Электрическая машина с вентиляторным охлаждением и с компенсацией осевой нагрузки
Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - снижение осевой нагрузки, создаваемой давлением охлаждающего газа. Электрическая машина содержит статор, ротор, установленный на валу, охлаждающий вентилятор, содержащий вращающееся рабочее колесо, имеющее впускное отверстие для газа и выпускное отверстие для газа и установленное на первом конце указанного вала, проходы для охлаждающего газа, предназначенные для доставки сжатого охлаждающего газа через статор и ротор. Между охлаждающим вентилятором и статором и ротором расположена распределительная камера для охлаждающего газа, проточно сообщающаяся с охлаждающим вентилятором и проходами для охлаждающего газа. Сжатый охлаждающий газ, доставляемый вентилятором, поступает в распределительную камеру и распределяется оттуда к проходам для охлаждающего газа. Вентилятор имеет упорную поверхность, обращенную к статору и ротору, и давление газа в распределительной камере воздействует на упорную поверхность, создавая осевое усилие, действующее на вал. При этом осевое усилие направлено противоположно направлению потока охлаждающего газа через статор и ротор. Кроме того, охлаждающий вентилятор содержит неподвижный диффузор, расположенный в выпускном отверстии для газа рабочего колеса. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к вращающимся машинам, в частности к вращающимся электрическим машинам. Некоторые варианты выполнения настоящего изобретения относятся к вращающимся машинам и оборудованию, включая вращающуюся электрическую машину и турбомашину, соединенную с ней с возможностью приведения в действие.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Электрические машины часто используются в качестве первичных двигателей, соединенных с приводным оборудованием, таким как компрессор или насос. Электрические машины также используются в качестве генераторов, соединенных с возможностью приведения в действие с первичным двигателем, таким как двигатель внутреннего сгорания, например, газовая турбина или поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Электрические машины иногда имеют охлаждающий вентилятор, установленный на его валу, для создания потока охлаждающей текучей среды, обычно такого как поток охлаждающего газа. В некоторых известных конструкциях электродвигатели, используемые в качестве первичных двигателей для турбокомпрессоров, в качестве охлаждающей среды используют тот же самый газ, что пропускается через турбокомпрессор.
В высокоскоростной электрической машине обычно имеется потребность в обеспечении значительного потока охлаждающего газа, чтобы поддерживать нужный уровень низкой температуры в роторе и статоре электрической машины. Для того чтобы преодолеть сопротивление потоку охлаждающего газа, требуется охлаждающий вентилятор, установленный на валу электрической машины для получения значительного давления на одном конце электрической машины. Разность давлений, создаваемая таким образом вдоль ротора электрической машины, приводит к созданию осевого усилия, действующего на ротор электрической машины в направлении охлаждающего потока, в сторону конца электрической машины, противоположного охлаждающему вентилятору, т.е. в направлении ведомой / ведущей машины, подключенной к электрической машине. Осевое усилие, создаваемая давлением охлаждающего потока, может стать очень значительным и потребовать использования специального устройства для компенсации осевой нагрузки.
Даже если мощное устройство для компенсации осевой нагрузки, такое как осевой подшипник, находится в оборудовании, подсоединенном к электрической вращающейся машине для компенсации собственного осевого усилия, способно компенсировать дополнительное усилие, создаваемое в подсоединенной электрической машине благодаря потоку охлаждающего газа, то все равно осевое усилие охлаждающего потока, действующее на ротор и вал электрической машины, затрудняет выбор гибкой муфты для соединения вала электрической машины с валом ведомой / ведущей машины, что часто имеет решающее значение для высокоскоростных приложений.
