газотурбинный двигатель

Классы МПК:F01D15/08 для привода насосов и компрессоров или комбинированные с ними 
F01D25/16 расположение подшипников; установка и крепление подшипников в корпусах
F16C32/04 с использованием магнитных или электрических опор
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-08-08
публикация патента:

Газотурбинный двигатель, на вал которого надета цилиндрическая втулка, выполненная из немагнитного материала, одним концом упертая в торцевую поверхность колеса турбины, а другим упертая в кольцевой выступ пяты, выполненной из немагнитного материала, надетой на вал, на участке, примыкающем к колесу компрессора. Центральная часть ротора содержит соосные вал и обечайку, выполненную из немагнитного материала, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, тремя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными из немагнитного материала, в виде пластин одинаковой толщины, ориентированных радиально к продольной оси ротора. Ротор и подшипниковые узлы размещены в полости проставки, выполненной из немагнитного материала, содержащей цилиндрический корпус, концы которого снабжены фланцами, выполненными с возможностью разъемного жесткого скрепления соответственно с сопловым аппаратом турбины и диффузором компрессора, причем длина обечайки соответствует длине цилиндрической части полости проставки. Фланец проставки со стороны, обращенной к турбине, содержит отверстие, через которое пропущен с возможностью вращения вал с надетой на него цилиндрической втулкой, которые сосны с продольной осью проставки, кроме того, этот участок ротора снабжен первым радиальным магнитным подшипником, для чего названный фланец проставки снабжен кольцевым выступом, на внешней поверхности которого жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием. На внутренней поверхности обечайки жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на кольцевом выступе названного фланца проставки. У противоположного конца цилиндрической втулки размещен надетый на нее и часть кольцевого выступа пяты корпус второго радиального магнитного подшипника, для чего он выполнен в виде диска, снабженного отверстием, окруженным кольцевым выступом, обращенным к центральной части ротора. Края поверхности диска уперты в поверхность выступа, образованного первой цилиндрической выточкой, выполненной на конце цилиндрической части полости проставки, обращенной к компрессору. Противоположная сторона диска снабжена выточкой с плоским дном, причем на внешней поверхности кольцевого выступа корпуса второго радиального магнитного подшипника жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием. На внутренней поверхности обечайки, со стороны, обращенной к компрессору, жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на кольцевом выступе корпуса второго радиального магнитного подшипника. Ротор снабжен упорным магнитным подшипником, содержащим двустороннюю пяту и два подпятника, при этом в качестве первого подпятника использована сторона дисковой поверхности корпуса второго радиального магнитного подшипника, снабженная кольцевой выточкой с плоским дном, обращенная к пяте, второй подпятник выполнен как дисковой вкладыш, сторона которого, обращенная к пяте, снабжена кольцевым выступом, при этом края поверхности дискового вкладыша уперты в поверхность выступа, образованного второй цилиндрической выточкой, выполненной на конце первой цилиндрической выточки, обращенной к компрессору, а его противоположная плоскость обращена с зазором к колесу компрессора. Пята выполнена в виде диска, зафиксированного на валу ротора и снабженного с обеих сторон кольцевыми выступами, при этом на противоположных поверхностях диска выполнены кольцевые выточки с плоским дном. На дне кольцевой выточки первого подпятника и на плоскости второго подпятника, ограниченной его кольцевым выступом, жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обращенных к ним поверхностях кольцевых выточек пяты жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенных к ним поверхностях подпятников. Магнитный подшипниковый узел, размещенный со стороны турбины, выполнен с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°С, при этом цилиндрические участки наружной поверхности обечайки и пяты снабжены бандажом, выполненным, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами. Технический результат: обеспечение высокой несущей способности радиального и упорного подшипникового узлов в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение, надежный запуск ГТД при низких температурах, повышение его надежности работы при высоких динамических нагрузках, а также повышение механического КПД ГТД. 2 ил. газотурбинный двигатель, патент № 2528891

