РОТОР ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ROTOR FOR HYDRAULIC MACHINE

Изобретение касается ротора для гидравлической машины, включающей в себя вал и установленное на нем осевое упорное кольцо в качестве элемента осевого подшипника, служащего для осевого опирания вала.
На валу гидравлической машины, такой как газовая или паровая турбина или турбокомпрессор, установлены рабочие органы, например, в виде лопастных колес, посредством которых создается или ликвидируется разность стационарного давления между входом и выходом гидравлической машины. При работе рабочих органов на вал в осевом направлении вала передается высокая сила, которая воспринимается осевым подшипником. Осевой подшипник включает в себя осевое упорное кольцо, которое является частью ротора, и опорные элементы на статоре, на которые опирается осевое упорное кольцо, в зависимости от вида опоры, за счет сил магнита или за счет скольжения с масляной смазкой.
2
У промышленных гидравлических машин, в частности у машин, которые применяются в химической промышленности, иногда необходимы частоты вращения в диапазоне нескольких 10000 оборотов в минуту. Такие высокие частоты вращения требуют огромной прочности как от рабочих органов, так и от осевого упорного кольца, которое при восприятии и передаче высокого осевого сдвига имеет относительно большой радиус, и поэтому подвергается действию высоких центробежных сил. Чтобы обеспечить необходимую высокую прочность, обычно применяются высоколегированные стали с пределом текучести при растяжении около 1000 Н/мм.
2
Если гидравлическая машина, в частности, в промышленной области приходит в контакт с агрессивными газами, например, при сжатии сероводородосодержащих газов, рабочие органы, а также осевое упорное кольцо подвергаются химическому воздействию, так что их прочность ухудшается. Стали, которые не корродируют при воздействии сероводорода, обладают, однако, прочностью, равной только не более 700 Н/мм. Поэтому гидравлические машины, вступающие в контакт с сероводородом или аналогичными агрессивными газами, могут эксплуатироваться только с меньшими частотами вращения, чем такие машины, которые не предназначены для работы с такими агрессивными химическими газами.
Задачей настоящего изобретения является указать ротор для гидравлической машины, который рассчитан как на эксплуатацию с химически агрессивными газами, так и на возможность эксплуатации с высокими частотами вращения в диапазоне свыше 10000 об/мин.
Эта задача решается с помощью ротора вышеназванного рода, у которого осевое упорное кольцо в соответствии с изобретением включает в себя первую цилиндрическую контактную поверхность, служащую для радиального опирания на вал, и вторую коническую контактную поверхность, служащую для самоцентрирования на валу.
При этом изобретение исходит из рассуждения о том, что осевые упорные кольца в известном исполнении монтируются на вал посредством гидравлического метода горячей посадки. При этом осевое упорное кольцо гидравлически расширяется и надвигается на слегка коническую контактную поверхность вала против упора. Гайка вала удерживает напрессованное осевое упорное кольцо в его положении в осевом направлении. Чтобы осевое упорное кольцо не скользило по контактной поверхности вала, оно должно даже при сильных центробежных силах быть в состоянии сохранять свою стабильную прессовую посадку на контактной поверхности, чем обусловлена необходимость очень прочной прессовой посадки. При этом сталь осевого упорного кольца испытывает очень сильные нагрузки.
Если стабильное соединение достигается и без метода горячей посадки, то силы, действующие при методе горячей посадки на осевое упорное кольцо, отсутствуют, и оно может всю свою прочность использовать на выдерживание центробежных сил. Благодаря уменьшению возникающих напряжений при отсутствии напряжений от горячей посадки материалы, пригодные для сжатия сероводорода, могут применяться для осевого упорного кольца даже при высоких частотах вращения.