Существует, следовательно, потребность в другом подходе к проблеме компенсации осевой нагрузки, создаваемой на валу вращающейся электрической машины потоком охлаждающего газа, обеспечиваемым охлаждающим вентилятором, установленным на электрической машине.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для снижения осевой нагрузки, создаваемой давлением охлаждающего газа, совместно с охлаждающим вентилятором может быть предусмотрена распределительная камера для охлаждающего газа. Охлаждающий газ доставляется охлаждающим вентилятором в указанную распределительную камеру при повышенном давлении, а оттуда подается к электрической машине, например, через зазор между ротором и статором. Повышенное давление газа в распределительной камере создает осевое усилие, действующее на вал электрической машины, которое противодействует осевой нагрузке, создаваемой давлением охлаждающего газа, действующим на ротор электрической машины. Осевое усилие ориентировано в целом противоположно потоку охлаждающего газа через электрическую машину.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, предложена вращающаяся машина, содержащая вращающуюся электрическую машину, имеющую статор, вращающийся вал и ротор, установленный на вращающемся валу и вращающийся вместе с ним. Вращающаяся машина дополнительно содержит охлаждающий вентилятор, содержащий вращающееся рабочее колесо, установленное на первом конце вращающегося вала и вращающееся вместе с ним. Между охлаждающим вентилятором и статорно-роторным узлом расположена распределительная камера для охлаждающего газа, которая проточно сообщается с охлаждающим вентилятором и с проходами для охлаждающего газа, выполненными с возможностью доставки охлаждающего газа в электрической машине. Сжатый охлаждающий газ, доставляемый охлаждающим вентилятором, поступает в распределительную камеру для охлаждающего газа и распределяется оттуда к указанным проходам для охлаждающего газа. Охлаждающий вентилятор имеет упорную поверхность, обращенную к статорно-роторному узлу, так что давление газа в распределительной камере, действующее на упорную поверхность, создает уравновешивающее осевое усилие, действующее на вал. Упорная поверхность может быть образована самим рабочим колесом или добавленным к нему упорным диском. Поскольку давление в указанной распределительной камере выше, чем давление во впускном отверстии охлаждающего вентилятора, осевая нагрузка прикладывается к валу, на котором установлены ротор и охлаждающий вентилятор. Осевая нагрузка, создаваемая сжатым охлаждающим газом в указанной распределительной камере, направлена в целом противоположно направлению потока охлаждающего газа через статорно-роторный узел электрической машины, так что указанное осевое усилие уравновешивает осевую нагрузку, создаваемую потоком сжатого охлаждающего газа, протекающим через статорно-роторный узел.
Сжатый охлаждающий газ, поступающий в распределительную камеру для охлаждающего газа, может полностью или частично протекать через зазор между ротором и статором. В некоторых вариантах выполнения охлаждающий газ может использоваться для отвода тепла от дополнительных компонентов, элементов или частей вращающегося оборудования. Поток охлаждающего газа может использоваться, например для продувки подшипников. Это в особенности полезно в случае электромагнитных подшипников. Охлаждающий газ может также использоваться для охлаждения компонентов дополнительного оборудования, соединенного с возможностью приведения в действие с электрической машиной, например, с компрессором, когда электрическая машина работает в качестве электрического двигателя, или первичного двигателя, когда электрическая машина работает в качестве генератора.
В соответствии с еще одним аспектом, настоящее изобретение относится к способу уравновешивания создаваемой осевой нагрузки во вращающемся оборудовании, включающем вращающуюся электрическую машину, имеющую статор, вращающийся вал и ротор, установленный на вращающемся валу и вращающийся вместе с ним. Способ включает создание давления газа путем подачи охлаждающего газа в распределительную камеру для охлаждающего газа и создание осевой нагрузки или осевого усилия, действующего на вал посредством давления охлаждающего газа, причем осевая нагрузка или осевое усилие направлены противоположно направлению потока охлаждающего газа через статорно-роторный узел электрической машины.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, способ включает следующие этапы: использование охлаждающего вентилятора, состоящего из вращающегося рабочего колеса, имеющего впускное отверстие и выпускное отверстие и расположенного на вращающемся валу; обеспечение вращения рабочего колеса и доставку сжатого охлаждающего газа в распределительную камеру для охлаждающего газа; доставку охлаждающего газа в направлении потока охлаждающего газа из указанной распределительной камеры к ротору и статору; создание уравновешивающего осевого усилия посредством сжатого охлаждающего газа в указанной распределительной камере, причем указанное уравновешивающее осевое усилие действует на вал в направлении, противоположном направлению потока охлаждающего газа.
Раскрытые ниже в описании признаки и варианты выполнения изобретения также приведены в приложенной формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть настоящей заявки. Приведенная выше сущность изобретения определяет признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для того, чтобы последующее подробное описание могло быть лучше понято, и для того, чтобы настоящий вклад в данную области техники могут быть лучше понят. Есть, конечно, другие признаки изобретения, которые описаны ниже и которые изложены в прилагаемой формуле изобретения. В этом отношении, перед подробным объяснением нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения следует понимать, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в их применении к подробностям конструкции и расположении компонентов, изложенных в последующем описании или показанных на чертежах. Изобретение допускает другие варианты выполнения и может быть осуществлено и осуществляется различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, использованные в настоящем документе, приведены в целях описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.