газотурбинный двигатель, патент № 2528891 газотурбинный двигатель, патент № 2528891

Формула изобретения

Газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена втулка ротора, снабженного радиальным и осевым подшипниковыми узлами, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, отличающийся тем, что на вал надета цилиндрическая втулка, выполненная из немагнитного материала, одним концом упертая в торцевую поверхность колеса турбины, а другим упертая в кольцевой выступ пяты, выполненной из немагнитного материала, надетой на вал, на участке, примыкающем к колесу компрессора, при этом центральная часть ротора содержит соосные вал и обечайку, выполненную из немагнитного материала, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, тремя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными из немагнитного материала, в виде пластин одинаковой толщины, ориентированных радиально к продольной оси ротора, кроме того, ротор и подшипниковые узлы размещены в полости проставки, выполненной из немагнитного материала, содержащей цилиндрический корпус, концы которого снабжены фланцами, выполненными с возможностью разъемного жесткого скрепления соответственно с сопловым аппаратом турбины и диффузором компрессора, причем длина обечайки соответствует длине цилиндрической части полости проставки, при этом фланец проставки, со стороны, обращенной к турбине, содержит отверстие, через которое пропущен с возможностью вращения вал с надетой на него цилиндрической втулкой, которые соосны с продольной осью проставки, кроме того, этот участок ротора снабжен первым радиальным магнитным подшипником, для чего названный фланец проставки снабжен кольцевым выступом, на внешней поверхности которого жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием, при этом на внутренней поверхности обечайки жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на кольцевом выступе названного фланца проставки, кроме того, у противоположного конца цилиндрической втулки размещен надетый на нее и часть кольцевого выступа пяты корпус второго радиального магнитного подшипника, для чего он выполнен в виде диска, снабженного отверстием, окруженным кольцевым выступом, обращенным к центральной части ротора, при этом края поверхности диска уперты в поверхность выступа, образованного первой цилиндрической выточкой, выполненной на конце цилиндрической части полости проставки, обращенной к компрессору, кроме того, противоположная сторона диска снабжена выточкой с плоским дном, причем на внешней поверхности кольцевого выступа корпуса второго радиального магнитного подшипника жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием, при этом на внутренней поверхности обечайки, со стороны, обращенной к компрессору, жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на кольцевом выступе корпуса второго радиального магнитного подшипника, кроме того, ротор снабжен упорным магнитным подшипником, содержащим двустороннюю пяту и два подпятника, при этом в качестве первого подпятника использована сторона дисковой поверхности корпуса второго радиального магнитного подшипника, снабженная кольцевой выточкой с плоским дном, обращенная к пяте, кроме того, второй подпятник выполнен как дисковой вкладыш, сторона которого, обращенная к пяте, снабжена кольцевым выступом, при этом края поверхности дискового вкладыша уперты в поверхность выступа, образованного второй цилиндрической выточкой, выполненной на конце первой цилиндрической выточки, обращенной к компрессору, а его противоположная плоскость обращена с зазором к колесу компрессора, причем пята выполнена в виде диска, зафиксированного на валу ротора и снабженного с обеих сторон кольцевыми выступами, при этом на противоположных поверхностях диска выполнены кольцевые выточки с плоским дном, кроме того, на дне кольцевой выточки первого подпятника и на плоскости второго подпятника, ограниченной его кольцевым выступом, жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обращенных к ним поверхностях кольцевых выточек пяты жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит как минимум, три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенных к ним поверхностях подпятников, кроме того, по меньшей мере, магнитный подшипниковый узел, размещенный со стороны турбины, выполнен с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°С, при этом цилиндрические участки наружной поверхности цилиндрической втулки и пяты снабжены бандажом, выполненным, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных двигателей, турбокомпрессоров, турбодетандеров.

