Масляная ванна электрической машины Российский патент 2024 года по МПК H02K5/12 

Изобретение относится к электрическим машинам вертикального типа, предназначенных для систем водоснабжения АЭС и использующих замкнутую систему смазки.

Как правило, основным исполнением электродвигателей такого типа является подвесным с верхней и нижней крестовинами, содержащими масленую ванну, внутри которой установлены подпятник и подшипник скольжения. Современные подшипники скольжения электродвигателей — это направляющая (опора) машины, механизма, трение в которой осуществляется в процессе скольжения сопряженных поверхностей. Подшипники скольжения электродвигателей состоят из корпуса, внутри которого находится цилиндрическое отверстие.

Подшипники скольжения прекрасно себя зарекомендовали при работе с жидкостными смазочными материалами. Поэтому при создании высокоточных аппаратов, таких как двухскоростные асинхронные двигатели, используются данные устройства, а не подшипники качения, скоростные характеристики которых зависят от очень большого перечня дополнительных параметров.

Главная причина выхода из строя подшипника скольжения — это износ рабочей поверхности, появление сколов, трещины втулок, трещины вкладышей, большие сколы, нарушение связи антифрикционного слоя и корпуса, механический износ, превышающий допустимые нормы.

Важнейшим условием работы подшипников скольжения является выбор способа смазки и смазочного материала. Одним из наиболее распространенным способом смазки подшипниковых узлов в вертикальных электрических машинах является масляная ванна, при этом чем выше окружная скорость, приобретаемая смазкой при вращении вала двигателя и движении в центробежной среде, тем меньше должна быть вязкость смазки.

При выборе жидкостной смазки поверхности детали и вала разделяет сплошной масляный слой, поэтому непосредственного трения между стальными поверхностями деталей и вала нет, но особое значение приобретает необходимость поддержание уровня жидкостной смазки в рабочем диапазоне и недопустимость утечек.

Из уровня техники известна масляная ванна подпятника гидрогенератора со встроенными U-образными секциями маслоохладители охладителей, соединенных по воде посредством патрубков. Маслоохладители размещены внутри корпуса ванны и жестко соединены с ее стенками (патент РФ на изобретение № 2258997, публ. 20.08.2005, бюл. № 23). Соединение выполнено посредством патрубков и дополнительных патрубков в виде соединительных каналов секций маслоохладителей, причем с одной стороны дополнительный патрубок жестко соединен сваркой с крышкой маслоохладителей в зоне отверстия на крышке, а с другой стороны дополнительный патрубок соединен с патрубком, закрепленным в отверстиях стенки корпуса масляной ванны с наружной ее стороны с помощью фланца, прокладки и крепежа и является разъёмным. При работе гидрогенератора охлаждающая вода проходит по маслоохладителям и соединяющим их патрубкам. Соединение маслоохладителей с патрубками внутри ванны является обычным фланцевым соединением.

Недостатком масляной ванны является необходимость использования множества уплотнений в местах крепления патрубков и дополнительных патрубков в стенках и крышке маслованны. Постоянный контакт установленных в разных местах множества уплотнений с жидкостной смазкой повышает риск недопустимых протечек.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является встроенная масляная ванна гидрогенератора (патент РФ на изобретение № 2276445, публ. 10.05.2006, бюл. № 13). Масляная ванна расположена в центральной части крестовины и состоит из корпуса, образованного стенками, днища и фланца. Внутри ванна заполнена маслом и установлен подпятник в составе корпуса. опор тарельчатого типа, опорно-регулировочных болтов, ввернутых в стаканы с втулками. Сегменты подпятника расположены равномерно по окружности на опорах. Общая осевая нагрузка от веса вращающихся частей генератора и турбины, а также от реакции воды, поступающей на рабочее колесо турбины, передается на сегменты через вращающийся диск, который прикреплен к втулке, соединенной с валом посредством запорных колец, сухарей и крепежных элементов.

Между валом, втулкой и подпятником для образования внутренней стенки ванны установлена цилиндрическая выгородка с соответствующим зазором и закрепленная к днищу, что обеспечивает необходимый объем и уровень масла в ванне для обеспечения смазки плоскостей трения между сегментами и диском во время работы генератора.