Специалистам будет понятно, что концепция, на которой основано изобретение, может легко использоваться в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или системы для достижения нескольких целей настоящего изобретения. Поэтому важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции, поскольку они не отклоняются от сущности и объема настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание раскрытых вариантов выполнения изобретения и многие из сопутствующих преимуществ будут легко получены, поскольку они станут лучше понятны со ссылкой на последующее подробное описание при рассмотрении в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг. 1 схематически иллюстрирует интегрированные электрический двигатель и компрессор; и
Фиг. 2-5 иллюстрируют схематические разрезы распределительной камеры для охлаждения газа, расположенной за охлаждающим вентилятором электрической машины, в соответствии с различными вариантами выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылками на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Кроме того, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.
Ссылка во всем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включены в по меньшей мере один вариант выполнения раскрытого изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах по всему описанию не обязательно относится к одному варианту(ам). Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, как будет описано более подробно со ссылкой на Фиг. 1-5, устройство компенсации осевой нагрузки, раскрытое в настоящем документе, может быть воплощено в моторно-компрессорном оборудовании, состоящим из электродвигателя, соединенного с приводным компрессором, например, турбокомпрессором, таким как центробежный турбокомпрессор. Следует, однако, понимать, что принципы изобретения могут также применяться к другим видам оборудования, например, в которых электрическая вращающаяся машина работает как генератор, а не как электродвигатель, и приводится во вращение первичным двигателем, таким как двигатель внутреннего сгорания, например, газовая турбина.
Обратимся теперь к вариантам выполнения, показанным на чертежах, в некоторых вариантах выполнения, как схематически показано в разрезе, на Фиг. 1 показано устройство 1, содержащее наружный корпус 2, вмещающий электрический двигатель 3 и приводимую в действие нагрузку, такую как турбокомпрессор 5.
Электродвигатель 3 содержит осевой вал 7. Вал 7 может опираться на подшипники, такие как концевые подшипники 9А и 9В. В некоторых вариантах выполнения подшипники 9А, 9В могут содержать подшипники качения. В других вариантах выполнения могут использоваться магнитные подшипники. В некоторых других вариантах выполнения могут быть предусмотрены гидродинамические, гидростатические, газовые или воздушные подшипники. Также может быть предусмотрена комбинация различных подшипников. Также могут быть использованы подшипники, имеющие способность поддерживать тягу, например, в сочетании с радиальными подшипниками.
Между подшипниками 9А, 9В на валу 7 с возможностью вращения может быть установлен ротор 11. Статор 13 расположен коаксиально и вокруг ротора 11 и неподвижно поддерживается в корпусе 2. Между ротором 11 и статором 13 образован зазор 15, далее называемый «воздушным зазором».
Вал 7 электрического двигателя 3 может быть механически соединен с осевым валом 17 турбокомпрессора 5 через подходящую муфту 19, установленную между электродвигателем 3 и турбокомпрессором 5. В некоторых вариантах выполнения муфта 19 может представлять собой гибкую муфту вала с низкой допустимой аксиальной нагрузкой. Валы 7 и 17 вместе с муфтой вала образуют линию вала вращающейся машины. В некоторых вариантах выполнения, которые не показаны, может быть предусмотрен один вал без муфт.
Турбокомпрессор 5 может представлять собой многоступенчатый турбокомпрессор, содержащий два или большее количество рабочих колес 5С, установленных на валу 17 и приводимых во вращение от электродвигателя 3 через гибкую муфту 19 вала.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, турбокомпрессор 5 и электрический двигатель 3 могут быть размещены в одном и том же корпусе, как схематически показано на Фиг. 1, где корпус схематически представлен номером позиции 2. В других вариантах выполнения электрическая машина и турбомашина могут быть размещены в разных корпусах, причем для передачи механической мощности от одного корпуса к другому может быть также предусмотрена линия вала.
Вал 17 турбокомпрессора 5 может опираться на соответствующие подшипники. В некоторых вариантах выполнения предусмотрены упорные подшипники и радиальные подшипники. Например, торцевые подшипники 19А и 19В могут быть установлены на противоположных концах вала 17. В некоторых вариантах выполнения осевой подшипник или упорный подшипник 21 расположен в соответствующем месте вдоль вала 17, например, между турбокомпрессором 5 и радиальным подшипником 19В напротив муфты 19, т.е. напротив ведомого конца турбокомпрессора 5.
Осевой упорный подшипник 21 может представлять собой подшипник качения, гидродинамический, гидростатический, газовый или воздушный подшипник. В других вариантах выполнения осевой упорный подшипник 21 может представлять собой магнитный или электромагнитный подшипник. Радиальные подшипники 19А, 19В также могут представлять собой магнитные или электромагнитные подшипники, подшипники качения, гидродинамические, гидростатические, газовые или воздушные подшипники или их комбинации.