Известен газотурбинный двигатель, компрессор которого содержит корпус с размещенными в нем несколькими рядами направляющих лопаток, ротор, содержащий обечайку с закрепленными на ней несколькими рядами рабочих лопаток. Две стальные крышки закрывают обечайку ротора с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники. Для уменьшения осевой силы к передней торцевой стенке ротора турбомашины из полости нагнетания компрессора подведен сжатый воздух. Чтобы уменьшить утечку воздуха из разгрузочной камеры, ее снабжают двумя уплотнениями, размещенными на периферии и у цапфы компрессора (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис.2.14).

Недостатком известного устройства является необходимость установки уплотнений на наружной и внутренней поверхностях газовой камеры, через которые происходит утечка рабочего тела ГТД.

Известен также газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена втулка ротора, снабженного радиальным и осевым подшипниковыми узлами, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора (см. RU 2456482, МПК F04D 29/051; F01D 3/04, 2012 г.).

При использовании в транспортных газотурбинных двигателях (ГТД) подшипников с масляной смазкой необходима система смазки подшипников, что усложняет установку, увеличивает затраты на эксплуатацию, затрудняет запуск двигателей при низких температурах. Использование лепестковых газодинамических подшипников ограниченно массой роторов до 10 кг.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение несущей способности радиального и упорного подшипниковых узлов ГТД, повышение надежности их работы при высоких динамических нагрузках, уменьшение потерь на трение в рабочем режиме, исключение загрязнения рабочего тела турбомашины маслом, повышение механического КПД ГТД.

Результат предлагаемого технического решения выражается в обеспечении высокой несущей способности радиального и упорного подшипникового узлов в рабочем режиме при уменьшении в них потерь на трение, надежном запуске ГТД при низких температурах, повышении его надежности работы при высоких динамических нагрузках, а также повышении механического КПД ГТД.