При работе генератора в зазоры между вращающимся валом и выгородкой, а также между втулкой и выгородкой возможно протекание масла и масляных паров, особенно на режимах работы генератора, когда мениск поверхности масла может иметь обратную характеристику.

Для исключения возможности попадания масла и его паров через зазоры на активные части генератора в верхней части выгородки установлено уплотнение плавающего типа, которое размещено между образующими кольцевой лоток кольцами, соединенными с цилиндрической частью выгородки. Для надежного соединения уплотнителя в виде кольца, к вращающейся втулке кольцо поджато пружинными элементами, упирающимися одним концом в цилиндрическую часть выгородки в ее вершине, а другим концом в дно углублений, выполненных в теле колец со стороны внутреннего диаметра. От выпадения и сползания пружинных элементов предусмотрены направляющие стержни, закрепленные на стенке выгородки. Для исключения возможного сдвига уплотняющего кольца в радиальном и тангенциальном направлениях, обусловленного вибрационными явлениями, предусмотрены фиксирующие болты с шайбами.

Вытекание масла или просачивание его паров со стороны верхнего торца и со стороны наружного диаметра ванны исключается установкой уплотнений. Охлаждение масла в процессе работы генератора осуществляется охладителями.

Известное техническое решение направлено на компенсацию последствий движения жидкости в поле центробежных сил, создаваемым вращающимся валом электрической машины в замкнутом пространстве масляной ванны, в частности возможных протечек жидкостной смазки в зону сердечника. Исключение протечек в известной конструкции обеспечивается за счет сложной системы уплотнений, использующей пружинные механизмы, что снижает надежность уплотнительных элементов из-за естественного износа пружины, повышает риск протечек и затрудняет технологическое обслуживание из-за труднодоступности к быстроизнашиваемым пружинным элементам.

Задачей изобретения является повышение надежности масляной ванны и обеспечение стабильного технологического диапазона уровня жидкостной смазки во время работы двигателя.

Техническим результатом является повышение жесткости конструкции в зоне охладителя и снижение турбулентности потока жидкостной смазки, движущейся в центробежной среде, образованной от вращения вала и втулки подпятника, в замкнутом пространстве масляной ванны.

Технический результат достигается тем, что масляная ванна электрической машины образована цилиндрической стенкой и днищем центральной части крестовины, содержит выгородку, предназначенную для размещения вала, подпятник, установленный с внешней стороны выгородки, в составе втулки, соединенной с вращающимся диском, с которым взаимодействует опорный сегментный подшипник, размещенный на опорном диске с центрирующими и регулировочными элементами, и охладитель, предназначенный для охлаждения масла при работающей электрической машине. Особенностью масляной ванны является то, что она дополнительно снабжена радиальными ребрами жесткости, на которых расположен опорный диск, и охватывающим его цилиндрическим перфорированным ограждением. Кроме того, охладитель выполнен в виде труб, свернутых в змеевик, уложенный на расположенных вокруг опорного диска вертикальных стойках, закрепленных на ребрах жесткости. На вертикальные стойки опирается перфорированное ограждение, которое размещено между опорным диском и вертикальными стойками охладителя.

Подпятник снабжен верхним направляющим подшипником, установленным с зазором по отношению к втулке подпятника и опирающимся на объемно-сварную конструкцию, которая установлена на цилиндрической стенке масляной ванны и является гнездом направляющего подшипника.

Использование в масляной ванне цилиндрического перфорированного ограждения, охватывающего опорный диск, и установленного вблизи охладителя, в зоне турбулентного движения жидкостной смазки при работающей электрической машине, обеспечивает расщепление общего потока жидкостной смазки на два главных потока, направленных в одну сторону и образование средней области с множеством мелких потоков, возникших при прохождении жидкостной смазки через отверстия в ограждении, с изменением направления движения.

Область с множеством мелких потоков формируется с внешней стороны ограждения и разделяет главные потоки на внутренний поток, протекающий с максимальной скоростью и внешний поток, взаимодействующий с множеством мелких потоков, в результате чего уменьшающий скорость движения.

Таким образом, воздействие друг на друга потоков, движущихся с разными скоростями, значительно снижает турбулентность жидкостной смазки в масляной ванне и обеспечивает её уровень в пределах технологического диапазона во время запуска и работы электрической машины.

