МАГНИТОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПОРА Российский патент 2013 года по МПК F16C32/04 B04B9/12 B04B9/14 

Изобретение относится к машиностроению и преимущественно к демпфированию колебаний быстровращающихся роторов, турбин, центробежных компрессоров, генераторов, турбомолекулярных насосов, накопителей энергии и подобных устройств.

При разгоне и работе высокоскоростных, особенно гибких роторов, даже после их балансировки, возникают колебания, которые могут привести к их разрушению.

Известна магнитная опора вертикального ротора по патенту RU 2178343 (В04В 5/08; D04D 9/00; F16C 32/04; 1999-11-30), включающая установленный в корпусе цилиндрический аксиально намагниченный магнит, размещенную на роторе соосно ферромагнитную втулку, расположенную напротив нижнего торца магнита, и кольцевую камеру с демпфирующей жидкостью, снабженную внутри радиально подвижным кольцевым элементом, подвешенным на гибких нитях и состоящим из внутреннего ферромагнитного кольца и связанного с ним наружного немагнитного кольца, это кольцо имеет в радиальном сечении L-образный профиль, при этом в его цилиндрической части выполнены открытые вниз вертикальные прорези, в которых расположены гибкие нити, при этом нижние концы нитей прикреплены к донной части кольцевой камеры, а их верхние концы - к радиально подвижному элементу.

Известная магнитная опора позволяет демпфировать колебания ротора при вращении, при этом радиальным отклонениям ротора противодействуют силы торможения вязкой среды и упругие силы, обусловленные наличием поперечной жесткости в магнитной системе и упругой подвеске радиально подвижного элемента. Однако радиальной жесткости связи подвижного элемента с ротором недостаточно для эффективного подавления возмущений, особенно, на высоких скоростях вращения ротора.

Наиболее близкой к предлагаемой магнитодинамической опоре (прототипом) является магнитодинамичекая опора по патенту RU 2328632 (В04В 9/12; F16C 32/04 - F16F 15/03; 2006-06-19), которая включает магнитную систему с периодическим знакопеременным магнитным полем на основе постоянного магнита, либо электромагнита с одной стороны, а с другой стороны систему ротора либо статора, выполненную на основе материала с высокой электропроводностью, либо сверхпроводимости, включая сверхтемпературную проводимость, при этом отношение величины периода намагниченности знакопеременного магнитного, либо электромагнитного поля или шага к амплитуде колебаний ротора больше 1 в эквидистантном положении ротора при эксцентриситете, равном 0, а отношение амплитуды колебаний ротора к магнитному зазору меньше 0,8.

Известная опора позволяет обеспечить достижение больших значений радиальной жесткости в опоре на высоких оборотах вращения, однако не создает достаточных условий для обеспечения устойчивого вращения ротора под действием внешних возмущений и сил внутреннего трения в конструкции.

Целью изобретения является создание конструкции опоры, обеспечивающей устойчивость вращения ротора под действием внешних возмущений или сил внутреннего трения в конструкции ротора и опор.

Технический результат изобретения заключается в создании конструкции опоры с меньшими энергетическими затратами, с улучшенной демпфирующей способностью и возможностью ее широкой регулировки, обеспечивающей необходимые демпфирующие характеристики и повышение надежности работы ротора в различных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что в варианте 1 в магнитодинамической опоре, включающей магнитную систему с периодическим знакопеременным магнитным полем на основе постоянного магнита, с одной стороны, а с другой стороны, систему ротора, расположенную от магнитной системы с радиальным зазором и выполненную на основе материала с высокой электропроводностью, система ротора установлена вблизи горизонтальной плоскости, проходящей через узел кривой изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения.

Кроме того, магнитная система установлена внутри полого ротора. Дополнительно, система ротора выполнена в виде кольцевой втулки. Кроме того, втулка размещена на установленной внутри ротора перегородке или выполнена с ней за одно целое.

