Магнитная опора на высокотемпературных сверхпроводниках для горизонтальных валов
MAGNETIC SUPPORT AT THE HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS FOR HORIZONTAL SHAFTS

Изобретение относится к области опор вращающихся валов энергетических и электротехнических установок в различных областях промышленности, в частности к магнитным опорам цилиндрического типа на основе сверхпроводников.
Изобретение может найти применения, например, в следующих установках: газотурбинные двигатели, электрические генераторы и двигатели, газоперекачивающие агрегаты и т.п. В данных установках в качестве опор используются подшипники качения, скольжения и другие узлы вращения с непосредственным контактом вала и обоймы. Такие опоры имеют большие потери на трение, требуют смазки и охлаждения. Следствием этого являются быстрый износ контактирующих поверхностей, дополнительные потери мощности и шум при работе двигателя.
Цилиндрический тип опор устанавливается по форме поверхности взаимодействия между ВТСП-элементами (статор) и магнитами (ротор).
В последнее время все чаще применяются активные магнитные опоры (далее - АМО). Статор подшипника такой опоры содержит несколько обмоток с независимым электропитанием. Кроме того, подшипник АМО снабжен системой слежения за положением вала относительно обмоток статора и при возникновении отклонения от коаксиального положения, система управления увеличивает ток в соответствующей обмотке для возвращения вала в исходное положение.
Следует отметить сложность такой системы управления, необходимость электропитания обмоток подвеса и, соответственно, их охлаждения. Основным недостатком такой системы является потребность в трудоемкой настройке системы управления и ее ненадежность, особенно в условиях высокого уровня промышленных электромагнитных помех на электростанциях. Выход из строя системы управления приводит к быстроразвивающемуся отказу подвеса.
Эффективной альтернативой АМО является пассивный магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках (далее - ВТСП).
Из уровня техники известен магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках, описанный в F.N. Werfel, U. Floegel - Delor, Т. Riedel, R. Rothfeld, D. Wippich, B. Goebel HTS Magnetic Bearing in Prototype Application, IEEE/IEEE/CSC-ESAS European Superconductivity News Forum, №.12, April 2010, выбранный в качестве аналога. Магнитный ВТСП подшипник состоит из статора цилиндрической формы и расположенного с зазором в его внутреннем отверстии ротора с постоянными кольцевыми магнитами. В статоре расположен блок с высокотемпературными элементами, охлаждаемыми жидким азотом.
При активировании магнитной опоры на высокотемпературных сверхпроводниках (далее - ВТСП-опора) с вертикальным валом используется перемещение ротора, который, как правило, легче статора и не связан коммуникациями со стационарно установленными системами обеспечения. При этом, если ротор ВТСП-опоры соосно соединен с валом приводного устройства, то при активации ВТСП-опоры посредством перемещения ротора вал приводного устройства также перемещается на эту величину. Однако во многих устройствах зазор между валом приводного устройства или лопатками на приводном валу и корпусом устройства существенно меньше, чем необходимое активирующее перемещение ротора ВТСП-опоры. Это приводит к уменьшению допустимой нагрузки на ВТСП-опору и ее удельных характеристик. Особенно остро этот вопрос стоит в устройствах с горизонтальными валами. Такая ситуация характерна, например, для компрессоров газотурбинных двигателей, где минимальные холодные зазоры составляют 0,3-0,5 мм, в то время как оптимальное активирующее перемещение 1,5-2,0 мм.
Следовательно, недостатком аналога является сложность в обеспечении оптимального зазора между магнитным ротором и сверхпроводящим статором при активирующем перемещении магнитной опоры цилиндрического типа на высокотемпературных сверхпроводниках в условиях общего ограничения перемещения вала приводного устройства.
Из уровня техники известна магнитная опора на высокотемпературных сверхпроводниках по патенту US 5710469, выбранная в качестве наиболее близкого аналога. Магнитная опора состоит из корпуса цилиндрической формы и расположенного с зазором в его внутреннем отверстии ротора с постоянными кольцевыми магнитами и статора с ВТСП-элементами, охлаждаемыми жидким азотом. В режиме захолаживания поперечное и осевое центрирование ротора и статора выполняется устройством в виде ножевидной опоры (18). После захолаживания до температур ниже перехода в сверхпроводящее состояние ножевидная опора (18) прекращает центрирование положения ротора и статора, и после активирующего относительного перемещения элементы опоры занимают рабочее положение.