Электродвигатель 3 может иметь охлаждающий вентилятор 23. Охлаждающий вентилятор 23 может быть установлен на валу 7 электродвигателя 3 для совместного вращения вместе с ним. Если как электродвигатель 3, так и турбокомпрессор 5 имеют один вал или линию вала, то охлаждающий вентилятор 23 может быть установлен на одном таком валу.
Охлаждающий вентилятор 23 может быть расположен на конце вала 7, противоположном турбомашине, т.е. турбокомпрессору 5 в данном варианте выполнения. Если же имеется муфта 19, то охлаждающий вентилятор 23 может быть расположен напротив муфты 19 относительно электрической машины, т.е. охлаждающий вентилятор 23 и муфта 19 расположены на противоположных сторонах статорно-роторного узла 13, 11.
В некоторых вариантах выполнения охлаждающий вентилятор 23 может содержать одно аксиально-радиальное рабочее колесо, показанное на Фиг. 2-5. В качестве альтернативы, охлаждающий вентилятор 23 может содержать более одного аксиально-радиального рабочего колеса (не показано).
Охлаждающий вентилятор создает поток F охлаждающей среды, такой как охлаждающий газ, который доставляется через электродвигатель 3, а конкретнее, через воздушный зазор 15 между статором 13 и ротором 11. Поток F охлаждающей среды также может использоваться для охлаждения подшипников 9А, 9В, поддерживающих вал 7 ротора 11.
Охлаждающий вентилятор 23 повышает давление охлаждающего газа до значений, достаточных для преодоления гидравлического сопротивления потоку охлаждающего газа, создаваемого через проходы для охлаждающего газа и, в частности, через воздушный зазор 15.
В некоторых вариантах выполнения газ, прошедший через компрессор 5, может использоваться в качестве охлаждающего газа. В таком случае охлаждающий газ отводится из основной газовой магистрали турбокомпрессора к охлаждающему вентилятору 23. В некоторых вариантах выполнения технологический газ подается к впускной стороне 5А, или стороне низкого давления, компрессора через линию 25 низкого давления компрессора. Газ, прошедший через компрессор 5, затем доставляется при конечном давлении через выпускное отверстие 5 В компрессора 5. Также может быть предусмотрен боковой воздуховод 27, предназначенный для отведения фракции основного потока газа в направлении впускного отверстия 23А охлаждающего вентилятора 23, так что технологический газ может быть использован для охлаждения электродвигателя 3.
Поток F охлаждающего газа протекает через электродвигатель 3 и охлаждает статорно-роторный узел при протекании через воздушный зазор 15. Как уже упоминалось выше, в некоторых вариантах выполнения поток F охлаждающего газа также может использоваться для охлаждения подшипников 9А, 9В электрического двигателя 3. Это особенно полезно, когда используются электромагнитные подшипники. Поток предварительно нагретого охлаждающего газа затем направляется в обратный канал 29 в направлении линии 25 низкого давления. В других, не показанных, вариантах выполнения может быть использована другая охлаждающая среда, отличная от технологического газа. Например, для охлаждения электродвигателя 3 может быть использован атмосферный воздух. В некоторых вариантах выполнения отработанная охлаждающая среда может быть выпущена в атмосферу, например, когда в качестве охлаждающего газа используется воздух.
Для того, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление потоку охлаждающего газа через проход для охлаждающего газа в электродвигателе 3, в частности, через воздушный зазор 15, вентилятор 23 повышает давление охлаждающего газа, по существу, до высокого значения, так что на одном конце электродвигателя 3 приложено значительное давление. Разность давлений, созданная, таким образом, вдоль ротора электродвигателя 3, приводит к появлению осевого усилия, действующего на ротор в направлении охлаждающего потока к муфте 19, т.е. в соответствии со стрелкой fF, изображенной на Фиг. 1. В некоторых иллюстративных вариантах выполнения предусмотрены средства компенсации или снижения осевой нагрузки, создаваемой потоком охлаждающего газа на роторе 11 и валу 7 двигателя 3.
Фиг. 2 иллюстрирует схематический разрез вдоль плоскости, содержащей ось Α-A вращения охлаждающего вентилятора 23 и объединенной с ним распределительной камеры 31 для охлаждающего газа.