Поставленная задача решается тем, что газотурбинный двигатель, содержащий корпус, в цилиндрической полости которого установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью, включающий вал, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины, на который насажена втулка ротора, снабженного радиальным и осевым подшипниковыми узлами, а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора, отличающийся тем, что на вал надета цилиндрическая втулка, выполненная из немагнитного материала, одним концом упертая в торцевую поверхность колеса турбины, а другим упертая в кольцевой выступ пяты, выполненной из немагнитного материала, надетой на вал, на участке, примыкающем к колесу компрессора, при этом центральная часть ротора содержит соосные вал и обечайку, выполненную из немагнитного материала, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, тремя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными из немагнитного материала, в виде пластин одинаковой толщины, ориентированных радиально к продольной оси ротора, кроме того, ротор и подшипниковые узлы размещены в полости проставки, выполненной из немагнитного материала, содержащей цилиндрический корпус, концы которого снабжены фланцами, выполненными с возможностью разъемного жесткого скрепления соответственно с сопловым аппаратом турбины и диффузором компрессора, причем длина обечайки, соответствует длине цилиндрической части полости проставки, при этом фланец проставки, со стороны, обращенной к турбине, содержит отверстие, через которое пропущен с возможностью вращения вал с надетой на него цилиндрической втулкой, которые соосны с продольной осью проставки, кроме того, этот участок ротора снабжен первым радиальным магнитным подшипником, для чего названный фланец проставки снабжен кольцевым выступом, на внешней поверхности которого жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием, при этом на внутренней поверхности обечайки жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на кольцевом выступе названного фланца проставки, кроме того, у противоположного конца цилиндрической втулки размещен надетый на нее и часть кольцевого выступа пяты, корпус второго радиального магнитного подшипника, для чего он выполнен в виде диска, снабженного отверстием, окруженным кольцевым выступом, обращенным к центральной части ротора, при этом края поверхности диска уперты в поверхность выступа, образованного первой цилиндрической выточкой, выполненной на конце цилиндрической части полости проставки, обращенной к компрессору, кроме того, противоположная сторона диска снабжена выточкой с плоским дном, причем на внешней поверхности кольцевого выступа корпуса второго радиального магнитного подшипника жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименным, на внутренней поверхности обечайки, со стороны, обращенной к компрессору, жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на кольцевом выступе корпуса второго радиального магнитного подшипника, кроме того, ротор снабжен упорным магнитным подшипником, содержащим двустороннюю пяту и два подпятника, при этом в качестве первого подпятника использована сторона дисковой поверхности корпуса второго радиального магнитного подшипника, снабженная кольцевой выточкой с плоским дном, обращенная к пяте, кроме того, второй подпятник выполнен как дисковой вкладыш, сторона которого обращенная к пяте снабжена кольцевым выступом, при этом края поверхности дискового вкладыша уперты в поверхность выступа, образованного второй цилиндрической выточкой, выполненной на конце первой цилиндрической выточки, обращенной к компрессору, а его противоположная плоскость обращена с зазором к колесу компрессора, причем пята выполнена в виде диска, зафиксированного на валу ротора и снабженного с обеих сторон кольцевыми выступами, при этом на противоположных поверхностях диска выполнены кольцевые выточки с плоским дном, кроме того, на дне кольцевой выточки первого подпятника и на плоскости второго подпятника, ограниченной его кольцевым выступом, жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обращенных к ним поверхностях кольцевых выточек пяты жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенных к ним поверхностях подпятников, кроме того, по меньшей мере, магнитный подшипниковый узел, размещенный со стороны турбины, выполнен с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°С, при этом цилиндрические участки наружной поверхности обечайки и пяты снабжены бандажом, выполненным, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки, указывающие, что «на вал, надета цилиндрическая втулка, выполненная из немагнитного материала, одним концом упертая в торцевую поверхность колеса турбины, а другим упертая в кольцевой выступ пяты, выполненной из немагнитного материала, надетой на вал, на участке, примыкающем к колесу компрессора, при этом центральная часть ротора содержит соосные вал, втулку и обечайку, выполненную из немагнитного материала, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, тремя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными из немагнитного материала, в виде пластин одинаковой толщины, ориентированных радиально к продольной оси ротора», обеспечивают формирование цапф радиальных магнитных подшипников, что позволяет цапфам магнитных подшипников достигать высоких окружных скоростей без их разрушения от действия центробежных сил.

Признаки, указывающие, что «ротор и подшипниковые узлы размещены в полости проставки, выполненной из немагнитного материала» обеспечивают работоспособность магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что проставка содержит «цилиндрический корпус, концы которого снабжены фланцами, выполненными с возможностью разъемного жесткого скрепления соответственно с сопловым аппаратом турбины и диффузором компрессора», обеспечивают возможность сборки названных узлов в единый агрегат после их предварительной сборки.

Признаки, указывающие, что «длина обечайки соответствует длине цилиндрической части полости проставки, при этом фланец проставки со стороны, обращенной к турбине, содержит отверстие, через которое пропущен с возможностью вращения вал с надетой на него цилиндрической втулкой, которые соосны с продольной осью проставки»,обеспечивают возможность размещения ротора и магнитных подшипников в проставке ГТД.

Признаки, указывающие, что «участок ротора снабжен первым радиальным магнитным подшипником, для чего названный фланец проставки снабжен кольцевым выступом, на внешней поверхности которого жестко закреплен составной постоянный магнит», обеспечивают формирование вкладыша радиального магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что постоянный магнит содержит «как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием», обеспечивают усиление магнитного потока вкладыша радиального магнитного подшипника и направление его основной части в зону рабочих зазоров радиального магнитного подшипника для получения значительных магнитных сил отталкивания.

Признаки, указывающие, что «на внутренней поверхности обечайки жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на кольцевом выступе, названного фланца проставки», обеспечивают формирование цапфы радиального магнитного подшипника, формирование и усиление магнитного потока цапфы радиального магнитного подшипника и направление его основной части в зону рабочих зазоров радиального магнитного подшипника для получения значительных магнитных сил отталкивания.