За счет первой цилиндрической контактной поверхности осевое упорное кольцо может удерживаться в своем положении в радиальном направлении, и за счет этого можно избежать дисбаланса. Вторая коническая контактная поверхность служит для передачи тангенциальных сил от осевого упорного кольца на вал, чтобы оно не вращалось относительно вала. Для передачи сил осевое упорное кольцо целесообразным образом с помощью гайки вала прижимается своей конической контактной поверхностью к ответной поверхности вала или закрепленного на нем конструктивного элемента.
Гидравлическая машина предпочтительным образом представляет собой турбомашину, в частности турбокомпрессор. Изобретение особенно предпочтительно применимо к такому осевому упорному кольцу, которое является частью магнитного подшипника. За счет магнитной опоры осевое упорное кольцо выполнено с относительно большими размерами и поэтому при высоких числах оборотов испытывает сильную механическую нагрузку. За счет магнитной опоры может быть достигнуто опирание с особенно оптимальными фрикционными свойствами.
Коническая контактная поверхность служит для самоцентрирования осевого упорного кольца на валу. Коническая контактная поверхность целесообразным образом не граничит непосредственно с первой цилиндрической контактной поверхностью во избежание острой кромки, которая могла бы повредить вал при надвигании осевого упорного кольца на вал. Поэтому обе контактные поверхности целесообразным образом удалены на расстояние друг от друга, например, за счет ровной промежуточной поверхности, такой как фаска, или могут быть соединены друг с другом посредством закругления.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения вторая контактная поверхность выполнена в виде обратного конуса, служащего для радиального сжатия осевого упорного кольца. Благодаря этому предотвращается расширение осевого упорного кольца при прижатых друг к другу контактных поверхностях, так что обеспечивается механическая защита осевого упорного кольца. Прижатие поверхностей друг к другу противодействует центробежным силам и поэтому предпочтительно сказывается на прочности осевого упорного кольца.
Для одновременной передачи тангенциальных сил коническая контактная поверхность и ее ответная поверхность могут быть выполнены в виде торцевого соединения. Этот вариант осуществления обладает, впрочем, тем недостатком, что он связан с высокими затратами на изготовление. Поэтому предпочтительной является конусность в виде поверхности усеченного конуса, при которой передача сил от контактной поверхности к ответной поверхности осуществляется за счет силового замыкания, то есть за счет трения сцепления. Сила, с которой осевое упорное кольцо прижимается своей конической контактной поверхностью к ответной поверхности, при этом выбирается такой, чтобы результирующая сила на контактной поверхности за счет моментов трения могла передавать необходимые пусковые моменты без скольжения второй контактной поверхности по ее ответной поверхности.
Предпочтительным образом вторая контактная поверхность выполнена с углом наклона к радиальному направлению вала от 5° до 30°. Чем больше угол наклона, тем выше, при одинаковой силе предварительного натяга, момент трения между контактной поверхностью и ответной поверхностью, что, впрочем, также связано с более высокой механической нагрузкой осевого упорного кольца и вала. Путем оптимизации угла наклона возникающие силы могут быть адаптированы к соответствующим данному случаю потребностям.
Целесообразным образом осевое упорное кольцо установлено так, что с возрастанием частоты вращения на вторую контактную поверхность действует возрастающая сила реакции опоры. Это может быть, в частности, достигнуто за счет обратной конусности второй контактной поверхности. При возрастании частоты вращения увеличивающаяся радиальная сила приводит к увеличению давления прижатия второй контактной поверхности к ее ответной поверхности, за счет чего передаваемый момент увеличивается, что обеспечивается за счет эффекта трения двух контактных поверхностей друг о друга.
Предпочтительным образом повышение температуры осевого упорного кольца приводит к возрастающей силе реакции опоры второй контактной поверхности. Тем самым можно противодействовать уменьшению сил трения на контактных поверхностях.
Кроме того, предпочтительно, если осевое упорное кольцо установлено первой контактной поверхностью на валу без натяга. Осевое упорное кольцо может быть снабжено механической защитой и поэтому работает с высокими частотами вращения. Отсутствие натяга обеспечивается, когда осевое упорное кольцо может быть надвинуто на вал вручную, обеспечивая опирание первой контактной поверхности на соответствующую ей ответную поверхность.
