RU2559106C2

RU2559106C2 - Turbine compressor (versions)

Info

Publication number: RU2559106C2
Application number: RU2013150431/06A
Authority: RU
Inventors: Рюрий Иванович Константинов; Владимир Иванович Морозов; Михаил Николаевич Середников
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-08-10
Also published as: RU2013150431A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to power machine building. In the turbine compressor with impeller of closed type 2 and active magnetic suspension based on radial thrust solenoid bearings 4 the ring solenoid 6 of one bearing is build in the compressor 1 casing from the side of lid 7 of impeller 2, and lid 7 is made out of electrical steel or amorphous iron.

EFFECT: invention is reduces longitudinal dimensions of the turbine compressors with active magnetic suspension and increases their economical efficiency.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкциям компрессорных и турбокомпрессорных установок с центробежными компрессорами и роторами на активных электромагнитных опорах, и может быть применено в космических энергетических установках, использующих газообразное рабочее тело в замкнутом термодинамическом цикле Брайтона, где для замыкания цикла необходим высокий коэффициент полезного действия турбокомпрессора и, следовательно, минимизация потерь на трение элементов ротора с рабочим телом турбокомпрессора.The invention relates to the field of power engineering, in particular to the design of compressor and turbocompressor plants with centrifugal compressors and rotors on active electromagnetic supports, and can be applied in space power plants using a gaseous working fluid in a closed Brighton thermodynamic cycle, where high cycle closure is required efficiency of a turbocompressor and, therefore, minimization of friction losses of rotor elements with a working fluid urbokompressora.

Известна турбокомпрессорная установка, в которой для фиксации положения ротора при его вращении используются радиальный и осевой электромагнитные подшипники (опоры) с аппаратурой управления, использующей в качестве отрицательной обратной связи сигналы датчиков перемещения ротора, реагирующих на изменение магнитного поля в зазорах между электромагнитами статора и ферромагнитными элементами ротора, в число которых входит диск упорного (осевого) подшипника (Патент РФ №2115835, 1998 г., патент РФ №2251033, 2003 г.).A turbocompressor installation is known in which radial and axial electromagnetic bearings (bearings) are used to fix the position of the rotor during its rotation with control equipment using, as negative feedback, the signals of rotor displacement sensors that respond to a change in the magnetic field in the gaps between the stator electromagnets and ferromagnetic elements the rotor, which includes a disk thrust (axial) bearing (RF Patent No. 21585835, 1998, RF patent No. 2251033, 2003).

К недостаткам такой турбокомпрессорной установки можно отнести увеличенные за счет введения осевого (упорного) подшипника габариты и относительно большие потери полезной мощности, связанные с трением между диском упорного подшипника и рабочим телом турбокомпрессора, особенно в случае применения турбокомпрессора в составе энергоустановки, работающей по замкнутому циклу с высоким давлением рабочего тела (40…70 кгс/см²) в контуре и, соответственно, в зазорах осевого электромагнитного подшипника - между кольцевыми электромагнитами и ферромагнитным диском, установленным на валу ротора. Повышение давления в замкнутом контуре целесообразно, так как при этом уменьшаются потери давления в магистралях на входе и выходе турбины турбокомпрессора, что обеспечивает повышение коэффициента полезного действия энергоустановки; с другой стороны, с увеличением давления увеличивается плотность рабочего тела и, следовательно, потери мощности на дисковое трение, главным образом - в осевом электромагнитном подшипнике, так как с увеличением давления при заданной степени сжатия в компрессоре необходимо увеличение опорной площади ферромагнитного диска осевого подшипника из-за увеличения осевой силы, действующей на ротор турбокомпрессора, а увеличение площади приводит к увеличению потерь на трение. Так, в турбокомпрессоре энергоустановки, работающей по замкнутому циклу с полезной мощностью ≈100 КВт, использующей аргон в качестве рабочего тела при степени сжатия в компрессоре ≈2,6, давлении в полости осевой электромагнитной опоры - 60 кгс/см² и соответствующей давлению плотности аргона 57 кгс/см², при угловой скорости вращения ротора турбокомпрессора - 6280 рад/с, осевая сила, действующая на ротор, при оптимальной реактивности турбины достигает величины 300 кгс, что при удельной нагрузке на ферромагнитный диск осевой электромагнитной опоры ≈5 кгс/см² определяет необходимую величину эффективной площади ферромагнитного диска (с коэффициентом запаса ≈1,5), равную 90 см², и диаметр диска (при диаметре вала турбокомпрессора - 3,5 см) ≈12,6 см. Потери на дисковое трение при указанных выше параметрах равны 14 КВт (14% от полезной мощности энергоустановки), соответственно, на эту же величину из-за дискового трения в осевой опоре уменьшается коэффициент полезного действия энергоустановки.The disadvantages of such a turbocompressor installation include dimensions increased due to the introduction of an axial (thrust) bearing and relatively large losses of useful power associated with friction between the thrust bearing disk and the turbocompressor working fluid, especially in the case of using a turbocompressor as part of a closed-loop power plant high pressure of the working fluid (40 ... 70 kgf / cm ² ) in the circuit and, accordingly, in the gaps of the axial electromagnetic bearing - between ring electromagnets and fer a magnetic disk mounted on the rotor shaft. Increasing the pressure in a closed circuit is advisable, since this reduces the pressure loss in the lines at the inlet and outlet of the turbocompressor turbine, which ensures an increase in the efficiency of the power plant; on the other hand, with increasing pressure, the density of the working fluid increases and, consequently, the power loss due to disk friction, mainly in the axial electromagnetic bearing, since with increasing pressure at a given compression ratio in the compressor, it is necessary to increase the reference area of the ferromagnetic disk of the axial bearing for an increase in the axial force acting on the rotor of the turbocompressor, and an increase in area leads to an increase in friction losses. So, in a turbocompressor of a power plant operating in a closed cycle with a useful power of ≈100 kW, using argon as a working fluid with a compression ratio of ≈2.6, a pressure in the cavity of an axial electromagnetic support of 60 kgf / cm ² and a corresponding argon density pressure 57 kgf / cm ² , at an angular rotational speed of the turbocompressor rotor - 6280 rad / s, the axial force acting on the rotor, with optimal turbine reactivity, reaches 300 kgf, which with a specific load on the ferromagnetic disk of the axial electromagnetic support ≈5 kgf / cm ² determines the necessary value of the effective area of the ferromagnetic disk (with a safety factor of ≈1.5), equal to 90 cm ² , and the diameter of the disk (with a turbocompressor shaft diameter of 3.5 cm) ≈12.6 cm. Losses per the disk friction at the above parameters is equal to 14 kW (14% of the net power of the power plant), respectively, the efficiency of the power plant decreases by the same amount due to disk friction in the axial support.