Признаки, указывающие, что «у противоположного конца цилиндрической втулки размещен надетый на нее и часть кольцевого выступа пяты, корпус второго радиального магнитного подшипника, для чего он выполнен в виде диска, снабженного отверстием, окруженным кольцевым выступом, обращенным к центральной части ротора, при этом края поверхности диска уперты в поверхность выступа, образованного первой цилиндрической выточкой, выполненной на конце цилиндрической части полости проставки, обращенной к компрессору, кроме того, противоположная сторона диска снабжена выточкой с плоским дном, причем на внешней поверхности кольцевого выступа корпуса второго радиального магнитного подшипника жестко закреплен составной постоянный магнит» обеспечивают формирование вкладыша второго радиального магнитного подшипника.

Признаки, указывающие, что постоянный магнит содержит «как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием», обеспечивают формирование и усиление магнитного потока вкладыша радиального магнитного подшипника и направление его основной части в зону рабочих зазоров радиального магнитного подшипника для получения значительных магнитных сил отталкивания.

Признаки, указывающие, что «на внутренней поверхности обечайки, со стороны, обращенной к компрессору, жестко закреплен составной постоянный магнит, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на кольцевом выступе, корпуса второго радиального магнитного подшипника», обеспечивают формирование цапфы второго радиального магнитного подшипника, формирование и усиление магнитного потока цапфы радиального магнитного подшипника и направление его основной части в зону рабочих зазоров радиального магнитного подшипника для получения значительных магнитных сил отталкивания.

Признаки, указывающие, что «ротор снабжен упорным магнитным подшипником, содержащим двустороннюю пяту и два подпятника», обеспечивают восприятие осевых статических и динамических сил, обусловленных газодинамическими силами турбины и компрессора, а также вибрацией корпуса ГТД.

Признак, указывающий, что «в качестве первого подпятника использована сторона дисковой поверхности корпуса второго радиального магнитного подшипника, снабженная кольцевой выточкой с плоским дном, обращенная к пяте, кроме того, второй подпятник выполнен как дисковой вкладыш, сторона которого, обращенная к пяте, снабжена кольцевым выступом, при этом края поверхности дискового вкладыша уперты в поверхность выступа, образованного второй цилиндрической выточкой, выполненной на конце первой цилиндрической выточки, обращенной к компрессору, а его противоположная плоскость обращена с зазором к колесу компрессора» формируют конструкцию корпусов подпятников ГТД.

Признаки, указывающие, что «пята выполнена в виде диска, зафиксированного на валу ротора и снабженного с обеих сторон кольцевыми выступами, при этом на противоположных поверхностях диска выполнены кольцевые выточки с плоским дном, кроме того, на дне кольцевой выточки первого подпятника и на плоскости второго подпятника, ограниченной его кольцевым выступом, жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обращенных к ним поверхностях кольцевых выточек пяты жестко закреплены составные постоянные магниты, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенных к ним поверхностях подпятников», формируют магнитную систему упорных магнитных подшипников, формируют и усиливают магнитный поток пят и подпятников упорных магнитных подшипников и направление его основной части в зону рабочих зазоров упорных магнитных подшипников для получения значительных магнитных сил отталкивания и формирования рабочих зазоров упорных магнитных подшипников.

Признак, указывающий, что «по меньшей мере, магнитный подшипниковый узел, размещенный со стороны турбины, выполнен с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°С», предотвращает размагничивание постоянных магнитов от действия высоких температур со стороны турбины и тем самым обеспечивает работоспособность магнитных подшипников во всем рабочем диапазоне температур.

Признак, указывающий, что «цилиндрические участки наружной поверхности обечайки и пяты снабжены бандажом, выполненным, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами», повышает прочность цапфы и пяты, уменьшает деформации зазора радиальных магнитных подшипников.

