УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ МАХОВИКА

Заявляемая полезная модель относится к области электромашиностроения и может быть использована в конструкциях электрических машин, в частности, вертикальных асинхронных электродвигателей. Такие электродвигатели используют для привода главных циркуляционных насосных агрегатов (ГЦНА) реакторных установок атомных станций. Полезная модель может быть применена при решении задачи отсоединения маховика в случае возникновения аварийной ситуации неконтролируемого разгона ротора, вызванной разрывом полного сечения главного циркуляционного трубопровода.
Известна электрическая машина, содержащая зубчатый безобмоточный ротор и зубчатый статор с одно- или двухфазной обмоткой, которая подключена к электронному коммутатору, снабженному датчиком положения ротора относительно статора, при этом машина снабжена маховиком, размещенным на валу ротора (патент РФ на полезную модель №1937).
Данная конструкция электрической машины в целом и маховика, в частности, не обеспечивает отсоединения последнего от вала ротора в случае возникновения внештатной ситуации, связанной с его неконтролируемым разгоном, что делает нежелательным использование известного устройства в электродвигателях для привода циркуляционных насосных агрегатов атомных станций, т.к. при аварийной ситуации в случае неконтролируемого разгона ротора возможно разрушение маховика, недопустимое по условиям безопасности атомной станции.
Известен насосный агрегат ЦВН-8 для атомных станций с реакторными установками типа РБМК-1000, который включает антиреверсное устройство, содержащее расположенный в нижней части ротора приводного электродвигателя маховик, в углублениях нижней плоскости которого на осях, перпендикулярных оси ротора, размещены стопорные элементы (храповики), и закрепленное на станине электродвигателя храповое зубчатое колесо, причем зубья последнего имеют скос только в сторону нормального вращения ротора (Ф.М.Митенков и др. Главные циркуляционные насосы АЭС. 2-е изд., перераб. и доп. Москва, Энергоатомиздат, 1990, с.184, рис.5.14; Пак П.Н. Насосы АЭС. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.35, 36, рис.3.1).
Данная конструкция также не решает задачи предотвращения неконтролируемого разгона маховика при аварии, т.к. антиреверсное устройство в случае разрыва главного трубопровода не предупреждает разгон насосного агрегата по направлению вращения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является электрическая машина, содержащая массивный маховик, жестко закрепленный при помощи натяга своей внутренней боковой поверхностью на наружной посадочной поверхности втулки, установленной на валу с помощью крепежных элементов. При этом на наружной поверхности втулки и внутренней поверхности маховика оппозитно друг другу выполнены по две кольцевые канавки, в которых установлены шарики, при этом каждая из канавок, выполненных на внутренней поверхности маховика, имеет цилиндрическую поверхность в зоне размещения шариков, переходящую в коническую (беговые дорожки) (патент РФ на полезную модель №14701).
Недостатком данной конструкции является то, что разъединения маховика и втулки с гарантированным необходимым зазором между их посадочными поверхностями не наступает, т.к. посадка маховика на втулку осуществляется по цилиндрическим поверхностям. Поэтому при разъединительной частоте вращения исчезает натяг при отсутствии зазора, что неизбежно приведет к периодическому заклиниванию и разогреву из-за трения контактирующих посадочных поверхностей маховика и втулки при их относительном перемещении и к дальнейшему увеличению частоты вращения маховика. Также данная конструкция не позволяет проводить осмотр шариков при обслуживании, конусная поверхность беговых дорожек снижает несущую способность по сравнению с общепринятой для шарикоподшипников кольцевой торовой поверхностью качения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является обеспечение гарантированного отсоединения маховика от втулки ротора с заданным зазором, исключающим контакт их посадочных поверхностей после достижения разъединительной частоты вращения, повышение точности момента отсоединения, обеспечение возможности осмотра тел качения при обслуживании и повышение несущей способности беговых дорожек.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении возможности отсоединения маховика от втулки ротора электродвигателя с заданным зазором, предотвращающим контакт посадочных поверхностей втулки и маховика после достижения разъединительной частоты вращения.
Поставленная задача решается тем, что устройство крепления маховика асинхронного электродвигателя, включающее втулку, закрепленную на валу ротора электродвигателя посредством крепежных элементов, на внешней поверхности которой, вблизи торцов выполнены кольцевые пазы, маховик, закрепленный на внешней посадочной поверхности втулки с натягом, при этом на внутренней поверхности маховика вблизи торцов выполнены кольцевые пазы, тела качения, размещенные в полостях, образованных соответствующими кольцевыми пазами, согласно техническому решению, снабжено кольцевыми вставками, размещенными в полостях и выполненными с беговыми дорожками, при этом форма беговых дорожек и кольцевых пазов в зоне размещения тел качения соответствует форме тел качения, а внешняя посадочная поверхность втулки и сопряженная с ней внутренняя поверхность маховика выполнены усеченно коническими. В качестве тел качения используют шарики или короткие цилиндрические или игольчатые ролики.
Полезная модель поясняется следующими рисунками.
На фиг.1 представлено схематичное изображение части сечения заявляемого устройства.