Известен взятый за прототип активный магнитный подвес (АМП) ротора на основе радиально-упорных электромагнитных подшипников, в котором исключен опорный диск осевого подшипника, но имеют место ферромагнитные конусы 2-х радиально-осевых подшипников, установленные на валу ротора (см. Журавлев Ю.Н. «Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение». Изд. Политехника, Санкт-Петербург, 2003 г., стр.22, рис. 2.4). Такой подвес уменьшает продольные габариты турбокомпрессора и исключает потери на трение диска осевого подшипника. Вместе с тем, при этом имеют место увеличенные потери на трение в конусных опорах, так как вектор силы F, характеризующей несущую способность опоры, в этом случае разделяется на осевую Fe и радиальную Fr составляющие, которые равны:The active rotor magnetic suspension (AMP) of the rotor based on angular contact electromagnetic bearings, in which the axial bearing support disk is excluded, but ferromagnetic cones of 2 angular-axial bearings mounted on the rotor shaft are known, is taken (see Zhuravlev Yu. N. "Active magnetic bearings. Theory, calculation, application". Publishing house of the Polytechnic, St. Petersburg, 2003, p.22, Fig. 2.4). Such a suspension reduces the longitudinal dimensions of the turbocharger and eliminates friction losses of the axial bearing disk. At the same time, there are increased friction losses in conical bearings, since the force vector F, which characterizes the bearing capacity of the support, in this case is divided into axial Fe and radial Fr components, which are equal to:

Fe=F×sinα; Fr=F×cosα, где α - угол конусности опоры.Fe = F × sinα; Fr = F × cosα, where α is the angle of taper of the support.

Соответственно, необходимая для восприятия осевого усилия площадь радиально-осевой конусной опоры увеличивается в $\frac{1}{\sin α}$

раз, что приводит к соответствующему увеличению потерь на трение по сравнению с потерями на дисковое трение осевом (упорном) электромагнитном подшипнике.Accordingly, the area of the radial-axial conical bearing necessary for the perception of axial force increases in

\frac{one}{\sin α}

times, which leads to a corresponding increase in friction losses in comparison with losses on disk friction by an axial (persistent) electromagnetic bearing.