Поставленная цель достигается тем, что в варианте 2 в магнитодинамической опоре включающей магнитную систему с периодическим знакопеременным магнитным полем на основе постоянного магнита, с одной стороны, а с другой стороны систему ротора, расположенную от магнитной системы с радиальным зазором и выполненную на основе материала с высокой электропроводностью, магнитная система установлена с возможностью радиального перемещения под действием сил взаимодействия с системой ротора.

Дополнительно, магнитная система установлена в емкости с демпфирующей жидкостью.

Кроме того, система ротора установлена вблизи горизонтальной плоскости, проходящей через узел кривой изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения.

Дополнительно, магнитная система упруго установлена в радиальном направлении. Кроме того, магнитная система упруго установлена в радиальном направлении с помощью спиральных пружин.

Дополнительно, магнитная система упруго установлена в радиальном направлении с помощью упругих стержней.

Кроме того, магнитная система выполнена в виде кольца.

Дополнительно, кольцо упруго поджато в осевом направлении.

Кроме того, магнитная система установлена внутри полого ротора.

Дополнительно, система ротора выполнена в виде кольцевой втулки.

Кроме того, втулка размещена на установленной внутри ротора перегородке или выполнена с ней за одно целое.

Дополнительно, магнитная система упруго установлена в радиальном направлении относительно дополнительного элемента, свободно установленного в емкости с возможностью радиального перемещения.

Кроме того, дополнительный элемент выполнен в виде кольца. Дополнительно, магнитная система закреплена на демпфирующем элементе, установленном в емкости с демпфирующей жидкостью.

Кроме того, магнитная система выполнена из несущего кольца со слоем магнитного материала.

Дополнительно, слой магнитного материала выполнен из связующего и магнитного наполнителя.

Кроме того, магнитный наполнитель выполнен на основе порошка из композиции неодим-железо-бор.

Дополнительно, связующее выполнено на основе эпоксидной смолы.

Кроме того, магнитный слой выполнен из отдельных сегментов.

Дополнительно, несущее кольцо выполнено методом намотки из стеклянных, арамидных или угольных волокон.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - продольное сечение магнитодинамической опоры при вертикальном расположении ротора;

Фиг.2 - сечение по А-А фиг.1;

Фиг.3 - продольное сечение варианта выполнения магнитодинамической опоры с упруго-вязким демпфированием;

Фиг.4 - сечение по Б-Б фиг.3;

Фиг.5 - продольное сечение вариантов выполнения магнитодинамической опоры с сухим трением и упругими стержнями, установленных внутри ротора;

Фиг.6 - продольное сечение варианта выполнения магнитодинамической опоры с демпфирующим элементом;

Фиг.7 - продольное сечение варианта выполнения магнитодинамической опоры с дополнительным элементом;

Фиг.8 - вариант выполнения магнитной системы с несущим и магнитным кольцом;

Фиг.9 - вариант выполнения магнитной системы с несущим кольцом и магнитными сегментами.

Ротор 1 установлен для вращения в корпусе 2 относительно вертикальной оси 3 на опоре-подпятнике 4 и удерживается в вертикальном положении магнитным подшипником из постоянных магнитов 5 и 6. Внутри полого ротора 1 в конструкции выполнена верхняя магнитодинамическая опора из магнитной системы с периодическим знакопеременным магнитным полем (с полюсами S и N) на основе кольцевого постоянного магнита 7, закрепленного на держателе 8, и системы ротора в виде расположенной от магнитной системы с радиальным зазором и выполненной на основе материала с высокой электропроводностью кольцевой втулки 9, закрепленной на роторе 1. Втулка 9 установлена вблизи горизонтальной плоскости 10, проходящей через узел 11 кривой 12 изгиба оси ротора 1, образующегося при вращении ротора 1 на рабочей скорости (изгиб ротора 1 показан на фиг.1 пунктирной линией).

