ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2013 года по МПК F01D1/14 F02C7/06 

Изобретение относится к турбинной установке, по меньшей мере, с одним первым и одним вторым радиальными рабочими колесами, задние поверхности которых обращены друг с к другу, с валом ротора, на котором установлены радиальные рабочие колеса, и с системой подшипников, причем в области обоих радиальных рабочих колес образованы упорные подшипники, соответственно, с одной половиной подшипника ротора и одной половиной подшипника статора и, причем, соответственно, половина подшипника ротора образована на задней поверхности сопряженного радиального рабочего колеса.

Чтобы препятствовать осевому смещению ротора турбинной установки посредством системы магнитных подшипников, на практике обычно используются поверхности упорных подшипников, которые сформированы либо непосредственно на валу, либо посредством дополнительно закрепленного на валу кольца упорного подшипника. Соответственно, известны турбинные установки с аксиально магнитно установленным валом ротора, в которых половины магнитных подшипников для аксиальной установки расположены на кольце упорного подшипника или на противоположных буртиках вала, которые с использованием метода горячей запрессовки сформированы на валу ротора.

Вариант выполнения турбиной установки с максимально коротким ротором и максимально небольшой массой ротора, с ранее указанными признаками, известен из EP 2017435 A2. За счет образования половин подшипников ротора на задних поверхностях радиальных рабочих колес, возможно существенное сокращение рабочей площади для размещения системы упорных подшипников, причем половины упорных подшипников встроены в стенку корпуса, а также в заднюю стенку радиальных рабочих колес, которые также должны иметь место в независимости от подшипниковой опоры. Количество отдельных компонентов системы, тем самым, уменьшается. Известный из документа EP 2017435 A2 вариант выполнения, из-за расположенной посередине на роторе электрической машины, в направлении обоих радиальных рабочих колес выполнен, в основном, симметрично. На выходе из электрической машины в обоих направлениях друг за другом расположены радиальный магнитный подшипник, ловильный подшипник, пропускное отверстие через сопряженную половину подшипника статора с расположенным внутри уплотнением вала и затем, на конце вала ротора консольным образом расположено соответствующее рабочее колесо. На выходе из электрической машины диаметр вала ротора постепенно уменьшается в обоих направлениях в соответствии с вышеобозначенными, предусмотренными вдоль вала ротора компонентами машины. В процессе монтажа, соответственно, прежде всего, в корпус должен быть помещен вал ротора с электрической машиной, причем с обеих сторон насаживаются другие составные части, а на завершающем этапе оба рабочих колеса. Для обеспечения возможности дополнительного технического обслуживания турбинная установка должна быть доступна с обеих сторон, причем и оба аксиальных рабочих колеса должны быть выполнены с возможностью демонтажа.

На основании вышеизложенного задачей изобретения является упрощение монтажа и демонтажа, а также улучшение возможностей технического обслуживания.

Посредством турбинной установки с описанными ранее признаками задача в соответствии с изобретением решается посредством того, что первое радиальное рабочее колесо выполнено неразъемным, а второе радиальное рабочее колесо с возможностью демонтажа соединено с валом ротора и, что вал ротора на выходе из первого радиального рабочего колеса в направлении второго рабочего колеса сужается или имеет постоянный диаметр.

В соответствии с изобретением предусмотрено ассиметричное конструктивное выполнение, причем первое рабочее колесо жестко и неразъемным образом соединено с валом ротора. Тем самым, изобретение предполагает, что первое радиальное рабочее колесо не может быть отсоединено от вала ротора, или может быть отсоединено с приложением очень большого усилия, или с использования особых мероприятий. Так, к примеру, возможно установить первое радиальное рабочее колесо на вал ротора с использованием метода горячей запрессовки, приварить его к валу ротора или запрессовать его на вал ротора. Затем в процессе монтажа после установки первого, неразъемным образом соединенного радиального рабочего колеса, следом друг за другом насаживаются другие компоненты системы, то есть, по меньшей мере, половины подшипника статора, и наконец, второе радиальное рабочее колесо. Для этого вал ротора должен иметь на выходе из первого радиального рабочего колеса в направлении второго радиального рабочего колеса постоянный диаметр или же, в предпочтительном варианте, должен сужаться. В случае предпочтительного, сужающегося диаметра необходимо предусмотреть отдельные уступы, причем внешний диаметр отдельных участков приводится в соответствие с внутренним диаметром сопряженных в этих местах компонентов системы. Отдельные компоненты могут быть легко смещены до того участка, на котором они должны быть закреплены. Посредством варианта осуществления с возможностью демонтажа второго радиального рабочего колеса, в зависимости от варианта выполнения, возможен также демонтаж, или, по меньшей мере, техническое обслуживание описанных компонентов системы. В частности, элементы упорных подшипников доступны на выходе из второго радиального рабочего колеса.

