ТУРБОМАШИНА

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к конструкции турбомашин, применяемых в газотурбинных двигателях энергосиловых установок, предназначенных для выработки электричества. Предлагаемое устройство может быть использовано при создании конструкции турбокомпрессора.
Наиболее близким техническим решением является турбомашина (патент РФ на изобретение RU 2509216 C2, F01D 25/16, опубл. 10.03.2014), имеющая корпус, два лопастных колеса, подшипниковый узел, содержащий по меньшей мере один активный подшипник.
Недостатком данной схемы является постоянное контролирование зазора и управление активными подшипниками с помощью датчиков зазора и контрольной поверхности, что требует наличия дополнительных вычислительных мощностей и снижает надежность системы в целом.
Технической задачей предполагаемого технического решения является повышение ресурса работы и надежности работы турбомашины, сокращение габаритов, упрощение конструкции подшипникового узла и снижение затрат на обслуживание и ремонт.
Технический результат достигается тем, что конструкция турбомашины содержит корпус, колесо турбины, подшипниковый узел и колесо компрессора, насаженное на вал колеса турбины и сдвинутое по валу в направлении колеса турбины, таким образом, что расположение колеса турбины и колеса компрессора является консольным по отношению к подшипниковому узлу, содержащему радиальный газодинамический и упорный магнитный подшипники, жестко соединенные с валом колеса турбины через полый составной вал, расположенный коаксиально к валу колеса турбины, причем:
- полый составной вал состоит из полой втулки, расположенной коаксиально к валу колеса турбины и жестко соединенной с металлической магнитопроводящей обоймы магнитного подшипника, которая жестко соединена с полой втулкой и является ее продолжением;
- на внешней стороне корпуса подшипникового узла выполнены отверстия и дугообразные профилированные щели, формирующие лопатки аппарата предварительной закрутки воздуха на пути к компрессору;
- упорный магнитный подшипник состоит из четырех кольцевых постоянных магнитов, два из которых запрессованы с помощью клиновидного металлического магнитопроводящего кольца в металлическую магнитопроводящую роторную обойму, которая выполнена в виде диска со ступицей и углублениями для кольцевых магнитов с каждой стороны, являющейся частью составного полого вала и жестко соединенной с полой втулкой составного вала, который жестко соединяется с вращающимся валом колеса турбины, а остальные два кольцевых постоянных магнита запрессованы в алюминиевую статорную обойму, которая жестко соединяется с неподвижным корпусом подшипникового узла турбомашины, причем углубления для кольцевых магнитов снабжены радиусами скругления.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность и ресурс работы турбомашины, за счет сокращения обслуживающих элементов турбомашины, путем консольного расположения вала колеса турбины и колеса компрессора по отношению к подшипниковому узлу, что позволяет вынести подшипниковые узлы из горячей зоны и снизить количество подшипниковых узлов до одного, содержащего радиальный газодинамический и упорный магнитный подшипник; сократить продольные габариты турбомашины и упростить конструкцию, за счет размещения радиального газодинамического подшипника и упорного магнитного подшипника в одной опоре подшипникового узла, а также за счет совмещения конструкции аппарата предварительной закрутки воздуха с конструкцией опоры подшипникового узла; снизить затраты на обслуживание и ремонт за счет сокращения подшипниковых узлов до одного.
Техническое решение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1, изображен разрез турбомашины, где стрелками показано движение газообразных компонентов, на фиг. 2 изображен изометрический вид турбомашины.
Турбомашина, представленная в разрезе (фиг. 1), содержит колесо компрессора 1, насаженное на вал 2 колеса турбины 3 и сдвинутое по валу в сторону колеса турбины таким образом, что расположение колеса турбины 3 и колеса компрессора 2 является консольным по отношению к подшипниковому узлу. Колесо турбины 3 и колесо компрессора 1 разделены герметизирующим элементом 4. Вал 2 колеса турбины 3 соединяется с торсионом 5, служащим для дальнейшей передачи крутящего момента. На вал 2 колеса турбины 3 и торсион 5 насаживается полый составной вал, который упирается в колесо компрессора 1 и поджимается за счет затягивающей его гайки 6. Полый составной вал состоит из полой втулки 7 и роторной обоймы 8 упорного магнитного подшипника 9, которые жестко соединяются между собой посредством сварного шва 10. В роторную обойму 8 упорного магнитного подшипника запрессованы кольцевые постоянные магниты 11 с помощью распорного кольца 12. В статорные обоймы 13 упорного магнитного подшипника, установленные в опоре подшипникового узла, запрессованы кольцевые постоянные магниты 14, так чтобы они обеспечивали взаимное отталкивание от кольцевых постоянных магнитов 11, расположенных в роторной обойме 8 упорного магнитного подшипника 9. Поджатие статорной 13 и роторной 8 обойм упорного магнитного подшипника 9 и обеспечение зазоров a, b между кольцевыми постоянными магнитами 11 и 14 достигается за счет поджатия статорной обоймы 13, крышкой 15 подшипникового узла и наличия прокладок 16. Корпус подшипникового узла 17 имеет лопатки аппарата предварительной закрутки воздуха 18, расположенные на внешней стороне корпуса, а также помимо, упорного магнитного подшипника 9, содержит радиальный газодинамический подшипник 19, роторная обойма 20 которого жестко установлена на полую втулку 7 полого составного вала, и монтируется в нижнюю часть турбомашины 21, в которой имеются профилированные отверстия 25 для прохода воздуха и которая собирается в одно целое с фланцем 22, содержащем диффузор 23, и с крышкой 24 отделения турбины.