Нижняя магнитодинамическая опора выполнена из магнитной системы с периодическим знакопеременным магнитным полем на основе кольцевого постоянного магнита 13, закрепленного на держателе 8, и системы ротора в виде расположенной от магнитной системы с радиальным зазором и выполненной на основе материала с высокой электропроводностью кольцевой втулки 14, закрепленной в роторе 1 с помощью перегородки 15. Втулка 14 установлена вблизи горизонтальной плоскости 16, проходящей через второй узел 17 кривой 12 изгиба оси ротора 1, образующегося при вращении ротора 1 на рабочей скорости.

В варианте выполнения опоры, показанном на фиг.3 и фиг.4, магнитодинамическая опора выполнена из магнитной системы с периодическим знакопеременным магнитным полем (с полюсами S и N) на основе кольцевого постоянного магнита 19 в виде кольца с периодическим знакопеременным намагничиванием, и системы ротора в виде расположенной от магнитной системы с радиальным зазором и выполненной на основе материала с высокой электропроводностью кольцевой втулки 18, закрепленной снаружи ротора 1. Магнит 19 охватывает с радиальным зазором втулку 18 и размещен с возможностью радиального перемещения в емкости 20 с вязкой жидкостью 21. Магнит 19 подпружинен в радиальном направлении спиральными пружинами 22.

В варианте выполнения, показанном на фиг.5, втулка 9 верхней магнитодинамической опоры установлена внутри ротора 1, а емкость 23 без демпфирующей жидкости с постоянным магнитом 24 в виде кольца, упруго поджатым в осевом направлении пластинчатой пружиной 25 и радиальном направлении пружинами 22, закреплена на центральном держателе 8. Втулка 9 верхней магнитодинамической опоры установлена вблизи горизонтальной плоскости 10, проходящей через узел 11 кривой 12 изгиба оси ротора 1, образующегося при вращении ротора 1 на рабочей скорости (изгиб ротора 1 показан на фиг.5 пунктирной линией). Втулка 14 нижней магнитодинамической опоры закреплена на перегородке 15, установленной в роторе 1, а емкость 26 с демпфирующей жидкостью и кольцевым постоянным магнитом 27, упруго установленным на стержнях 28, закреплена на центральном держателе 8. Втулка 14 установлена вблизи горизонтальной плоскости 16, проходящей через второй узел 17 линии 12 изгиба оси ротора 1, образующегося при вращении ротора 1 на рабочей скорости.

В варианте выполнения опоры, показанном на фиг.6, магнит 19 закреплен на демпфирующем элементе 29.

В варианте выполнения опоры, показанном на фиг.7, магнит 19 упруго установлен в радиальном направлении на пружинах 22 относительно свободно установленного в емкости 20 дополнительного элемента 30.

В варианте выполнения, показанном на фиг.8, магнитная система выполнена из несущего кольца 31 с расположенным на нем магнитным кольцом в виде слоя магнитного материала 32.

В другом варианте выполнения магнитной системы, показанном на фиг.9, слой магнитного материала на несущем кольце 31 выполнен из отдельных магнитных сегментов 33.

Слой магнитного материала выполняется из связующего, например, эпоксидной смолы и магнитного наполнителя, например на основе порошка из композиции неодим-железо-бор.

Несущее кольцо 31 может быть выполнено методом намотки из стеклянных, арамидных или угольных волокон.

Магнитодинамическая опора работает следующим образом.