В рамках изобретения половины подшипника статора могут иметь также в особо предпочтительном варианте, соответственно, цельную опору со сквозным отверстием для вала ротора. Так как половины подшипника статора с одной стороны в процессе монтажа насаживаются на вал ротора, разделение на две половины или на сегменты не является обязательным условием, вследствие чего улучшается стабильность и герметичность системы, а также снижаются затраты на изготовление.

Для формирования упорного подшипника, в частности, выполненного с возможностью активного управления упорного подшипника, на одной из половин подшипника предусмотрена обмотка возбуждения, которая генерирует воздействующее на соответствующую сопряженную другую половину подшипника, в предпочтительном варианте, в случае необходимости, управляемое магнитное поле. Из практических соображений предпочтительно, если обмотка возбуждения помещена в неподвижные половины подшипника статора.

Для формирования магнитного упорного подшипника половины подшипника ротора должны быть выполнены из подходящего, магнитно взаимодействующего с катушками материала или на них должны быть нанесены постоянные магниты. Зачастую материал, использованный для рабочих колес, не пригоден для формирования половин магнитного подшипника ротора. В таком случае, по меньшей мере, одно из радиальных рабочих колес может быть образовано из включающей в себя систему лопаток заготовки радиального рабочего колеса и закрепленной на задней стороне заготовки рабочего колеса шайбы, выполненной из другого материала, причем шайба образует половину подшипника ротора соответствующего упорного подшипника. Такая шайба или такое кольцо с центральным отверстием для вала ротора может быть, к примеру, сварено с заготовкой рабочего колеса. Для обеспечения возможности точного приваривания может быть предусмотрено, в частности, соединение посредством сварки трением. В качестве альтернативы возможно также располагать подходящий материал, к примеру, постоянные магниты или намагничивающийся материал в форме сегментов на задней стороне радиальных рабочих колес, в частности, помещать их в соответствующие углубления.

Для образования полноценной подшипниковой системы следует предусмотреть также радиальный подшипник. Он может располагаться, к примеру, между двумя описанными ранее и действующими в противоположных направлениях упорными подшипниками на валу ротора. В частности, в качестве радиального подшипника может быть предусмотрен также магнитный подшипник с кольцом ротора или с кольцом статора.

Монтаж и дополнительно предусмотренный демонтаж с одной стороны позволяют также в рамках изобретения жестко располагать первое радиальное рабочее колесо с другими компонентами машины в главном корпусе. В целесообразном варианте выполнения вал ротора выступает за пределы главного корпуса, вследствие чего второе радиальное рабочее колесо оказывается расположенным вне главного корпуса.

Турбинная установка, по меньшей мере, с двумя радиальными рабочими колесами, задние поверхности которых обращены друг к другу (расположение back-to-back) может быть предусмотрена в виде компрессора, экспандера или компандера. В то время как у компрессора с двумя рабочими колесами следует предусмотреть привод, в частности, посредством электрической машины, то у экспандера с двумя рабочими колесами может быть восстановлена свободная энергия и посредством электрической машины использована в форме генератора. У компандера с рабочим колесом и рабочим колесом экспандера электрическая машина предусмотрена лишь в дополнение, причем она в зависимости от варианта применения может эксплуатироваться в качестве генератора или в качестве двигателя.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения оба радиальных рабочих колеса консольным образом расположены, соответственно, на одном конце вала ротора. Однако, в принципе, возможно также, чтобы, по меньшей мере, на одном из двух радиальных рабочих колес вал ротора выходил за пределы этого радиального рабочего колеса, причем тогда на валу ротора может располагаться еще, по меньшей мере, одно другое устройство, к примеру, другое радиальное рабочее колесо.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:

фиг.1 - компоненты турбинной установки согласно изобретению,

фиг.2 - присоединенное к главному корпусу устройство по фиг.1.