На фиг.1 показан продольный разрез ГТД, а на фиг.2 - поперечный разрез.

На чертежах показаны проставка 1 корпуса ГТД, вал 2, рабочее колесо турбины 3, колесо центробежного компрессора 4, цилиндрическая втулка 5, силовой каркас 6, пята 7, обечайка 8, фланцы 9, 10 проставки 1, постоянные магниты 11, 12 и 13, 14, сопловый аппарат 15 турбины 3, диффузор 16 центробежного компрессора 4, кольцевой выступ 17 проставки 1, составные коаксиальные постоянные магниты 18, 19 и 20, 21, кольцевой выступ 22 пяты 7, корпус 23 второго радиального магнитного подшипника, диск 24, выточка с плоским дном 25, кольцевой выступ 26 второго радиального подшипника, цилиндрическая выточка 27, бандажи 28, 29, балансировочная шайба 30 и гайка 31, зазоры 32, 33 радиальных подшипников, зазор 34 и 35 упорных подшипников.

Корпус газотурбинного двигателя содержит проставку 1, размещенную между корпусами турбины 3 и центробежного компрессора 5. В цилиндрической полости проставки 1 установлен ротор с цилиндрической внешней поверхностью. Ротор ГТД включает вал 2, один конец которого жестко скреплен с рабочим колесом турбины 3, (например, сваркой трением), а на свободном конце зафиксировано колесо центробежного компрессора 4. На вал 2 насажена цилиндрическая втулка 5, снабженная силовым каркасом 6, выполненная из немагнитного материала, например алюминиевого сплава АК-4, и обечайкой 8, на наружную поверхность которой надет бандаж 28 из высокопрочного материала, выполненный, например, намоткой углеволокна с пропиткой твердеющими синтетическими смолами. На вал 2 со стороны цетробежного компрессора 4 вплотную к торцу цилиндрической втулки 5 насажена пята 7 упорного магнитного подшипника, на наружную поверхность которой также надет бандаж 29 из высокопрочного материала. Далее на вал 2 вплотную к торцам соответствующих поверхностей насажены колесо центробежного компрессора 4, балансировочная шайба 30 и гайка 31.

Ротор и подшипниковые узлы размещены в полости проставки 1, выполненной из немагнитного материала, содержащей цилиндрический корпус, концы которого снабжены фланцами 9, 10, выполненными с возможностью разъемного жесткого скрепления, соответственно, с сопловым аппаратом 15 турбины 3 и диффузором 16 центробежного компрессора 4. Длина обечайки 8 соответствует длине цилиндрической части полости проставки 1, при этом, фланец 9, проставки 1, со стороны, обращенной к турбине, 3 содержит отверстие, через которое пропущен с возможностью вращения вал 2 с надетой на него цилиндрической втулкой 5, которые соосны с продольной осью проставки 1.

Кроме того, этот участок ротора снабжен первым радиальным магнитным подшипником. Для этого фланец 9 проставки 1 снабжен кольцевым выступом 17, на внешней поверхности которого жестко закреплен составной постоянный магнит 11, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием. На внутренней поверхности обечайки 8 жестко закреплен составной постоянный магнит 12, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, причем число, размеры, местоположение и направление намагниченности кольцевых постоянных магнитов 12 аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов 11, закрепленных на кольцевом выступе 17 фланца 9 проставки 1.

У противоположного конца цилиндрической втулки 5 размещен надетый на нее и часть кольцевого выступа пяты 7 корпус 23 второго радиального магнитного подшипника. Корпус 23 второго радиального магнитного подшипника выполнен в виде диска 24, снабженного отверстием, окруженным кольцевым выступом 26, обращенным к центральной части ротора. Края поверхности диска 24 уперты в поверхность выступа 26, образованного первой цилиндрической выточкой 27, выполненной на конце цилиндрической части полости проставки 1, обращенной к центробежному компрессору 4. Противоположная сторона диска 24 снабжена выточкой 25 с плоским дном, причем на внешней поверхности кольцевого выступа 26 корпуса 23 второго радиального магнитного подшипника жестко закреплен составной постоянный магнит 13, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом, нечетные из которых, начиная с крайних, намагничены по оси ротора и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с радиальным намагничиванием.

