РОТОР СИНХРОННОЙ НЕЯВНОПОЛЮСНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2007 года по МПК H02K3/51 H02K1/22 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к роторам крупных электрических машин, например к турбогенераторам.

Известен ротор синхронной неявнополюсной электрической машины с обмоткой, закрепленной в лобовой части массивными металлическими бандажными кольцами, одетыми одной стороной на торцовые части сердечника ротора горячей посадкой, так, что вторая сторона колец остается свободной, незакрепленной [1]. Недостатком этой конструкции ротора электрической машины является наличие знакопеременных напряжений, которые возникают в зоне посадки бандажных колец от действия массы бандажных колец и подбандажного содержимого в процессе вращения ротора.

Наиболее близким аналогом-прототипом изобретения является другая известная конструкция ротора синхронной неявнополюсной электрической машины [2] с двухпосадочным исполнением бандажного узла, в которой бандажные кольца закрепляются другой тыльной стороной через эластичные центрирующие кольца на концевых частях вала ротора. Однако использование этого изобретения не исключает, а лишь уменьшает знакопеременные напряжения в зоне посадки бандажных колец на сердечник ротора, возникающие при прогибе вала ротора в процессе эксплуатации электрической машины.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, - это повышение надежности ротора синхронной неявнополюсной электрической машины за счет максимального снижения вплоть до полного устранения знакопеременных напряжений в зоне посадки бандажных колец на сердечник ротора от воздействия массы бандажного узла и прогиба ротора.

На Фиг.1 изображен ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащей массивный сердечник (1) с катушечной обмоткой (2), закрепленной в лобовых частях (3) в радиальном направлении с помощью массивных металлических бандажных колец (4), одетых одной стороной на торцовые части сердечника горячей посадкой, а другой тыльной частью через центрирующие (упорные) кольца (5) с эластичными элементами (6) на концевые части вала (7) ротора, в которых выполнены вентиляционные каналы (пазы) (8), проходящие под упорными кольцами (9)), свободные от посадки на концевую часть сердечника, которые используются в однопосадочной конструкции бандажных узлов вместо центрирующих колец с пазами под балансировочные грузы (10).

Обозначения: υ_макс - максимальный статический прогиб вала ротора в центральной части сердечника; υ¹ _ст и υ² _ст - статические прогибы вала ротора на участках расположения посадочных зон бандажного кольца, определенные при условии воздействия массы сердечника на срединную массивную часть ротора, а массы бандажных колец и подбандажного содержимого на торцовые части сердечника и концевые части ротора в плоскости центрирующих (упорных) колец.

На Фиг.2 и 3 приведены поперечные разрезы (А-А) ротора в зоне посадки бандажного кольца на центрирующее с эластичными элементами соответственно: в виде отдельных витых пружин, расположенных равномерно по окружности центрирующего кольца под углом (ϕ) друг к другу и плотно соединенных, по крайней мере, с одной из внутренних кольцевых поверхностей наружной и внутренней частей центрирующего кольца, выполненных заодно с центрирующим кольцом, например, в виде четного количества дугообразных рессор, образованных двумя рядами сквозных прерывистых прорезей, расположенных тангенциально равномерно по окружности в шахматном порядке.

На Фиг.4 изображен ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, в котором бандажный узел выполнен в консольном исполнении, когда бандажное кольцо посажено на торцовую часть сердечника, а также на упорное кольцо, не связанное с концевой частью сердечника. На фиг.4 введено также обозначение (Р_экв) - эквивалентной массы бандажного кольца и подбандажного содержимого, равномерно распределенной по образующим цилиндрической поверхности бандажного кольца, приведенной к тыльной части консольного участка бандажного кольца, по условию одинаковости их воздействия на создание изгибающего момента в месте посадки бандажного кольца на сердечник ротора.

На Фиг.5 схематически изображен бандажный узел ротора с бандажным и упорным кольцом, деформирующийся под воздействием силы (Р_экв). Здесь Н - расстояние между внутренним диаметром упорного кольца и наружным диаметром концевой части вала ротора.

Примечание: Обозначения составных частей и составляющих прогиба ротора на Фиг.2-5 те же, что и на Фиг.1.

Бандажный узел, являющийся наиболее нагруженным в механическом отношении узлом синхронной неявнополюсной электрической машины, удерживающий лобовые части обмотки, закрепленные на вращающемся сердечнике, в радиальном направлении от действия центробежных сил за счет бандажного кольца, а в осевом направлении от действия сил, возникающих в результате теплового расширения обмотки, с помощью центрирующего (упорного) кольца.