Фиг.1 демонстрирует важные компоненты турбинной установки в соответствии с изобретением, причем первое рабочее колесо 1 и второе рабочее колесо 2 при так называемом расположении «back-to-back» своими задними поверхностями 3a, 3b обращены друг к другу. Оба радиальных рабочих колеса 1, 2 установлены на валу 4 ротора, который помещен в систему подшипников. Система подшипников включает в себя в области расположения обоих радиальных рабочих колес 1, 2 упорные подшипники 5a, 5b, соответственно, с одной половиной 6a, 6b подшипника ротора и одной половиной 7a, 7b подшипника статора, причем половины 6a, 6b подшипника ротора образованы на задней поверхности 3a, 3b сопряженного радиального рабочего колеса 1, 2.

В соответствии с изобретением первое радиальное рабочее колесо 1 неразъемным образом, к примеру, с использованием метода горячей запрессовки, соединено с валом 4 ротора, в то время как второе радиальное рабочее колесо 2 установлено с возможностью демонтажа. Таким образом, в процессе монтажа обе половины 7a, 7b подшипника статора, а затем и второе радиальное рабочее колесо 2 могут перемещаться друг за другом на валу 4 ротора, для чего вал 4 ротора в представленном варианте выполнения изобретения сужается от первого радиального рабочего колеса 1 в направлении второго радиального рабочего колеса 2. В обратном направлении возможен также демонтаж роторной системы.

На основании фиг.1 можно также сделать вывод о том, что половины 7a, 7b подшипника статора имеют, соответственно, цельную опору 8 со сквозным отверстием для вала 4 ротора, а также обмотку 9 возбуждения, помещенную в углубления соответствующей сопряженной опоры 8. Образованные на задних поверхностях 3a, 3b радиальных рабочих колес 1, 2 половины 6a, 6b подшипника ротора, напротив, выполнены из материала, который взаимодействует с обмоткой 9 возбуждения. На половинах 6a, 6b подшипника ротора могут быть предусмотрены, к примеру, постоянные магниты, поддающийся намагничиванию материал, или же материал, в котором индуцируется встречно вращающееся поле.

Фиг.1 в качестве примера демонстрирует вариант выполнения изобретения, при котором первое радиальное рабочее колесо 1 образовано из включающей в себя систему 10 лопаток заготовки 11 рабочего колеса и закрепленной на задней стороне заготовки 11 рабочего колеса шайбы из другого материала. Шайба образует половину 6a соответствующего упорного подшипника 5a ротора, причем материал выбран в соответствии с магнитными свойствами. Выполненная в виде диска со сквозным отверстием или кольца половина 6a подшипника ротора может быть, к примеру, посредством сварки трением соединена с заготовкой 11 рабочего колеса.

Фиг.1 демонстрирует далее, что между противоположно действующими упорными подшипниками 5a, 5b на валу 4 ротора располагается радиальный подшипник 12, который сформирован как магнитный подшипник с кольцом 13 ротора и кольцом 14 статора. В то время как кольцо 14 статора содержит в себе обмотку возбуждения, кольцо ротора состоит из материала с подходящими магнитными свойствами, чтобы совместно с обмоткой возбуждения кольца статора сформировать радиальный магнитный подшипник.

В процессе монтажа сначала последовательно устанавливается одна половина 7a подшипника статора, затем радиальный подшипник 12, другая половина 7b подшипника статора, и, наконец, второе радиальное рабочее колесо 2 с соответствующей половиной 6b подшипника ротора на его задней поверхности 3b. Для облегчения монтажа вал 4 ротора сужается в форме отдельных уступов, причем уступы сопряжены, соответственно, с одним из описанных выше компонентов.

В рамках варианта выполнения в соответствии с изобретением описанная система может монтироваться не только последовательно, но может быть также, по меньшей мере, частично, демонтирована в обратной последовательности, так что дополнительно возможно также техническое обслуживание или замена отдельных компонентов системы.