Как показано на Фиг. 2, рабочее колесо 33 охлаждающего вентилятора 23 может быть установлено консольно на одном конце 7А вала 7 двигателя 3. Рабочее колесо 33 может иметь по существу осевое впускное отверстие33А и по существу радиальное выпускное отверстие 33В. Поток F охлаждающего газа поступает во впускное отверстие 33А колеса 33 через впускную магистраль 34. В некоторых вариантах выполнения поперечное сечение впускной магистрали 34 может постепенно уменьшаться, так что поток F охлаждающего газа постепенно ускоряется вдоль впускной магистрали 34, а его статическое давление уменьшается от впускного отверстия магистрали в направлении впускного отверстия рабочего колеса, как результат ускорения потока.
Поток охлаждающего газа затем пропускают через рабочее колесо 33, которое ускоряет поток охлаждающего газа до высокой скорости, одновременно увеличивая его статическое давление, вплоть до выпускного отверстия 33В рабочего колеса. Для направления сжатого охлаждающего газа из рабочего колеса 33 к распределительной камере 31 для охлаждающего газа, вокруг рабочего колеса 33 расположен неподвижный диффузор 35. В некоторых вариантах выполнения в неподвижном диффузоре 35 могут быть расположены неподвижные лопатки 37.
Поток охлаждающего газа, выходящий из рабочего колеса 33, замедляется вдоль неподвижного диффузора 35 и при протекании через лопатки 37 диффузора, в связи с увеличением площади поперечного сечения. Статическое давление потока газа, соответственно, увеличивается. Поток охлаждающего газа затем поступает в распределительную камеру 31.
Распределительная камера 31 может быть расположена кольцеобразно вокруг вала 7 и может быть уплотнена относительно указанного вала с помощью подходящего уплотнительного устройства 39. В некоторых вариантах выполнения уплотнительное устройство 39 может содержать бесконтактное уплотнительное устройство, такое как лабиринтное уплотнение. Распределительная камера 31 также уплотнена относительно рабочего колеса 33. Для этого может быть предусмотрено еще одно уплотнительное устройство 41, действующее совместно с неподвижными элементами камеры 31. В качестве уплотнительного устройства 41 могут использоваться бесконтактные уплотнительные элементы, такие как лабиринтное уплотнение.
Дополнительное бесконтактное уплотнительное устройство 43, такое как лабиринтное уплотнение, может быть предусмотрено между покрывающим диском 33С рабочего колеса 33 и впускной магистралью 34.
Охлаждающий газ, поступивший в камеру 31, затем доставляется через порты, схематически показанные номерами позиций 45, 47, к электрическому двигателю 3, например, к воздушному зазору 15 между ротором 11 и статором 13 и/или через подшипники 9А, 9В.
Когда поперечное сечение впускной магистрали 34 уменьшается в направлении потока охлаждающего газа, поток охлаждающего газа, поступающий во впускную магистраль 34, ускоряется так, что статическое давление охлаждающего газа уменьшается от значения Р1 во впускном отверстии до более низкого значения Р2 во впускном отверстии 33А рабочего колеса 33. Статическое давление на выходе из рабочего колеса 33 возрастает до значения Р3 статического давления, вследствие эффекта, обеспечиваемого лопатками рабочего колеса 33 на поток газа. Затем, когда газ проходит через неподвижный диффузор 35 и лопатки 37 диффузора, статическое давление охлаждающего газа еще больше увеличивается до статического давления Р4. Поток газа выходит из лопаток 37 диффузора с низкой скоростью и входит в уплотненную распределительную камеру 31, где его статическое давление еще больше увеличивается до Р5, благодаря частичному восстановлению давления за диффузором, так что давление Р5 в камере 31 немного выше, чем выпускное давление Р4 в выпускном отверстии диффузора 35.
Поэтому давление Р5 в камере 31 существенно выше, чем давление Р2, действующее на противоположной стороне рабочего колеса 33. Разница между указанными двумя значениями давления создает осевое усилие, схематически представленное стрелкой AT, действующее на рабочее колесо 33 и, следовательно, на вал 7, на котором это рабочее колесо 33 установлено. Осевое усилие AT направлено противоположно нагрузке fF, создаваемой потоком охлаждающего газа при протекании через статорно-роторный узел электрической машины 3. Указанные две осевые нагрузки, таким образом, по меньшей мере частично, компенсируются.