Надежный монтаж осевого упорного кольца и надежная эксплуатация ротора могут быть достигнуты, когда вторая контактная поверхность прилегает к конической ответной поверхности, которая выработана в валу. Коническая контактная поверхность является, таким образом, непосредственно частью вала, так что можно обойтись без кольца вала или аналогичного конструктивного элемента.
Предпочтительным образом вторая контактная поверхность представляет собой торцевую поверхность упорного кольца, при этом под торцевой поверхностью понимается поверхность с наклоном менее 45° относительно радиального направления вала.
Чтобы избежать дисбаланса осевого упорного кольца после демонтажа и повторного монтажа, целесообразным образом предусмотрена защита от прокручивания, которая задает неподвижное тангенциальное положение осевого упорного кольца на валу. Защита от прокручивания может также во время эксплуатации воспринимать тангенциальные силы, которые, например, создаются при пуске ротора или вследствие трения осевого упорного кольца в подшипнике. Однако целесообразно, чтобы защита от прокручивания была выполнена с наименьшими возможными размерами, чтобы не оказывать слишком сильное негативное влияние на стабильность осевого упорного кольца. Поэтому предпочтительно, если предусмотрена вторая контактная поверхность, служащая для передачи по меньшей мере преобладающей части тангенциальных сил от вала на осевое упорное кольцо. Преобладающая часть составляет более 50% тангенциальных сил.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения ротор оснащен защитой от прокручивания, которая удерживает осевое упорное кольцо за счет геометрического замыкания в заданном тангенциальном положении. Изменения состояний баланса после демонтажа и повторного монтажа можно избежать.
Геометрическое замыкание может осуществляться непосредственно между осевым упорным кольцом и валом, например, посредством пазово-шпоночного соединения в первой контактной поверхности или вблизи нее. За счет направленной радиально внутрь выемки в поверхности осевого упорного кольца прочность осевого упорного кольца, однако, в немалой степени ухудшается. Поэтому предпочтительно, если элемент геометрического замыкания защиты от прокручивания входит в зацепление в торцевую поверхность осевого упорного кольца. Выемка в торцевой поверхности приводит к значительному уменьшению механической нагрузки на основание осевого упорного кольца при высоких оборотах. Целесообразным образом торцевая поверхность расположена напротив второй контактной поверхности. Вторая контактная поверхность может быть выполнена без врезаний и полностью предназначена для передачи трения.
Предпочтительным образом защита от прокручивания включает в себя защищающее от прокручивания кольцо, которое имеет по меньшей мере одно опосредствованное геометрическое замыкание с осевым упорным кольцом, и в том же направлении по меньшей мере одно опосредствованное геометрическое замыкание с валом. Передача сил с геометрическим замыканием от осевого упорного кольца на защиту от прокручивания может простым способом продолжаться в том же направлении, например в тангенциальном направлении, к валу. Изготовление элементов может быть простым, если оба геометрических замыкания соответственно образованы элементом геометрического замыкания, который входит в зацепление в элементы, соединенные с геометрическим замыканием. Геометрическое замыкание между защитой от прокручивания и валом целесообразным образом достигается за счет призматической шпонки, которая входит в зацепление в паз защищающего от прокручивания кольца и вала. В целях баланса для каждого из двух геометрических замыканий целесообразным образом предусмотрены два элемента геометрического замыкания.
Призматическая шпонка и элемент геометрического замыкания целесообразным образом расположены с тангенциальным смещением относительно друг друга, в случае двух элементов геометрического замыкания и двух призматических шпонок, которые предпочтительным образом установлены соответственно напротив друг друга, элементы геометрического замыкания и призматические шпонки предпочтительным образом расположены под углом, равным 90°, друг к другу.