К примеру, первое радиальное рабочее колесо 1 с другими компонентами машины может быть жестко установлено в главном корпусе 15, причем вал 4 ротора выходит за пределы главного корпуса 15 и, причем второе радиальное рабочее колесо 2 расположено вне главного корпуса 15. Соответствующий вариант выполнения представлен на фиг.2. В данном случае выявляется преимущество в том, что в процессе монтажа, технического обслуживания и демонтажа системы подшипников главный корпус 15 может оставаться закрытым, в то время как должен быть удален лишь закрывающий систему подшипников дополнительный корпус 16.

В принципе, турбинная установка может иметь также не изображенную на чертежах электрическую машину, которая, в частности, совместно с радиальным подшипником 12, может располагаться между радиальными рабочими колесами 1, 2.

Радиальные рабочие колеса 1, 2 могут далее консольным образом располагаться, соответственно, на одном конце вала 4 ротора. Изобретение не ограничивается, однако, таким вариантом выполнения. В принципе, возможно также, чтобы вал 4 ротора выступал за пределы, по меньшей мере, одного из двух радиальных рабочих колес 1, 2.

Турбинная установка, содержащая, по меньшей мере, одно первое и одно второе рабочие колеса, вал и систему подшипников. Задние поверхности рабочих колес обращены друг к другу. На валу ротора установлены радиальные рабочие колеса. В области обоих радиальных рабочих колес установлены упорные подшипники, соответственно, с одной половиной подшипника ротора и одной половиной подшипника статора. Половина подшипника ротора расположена на задней поверхности сопряженного радиального рабочего колеса. Первое радиальное рабочее колесо выполнено неразъемным. Второе радиальное рабочее колесо с возможностью демонтажа соединено с валом ротора. Вал ротора на выходе из первого радиального рабочего колеса в направлении второго рабочего колеса сужается или имеет постоянный диаметр. Изобретение позволяет упростить монтаж и демонтаж рабочих колес, а также улучшить возможности технического обслуживания. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Турбинная установка, содержащая, по меньшей мере, одно первое и одно второе рабочие колеса (1, 2), задние поверхности (3a, 3b) которых обращены друг к другу, а также вал (4) ротора, на котором установлены радиальные рабочие колеса (1, 2) и систему подшипников, причем в области обоих радиальных рабочих колес (1, 2) установлены упорные подшипники (5a, 5b), соответственно, с одной половиной (6a, 6b) подшипника ротора и одной половиной (7a, 7b) подшипника статора, причем половина (6a, 6b) подшипника ротора расположена на задней поверхности (3a, 3b) сопряженного радиального рабочего колеса (1, 2), отличающаяся тем, что первое радиальное рабочее колесо (1) выполнено неразъемным, а второе радиальное рабочее колесо (2) с возможностью демонтажа соединено с валом (4) ротора, причем вал (4) ротора на выходе из первого радиального рабочего колеса (1) в направлении второго рабочего колеса (2) сужается или имеет постоянный диаметр.

2. Турбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что первое радиальное рабочее колесо (1) установлено на вал (4) ротора посредством горячей запрессовки.

3. Турбинная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждая половина (7a, 7b) подшипников статора имеет цельную опору (8) со сквозным отверстием для вала (4) ротора.

4. Турбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что половины (7a, 7b) подшипников статора содержат обмотку (9) возбуждения или постоянные магниты.

5. Турбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно из радиальных рабочих колес (1) сформировано из включающей в себя систему (10) лопаток заготовки (11) рабочего колеса и закрепленной на задней стороне заготовки (11) рабочего колеса шайбы, выполненной из другого материала, причем шайба образует половину (6a) подшипника ротора соответствующего упорного подшипника.

6. Турбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что между упорными подшипниками (5a, 5b) на валу (4) ротора расположен радиальный подшипник (12).

7. Турбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что первое радиальное рабочее колесо (1) с другими компонентами машины жестко установлено в главном корпусе (15), причем вал (4) ротора выходит за пределы главного корпуса (15) и причем второе радиальное рабочее колесо (2) расположено вне главного корпуса (15).

8. Турбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что между радиальными рабочими колесами (1, 2) расположена электрическая машина.

9. Турбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что оба радиальных рабочих колеса (1, 2) консольно установлены, соответственно, на одном конце вала (4) ротора.