Рабочее колесо 33 служит в качестве упорного диска на роторе 11 электродвигателя 3 и создает осевое усилие в направлении, противоположном направлению потока охлаждающего газа. Увеличение впускной скорости вдоль впускной магистрали 34 служит для увеличения осевого усилия или осевой нагрузки для того же самого выпускного давления Р4 на выходе из диффузора 37 и для того же самого статического давления Р5 в камере 31, благодаря увеличенному перепаду давления на рабочем колесе 33. Увеличение диаметра D33 обратной стороны рабочего колеса 33 будет также увеличивать осевое усилие AT, благодаря увеличению площади поверхности диска 33 рабочего колеса, где приложено дифференциальное давление.
Фиг. 3 иллюстрирует еще один вариант выполнения рабочего колеса и соответствующей распределительной камеры 31 для охлаждающего газа. Одинаковые номера позиций обозначают одинаковые или соответствующие компоненты, части или элементы, что и на фиг. 2. Эти элементы не будут описаны снова.
В варианте выполнения, показанном на Фиг. 3, к рабочему колесу 33 добавлен упорный диск 51, размещенный с его задней стороны, т.е. напротив поверхности рабочего колеса 33, обращенной к статорно-роторному узлу 11-13 электродвигателя 3. Упорный диск 51 может быть установлен с возможностью совместного вращения с рабочим колесом 33 на валу 7.
Упорный диск 51 может иметь бесконтактное уплотнительное устройство 41, например, действующее совместно с неподвижным элементом камеры 31, для уплотнения камеры 31 относительно вращающейся конструкции, образованной упорным диском 51 и рабочим колесом 33. Упорный диск 51 имеет упорную поверхность 51S, которая обращена внутрь камеры 31 и к которой приложено статическое давление Р5. Диаметр D51 упорного диска 51 может быть существенно больше, чем диаметр D33 рабочего колеса 33, так что к валу 7 приложено осевое усилие AT большей величины.
Фиг. 4 схематически иллюстрирует еще один вариант выполнения раскрытого в настоящем документе изобретения. Одинаковые номера позиций обозначают одинаковые или сходные компоненты или элементы, уже раскрытые в связи с Фиг. 2 и 3. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 4, диаметр вала 7 под бесконтактным уплотнительным устройством 39 уменьшен так, что плечом вала 7 сформирована дополнительная упорная поверхность 7S. Конец 7А вала 7 может иметь диаметр D7A, который больше, чем диаметр D7 части вала, проходящей через уплотнительное устройство 39.
Полное действие осевого усилия, создаваемого разностью давлений между камерой 31 и впускным отверстием 33А рабочего колеса 33, таким образом, увеличивается.
На Фиг. 5 показан еще один вариант выполнения раскрытого в настоящем документе изобретения. Одинаковые номера позиций обозначают одни и те же или подобные компоненты или элементы, что и в описанных ранее вариантах выполнения. Эти компоненты снова не будут описаны.
В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 5, вал 7 выполнен полым, как показано номером позиции 7Н. Охлаждающий газ, имеющий определенную скорость потока, может выпускаться из камеры 31 и далее выпускаться через отверстие 7Н вала, обеспечивая охлаждение вала. Поток охлаждающего газа, поступающий в отверстие 7Н вала, может распределяться по направлению к магнитам или обмоткам ротора и доставляться к приводному концу, т.е. к концу, обращенному к компрессору 5, для охлаждения других компонентов, установленных в этой области электродвигателя. Для проточного соединения камеры 31 с осевым отверстием 7Н вала 7, между наружной поверхностью и внутренним отверстием 7Н вала 7 могут быть предусмотрены один или несколько портов 61.
В различных описанных выше вариантах выполнения уплотнительные устройства 41 и 43 представлены в виде вращающихся уплотнительных элементов, действующих напротив неподвижной поверхности. Вместо этого может быть предусмотрена обратная конструкция, в которой уплотнительные элементы расположены на неподвижной стороне, а гладкие или зубчатые сопрягаемые поверхности расположены на вращающихся элементах. Могут быть использованы различные конструкции лабиринтного уплотнения, в том числе прямые лабиринтные уплотнения, ступенчатые лабиринтные уплотнения и другие приемлемые конфигурации.
Несмотря на то что раскрытые варианты выполнения описанного в настоящем документе изобретения были показаны на чертежах и подробно описаны выше со спецификой и детализацией в связи с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам будет очевидно, что возможны различные модификации, изменения и исключения без существенного отхода от идей изобретения, принципов и концепций, изложенных в настоящем описании, и преимущества изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения.
Поэтому подходящий объем раскрытых концепций определяется исключительно в широком толковании прилагаемой формулой изобретения таким образом, чтобы охватывать все такие модификации, изменения и исключенния. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа можно варьировать или заново изменять в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.