Недостатком прототипа является сложность конструкции устройства центрирования ротора и статора в режиме захолаживания, а также невозможность в обеспечении оптимального зазора между магнитным ротором и сверхпроводящим статором при активирующем перемещении магнитной опоры на высокотемпературных сверхпроводниках в условиях общего ограничения перемещения вала приводного устройства.
Техническая проблема заключается в обеспечении оптимального зазора между магнитным ротором и сверхпроводящим статором при активирующем перемещении магнитной опоры цилиндрического типа на высокотемпературных сверхпроводниках в устройствах с горизонтальными валами в условиях ограничения перемещения вала устройства в направлении активации.
Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении оптимального зазора между магнитным ротором и сверхпроводящим статором при активирующем перемещении магнитной опоры цилиндрического типа на высокотемпературных сверхпроводниках в условиях общего ограничения перемещения горизонтального вала приводных устройств, а также упрощение и улучшение надежности работы указанной магнитной опоры в целом.
Технический результат достигается тем, что магнитная опора цилиндрического типа на высокотемпературных сверхпроводникахржит цилиндрический корпус, внутри которого расположен магнитный ротор и статор с высокотемпературными сверхпроводниками. Магнитный ротор содержит вал, который расположен горизонтально и со стороны корпуса приводного устройства соосно состыкован с валом приводного устройства. На внешней цилиндрической поверхности корпуса магнитной опоры расположено устройство, подвижная часть которого связана с корпусом статора и предназначена для радиального перемещения корпуса статора. Вал магнитного ротора проходит через отверстие арретира и поджимается к поверхности корпуса арретира крепежным элементом арретира, при этом к поверхности корпуса арретира присоединен полый корпус с возможностью подачи в него охлаждающей среды.
Вал магнитного ротора расположен внутри цилиндрического корпуса статора, а подвижная часть устройства, предназначенного для радиального перемещения корпуса статора, связана с корпусом статора через гильзу домкрата.
Зазор между валом магнитного ротора и корпусом арретира в рабочем положении не более допустимого радиального отклонения приводного устройства.
В качестве крепежного элемента арретира используется резьбовая коническая гайка, при этом корпус арретира со стороны крепежного элемента имеет коническую поверхность.
Сущность заявленного изобретения поясняется следующими иллюстрациями:
- на фиг. 1 бесконтактная пассивная магнитная ВТСП-опора - продольный разрез;
- на фиг. 2 бесконтактная пассивная магнитная ВТСП-опора - сечение А-А.
На иллюстрациях представлены следующие позиции: корпус приводного устройства (1); вал приводного устройства (2); магнитная ВТСП опора (3); ротор магнитный (4); гайка арретира (5); корпус арретира (6); корпус опоры (7); корпус статора ВТСП опоры (8); ВТСП-элементы (9); гильза домкрата (10); домкрат (11); привод домкрата (12); направляющая домкрата (13); крышка корпуса опоры (14); тепловой аккумулятор (15); трубка системы охлаждения (16).
Корпус статора ВТСП опоры (8) с ВТСП-элементами (9) расположен внутри, например, цилиндрического корпуса опоры (7), на внешней стороне которого установлен домкрат (11), подвижный элемент которого - привод домкрата (12) жестко связан с корпусом статора ВТСП опоры (8) через гильзу домкрата (10). Привод домкрата (12) выполнен, например, в виде цилиндрического резьбового элемента с гайкой и предназначен для радиального перемещения корпуса статора ВТСП опоры (8) по направляющей домкрата (13). Направляющая домкрата (13) присоединена к внешней цилиндрической поверхности корпуса опоры (7) и представляет из себя цилиндрический штифт, направленный радиально к продольной оси вала магнитного ротора (4) и препятствующий осевому смещению цилиндрического корпуса статора ВТСП опоры (8). Внутри цилиндрического корпуса статора ВТСП опоры (8) расположен магнитный ротор (4), вал которого с одной стороны (со стороны приводного устройства) соосно состыкован с валом приводного устройства (2), а с другой (со стороны крышки корпуса опоры) проходит через центральное отверстие корпуса арретира (6) и в период захолаживания ВТСП-элементов статора поджимается, например, по конической поверхности корпуса арретира (6) резьбовой конической гайкой арретира (5). Корпус арретира (6) присоединен к крышке корпуса опоры (14). Крышка корпуса опоры (14) имеет соответствующее отверстие для прохода вала магнитного ротора (4). Через крышку корпуса опоры (14) проходят также коммуникации магнитной ВТСП опоры (3), такие как трубки подачи охлаждающей жидкости ВТСП-элементов (9). Трубки охлаждения ВТСП-элементов (9) выполнены, например, в едином кольцевом корпусе. При этом указанный кольцевой корпус расположен с внешней цилиндрической поверхности корпуса статора ВТСП опоры (8).