При сильном повышении температуры может быть, что осевое упорное кольцо также особенно сильно расширяется в осевом направлении. Вторая контактная поверхность при определенных обстоятельствах давит на свою ответную поверхность с нежелательно высокой силой, так что при этом возникает высокая механическая нагрузка. Чтобы уменьшить эту нагрузку, ротор целесообразным образом включает в себя пружинящее средство, служащее для амортизации сил реакции опоры, действующих на вторую контактную поверхность. Пружинящее средство может приобретать свое пружинящее действие за счет выемки, которая при пружинящем движении сжимается. Выемка может находиться в осевом упорном кольце или в том конструктивном элементе, который образует ответную поверхность к конической контактной поверхности осевого упорного кольца, в частности непосредственно на валу.
Изобретение поясняется более подробно с помощью одного из примеров осуществления, который изображен на чертеже. На его единственной фигуре показан изображенный в сечении фрагмент ротора 2 турбомашины, представляющей собой осевой компрессор. Ротор 2 включает в себя проходящий в осевом направлении вал 6, на котором закреплено осевое упорное кольцо 8. Осевое упорное кольцо 8 является частью осевого подшипника 10, два магнитных полюса 12 которого, опирающие осевое упорное кольцо 8 в осевом направлении 4, для лучшего понимания обозначены схематично. Осевой подшипник 10 представляет собой, таким образом, магнитный подшипник, служащий для фиксации вала 6 в предусмотренном осевом положении.
Осевое упорное кольцо 8 снабжено первой контактной поверхностью 14 пустотелого цилиндра, которая прилегает к также цилиндрической ответной поверхности 16 вала 6. Подшипник, образованный контактной поверхностью 14 и ответной поверхностью 16, удерживает осевое упорное кольцо в радиальном направлении 18 без зазора на валу 6. У осевого упорного кольца 8 имеется первая торцевая поверхность 20 и распложенная напротив нее вторая торцевая поверхность, которая выполнена в качестве второй конической контактной поверхности 22. Контактная поверхность 22 прилегает к ответной поверхности 24, которая выработана непосредственно в материале вала 6.
Контактная поверхность 22 выполнена с углом наклона α, равным 25°, при этом контактная поверхность 22 выполнена с обратной конусностью, то есть так, что ответная поверхность 24 в области контактной поверхности 22 переходит несколько дальше на осевое упорное кольцо 8. Благодаря этому осевое упорное кольцо 8 при осевом натяге осевого упорного кольца 8 сжимается и прижимается к валу 8, противодействуя центробежной силе. За счет конусности контактной поверхности 22 обеспечивается самоцентрирование осевого упорного кольца 8 на валу 6, которое способствует центрированию осевого упорного кольца 8 при контакте поверхностей 14, 16.
Чтобы избежать столкновения кромки осевого упорного кольца 8 с материалом вала, между двумя контактными поверхностями 14, 22 выработана фаска 26, при этом целесообразным является также закругление между контактными поверхностями 14, 22. Полость 28 в материале вала приводит к уменьшению пиковых нагрузок в материале вала 6 при высокой силе прижатия осевого упорного кольца 8 в осевом направлении 4 к валу 6. С той же целью с обеих сторон в осевом упорном кольце 8 выполнены полости 30, при этом полости 28, 30 предпочтительным образом выполнены путем расчета методом конечных элементов, для обеспечения как можно более равномерного напряжения материала на стенках вдоль полостей 28, 30.
V
AX
N
Гайка 32 вала, которая с помощью резьбы 34 соединена с валом 6 с геометрическим замыканием, для монтажа осевого упорного кольца 8 притягивается к защищающему от прокручивания кольцу 36, которое прижимает осевое упорное кольцо его контактной поверхностью 22 к соответствующей ответной поверхности 24. Величина силы F предварительного натяга, создаваемого гайкой 32 вала, выбирается такой, чтобы результирующая из осевой силы F и угла наклона α перпендикулярная к контактной поверхности 22 сила F, действующая на ответную поверхность 24, обеспечивала настолько высокий эффект трения, чтобы осевое упорное кольцо 8 при пуске ротора 2 не скользило на валу 6 в тангенциальном направлении.