1. Вращающееся машинное оборудование (1), содержащее вращающуюся электрическую машину (3), содержащую:
статор (13),
вращающийся вал (7),
ротор (11), установленный на указанном вращающемся валу (7) и вращающийся вместе с ним,
охлаждающий вентилятор (23), содержащий вращающееся рабочее колесо (33), имеющее впускное отверстие (33А) для газа и выпускное отверстие (33В) для газа и установленное на первом конце указанного вращающегося вала (7) и вращающееся вместе с ним,
проходы (45, 47) для охлаждающего газа, предназначенные для доставки сжатого охлаждающего газа через статор (13) и ротор (11),
причем между охлаждающим вентилятором (23) и статором (13) и ротором (11) расположена распределительная камера (31) для охлаждающего газа, проточно сообщающаяся с указанным охлаждающим вентилятором (23) и с указанными проходами (45, 47) для охлаждающего газа,
причем сжатый охлаждающий газ, доставляемый указанным охлаждающим вентилятором (23), поступает в распределительную камеру (31) для охлаждающего газа и распределяется оттуда к указанным проходам (45, 47) для охлаждающего газа,
при этом охлаждающий вентилятор (23) имеет упорную поверхность (33D; 51S), обращенную к статору (13) и ротору (11), и давление газа в указанной распределительной камере (31) воздействует на указанную упорную поверхность (33D; 51S), создавая осевое усилие (AT), действующее на указанный вращающийся вал (7), причем указанное осевое усилие направлено противоположно направлению потока охлаждающего газа через статор (13) и ротор (11), и
причем охлаждающий вентилятор (23) содержит неподвижный диффузор, расположенный в выпускном отверстии (33 В) для газа указанного рабочего колеса (33).
2. Оборудование по п. 1, дополнительно содержащее турбомашину (5), присоединенную с возможностью приведения в действие ко второму концу указанного вращающегося вала (7).
3. Оборудование по п. 2, в котором между электрической машиной (3) и турбомашиной (5) расположена нагрузочная муфта (19).
4. Оборудование по любому из пп. 2 или 3, в котором указанная электрическая машина (3) и указанная турбомашина (5) расположены в общем корпусе (2).
5. Оборудование по любому из пп. 2 или 3, в котором указанная электрическая машина (3) и указанная турбомашина (5) расположены в отдельных корпусах.
6. Оборудование по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащее впускную магистраль (34), через которую охлаждающий газ поступает во впускное отверстие (33А) для газа рабочего колеса (33), причем поперечное сечение впускной магистрали (34) уменьшается вдоль направления потока.
7. Оборудование по п. 1, дополнительно содержащее упорный диск (51), установленный с возможностью совместного вращения с указанным рабочим колесом (33), причем указанная упорная поверхность (51S) расположена на упорном диске (51).
8. Оборудование по п. 7, в котором наружный диаметр (D51) упорного диска (51) больше, чем наружный диаметр (D33) рабочего колеса (33).
9. Оборудование по п. 7 или 8, дополнительно содержащее уплотнение (41), предпочтительно, бесконтактное уплотнение, более предпочтительно, лабиринтное уплотнение, установленное между наружной периферийной кромкой упорного диска (51) и неподвижным элементом указанной распределительной камеры (31).
10. Оборудование по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащее уплотнение (41), предпочтительно, бесконтактное уплотнение, более предпочтительно, лабиринтное уплотнение, установленное между наружной периферийной кромкой указанного рабочего колеса (33) и неподвижным элементом указанной распределительной камеры (31).
11. Оборудование по любому из пп. 1-3, в котором указанный вращающийся вал (7) имеет концевую часть большего диаметра, на которой шпоночным креплением закреплено рабочее колесо (33), и часть меньшего диаметра, взаимодействующую с уплотнительным устройством (39), которое уплотняет указанную распределительную камеру (31) относительно вращающегося вала (7), причем кольцевой выступ между частью с меньшим диаметром и частью с большим диаметром образует вспомогательную упорную поверхность (7S), на которую действует давление газа в указанной распределительной камере (31).