При этом на внутренней поверхности обечайки 8, со стороны, обращенной к компрессору 4, жестко закреплен составной постоянный магнит 14, содержащий как минимум три кольцевых постоянных магнита, размещенных друг за другом. Число, размеры, местоположение и направление намагниченности кольцевых постоянных магнитов 14 аналогичны числу, размерам, местоположению и направлению намагниченности постоянных магнитов 13, закрепленных на кольцевом выступе 26 корпуса 23 второго радиального магнитного подшипника,

Ротор снабжен упорным магнитным подшипником, содержащим двустороннюю пяту 7 и два подпятника. В качестве первого подпятника использована сторона дисковой поверхности корпуса 23 второго радиального магнитного подшипника, снабженная кольцевой выточкой 25 с плоским дном, обращенная к пяте 7. Второй подпятник выполнен как дисковой вкладыш 24,сторона которого, обращенная к пяте 7,снабжена цилиндрической выточкой 27. При этом края поверхности дискового вкладыша уперты в поверхность выступа 26, образованного второй цилиндрической выточкой 27, выполненной на конце первой цилиндрической выточки 25, обращенной к компрессору 4, а его противоположная плоскость обращена с зазором к колесу компрессора 4, причем пята 7 выполнена в виде диска, зафиксированного на валу 2 ротора и снабженного с обеих сторон кольцевыми выступами, при этом на противоположных поверхностях диска 24 выполнены кольцевые выточки 25 и 27 с плоским дном.

На дне кольцевой выточки первого подпятника 23 и на плоскости второго подпятника 24, ограниченной его кольцевым выступом, жестко закреплены составные постоянные магниты 18 и 20, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, нечетные из которых, начиная с крайнего, намагничены радиально и обращены друг к другу одноименными полюсами, а четные выполнены с осевым намагничиванием, кроме того, на обращенных к ним поверхностях кольцевых выточек пяты 7 жестко закреплены составные постоянные магниты 19 и 21, каждый из которых содержит как минимум три кольцевых коаксиальных постоянных магнита, при этом число, размеры и направление намагниченности этих кольцевых постоянных магнитов аналогичны числу, размерам и направлению намагниченности постоянных магнитов, закрепленных на обращенных к ним поверхностях подпятника 7. Кроме того, по меньшей мере, магнитный подшипниковый узел, размещенный со стороны турбины 3, выполнен с использованием магнитного материала с точкой Кюри не менее 900°С.

Изготавливают и собирают радиальный магнитный подшипник следующим образом. На кольцевой выступ 17 проставки 1 и кольцевой выступ 26 корпуса 23 радиального магнитного подшипника вклеивают предварительно изготовленные кольцевые постоянные магниты 11 и 13, намагниченные радиально и по оси ротора. На обечайку 8 наматывают углеволокно и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. На внутреннюю поверхность обечайки 8 с двух сторон вклеивают предварительно изготовленные радиально и по оси ротора намагниченные кольцевые постоянные магниты 12 и 14.

Упорный магнитный подшипник собирают в следующем порядке. На наружную поверхность пяты 7 наматывают углеволокно и пропитывают его твердеющими синтетическими смолами. Предварительно изготавливают радиально и по оси ротора намагничивают кольцевые коаксиальные постоянные магниты 18, 19 и 20, 21. Их вклеивают в кольцевые пазы на диске 24, в кольцевые пазы 25 в корпусе 23 второго радиального магнитного подшипника и в донные части выемок пяты 7.

