ТУРБОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована при проектировании высокооборотных турбоэлектрических установок, предназначенных для получения электрической либо механической энергии, например, парогенераторных и газотурбинных электростанций, компрессорных агрегатов.
Наиболее близким к обоим вариантам полезной модели устройством является турбоэлектрическая установка, содержащая электрическую машину, механически связанную с приводящим ее в действие турбоагрегатом (1). Турбина и электрическая машина установлены на одном общем валу, что позволяет обеспечить хорошие характеристики установки, такие, как металлоемкость, стоимость, габариты. Вертикальное расположение вала обеспечивает минимизацию радиальных нагрузок на подшипниковые узлы. Осевые усилия, воздействующие на подшипниковые узлы, компенсируются за счет смещения центров симметрии статора и ротора электрической машины. Недостатком известного технического решения является относительно низкая мощность электрической машины, а ее использование в качестве простейшей магнитной системы экономически не оправдано. Кроме того, установка имеет низкую степень устойчивости при воздействии внешних сил, направленных вверх (из-за отсутствия сил, противодействующих перемещению вала).
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании полезной модели по обоим вариантам ее выполнения, является увеличение мощности установки и повышение степени ее устойчивости.
Технический результат полезной модели по первому варианту ее выполнения достигается за счет того, что в турбоэлектрической установке, содержащей турбоагрегат и электрическую машину с ротором на постоянных магнитах, работающую в режиме двигателя или генератора, с размещением упомянутых агрегатов на едином вертикально расположенном валу в общем корпусе, с которым жестко связан статор электрической машины, вал связан с общим корпусом через радиальные подшипниковые узлы, причем на валу закреплен дополнительный ротор на постоянных магнитах, а к общему корпусу присоединен кольцевой магнитопровод, при этом центры симметрии дополнительного ротора и кольцевого магнитопровода сдвинуты друг относительно друга, обеспечивая компенсацию силы тяжести закрепленной на валу конструкции.
Технический результат полезной модели по второму варианту ее выполнения достигается за счет того, что в турбоэлектрической установке, содержащей турбоагрегат и электрическую машину с ротором на постоянных магнитах, работающую в режиме двигателя или генератора, с размещением упомянутых агрегатов на едином вертикально расположенном валу в общем корпусе, с которым жестко связан статор электрической машины, вал связан с общим корпусом через радиальные подшипниковые узлы, причем на валу закреплен кольцевой магнитопровод, а к общему корпусу присоединен дополнительный ротор на постоянных магнитах, при этом центры симметрии дополнительного ротора и кольцевого магнитопровода сдвинуты друг относительно друга, обеспечивая компенсацию силы тяжести закрепленной на валу конструкции.
Оба варианта объединены единым техническим замыслом, направленным на достижение одного и того же технического результата с помощью использования двух модификаций идентичных технических средств: введения дополнительного ротора на постоянных магнитах и кольцевого магнитопровода, закрепленных внутри общего корпуса либо установленных на валу, и расположенных с взаимным смещением центров симметрии, обеспечивающим компенсацию силы тяжести закрепленной на валу конструкции.
На Фиг.1 представлена конструкция турбоэлектрической установки по первому варианту ее выполнения.
На Фиг.2 представлена конструкция турбоэлектрической установки по второму варианту ее выполнения.
Устройство (Фиг.1, 2) содержит турбоагрегат, выполненный, например, в виде турбины 1, соединенной посредством вала 2 с электрической машиной 3, работающей в режиме двигателя или генератора. Турбоагрегат и электрическая машина 3 размещены на едином вертикально расположенном валу 2. Электрическая машина содержит ротор 4 на постоянных магнитах, и статор 5. Совместно с ротором 4 электрической машины 3 на валу 2 закреплен дополнительный ротор 6 на постоянных магнитах (Фиг 1) либо кольцевой магнитопровод 7 (Фиг.2). Вал 2 связан через радиальные подшипниковые узлы 8 с общим корпусом 9 упомянутых агрегатов 1 и 3. Центры симметрии дополнительного ротора 6 и кольцевого магнитопровода 7 смещены друг относительно друга, обеспечивая компенсацию силы тяжести закрепленной на валу конструкции (путем направления осевого смещения противоположного направлению действия осевых нагрузок, передаваемых через вал 2 на подшипниковые узлы).
Устройство работает следующим образом.
K
В статическом положении (при отсутствии поступления на вход турбины 1 рабочего тела) на вал 2 действует вес турбины 1, вала 2, ротора 4 и дополнительного ротора 6. Центры симметрии ротора 6 и кольцевого магнитопровода 7 смещены таким образом, что за счет магнитного взаимодействия узлов 6 и 7 возникает сила Fм, равная силе веса конструкции F. Смещение центров симметрии двух узлов 6 и 7 происходит по направлению оси вала относительно их горизонтальных осей, то время, как оси симметрии ротора 4 и статора 5 электрической машины расположены на одной горизонтали.
При поступлении на вход рабочего тела турбина 1, жестко закрепленная на валу, начинает вращаться, вращая роторы 4 и 6. Радиальные силы, определяемые только силами дисбаланса, достаточно безопасны для установки радиальных подшипниковых узлов 8, которые могут быть выполнены на газодинамических лепестковых подшипниках. Осевые усилия, создаваемые турбиной 1, компенсируются за счет встречного действия осевых усилий турбинных колес или любым другим способом.
Второй вариант выполнения полезной модели (Фиг.2) отличается от первого (Фиг.1) другой установкой кольцевого магнитопровода 7 и дополнительного ротора 6 относительно вала 2. Данная модификация ведет к упрощению конструкции, т.к. постоянные магниты дополнительного ротора 6 крепятся неподвижно к общему корпусу 9.
Таким образом, установка на валу дополнительного ротора на постоянных магнитах либо кольцевого магнитопровода 7 с одновременным закреплением в общем корпусе кольцевого магнитопровода либо дополнительного ротора со смещением их центров симметрии по направлению оси вращения вала, способствует снижению усилий, возникающих за счет веса конструкции, что ведет к разгрузке подшипниковых узлов, повышению степени устойчивости системы и увеличению ее электрической мощности (за счет возможности повышения скорости вращения), при этом электрическая машина работает мощным демпфером при попытке любого осевого смещения.
Устройство обладает возможностью повышения выходной мощности, достаточной устойчивостью конструкции благодаря практически полной разгрузке подшипниковых узлов, поэтому может найти широкое применение при проектировании турбоэлектрических установок, предназначенных для получения электрической либо механической энергии.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания: Патент РФ №72101 U1.