12. Вращающееся машинное оборудование (1), содержащее вращающуюся электрическую машину (3), содержащую:
статор (13);
вращающийся вал (7);
ротор (11), установленный на указанном вращающемся валу (7) и вращающийся вместе с ним;
охлаждающий вентилятор (23), состоящий из вращающегося рабочего колеса (33), имеющего впускное отверстие (33А) для газа и выпускное отверстие (33В) для газа, и установленного на первом конце указанного вращающегося вала (7) и вращающегося вместе с ним;
проходы (45, 47) для охлаждающего газа для доставки сжатого охлаждающего газа через статор (13) и ротор (11);
причем между вентилятором (23) и статором (13) и ротором (11) предусмотрена распределительная камера (31) для охлаждающего газа, проточно сообщающаяся с указанным охлаждающим вентилятором (23) и с указанными проходами (45, 47) для охлаждающего газа,
причем сжатый охлаждающий газ, доставляемый указанным охлаждающим вентилятором (23), поступает в распределительную камеру (31) для охлаждающего газа и распределяется оттуда к указанным проходам (45, 47) для охлаждающего газа;
при этом охлаждающий вентилятор (23) имеет упорную поверхность (33D; 51S), обращенную к статору (13) и ротору (11), причем давление газа в распределительной камере (31) для охлаждающего газа воздействует на указанную упорную поверхность (33D; 51S), создавая осевое усилие (AT), действующее на указанный вращающийся вал (7), причем указанное осевое усилие направлено противоположно направлению потока охлаждающего газа через статор (13) и ротор (11), и
причем оборудование также содержит нагрузочную муфту (19), установленную между электрической машиной (3) и турбокомпрессором (5), причем нагрузочная муфта (19) представляет собой гибкую муфту вала с низкой допустимой аксиальной нагрузкой.
13. Способ снижения осевой нагрузки на вращающееся машинное оборудование, содержащее вращающуюся электрическую машину (3), имеющую статор (13), вращающийся вал (7), ротор (11), установленный на указанном вращающемся валу (7) и вращающийся вместе с ним, и охлаждающий вентилятор (23), выполненный с возможностью создания потока сжатого охлаждающего газа через зазор (15) между ротором (11) и статором (13), причем указанный способ включает этапы:
повышения давления газа путем пропускания охлаждающего газа в распределительную камеру (31) для охлаждающего газа, и
создания осевого усилия (AT), действующего на вал (7), посредством давления охлаждающего газа, причем осевое усилие направлено противоположно направлению потока охлаждающего газа через зазор (15) между ротором (11) и статором (13),
при этом способ дополнительно включает этапы:
ускорения потока охлаждающего газа в указанном рабочем колесе (33) и увеличения статического давления охлаждающего газа от впускного отверстия (33А) к выпускному отверстию (33В) рабочего колеса (33),
замедления потока охлаждающего газа и увеличения его статического давления через диффузор (35), расположенный между выпускным отверстием (33В) рабочего колеса и распределительной камерой (31) для охлаждающего газа.
14. Способ снижения осевой нагрузки на вращающееся машинное оборудование, содержащее вращающуюся электрическую машину (3), имеющую статор (13), вращающийся вал (7), ротор (11), установленный на указанном вращающемся валу (7) и вращающийся вместе с ним, причем указанный способ включает этапы:
обеспечения охлаждающего вентилятора (23), содержащего вращающееся рабочее колесо (33), имеющее впускное отверстие (33А) и выпускное отверстие (33В) и расположенное на вращающемся валу (7),
обеспечения вращения указанного рабочего колеса (33) и подачи сжатого охлаждающего газа в распределительную камеру (31) для охлаждающего газа,
подачи охлаждающего газа в направлении потока охлаждающего газа из указанной распределительной камеры (31) в направлении указанных ротора (11) и статора (13),
создания уравновешивающего осевого усилия (AT) посредством указанного сжатого газа в указанной распределительной камере (31), причем указанное уравновешивающее осевое усилие действует на указанный вал (7) в направлении, противоположном направлению потока охлаждающего газа,
при этом способ дополнительно включает этапы:
ускорения потока охлаждающего газа в указанном рабочем колесе (33) и увеличения статического давления охлаждающего газа от впускного отверстия (33А) к выпускному отверстию (33В) рабочего колеса (33),
замедления потока охлаждающего газа и увеличения его статического давления через диффузор (35), расположенный между выпускным отверстием (33В) рабочего колеса и распределительной камерой (31) для охлаждающего газа.
15. Способ по п. 13 или 14, в котором вращающееся машинное оборудование дополнительно содержит турбомашину (5), присоединенную к указанной электрической машине (3) предпочтительно посредством нагрузочной муфты (19), причем вентилятор (23) установлен на вращающемся валу (7) напротив указанной турбомашины (5).
16. Способ по п. 13 или 14, в котором дополнительно восстанавливают давление газа ниже по потоку от диффузора (35), чтобы увеличить статическое давление в указанной распределительной камере (31) выше статического давления охлаждающего газа в выпускном отверстии указанного диффузора (35).