Выполнение охладителя в виде труб, свернутых в змеевик, уложенный на вертикальных стойках, расположенных вокруг опорного диска, и соединение, например, с помощью сварки, равномерно расположенных по окружности опорных стоек с цилиндрическим перфорированным ограждением, надежно закрепленных на ребрах жесткости, обеспечивают жесткость и механическую прочность конструкции масляной ванны в целом.

На фиг. 1 представлен общий вид масляной ванны, продольный разрез; на фиг. 2 – охладитель, соединенный с цилиндрическим перфорированным ограждением (3D), на фиг. 3 – разрез по А-А с иллюстрацией условной схемы направления движения потоков жидкостной смазки в масляной ванне при рабочем режиме электрической машины.

Масляная ванна электрической машины образована цилиндрической стенкой 1, днищем 2 в центральной части крестовины (на фигурах не обозначена), к которым присоединены, например, с помощью сварки ребра жесткости 3. Масляная ванна содержит предназначенную для размещения вала 4, выгородку 5 в виде цилиндра, подпятник 6, опирающийся на опорный диск 7, который посредством сварки закреплен на ребрах жесткости 3 и охладитель 8, предназначенный для охлаждения масла при работающей электрической машине (Фиг. 1).

Подпятник 6 установлен с внешней стороны выгородки 5 и содержит втулку 9, соединенную, например, помощью болтового соединения (на фигурах не обозначено) с вращающимся диском 10, с которым взаимодействует опорный сегментный подшипник скольжения 11, сегменты которого расположены равномерно по окружности на опорном диске 7, снабженном центрирующими и регулировочными элементами.

В частном варианте исполнения масляной ванны центрирующие элементы для опорного сегментного подшипника скольжения 11 выполнены в виде упорных винтов 12 и ограничительных болтов с Т-образными головками 13, а регулировочные элементы выполнены в виде опорных винтов 14. Общая осевая вертикальная нагрузка от вращающихся частей электрической машины до выхода на номинальный режим работы передается на опорный сегментный подшипник скольжения 11 через вращающийся диск 10 и втулку подпятника 9, соединенную с валом 4 посредством посадки с натягом, шпонкой 15 и запорным кольцом 16 (Фиг. 1).

Кроме того, масляная ванна дополнительно снабжена охватывающим опорным диск 7 цилиндрическим перфорированным ограждением 17, нижний торец которого выполнен с вырезами 18, предназначенными для его размещения на ребрах жесткости 3 и для размещения датчиков теплоконтроля (на фигурах не обозначены) сегментов опорного подшипника скольжения 11. К верхней части цилиндрического перфорированного ограждения 17 приварено кольцо 19, выполненное, например, из проката, в частности стального уголка (Фиг.2).

Снаружи цилиндрического перфорированного ограждения 17 размещен охладитель 8, выполненный в виде труб 20 свернутых в спираль с выводными фланцами 21, и уложенных на вертикальных стойках 23, размещенных вокруг опорного диска 8. Трубы 20 закреплены на стойках с помощью скоб 27.

В частном варианте исполнения масляной ванны вертикальные стойки 23 сверху соединены сваркой с кольцом 19, а снизу закреплены резьбовым соединением на упоре 24, при этом, цилиндрическое перфорированное ограждение 17 расположено в щелевом пространстве между опорным диском 7 и упором 24.

Для восприятия осевой и радиальной нагрузки от работающего ротора, подпятник 6 снабжен верхним направляющим сегментным подшипником 25, установленным с зазором по отношению к втулке 9, в гнезде 26, выполненном в виде объемно-сварной конструкции, опирающейся на цилиндрическую стенку 1 масляной ванны. С внешней стороны масляной ванны установлен маслоуказатель (на фигурах не показан).

Масляная ванна электрической машины работает следующим образом.

Для удобства сборки цилиндрическое перфорированное ограждение 17 закрепляется на вертикальных стойках с уложенным на них охладителем 8 посредством, например, сварных соединений, с кольцом 19 в верхней части и с упором 24 в нижней части. Далее цилиндрическое перфорированное ограждение 17 с охдадителем 8 устанавливаются в масляную ванну на ребра жесткости 3 и после выставления равномерных зазоров, фиксируется упорами 27.