R
N
N
AX
При повышении частоты вращения увеличивающаяся радиальная сила F приводит к еще большей перпендикулярной силе F. Автоматически при этом увеличивается передаваемый момент, который создается за счет эффекта трения осевого упорного кольца 8 об ответную поверхность 24. Также подъем температуры в осевом упорном кольце 8 из-за расширения осевого упорного кольца 8 в осевом направлении создает более высокую перпендикулярную силу F и вместе с тем более высокий передаваемый момент. Результирующая осевая сила Fвоспринимается гайкой 32 вала.
N
AX
Во избежание слишком высокой перпендикулярной силы F, или, соотв., осевой силы F при очень высокой температуре осевого упорного кольца 8 и вместе с тем повреждений материала осевого упорного кольца 8 или вала 6 в валу 6 выполнена выемка 38. Эта выемка окружает вал 8 со всех сторон и образует, таким образом, слегка упругую перегородку 40, которая ограничивает силу прижатия двух контактных поверхностей 22, 24 друг к другу до величины, не вызывающей повреждение материала.
Монтаж или демонтаж осевого упорного кольца 8 может осуществляться простым способом, при этом осевое упорное кольцо 8 вручную надвигается на вал 6 или стягивается с него. Во избежание дисбаланса после демонтажа осевое упорное кольцо 8 при повторном монтаже должно снова сидеть на валу в своем первоначальном тангенциальном положении. Для обеспечения этого между гайкой 32 вала и осевым упорным кольцом 8 расположено защищающее от прокручивания кольцо 36, которое посредством двух элементов 42 геометрического замыкания в виде болтов в тангенциальном направлении, то есть в окружном направлении, с геометрическим замыканием соединено с осевым упорным кольцом 8.
Элементы 42 геометрического замыкания, из которых, наглядности ради, изображен только один, а другой смещен на 180°, то есть, следует понимать, относительно оси 44 вращения вала 6, входят в зацепление в торцевую поверхность 20 осевого упорного кольца 8, так что негативного влияния на контактную поверхность 14 осевого упорного кольца 8 не происходит. Как защищающее от прокручивания кольцо 36, так и вал 6 снабжены пазом 46 или, соотв., 48 и посредством призматической шпонки 50, выполненной в виде прямоугольной стали, удерживаются в своем положении относительно друг друга в тангенциальном направлении. Таким образом, между валом 6 и осевым упорным кольцом 8 создается опосредствованное геометрическое замыкание, так что осевое упорное кольцо 8 в тангенциальном направлении может монтироваться только в предварительно заданном положении и остается в этом положении.
Призматическая шпонка 50 также предусмотрена в двойном исполнении, причем обе призматические шпонки 50 также расположены напротив друг друга относительно оси 44 вращения. Призматические шпонки 50 расположены со смещением на 90°относительно элементов 42 геометрического замыкания в тангенциальном направлении. Исключительно с целью упрощения фигур они изображены на чертеже в одной и той же плоскости сечения, что позволяет обойтись без другого изображения сечения ротора 2 с поворотом на 90° вокруг оси 44 вращения.
V
Элемент 42 геометрического замыкания и призматическая шпонка 50 могут быть выполнены в виде дополнительной защиты от тангенциального прокручивания осевого упорного кольца 8 на валу 6. Однако для сохранения стабильности и вместе с тем малых размеров двух этих элементов комбинация предварительного натяга F, контактной поверхности 22 и угла α наклона выбрана так, чтобы проскальзывание осевого упорного кольца 8 на валу 6 в тангенциальном направлении не происходило даже без двух этих элементов. Поэтому они служат в основном для помощи при монтаже и для обеспечения восприятия тангенциальных сил при нежелательных или, соответственно, непредусмотренных состояниях.