МАШИНА С УЛАВЛИВАЮЩИМ ПОДШИПНИКОМ ГИБРИДНОЙ КОНСТРУКЦИИ
MACHINE WITH CATCHING BEARING OF HYBRID DESIGN

Данное изобретение касается машины, причем
- эта машина содержит статор и ротор, причем
- ротор содержит вал ротора, причем
- вал ротора установлен в подшипниках так, что ротор может вращаться вокруг оси вращения, причем
- подшипники выполнены как активные магнитные подшипники, в которых ротор установлен бесконтактно, причем
- каждому из активных магнитных подшипников придан улавливающий подшипник, которыми ротор улавливается при выходе из строя соответствующего активного магнитного подшипника, причем
- соответствующий улавливающий подшипник имеет расположенную на валу ротора втулку и расположенное на статоре устройство скольжения.
Такие машины широко известны.
В магнитных подшипниках осуществляется бесконтактное закрепление валов. Поэтому не возникает износа и почти никаких потерь трения. Однако магнитные подшипники должны быть активными, т.е. снабжаться током. Поэтому они могут выходить из строя. По этой причине необходимо наличие контактной предохранительной опоры (= улавливающего подшипника). Такие предохранительные опоры обеспечивают безопасный постепенный останов ротора при выходе из строя активного магнитного подшипника. Они изнашиваются, если в них возникает потребность, относительно быстро и поэтому должны быть сменными.
Согласно уровню техники для роторов с высокой частотой вращения, например 5000 об/мин и более, и/или с большим весом, например 5 т и более, часто используют улавливающие подшипники, которые состоят из расположенной на валу ротора втулки и взаимодействующего с этой втулкой подшипника устройства скольжения, расположенного на статоре. Втулки подшипников согласно уровню техники состоят из высокопрочных медных сплавов (в частности сплавов хрома, никеля, кремния и меди) и насаживаются на вал ротора термически или методом гидропрессовой сборки. Втулки, во-первых, должны обладать очень высокой теплопроводностью, чтобы они могли воспринимать и отводить выделяющуюся при постепенном останове ротора энергию трения. Кроме того, втулки должны обладать требуемой механической стабильностью.
Для обеспечения прочной посадки втулок на валу ротора эти втулки выполняются с заданным значительным превышением размера на усадку. Это ведет к высоким тангенциальным напряжениям. Высокопрочные медные сплавы согласно уровню техники под действием высокой статической нагрузки склонны, однако, к явлениям релаксации напряжений, что может привести к разрыхлению границ зерна с последующим внезапным выходом втулок из строя. Уже относительно низких значений температур (ниже 100°C) может оказаться достаточно для форсирования таких повреждений.
Задача данного изобретения заключается в таком усовершенствовании улавливающего подшипника машины, указанного вначале рода, что существующие в уровне техники проблемы больше не возникнут.
Эта задача решается посредством машины с признаками независимого п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации этой машины являются предметом зависимых п. 2–17 формулы.
Согласно изобретению предусматривается, что
- каждая втулка имеет расположенное радиально внутри внутреннее кольцо, посредством которого эта втулка закреплена и удерживается на валу ротора,
- каждая втулка имеет окружающее это внутреннее кольцо радиально снаружи внешнее кольцо, которое при выходе из строя соответствующего активного магнитного подшипника скользит в устройстве скольжения соответствующего улавливающего подшипника,
- внутреннее кольцо и внешнее кольцо выполнены из отличающихся друг от друга материалов, и
- внутреннее кольцо и внешнее кольцо соединены друг с другом неразъемно с замыканием по материалу.
Такое соединение по материалу между внутренним и внешним кольцами может заключаться, в частности, в приваривании. Таким образом, внутреннее и внешнее кольца могут быть сварены друг с другом. Такая сварка может быть реализована, в частности, посредством процесса диффузионной сварки.
Как правило, внутреннее кольцо выполнено из металла. В частности, может состоять из стали.
Внешнее кольцо, как правило, выполнено из медного сплава. В порядке альтернативы внешнее кольцо может быть выполнено из порошковой смеси из меди и оксида алюминия или из меди и карбида. При этом, в частности, уже отдельные зерна порошка могут представлять собой порошковую смесь указанных материалов.
Для получения хорошего соединения между внутренним кольцом и внешним кольцом может потребоваться размещение между внутренним и внешним кольцами промежуточного слоя. Этот промежуточный слой может состоять, например, из никеля.
Во втулке могут быть расположены смазочные отверстия, проходящие радиально и/или аксиально. Если такие отверстия предусмотрены, то они располагаются только во внутреннем кольце. Внешнее кольцо не имеет никаких отверстий такого рода.
Указанные выше свойства, признаки и преимущества данного изобретения, а также способ их достижения будут более понятны из нижеследующего описания примеров осуществления, которые более подробно рассматриваются в сочетании с прилагаемыми чертежами. При этом на них схематично представлены:
Фиг. 1 - машина,
Фиг. 2 – система подшипников машины по Фиг. 1,
Фиг. 3 – улавливающий подшипник, и
Фиг. 4 - вырыв из Фиг. 3.
Согласно Фиг. 1 машина имеет статор 1 и ротор 2. Статор 1 и ротор 2 могут быть эффективными электромагнитными частями электрической машины. Однако это не обязательно. В широком смысле понятия «статор» и «ротор» означают лишь, что в одном случае речь идет о неподвижной части (статор 1), а в другом – о вращающейся части (ротор 2). Что касается машины, то это может быть, например, передаточный механизм, насос, турбина и т.д.