В двухпосадочном исполнении бандажного узла с закрепленными с обеих сторон бандажными кольцами наиболее опасны знакопеременные напряжения, которые возникают в процессе эксплуатации электрической машины от прогиба вала ротора в зоне посадки бандажных колец на сердечник ротора.

Преимуществом однопосадочной конструкции бандажного узла перед двухпосадочной является предотвращение напряжений, возникающих при прогибе ротора. Недостатком же однопосадочной конструкции бандажного узла является появление переменных механических напряжений в зоне посадки, но только не от воздействия прогиба вала ротора, а от изменяющегося взаимодействия сопряженных горячей посадкой поверхностей сердечника ротора и бандажных колец от действия массы бандажных колец и подбандажного содержимого в процессе вращения ротора. Кроме того, бандажные кольца в однопосадочном исполнении весьма чувствительны к качеству их уравновешивания. При общепринятой системе уравновешивания роторов критерием качества их уравновешивания является достижение нормативных показателей вибрации опорных подшипников или вала ротора электрической машины, в то время как в этой ситуации бандажный узел может быть существенно разбалансирован, что приводит, особенно для однопосадочного исполнения бандажного узла, к росту постоянных изгибных напряжений в упомянутой выше опасной зоне посадки бандажных колец на сердечник.

Устранить или, по крайней мере, максимально снизить эти знакопеременные и постоянные напряжения в зоне посадки бандажных колец на сердечник ротора и является целью изобретения.

Это достигается в первую очередь тем, что эластичные элементы в центрирующих кольцах выполнены с такой жесткостью (Z), чтобы их суммарное воздействие в вертикальном направлении вверх на бандажные кольца было эквивалентно воздействию массы бандажных колец и подбандажного содержимого (Р_экв) на концевые части вала ротора при сжатии (растяжении) эластичных элементов и при этом их деформация (Δυ_{эл.элем}) определятся разностью статических прогибов вала ротора на участках расположения посадочных зон бандажного кольца определенных при условии воздействия массы сердечника на срединную массивную часть ротора, а массы бандажных колец и подбандажного содержимого на торцовые части сердечника и концевые части ротора в плоскости центрирующих (упорных) колец. При этом жесткость эластичных элементов в центрирующих кольцах, необходимая для обеспечения постоянного коаксиального положения посадочной поверхности бандажных колец и сердечника определится из соотношения:

где n и ϕ - соответственно число эластичных элементов и угол направления их действия по отношению к радиальной оси поперечного сечения ротора.

Только при соблюдении указанных выше условий можно достигнуть расположения внутренних цилиндрических посадочных поверхностей бандажных колец в местах посадки на сердечник и центрирующие кольца независимо от положения сердечника в процессе вращения ротора. Только при этом условии будет компенсировано силовое воздействие вала ротора при его прогибе на центрирующее кольцо и внешнюю торцовую часть бандажного кольца так, чтобы оно оставалось практически в неизменном радиальном положении по всей длине независимо от положения ротора, что и обеспечивает минимизацию переменных напряжений в посадочных зонах бандажного узла. Достигается это реализацией удачного свойства двухпосадочной конструкции бандажного узла ротора, когда в зоне сопряжения центрирующих колец с бандажными действуют две силы тяжести: одна изгибающая вал ротора, главным образом, под воздействием массы сердечника и действующая на бандажное кольцо вертикально вверх и другая сила тяжести бандажного узла, действующая на бандажное кольцо вертикально вниз. Противоположное воздействие этих сил тяжести на бандажное кольцо в месте его посадки на центрирующее и позволяет за счет надлежащего выбора жесткости эластичных элементов центрирующего кольца обеспечить неизменное радиальное положение внешней торцовой части бандажного кольца.