Величина зазора между внутренней поверхностью корпуса арретира (6) и валом магнитного ротора (4) в рабочих условиях должна быть меньше величины допустимого перемещения вала приводного устройства. Если это перемещение ограничивается, например, касанием лопаток о корпус газотурбинного двигателя, то этот зазор должен не превышать величину 0,2-0,3 мм. Для электромеханических преобразователей допустимой является величина зазора ~1 мм.
Арретир используется и как страховочный подшипник. Если по какой-либо причине жесткость магнитного подвеса уменьшается (чаще всего из-за увеличения температуры сверхпроводника), то вал магнитного ротора (4) начинает касаться внутренней поверхности корпуса арретира (6). В этом случае из-за трения начинается выделение тепла и износ трущихся поверхностей. Износ поверхностей может быть уменьшен за счет выбора материала трущихся поверхностей или установкой подшипника качения со смазкой. Температура арретира может находиться в приемлемых пределах, например, за счет использования теплового аккумулятора (15), выполненного в виде полого корпуса для подачи в него охлаждающей среды. Полый корпус присоединен к внешней цилиндрической поверхности корпуса арретира (6). Рабочей (охлаждающей) средой теплового аккумулятора может быть, например, вода или жидкий азот. Подача охлаждающей среды осуществляется по трубопроводу системы охлаждения, соединенному с корпусом арретира (6) посредством штуцера. В случае использования для охлаждения воды, при массе воды 1 кг она может поглотить ~2,5 МДж тепловой энергии, выделяющейся при касании вала магнитного ротора (4) внутренней части поверхности корпуса арретира (6). Если тепловыделение в процессе касания превышает этот уровень, то тепловой аккумулятор (15) корпуса арретира (6) соединяется с системой охлаждения (16), которая обеспечивает прокачку воды через него. Таким образом до момента устранения неисправности или исключения внешних факторов, приводящих к такой ситуации, вал магнитного ротора (4) охлаждается, а температура поверхности корпуса арретира (6) остается неизменной.
Заявленное изобретение функционирует следующим образом.
Перед захолаживанием гайка арретира (5) перемещает вал магнитного ротора (4) до упора в коническую поверхность корпуса арретира (6), в результате чего вал магнитного ротора (4) занимает центрированное положение на оси вала приводного устройства (2). Корпус статора ВТСП опоры (8) при помощи домкрата (11) опускается вниз на расстояние от оси вала магнитного ротора (4), равное последующему активирующему перемещению.
После достижения ВТСП элементами (9) рабочей температуры ~77 К при помощи домкрата (11) корпус статора ВТСП опоры (8) перемещается в рабочее положение, при котором ось корпуса статора ВТСП опоры (8) совмещается с осью вала магнитного ротора (4), зафиксированного арретиром (6), когда он (арретир) воспринимает на себя нагрузку от веса магнитного ротора (4). После этого гайка арретира (5) отворачивается и между валом магнитного ротора (4) и корпусом статора ВТСП опоры (8) образуется зазор, обеспечивающий свободное вращение вала магнитного ротора (4) и вала приводного устройства (2). Нагрузка от веса вала магнитного ротора (4) через магнитное поле ВТСП-элементов и подвижный элемент домкрата передается на корпус приводного устройства (1).
В том случае, если во время работы опоры происходит касание вала магнитного ротора (4) с поверхностью корпуса арретира (6), то тепловая энергия, выделяющаяся при этом, поглощается тепловым аккумулятором (15) или системой охлаждения. Касание может возникать из превышения внешних нагрузок номинальных величин, которые учитывают эту возможность возникновения таких нагрузок.