При неработающей электрической машине, жидкостная смазка находится в состоянии покоя и уровень масла равномерен во всей масляной ванне и находится в технологическом диапазоне, что подтверждается показаниями маслоуказателя.

При запуске электрической машины, вследствие вращения вала 4 и втулки подпятника 9, жидкостная смазка совершает вращательное движение в замкнутом пространстве масляной ванны с образованием турбулентного движения, при котором у стенки масляной ванны 1 образуются нелинейные волны, что приводит к возникновению хаотических колебаний, образованию неконтролируемого уровня жидкостной смазки и к протечкам через зазоры в верхней части масляной ванны.

Установка цилиндрического перфорированного ограждения 17 обеспечивает разделение объема жидкостной смазки на два основных потока: внутренний поток «А», протекающий в контакте с вращающейся втулкой подпятника и с сегментными подшипниками 11 и 25 с максимальной скоростью и на внешний поток «В», протекающий по периферии масляной ванны с наименьшей скоростью.

Отверстия перфорированного ограждения, выполненные, например, в шахматном порядке предназначены для проникновения жидкостной смазки с возможностью подвода ее к охладителю 8, и также для изменения направления движения множества внешних потоков жидкостной смазки, проходящих сквозь эти отверстия.

С внешней стороны цилиндрического перфорированного ограждения 17, при прохождении жидкостной смазки через отверстия образуется область множества мелких расходящихся в радиальном направлении потоков «Б», которые воздействуют на внешний поток «В» и значительно снижают скорость протекания жидкостной смазки.

Формирование области с множеством мелких потоков, продвигающихся с разными скоростями, образующейся между главными потоками, обеспечило снижение турбулентности жидкостной смазки в масляной ванне и выравнивание её общего уровня в пределах технологического диапазона при запуске и при рабочем режиме электрической машины (Фиг. 3).

Предлагаемое для патентования техническое решение позволило создать надежную, технологичную масляную ванну для электрической машины, обеспечивающую стабильный уровень жидкостной смазки в пределах технологического диапазона и исключить случайные протечки.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам вертикального типа, предназначенных для систем водоснабжения АЭС и использующих замкнутую систему смазки. Технический результат – повышение надежности. Масляная ванна электрической машины образована цилиндрической стенкой (1), днищем (2), к которым присоединены ребра жесткости (3). Масляная ванна содержит предназначенную для размещения вала (4) выгородку (5), подпятник (6), опирающийся на опорный диск (7), который закреплен на ребрах жесткости 3, и охладитель 8. Подпятник (6) содержит втулку (9), соединенную с вращающимся диском 10, с которым взаимодействует подшипник скольжения (11). Масляная ванна дополнительно снабжена охватывающим опорным диск (7) перфорированным ограждением (17), снаружи которого размещен охладитель (8), выполненный в виде труб (20), свернутых в спираль и уложенных на вертикальных стойках (23), размещенных вокруг опорного диска (8). 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Масляная ванна электрической машины, образованная цилиндрической стенкой и днищем центральной части крестовины, содержащая выгородку, предназначенную для размещения вала, подпятник, установленный с внешней стороны выгородки в составе втулки, соединенной с вращающимся диском, с которым взаимодействует опорный сегментный подшипник, размещенный на опорном диске с центрирующими и регулировочными элементами, и охладитель, предназначенный для охлаждения масла при работающей электрической машине, отличающаяся тем, что масляная ванна дополнительно снабжена радиальными ребрами жесткости, на которых расположен опорный диск, и охватывающим его цилиндрическим перфорированным ограждением, при этом охладитель выполнен в виде труб, свернутых в змеевик, уложенный на расположенных вокруг опорного диска вертикальных стойках, закрепленных на ребрах жесткости, на которые опирается перфорированное ограждение, размещенное между опорным диском и вертикальными стойками охладителя.

2. Масляная ванна электрической машины по п. 1, отличающаяся тем, что подпятник снабжен верхним направляющим подшипником, установленным с зазором по отношению к втулке подпятника и опирающимся на объемно-сварную конструкцию, которая установлена на цилиндрической стенке масляной ванны и является гнездом направляющего подшипника.