Поясним сказанное на примере, приведенном на Фиг.5, где схематически изображен бандажный узел ротора с бандажным и упорным кольцом, с двумя эластичными элементами в виде витых пружин, установленных между валом и упорным кольцом. При горизонтальном расположении продольной оси пружин, когда силы тяжести вала ротора и бандажного кольца на них не действуют, их напряженное состояние определяется лишь первоначальным натягом, с которым они были установлены, а их воздействие на вал и бандажное кольцо уравновешено, что не приводит к изменению их положения в пространстве. В процессе радиального поворота ротора за счет действия его прогиба пружина, находящаяся над валом, сжимается и приподнимает бандажное кольцо, а пружина, находящаяся под валом, растягивается и в зависимости от первоначального натяга либо ослабляет свое воздействие на бандажное кольцо в направлении вертикально вниз, либо, растягиваясь, будучи соединенной с бандажным кольцом притягивает его по направлению вертикально вверх (проекции сил растяжения пружин по другим направлениям уравновешиваются взаимодействием сил пары пружин, расположенных симметрично по обе стороны вала). По достижении вертикального положения каждая из пружин деформируется на величину прогиба вала ротора (Δυ_{эл.элем}) под воздействием силы (Р_экв), что обеспечивается условием выбора жесткости пружин. Тем самым обеспечивается возвращение пространственного положения бандажного узла к исходному положению, которое оно имело при горизонтальном положении пружинных элементов. Увеличение количества пар пружинных элементов в эластичном упорном кольце позволит обеспечить стабильное положение бандажных колец при любом положении ротора.

Существует несколько возможностей создания равноценных конструкций эластичных элементов, построенных с учетом основополагающего положения о выборе жесткости эластичных элементов в соответствии с соотношением 91), таких, например, в которых для достижения основной цели изобретения - повышения надежности ротора синхронной неявнополюсной электрической машины за счет максимального снижения знакопеременных напряжений в зоне посадки бандажных колец на сердечник концевые части бандажных колец, одетых на торцовые части сердечника, выполняются такой толщины, чтобы обеспечить минимальную (по условиям прочности от действия центробежных сил лобовых частей обмотки и собственной массы в радиальном направлении) величину разнице статических прогибов вала ротора на участках расположения посадочных зон бандажного кольца (Δυ_{эл.элем.мин}). Этим удается минимизировать величину изгибающего момента, действующего на бандажные кольца, вследствие прогиба вала.

В этом плане минимизация толщины концевой части бандажного кольца, одеваемой на сердечник, ведет к увеличению эквивалентной силы (Р_экв) и, соответственно, к уменьшению амплитуды колебаний эластичных элементов центрирующих колец, что благоприятно сказывается на условиях их работы.

Установка в центрирующие или упорные кольца бандажных узлов роторов эластичных элементов в соответствии с соотношением (1) позволяет использовать положительные стороны конструкций одно- и двухпосадочных бандажных узлов, которые обеспечивают основную цель - максимальное снижение знакопеременных напряжений в зоне посадки бандажных колец на сердечник ротора. В число наиболее эффективных следует отнести такую конструкцию, когда эластичные элементы выполнены заодно с центрирующим кольцом, например, в виде четного количества дугообразных рессор, образованных двумя рядами, расположенных тангенциально равномерно по окружности в шахматном порядке сквозных прерывистых прорезей.

Эффективная эластичная конструкция центрирующего кольца может быть выполнена, например, из двух концентрично расположенных внутреннего и наружного колец, которые соединены горячей посадкой соответственно с концевой частью вала ротора и наружной частью бандажного кольца, а пружинные эластичные элементы выполнены самостоятельной составной частью, например, в виде витых стальных пружин, расположенных равномерно по окружности центрирующего кольца и плотно соединенных, по крайней мере, с одной из внутренних кольцевых поверхностей наружной и внутренней частей центрирующего кольца.

Для упрощения конструкции, например, при модернизации роторов с однопосадочным исполнением бандажного узла, когда в его составе уже имеется упорное кольцо, может быть использована конструкция, когда пружинные эластичные элементы, выполненные, например, в виде витых стальных пружин, расположены равномерно по окружности между внутренней цилиндрической поверхностью упорного кольца и наружной поверхностью концевой части ротора, например, на днищах вентиляционных каналов (пазов), проходящих под упорными кольцами, а сами эластичные элементы плотно соединены, по крайней мере, с одной из указанных поверхностей.