При вращении ротора 1 в зависимости от зазора между периодически намагниченным кольцевым магнитом 7 и втулкой 9 верхней опоры и магнитом 13 и втулкой 14 нижней опоры во втулках 9 и 14 возникают вихревые токи, поле которых направлено против радиального отклонения верхней и нижней части ротора 1 при его колебаниях в квадратичной зависимости от изменения зазора и в пропорциональной зависимости от числа периодов и от числа оборотов ротора. Так как системы ротора магнитодинамических опор (в виде втулок 9 и 14) расположены вблизи горизонтальных плоскостей 10 и 16, проходящих, соответственно, через узлы 11 и 17 кривой изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения, стабилизирующие радиальные реакции опор возникают только при изменении положения оси 3 вращения ротора при колебаниях от внутренней неустойчивости или при внешних возмущениях, которые эффективно подавляются. На биения искривленной оси ротора, связанные с его изгибом по кривой 15 при вращении, опоры не реагируют, в результате чего сохраняется потребляемая конструкцией энергия и обеспечивается стабильное вращение ротора.

В вариантах выполнения магнитной системы опоры с возможностью ее радиального смещения под действием радиальной силы взаимодействия с втулкой 18 (или втулкой 9, или втулкой 14), магнита 19 (или, соответственно, магнита 24, или магнита 27) смещается в емкости 20 (или, соответственно, в емкости 23, или в емкости 26) и нагружает пружины 22 (или в варианте выполнения - стержни 18). При смещении магнита 19 (или магнита 27) в емкости 20 (или емкости 26, соответственно) происходит перетекание вязкой жидкости и возникают гидродинамические силы вязкого трения (или при отсутствии вязкой жидкости в емкости 23 и перемещении магнита 24 возникают силы сухого трения, величина которых регулируется поджатием пружины 25), а деформация пружин 22 (или стержней 28) создает центрирующую магнит 19 (или магнит 24, или магнит 27) восстанавливающую силу. Возникающие силы вязкого или сухого трения и упругие восстанавливающие силы подавляют возникающие колебания ротора и стабилизируют его работу. Размещение дополнительного свободно установленного элемента 30 в емкости 20 позволяет обеспечить центровку магнита 19 при статическом уводе оси 3 вращения ротора 1 за счет смещения элемента 30 под действием радиальной квазистатической силы. При этом элемент 30 остается нечувствительным к быстрым возмущениям за счет большой его инерционности и высокого коэффициента вязкого трения внутри емкости 20. Закрепление магнита 19 на демпфирующем элементе 29 позволяет расширить диапазон величин сил вязкого трения в конструкции.

Предлагаемая магнитодинамическая опора образует эффективную упруго-демпфирующую систему с вязким трением или сухим трением, характеристики которой могут в широком диапазоне регулироваться: числом полюсов магнита 19 (или магнита 7, или магнита 13, или магнита 24, или магнита 27, или магнитного кольца 32, или числом магнитных сегментов 33); радиальным зазором между втулкой 9 и магнитом 19 (или магнитом 7, или магнитом 24), или втулкой 18 и магнитом 19, или магнитом 27 и втулкой 14; зазорами между магнитом 19 (или магнитом 27) и стенками емкости 20 (или емкости 26, соответственно); вязкостью демпфирующей жидкости в емкостях 20 или 26; жесткостью пружин 22 и 25 (или стержней 28), что обеспечивает настройку упруго-демпфирующей системы опор на подавление колебаний ротора в широком диапазоне скоростей вращения и повышает надежность его работы.

Группа изобретений относится к машиностроению и, преимущественно, к демпфированию колебаний быстровращающихся роторов, турбин, центробежных компрессоров, генераторов, турбомолекулярных насосов, накопителей энергии и подобных устройств. Согласно первому варианту магнитодинамическая опора включает магнитную систему с периодическим знакопеременным магнитным полем на основе постоянного магнита с одной стороны, а с другой стороны - систему ротора, расположенную от магнитной системы с радиальным зазором и выполненную на основе материала с высокой электропроводностью. При этом система ротора установлена вблизи горизонтальной плоскости, проходящей через узел кривой изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения. Согласно второму варианту магнитная система установлена с возможностью радиального перемещения под действием сил взаимодействия с системой ротора. Техническим результатом является улучшение демпфирующей способности, возможность регулировки демпфирующих характеристик в широком диапазоне, а также повышение надежности работы ротора в различных режимах. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Магнитодинамическая опора, включающая магнитную систему с периодическим знакопеременным магнитным полем на основе постоянного магнита с одной стороны, а с другой стороны - систему ротора, расположенную от магнитной системы с радиальным зазором и выполненную на основе материала с высокой электропроводностью, отличающаяся тем, что система ротора установлена вблизи горизонтальной плоскости, проходящей через узел кривой изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения.

