ТУРБОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использовано в турбоэлектрических установках парогенераторных и газотурбинных электростанций, компрессорных агрегатов и других устройствах электроэнергетики.
Ресурсные, а отсюда и стоимостные характеристики всех этих устройств, в основном определяются износом их подшипниковых узлов. Причем, чем больше обороты агрегатов, тем меньше масса и габариты установок, но тем быстрее изнашиваются подшипниковые узлы.
Известны турбоэлектрические установки с использованием магнитных подшипниковых узлов с регулируемым магнитным полем (1). Однако подшипники данного типа имеют сложную и дорогостоющую конструкцию.
Наиболее близким к полезной модели устройством является турбоэлектрическая установка фирмы «Capstone» (2).
В этой установке газотурбинный двигатель и электрическая машина с ротором на постоянных магнитах имеют единый вал, закрепленный в газодинамических (лепестковых) подшипниках.
Однако и эта конструкция имеет существенный недостаток в том отношении, что существующие газодинамические подшипники допускают работу только при малой массе (до 1÷10 кг) вращающейся части и имеют существенные ограничения по числу пусков.
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании полезной модели, является увеличение ресурса и улучшение стоимостных характеристик, за счет уменьшения нагрузок на подшипниковые узлы, вплоть до сведения их к нулю.
Технический результат достигается за счет того, что в турбоэлектрической установке, содержащей турбоагрегат, например, паровую турбину, турбодвигатель или турбокомпрессор и электрическую машину с ротором на постоянных магнитах, работающую в режиме генератора или двигателя, с размещением этих агрегатов на едином, вертикально расположенном валу и имеющих общий корпус, с которым общий вал соединен через радиальные и упорные подшипниковые узлы, а статор электрической машины смещен относительно ее ротора в сторону противоположную действию сил, направленных по вертикальной оси вала установки, без учета возникающих при смещении статора магнитных сил.
Кроме того, для решения вопросов радиальной устойчивости конструкции электрическая машина выполняется с двухполюсным ротором.
В ряде случаев применения предложенная установка способна работать без опорных подшипниковых узлов.
В патентных источниках информации не обнаружено сведений о технических решениях, направленных на обеспечение полной разгрузки подшипниковых опор в турбоэлектрической установке с вертикальным расположением силового вала, которая возможная только при осевом смещении статора электрической машины, относительно ротора на постоянных магнитах, из чего можно сделать вывод о соответствии данной полезной модели критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлен вариант конструктивной схемы установки.
Установка содержит турбину 1, жестко закрепленную на силовом валу 2.
Турбина 1 приводится во вращение рабочим телом (пар, газ и т.д.). В состав установки входит электрическая машина 3, ротор 4, который выполнен двухполюсным на постоянных магнитах и жестко закреплен на силовом валу 2.
Статор 5 жестко закреплен в общем корпусе 6 установки по фиг.1.
При двухполюсном выполнении ротора 4 в магнитной системе радиальные усилия минимальны даже при не полной симметрии зазоров между ротором и статором, что обеспечивает устойчивость конструкции в радиальном направлении.
к
Между корпусом 6 и силовым валом 2 установлены подшипники 7 и опорный подшипник 8. Все подшипниковые узлы жестко закреплены на валу 2 и корпусе 6. При спаренной турбине 1 вертикальные усилия скомпенсированы и по оси вала 2 действует осевая сила конструкции F соответствующая весу вала 2 и закрепленных на нем агрегатов установки.
Точка А является центром симметрии ротора 4, а точка В является центром симметрии статора 5.
м
Магнитная сила F возникает за счет сдвига центра симметрии В относительно центра А.
Установка работает следующим образом.
к
м
м
к
м
До пуска установки, за счет вертикального (к горизонту) расположения вала 2 и симметричности закрепленных на нем узлов, радиальные усилия на подшипники практически отсутствуют. Осевые усилия по валу 2 определяются разностью суммарного веса вала и закрепленных на нем узлов, который обозначим как F и силой F с которой ротор 4 будет «втягиваться» в статор 5. Чем больше смещение между центрами ротора А с статора В, тем больше сила F. При равенстве сил Fи F, усилие прикладываемое к опорному подшипнику 8 будет равно нулю.
В рабочем режиме, под действием давления рабочего тела турбина 1 вращается, обеспечивая вращение вала 2 и ротора 4. При правильной балансировке вращающихся частей конструкции и вертикальном расположении вала 2, радиальные усилия на подшипники 7 практически отсутствуют. Если турбина 1 выполнена из противоположно ориентированных частей, то осевые усилия при их работе будут скомпенсированы, а усилие на опорный подшипник 8 будет близко к нулю.
Для того, чтобы конструкция была устойчивой, ротор 4 следует выполнять двухполюсным, так как при четырехполюсном (и более) роторе при асимметрии зазоров между ротором и статором возникнут радиальные силы, которые могут привести к неустойчивости конструкции.
В ряде применений, например, в газотурбинном двигателе не удается скомпенсировать до конца осевое усилие, создаваемое турбоагрегатом.
В этом случае смещение между центрами А и В выбирается (по величине и вектору) исходя из максимального снижения усилия на опорный подшипник 8 в рабочем режиме турбины. В этом случае при остановке турбины усилие на опорный подшипник 8 увеличивается.
м
При выполнении конструкции так, что вал 2 может перемещаться вверх-вниз скользя по подшипникам 7 и достаточной магнитной силе F, подшипник 8 можно не устанавливать, так как система сама займет уравновешенное по вертикали положение. За счет смещения статора относительно ротора снижается мощность электрической машины на 5 - 10%, но резко увеличивается ресурс и улучшаются стоимостные характеристики.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. СН 342893, 1973 г.
2. Журнал «Нефтегазовая вертикаль» г.Москва, март-апрель 2003 г., с.58-60.