Очень важным фактором повышения надежности эксплуатации бандажных узлов ротора синхронной неявнополюсной электрической машины является снижение уровня постоянных напряжений в зоне посадки бандажных колец на сердечник, где имеют место значительные знакопеременные напряжения. В этой зоне часто проявляются дополнительные постоянные напряжения от остаточной неуравновешенности бандажных узлов, особенно опасные для их однопосадочного исполнения. Дело в том, что важно уравновесить не только ротор в целом по показателям вибродиагностики, но и отдельно бандажный узел с тем, чтобы под воздействием внутренней его неуравновешенности не допустить перекоса бандажного кольца и, как следствие, дополнительного местного давления посадочной поверхности бандажного кольца на сердечник ротора. Этого можно достичь, если в пазы под балансировочные грузы устанавливаются грузы такой величины, чтобы уравновесить небаланс массы бандажных колец и подбандажного содержимого не только по показателям вибродиагностики, но и по показателям обеспечения минимальных значений разности расстояний (Н) между внутренним диаметром упорного кольца и наружным диаметром концевой части вала ротора или по показателям минимальных значений радиального боя тыльной части бандажного кольца (Фиг.5). Избыток или недостаток массы балансировочного груза, определенный по показателям вибродиагностики, должен быть соответственно снят или установлен в пазы под грузы, выполненные в упорных или центрирующих кольцах с эластичными элементами.

Источники информации

1. Патент РФ «Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины» №2253935, 10.06.2005 г.

2. Авторское свидетельство на изобретение СССР "Ротор электрической машины" №792491, 01.09.1980 г.

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к роторам крупных электрических машин, например турбогенераторов. Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение надежности ротора синхронной неявнополюсной электрической машины за счет максимального снижения вплоть до полного устранения знакопеременного напряжения в зоне посадки бандажных колец на сердечник ротора от воздействия массы бандажного узла и прогиба ротора. Данный технический результат достигается тем, что эластичные элементы в центрирующих кольцах выполнены с жесткостью (Z), обеспечивающей их суммарное воздействие в радиальном направлении на бандажные кольца и концевые части вала ротора, эквивалентное воздействию массы бандажных колец и подбандажного содержимого (Р_экв) на центрирующие кольца при сжатии (растяжении) эластичных элементов на величину, равную разнице статических прогибов и вала ротора на участках расположения посадочных зон бандажного кольца, определяемую из выражения: причем значения и определены при условии воздействия массы сердечника на срединную, массивную часть ротора и при условии воздействия массы бандажных колец и подбандажного содержимого на торцовые части сердечника и концевые части ротора в плоскости центрирующих (упорных) колец, а жесткость эластичных элементов в центрирующих кольцах, необходимая для обеспечения постоянного коаксиального положения посадочной поверхности бандажных колец и сердечника определится из соотношения: где n и ϕ - соответственно число эластичных элементов и угол направления их действия по отношению к радиальной оси ротора. При этом существует несколько возможностей создания равноценных конструкций эластичных элементов, построенных с учетом основополагающего положения о выборе жесткости эластичных элементов, таких, например, как встраиваемые в центрирующие или упорные кольца бандажные узлы роторов электрических машин, позволяющих использовать положительные стороны конструкций одно- и двухпосадочных бандажных узлов. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащий массивный сердечник с катушечной обмоткой, закрепленной в лобовых частях в радиальном направлении с помощью массивных металлических бандажных колец, одетых одной стороной горячей посадкой на торцовые части сердечника, а другой тыльной стороной через эластичные центрирующие кольца опирается на концевые части вала ротора, отличающийся тем, что эластичные элементы в центрирующих кольцах выполнены с жесткостью (Z), обеспечивающей их суммарное воздействие в радиальном направлении на бандажные кольца и концевые части вала ротора, эквивалентное воздействию (Р_экв.) массы бандажных колец и подбандажного содержимого на центрирующие кольца при сжатии (растяжении) эластичных элементов на величину, равную разнице статических прогибов и вала ротора на участках расположения посадочных зон бандажного кольца, определяемой из выражения

причем значения и определены при условии воздействия массы сердечника на срединную, массивную часть ротора, и при условии воздействия массы бандажных колец и подбандажного содержимого на торцовые части сердечника и концевые части ротора в плоскости центрирующих (упорных) колец, а жесткость (Z) эластичных элементов в центрирующих кольцах, необходимая для обеспечения постоянного коаксиального положения посадочной поверхности бандажных колец и сердечника ротора, определится из соотношения

где n и ϕ - соответственно число эластичных элементов и угол направления их действия по отношению к радиальной оси ротора.

2. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.1, отличающийся тем, что концевые части бандажных колец, одетых на торцовые части сердечника, выполнены с толщиной, обеспечивающей минимальную разницу статических прогибов вала ротора на участках расположения посадочных зон бандажного кольца исходя из условий прочности от действия центробежных сил лобовых частей обмотки и собственной массы бандажного кольца в радиальном направлении.