На фиг.2 схематично представлено трехмерное изображение заявляемого устройства.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - маховик,
2 - втулка,
3 - вал,
4 - крепежные элементы,
5 - верхняя кольцевая вставка,
6 - нижняя кольцевая вставка,
7 - тела качения,
8 - кольцевой паз.
Заявляемое устройство может быть использовано в составе электродвигателя для привода циркуляционных насосов. Так как ГЦНА монтируется на атомных станциях, то особое внимание уделяется вопросам безопасности оборудования, в том числе, при возникновении внештатных ситуаций. В частности, при полном разрыве трубопровода насосный агрегат разгоняет ротор электродвигателя до скорости, многократно превышающую номинальную. Для исключения разрыва маховика центробежными силами и повреждения активной зоны реактора разлетающимися с большой скоростью осколками необходимо предусмотреть возможность отсоединения маховика от ротора. Частота вращения, при которой происходит разъединение маховика и ротора, выбрана такой, чтобы механические напряжения в маховике не достигали допускаемых.
Устройство крепления маховика представляет собой следующую конструкцию. На валу 3 установлена втулка 2, закрепленная посредством крепежных элементов 4, которые представляют собой конусные кольца, стянутые шпильками через промежуточные фланцы. Втулка 2 выполнена в виде тела вращения с цилиндрической внутренней боковой поверхностью и усеченно-конической внешней боковой поверхностью (посадочная поверхность). При этом угол наклона образующей усеченного конуса к геометрической оси вращения втулки составляет приблизительно 3° и выбран из условий надежной фиксации маховика в штатных режимах и получения необходимого зазора после разъединения. Втулка 2 выполнена из высокопрочной стали. В торцевых зонах втулки со стороны боковой поверхности выполнены кольцевые пазы 8, форма которых соответствует форме сопрягаемых с ними деталей. Кольцевой паз, выполненный в нижней части втулки (со стороны размещения насоса), представляет собой проточку прямоугольного профиля и предназначен для размещения нижней кольцевой вставки. Кольцевой паз, выполненный в противоположной, верхней части втулки имеет более сложную конфигурацию, обусловленную необходимостью размещения в полости этого кольцевого паза верхней кольцевой вставки 5 и тел качения, например, шариков или игольчатых роликов. На внешней усеченно-конической поверхности втулки с натягом закреплен массивный маховик 1, представляющий собой тело вращения с усечено-конической внутренней боковой поверхностью. Аналогично втулке вблизи торцевых поверхностей (нижней и верхней) на внутренней боковой поверхности маховика выполнены кольцевые пазы. В результате сопряжения втулки и маховика соответствующие кольцевые пазы при совмещении формируют полости, в которых размещены кольцевые вставки и тела качения. Поверхность кольцевого паза, выполненного в нижней части маховика (со стороны размещения насоса), имеет сложную конфигурацию - тороидальную в зоне размещения тел качения и цилиндрическую в зоне размещения нижней кольцевой вставки 6. Кольцевой паз, выполненный с противоположной стороны, в верхней части маховика, имеет цилиндрическую поверхность, что обусловлено необходимостью размещения в нем верхней кольцевой вставки 5. Форма кольцевых вставок определяется конфигурацией их местоположения и функциональным назначением. Крепление верхней кольцевой вставки осуществляют болтами к телу маховика, нижней кольцевой вставки болтами через промежуточное кольцо к телу втулки. И верхняя и нижняя кольцевые вставки выполнены с беговыми дорожками, обеспечивающими размещение и перемещение тел качения 7. В качестве тел качения используют шарики или короткие цилиндрические или игольчатые ролики. Тела качения хотя бы в одной из вставок выполнены в виде шариков. Так, на фиг.1 в нижней части устройства тела качения расположены в полости, образованной тороидальной поверхностью части кольцевого паза маховика и беговой дорожкой нижней кольцевой вставки. С противоположной стороны тела качения размещены в полости, образованной тороидальной поверхностью части кольцевого паза втулки и беговой дорожкой верхней кольцевой вставки. Тела качения размещены по окружности втулки с небольшим зазором от одной из поверхностей качения. В осевом направлении тела качения также размещены с зазором, при этом величина зазора различна для верхней и нижней вставок.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В штатных режимах работы электродвигателя маховик удерживается от перемещения вниз под действием силы тяжести силами трения, обусловленными посадкой маховика на втулку с натягом. При аварийном разгоне насосного агрегата за счет действия центробежных сил величина натяга уменьшается и, соответственно, уменьшаются силы трения. При достижении заданной частоты разъединения силы трения исчезают и происходит перемещение маховика вниз до упора в тела качения, которые в свою очередь упираются в беговые дорожки. За счет конусности посадочных поверхностей при перемещении маховика вниз между ними образуется гарантированный радиальный зазор, превышающий погрешности форм этих поверхностей, и во время вращения втулки с валом относительно отделившегося маховика контакта между ними не происходит. После разъединения вращающий момент с втулки на маховик не передается, в результате чего маховик при дальнейшем разгоне ротора электродвигателя сохраняет скорость вращения практически постоянной. Таким образом, предупреждается разрушение маховика и достигается общая безопасность эксплуатации атомной станции в целом.