Ротор в сборе с колесом центробежного компрессора 4, пятой 7 в сборе с постоянными магнитами 19, 21, балансировочной шайбой 30 и гайкой 31 подвергают динамической балансировке. Отбалансированный ротор разбирают по балансировочным меткам.

В проставку 1 вставляют ротор без съемных деталей. Закрепляют болтами в проставке 1 ГТД теплозащитный экран, насаживают на вал 2 цилиндрическую втулку 5 с обечайкой 8 и магнитами 12, 14. Далее устанавливают в проставке 1 на винты корпус 23 второго радиального подшипника совместно с магнитом 13, насаживают пяту 7, устанавливают в проставке 1 диск 24, колесо центробежного компрессора 4, балансировочную шайбу 30 и затягивают гайку 31 необходимым моментом. Остальные детали собирают согласно технологии сборки ГТД.

Радиальный подшипниковый узел работает следующим образом. Радиальные составляющие магнитных сил действует отталкивающим образом между постоянными магнитами 11, 12 и 13, 14.

Магнитная части предлагаемого радиального подшипникового узла автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению цапфы (обечайки 8) от соосного положения относительно точки подвижного равновесия цапфы 8 в подшипниковом узле и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).

Упорный подшипниковый узел работает следующим образом. Осевая составляющая магнитных сил действует отталкивающим образом между постоянными магнитами 18 и 19, а также между 20 и 21, зафиксированными в корпусе второго радиального магнитного подшипника 23, на диске 24 и в пяте 7.

При двусторонней симметричной конструкции осевого подшипникового узла магнитная составляющие силы реакции предлагаемого подшипникового узла, действуя симметрично и противоположно направленно, автоматически реализуют отрицательную обратную связь по отклонению пяты 7 от равновесного положения и не требуют дополнительных устройств (датчиков отклонения и быстродействующих регуляторов).

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2528891

patent-2528891.pdf

Класс F01D15/08 для привода насосов и компрессоров или комбинированные с ними 

газотурбинный двигатель -  патент 2529294 (27.09.2014)
газотурбинный двигатель -  патент 2528889 (20.09.2014)
турбоблок -  патент 2518919 (10.06.2014)
турбонасосный агрегат и способ перекачивания холодной, горячей и промышленной воды -  патент 2511983 (10.04.2014)
турбинный узел турбонасосного агрегата -  патент 2511964 (10.04.2014)
турбонасосный агрегат и способ перекачивания холодной, горячей и промышленной воды -  патент 2511963 (10.04.2014)
способ и система запуска и работы приводимой в действие электрически нагрузки -  патент 2435966 (10.12.2011)
газоперекачивающий агрегат -  патент 2403416 (10.11.2010)
турбокомпрессор-детандер -  патент 2303142 (20.07.2007)
компактный турбоконденсатный насос -  патент 2126913 (27.02.1999)

Класс F01D25/16 расположение подшипников; установка и крепление подшипников в корпусах

Класс F16C32/04 с использованием магнитных или электрических опор

газотурбинный двигатель -  патент 2529294 (27.09.2014)
газотурбинный двигатель -  патент 2528889 (20.09.2014)
электрошпиндель -  патент 2528420 (20.09.2014)
сенсорное устройство для тока подшипника с преобразователем энергии -  патент 2526864 (27.08.2014)
способ и устройство управления положением ротора в магнитных подшипниках -  патент 2518053 (10.06.2014)
способ формирования сигналов отклонения ротора в системах магнитного подвеса роторных машин и устройство для его реализации (варианты) -  патент 2507420 (20.02.2014)
магнитодинамическая опора -  патент 2502899 (27.12.2013)
поршневая машина с магнитной опорой поршня -  патент 2502882 (27.12.2013)
подшипниковое устройство (варианты) и подшипниковый кронштейн с магнитным радиальным и поддерживающим подшипниками для вращающейся машины (варианты) -  патент 2499167 (20.11.2013)
улавливающий подшипник для улавливания роторного вала машины -  патент 2494292 (27.09.2013)
Наверх