Ротор 2 содержит вал 3 ротора. Вал 3 ротора установлен в подшипниках 4. Поэтому ротор 2 может вращаться вокруг оси 5 вращения. Ось 5 вращения проходит, как правило, горизонтально.
Когда далее используются понятия „аксиально", „радиально" и „тангенциально", то всегда подразумевается, что относительно оси 5 вращения. „Аксиально" означает направление параллельно оси 5 вращения. „Радиально" означает направление перпендикулярно оси 5 вращения, к ней или, соответственно, от нее. „Тангенциально" означает направление, которое перпендикулярно как аксиальному направлению, так и радиальному направлению. „Тангенциально" означает, таким образом, направление на постоянном радиальном удалении от оси 5 вращения по окружности вокруг этой оси 5 вращения.
Подшипники 4 машины согласно фиг. 2 выполнены как активные (= электромагнитные) магнитные подшипники 4. В этих активных магнитных подшипниках 4 ротор 2 установлен бесконтактно.
Эти активные магнитные подшипники 4 могут выходить из строя. По этой причине каждому активному магнитному подшипнику 4 придан улавливающий подшипник 6. Этими улавливающими подшипниками 6 ротор 2 улавливается при отказе соответствующего активного магнитного подшипника 4. Каждый улавливающий подшипник 6 имеет расположенную на валу 3 ротора втулку 7 и расположенное на статоре 1 устройство 8 скольжения.
При отказе активных магнитных подшипников 4 ротор 2, как уже упоминалось, улавливается улавливающими подшипниками 6. В этом состоянии соответствующая втулка 7 контактирует с соответствующим устройством 8 скольжения и скользит там. Магнитные подшипники 4 в дальнейшем остаются бесконтактными.
Соответствующая втулка 7 имеет – см. также фиг. 3 и 4 – внутреннее кольцо 9. Внутреннее кольцо 9 расположено радиально внутри. Посредством этого внутреннего кольца 9 втулка 7 подшипника крепится и удерживается на валу 3 ротора. Каждая втулка 7 подшипника имеет также внешнее кольцо 10. Внешнее кольцо 10 окружает внутреннее кольцо 9 радиально снаружи. Внешнее кольцо 10 является тем элементом втулки 7, который при отказе соответствующего активного магнитного подшипника 4 скользит в устройстве 8 скольжения соответствующего улавливающего подшипника 6.
Внутреннее кольцо 9 и внешнее кольцо 10 выполнены из отличающихся друг от друга материалов. Они соединены друг с другом неразъемно, с замыканием по материалу. В частности они могут быть сварены друг с другом. Такая сварка может быть реализована, например, путем изостатического горячего прессования (HIP), в частности путем диффузионной сварки.
Материал внутреннего кольца 9 может быть выбран в зависимости от потребности. В частности внутреннее кольцо 9 может быть выполнено из металла, например из стали. Материал внешнего кольца 10 тоже может быть выбран в зависимости от потребности. Например, внешнее кольцо 10 может быть выполнено из медного сплава.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления внешнее кольцо 10 выполнено из порошковой смеси из меди и оксида алюминия. При этом можно смешать порошок меди и порошок оксида алюминия в подходящем соотношении (само по себе известном) и затем переработать. В порядке альтернативы можно предусмотреть, чтобы уже отдельные зерна этой порошковой смеси содержали порошковую медь и порошковый оксид алюминия в определенном соотношении. Упомянутая смесь из меди и оксида алюминия обладает тем преимуществом, что как прочность материала, так и термические свойства могут быть достигнуты почти независимо от термической обработки. Поэтому термическую обработку при прессовании можно согласовать с получением хорошего соединения с внутренним кольцом 9. В порядке альтернативы вместо оксида алюминия можно использовать карбид, в частности карбид алюминия.
В некоторых случаях можно непосредственно сваривать внутреннее кольцо 9 и внешнее кольцо 10 друг с другом. В других случаях может понадобиться размещение промежуточного слоя 11 между внутренним кольцом 9 и внешним кольцом 10. Этот промежуточный слой 11 может, в частности, состоять из никеля.
Промежуточный слой 11, если он предусмотрен, имеет относительно небольшую толщину материала dz. В частности, его толщина материала dz, как правило, составляет максимум 0,2 мм, чаще даже менее 0,1 мм. Толщина материала di внутреннего кольца 9 и внешнего кольца 10, напротив, как правило, составляет несколько мм, часто даже более 10 мм.
Как показано на фиг. 2, внутреннее кольцо 9 может иметь смазочные отверстия 12. Эти смазочные отверстия 12 согласно фиг. 2 могут проходить радиально и/или аксиально. Независимо от того, предусмотрены такие смазочные отверстия 12 или нет, внешнее кольцо 10 никаких таких отверстий не имеет.
Данное изобретение обладает многими преимуществами. В частности, можно избежать относительно сильно подверженной отказам конструкции, которая получается, если втулка 7 подшипника выполнена из одного единственного материала. Благодаря разделению втулки 7 подшипника на внутреннее кольцо 9 и внешнее кольцо 10 можно каждое из них отдельно оптимизировать в соответствии с их функциями. Кроме того, можно предусмотреть смазочные отверстия 12, не повышая при этом риска выхода из строя.
Хотя данное изобретение было детально проиллюстрировано и пояснено на рассмотренном предпочтительном примере осуществления, оно не ограничивается этими раскрытыми вариантами, и специалист может вывести на их основании другие модификации, которые не выходят, однако, за рамки объема защиты данного изобретения.