Турбомашина работает следующим образом: поток газообразного рабочего компонента подается в отделение турбины 24, приводит во вращение колесо турбины 3 и через вал 2 колеса турбины раскручивает ротор турбомашины. Ротор турбомашины содержит колесо компрессора 1, колесо турбины 3 с валом 2, торсион 5, полый составной вал, роторную обоймы 20 радиального газодинамического подшипника 19 и роторную обойму 8 упорного магнитного подшипника 9, гайку 6, которая стягивает вышеперечисленные элементы ротора турбомашины. Ротор турбомашины вращается в одном подшипниковом узле, включающий в себя радиальный газодинамический подшипник 19 и упорный магнитный подшипник 9. За счет вращения роторной обоймы, в зазорах a, b, создается воздушный вихрь, который втягивает воздух через отверстия 27 в крышке корпуса подшипникового и отверстия 26 в корпусе подшипникового узла. Далее воздух перетекает в щелевой зазор с подшипникового узла 17, продвигается в направлении колеса компрессора и охлаждает элементы подшипникового узла. Другая часть воздуха проходит через профилированные отверстия 28 нижней части турбомашины 21, попадает в аппарат предварительной закрутки воздуха 18 и направляется на вход колеса компрессора 1, откуда попадает в диффузор 23 и направляется на выход из компрессора. Часть воздуха на выходе из компрессора отбирается и подается в каналы 29 герметизирующего элемента 4 и направляется в отделение турбомашины 24 для охлаждения тыльной стороны, расположенного там колеса турбины 2.
Радиальный газодинамический подшипник 19 работает без контактного износа на номинальном режиме и поэтому пригоден для установок с высокой скоростью вращения, таких как турбомашины. Между роторной и статорной обоймами радиального газодинамического подшипника сохраняется зазор с, который поддерживается автоматически при достижении номинальной частоты вращения ротора турбомашины, за счет конструкции радиального газодинамического подшипника.
Упорный магнитный подшипник 9 на кольцевых постоянных магнитах также работает без контактного износа на всех режимах работы и поэтому пригоден для установок с высокой скоростью вращения, таких как турбомашины. Зазор между роторной и статорными обоймами магнитного подшипника, выставляется за счет наличия прокладок между корпусом подшипникового узла и крышки, поджимающей статорную обойму упорного магнитного подшипника и поддерживается автоматически на всех режимах работы установки, за счет наличия кольцевых постоянных магнитов в конструкции упорного магнитного подшипника.
Роторная обойма 8 упорного магнитного подшипника выполнена в виде диска со ступицей и углублениями для кольцевых магнитов с каждой стороны и является частью полого составного вала. Разделение полого составного вала на части позволяет снизить затраты на его изготовление. Углубления для кольцевых магнитов роторной обоймы снабжены радиусами скругления, что позволяет уменьшить влияние концентраторов напряжения в местах схождения граней, а также снизить требования к изготовлению роторной обоймы и повысить ресурс работы детали.
Конструкция подшипникового узла, содержащая радиальный газодинамический и упорный магнитный подшипники, имеет ряд отверстий, расположенных по периметру корпуса подшипникового узла напротив роторной обоймы упорного магнитного подшипника и ряд отверстий, расположенных в статорных обоймах упорного магнитного подшипника, способствующих охлаждению деталей подшипникового узла, за счет прокачки воздуха через эти отверстия, что позволяет повысить ресурс и надежность работы турбомашины в целом.
Конструкция корпуса подшипникового узла совмещена с конструкцией аппарата предварительной закрутки воздуха, что позволяет сократить продольные габариты турбомашины и упростить конструкцию.
Однозначный подбор параметров деталей турбомашины зависит от мощности турбомашины, частоты вращения колеса турбины, свойств газообразного компонента и обеспечивает технический результат, выраженный в повышение надежности и ресурса работы турбомашины, сокращении продольных габаритов и упрощении конструкции. Кроме того, конструкция обеспечивает легкий доступ к подшипниковому узлу для его замены или ремонта и позволяет снизить затраты на обслуживание и ремонт за счет сокращения подшипниковых узлов до одного,
С помощью предлагаемой турбомашины решена поставленная задача по повышению надежности и ресурса работы турбомашины, за счет сокращения обслуживающих элементов турбомашины, путем консольного расположения вала колеса турбины и колеса компрессора, что позволяет вынести подшипниковые узлы из горячей зоны; сокращению продольных габаритов турбомашины и упрощению конструкции, за счет размещения радиального газодинамического подшипника и упорного магнитного подшипника в одной опоре подшипникого узла и совмещения конструкции аппарата предварительной закрутки воздуха с конструкцией опоры подшипникового узла; снижению затрат на обслуживание и ремонт за счет сокращения подшипниковых узлов до одного.