлинения выступающей части вала. В этой конструкции изобретения уступ вала между радиальным магнитным подшипником и радиальной крыльчаткой имеет такие размеры, чтобы уплотнение вала и вспомогательный подшипник имели достаточно места для их установки на валу ротора в осевом направлении.
В другой предпочтительной конструкции изобретения турбомашина имеет двухступенчатый компрессор радиальной конструкции. В этой конструкции электрическая часть машины является электродвигателем. Кроме того, турбомашина может быть также сконструирована как двухступенчатый центростремительный детандер с электродвигателем, который, соответственно, работает в режиме генератора. Изобретение также охватывает турбомашины, имеющие ступень сжатия и ступень расширения. В этой конструкции электрическая часть машины может, с одной стороны, работать как электродвигатель, когда требуется приводная мощность для ступени сжатия, большая, чем выходная мощность на валу, передаваемая от ступени расширения. С другой стороны, электрическая часть машины может также работать как генератор, когда выходная мощность на валу машины, передаваемая от ступени расширения, больше, чем приводная мощность, требуемая для ступени сжатия. В зависимости от специфических условий работы для ступени сжатия и ступени расширения электрическая часть машины может работать как электродвигатель или как генератор.
Изобретение поясняется ниже со ссылкой на чертеж, который иллюстрирует только один вариант осуществления изобретения. Единственная фигура схематически показывает изображение турбомашины в разрезе согласно изобретению.
Основу конструкции турбомашины 1, изображенной на чертеже, составляет корпус 2, электрическая часть 3 турбомашины, вал 4 ротора, установленный в опорах корпуса, ротор электрической части 3 турбомашины, установленный на валу 4, и радиальная крыльчатка 5, расположенная консольно, на, по меньшей мере, одном конце вала 4 ротора. Кроме этого, вкладыш 6 магнитного подшипника расположен на, по меньшей мере, одном конце вала 4 ротора для осевой фиксации вала 4 ротора относительно стенки корпуса 2 со стороны крыльчатки. Этот вкладыш 6 магнитного подшипника фиксирует внутреннюю торцевую часть 7 радиальной крыльчатки 5.
Предпочтительная конструкция турбомашины 1 согласно изобретению, показанная на чертеже, также включает в себя на противоположном конце вала 4 ротора радиальную крыльчатку 8, установленную консольно. Второй конец вала 4 ротора также имеет осевую фиксацию с помощью вкладыша 9 магнитного подшипника, которая фиксирует внутреннюю торцевую часть 10 взаимодействующей с ней радиальной крыльчатки 8. Кроме того, вал 4 ротора, изображенной на чертеже турбомашины 1, также радиально установлен на магнитных подшипниках 11 и 12. В этом варианте осуществления изобретения турбомашины 1 радиальные магнитные подшипники 11 и 12 и упорные магнитные вкладыши 6 и 9 являются активными магнитными опорами и имеют систему управления (не показана), с помощью которой может регулироваться магнитная сила, действующая в магнитных опорах. Также не показаны датчики, которые осуществляют постоянный контроль положения вала 4 ротора, позволяя поддерживать точную регулировку подшипников вала ротора. Вспомогательные подшипники 13 и 14 устанавливаются между радиальными крыльчатками 5 и 8 и радиальными магнитными подшипниками 11 и 12 для страховки активных магнитных подшипников. Эти вспомогательные подшипники 13 и 14 преимущественно выполняются как подшипники качения. Подшипники качения могут быть шариковыми, с шариками, сделанными из металла или керамического материала. Вкладыши упорных магнитных подшипников 6 и 9 устанавливаются на стенки корпуса 2 со стороны крыльчатки. Установка выполнена в зоне уступов 15 и 16 вала для вспомогательных подшипников 13 и 14, а также уплотнений 17 и 18 вала. Уступы 15 или 16 вала между радиальным магнитным подшипником и радиальной крыльчаткой имеют размеры, обеспечивающие достаточно места для установки уплотнения вала и вспомогательного подшипника.
В изображенном на чертеже предпочтительном варианте осуществления изобретения турбомашина 1 может быть двухступенчатым радиальным компрессором. Электрическая часть 3 машины на изображенной конструкции может быть электродвигателем. Изображенная турбомашина 1 может также быть двухступенчатым центростремительным детандером с электродвигателем 3, работающим в режиме генератора.
В изображенном на чертеже предпочтительном варианте осуществления изобретения турбомашина 1 согласно изобретению может также иметь ступень турбодетандера и ступень компрессионной турбины. В этой конструкции электрическая часть 3 машины может, с одной стороны, работать как электродвигатель, когда требуется мощность для ступени сжатия, большая, чем выходная мощность на валу, передаваемая от ступени расширения. С другой стороны, электрическая часть 3 машины может также работать как генератор, когда выходная мощность на валу машины, передаваемая от ступени расширения, больше, чем приводная мощность, требуемая для ступени сжатия. В зависимости от специфических условий работы для ступени сжатия и ступени расширения для предпочтительного варианта осуществления изобретения, изображенного на чертеже, электрическая часть 3 машины может работать как электродвигатель или как генератор.