2. Магнитодинамическая опора по п.1, отличающаяся тем, что магнитная система установлена внутри полого ротора.

3. Магнитодинамическая опора по п.2, отличающаяся тем, что система ротора выполнена в виде кольцевой втулки.

4. Магнитодинамическая опора по п.3, отличающаяся тем, что втулка размещена на установленной внутри ротора перегородке или выполнена с ней за одно целое.

5. Магнитодинамическая опора, включающая магнитную систему с периодическим знакопеременным магнитным полем на основе постоянного магнита с одной стороны, а с другой стороны - систему ротора, расположенную от магнитной системы с радиальным зазором и выполненную на основе материала с высокой электропроводностью, отличающаяся тем, что магнитная система установлена с возможностью радиального перемещения под действием сил взаимодействия с системой ротора.

6. Магнитодинамическая опора по п.5, отличающаяся тем, что магнитная система установлена в емкости с демпфирующей жидкостью.

7. Магнитодинамическая опора по п.5, отличающаяся тем, что система ротора установлена вблизи горизонтальной плоскости, проходящей через узел кривой изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения.

8. Магнитодинамическая опора по п.5, отличающаяся тем, что магнитная система упруго установлена в радиальном направлении.

9. Магнитодинамическая опора по п.8, отличающаяся тем, что магнитная система упруго установлена в радиальном направлении с помощью спиральных пружин.

10. Магнитодинамическая опора по п.8, отличающаяся тем, что магнитная система упруго установлена в радиальном направлении с помощью упругих стержней.

11. Магнитодинамическая опора по п.5, отличающаяся тем, что магнитная система выполнена в виде кольца.

12. Магнитодинамическая опора по п.11, отличающаяся тем, что кольцо упруго поджато в осевом направлении.

13. Магнитодинамическая опора по п.5, отличающаяся тем, что магнитная система установлена внутри полого ротора.

14. Магнитодинамическая опора по п.13, отличающаяся тем, что система ротора выполнена в виде кольцевой втулки.

15. Магнитодинамическая опора по п.14, отличающаяся тем, что втулка размещена на установленной внутри ротора перегородке или выполнена с ней за одно целое.

16. Магнитодинамическая опора по п.8, отличающаяся тем, что магнитная система упруго установлена в радиальном направлении относительно дополнительного элемента, свободно установленного в емкости с возможностью радиального перемещения.

17. Магнитодинамическая опора по п.16, отличающаяся тем, что дополнительный элемент выполнен в виде кольца.

18. Магнитодинамическая опора по п.5, отличающаяся тем, что магнитная система закреплена на демпфирующем элементе, установленном в емкости с демпфирующей жидкостью.

19. Магнитодинамическая опора по п.5, отличающаяся тем, что магнитная система выполнена из несущего кольца со слоем магнитного материала.

20. Магнитодинамическая опора по п.19, отличающаяся тем, что слой магнитного материала выполнен из связующего и магнитного наполнителя.

21. Магнитодинамическая опора по п.20, отличающаяся тем, что магнитный наполнитель выполнен на основе порошка из композиции неодим-железо-бор.

22. Магнитодинамическая опора по п.21, отличающаяся тем, что связующее выполнено на основе эпоксидной смолы.

23. Магнитодинамическая опора по п.19, отличающаяся тем, что магнитный слой выполнен из отдельных сегментов.

24. Магнитодинамическая опора по п.19, отличающаяся тем, что несущее кольцо выполнено методом намотки из стеклянных, арамидных или угольных волокон.