Изобретение направлено на уменьшение продольных габаритов турбокомпрессора и повышение его экономичности путем исключения одного из автономных электромагнитных подшипников с соответствующим уменьшением осевых габаритов и потерь мощности турбокомпрессора на трение при вращении его ротора. Технический результат обеспечивается следующими исполнениями турбокомпрессора:The invention is aimed at reducing the longitudinal dimensions of a turbocompressor and increasing its efficiency by eliminating one of the autonomous electromagnetic bearings with a corresponding reduction in axial dimensions and the power loss of the turbocompressor due to friction during rotation of its rotor. The technical result is provided by the following turbocharger versions:

1. В турбокомпрессоре, включающем центробежный компрессор с крыльчаткой закрытого типа, турбину, активный магнитный подвес ротора на основе радиально-упорных электромагнитных подшипников, многополюсный кольцевой электромагнит одного из подшипников встроен в корпус компрессора со стороны крышки крыльчатки, а крышка выполнена из электротехнической стали или аморфного железа.1. In a turbocompressor including a centrifugal compressor with a closed impeller, a turbine, an active magnetic rotor suspension based on angular contact electromagnetic bearings, a multipolar ring electromagnet of one of the bearings is built into the compressor housing from the side of the impeller cover, and the cover is made of electrical steel or amorphous gland.

2. В турбокомпрессоре, включающем центробежный компрессор с крыльчаткой закрытого типа с диском, турбину, активный магнитный подвес ротора на основе осевого и радиальных электромагнитных подшипников, кольцевые электромагниты осевого подшипника встроены в корпус компрессора как со стороны крышки, так и со стороны диска крыльчатки, а диск и крышка выполнены из электротехнической стали или аморфного железа.2. In a turbocompressor including a centrifugal compressor with a closed impeller with a disk, a turbine, an active magnetic rotor suspension based on axial and radial electromagnetic bearings, ring electromagnets of an axial bearing are built into the compressor housing both from the cover side and from the side of the impeller disk, and the disk and cover are made of electrical steel or amorphous iron.

3. В турбокомпрессоре, включающем центробежный компрессор с крыльчаткой открытого типа с диском, турбину, активный магнитный подвес ротора на основе одностороннего осевого и радиальных электромагнитных подшипников, кольцевой электромагнит одностороннего осевого подшипника встроен в корпус компрессора со стороны диска крыльчатки, диск выполнен из электротехнической стали или аморфного железа, а турбина выполнена со степенью реактивности, обеспечивающей однонаправленность осевой силы от турбины к компрессору на всех режимах работы турбокомпрессора.3. In a turbocompressor including a centrifugal compressor with an open impeller with a disk, a turbine, an active magnetic suspension of the rotor based on unilateral axial and radial electromagnetic bearings, a ring electromagnet of a one-sided axial bearing is built into the compressor housing on the side of the impeller disk, the disk is made of electrical steel or amorphous iron, and the turbine is made with a degree of reactivity, providing unidirectional axial force from the turbine to the compressor in all operating modes t rbokompressora.

При упомянутых конструкциях турбокомпрессоров с роторами на активном магнитном подвесе, использующих детали компрессоров (крышки, диски), выполненные из технологически пригодных для изготовления этих деталей ферромагнитных материалов, каковыми являются электротехническая сталь или аморфное железо, уменьшаются продольные габариты турбокомпрессоров, а также уменьшаются потери мощности турбокомпрессора на трение вследствие исключения конструктивно автономного, радиально-упорного (или осевого) электромагнитного подшипника за счет совмещения элементов его конструкции с элементами конструкции компрессора; при этом, как показали проработки конструкции турбокомпрессора мощностью 100 КВт, возможно уменьшение длины ротора на ≈20%, а приведенная выше расчетная оценка свидетельствует о возможности повышения коэффициента полезного действия турбокомпрессора на величину до ≈14%.With the above-mentioned designs of turbocompressors with rotors with an active magnetic suspension, using compressor parts (covers, discs) made of technologically suitable ferromagnetic materials for manufacturing these parts, such as electrical steel or amorphous iron, the longitudinal dimensions of the turbocompressors are reduced, and the power losses of the turbocompressor are also reduced friction due to the exclusion of a structurally autonomous, angular contact (or axial) electromagnetic bearing due to the integration of the elements of its design with the structural elements of the compressor; Moreover, as studies of the design of a turbocharger with a capacity of 100 kW have shown, it is possible to reduce the rotor length by ≈20%, and the above estimate indicates the possibility of increasing the efficiency of a turbocompressor by up to ≈14%.

На чертежах представлены варианты конструктивных схем турбокомпрессоров с роторами на активном магнитном подвесе, использующем элементы конструкции компрессора в качестве элементов конструкции электромагнитного подшипника:The drawings show options for structural circuits of turbocompressors with rotors on an active magnetic suspension using structural elements of the compressor as structural elements of an electromagnetic bearing:

- в качестве радиально-упорного электромагнитного подшипника (фиг.1),- as an angular contact electromagnetic bearing (figure 1),

- в качестве 2-стороннего упорного электромагнитного подшипника (фиг.2),- as a 2-sided thrust electromagnetic bearing (figure 2),

- в качестве одностороннего упорного подшипника (фиг.3).- as a one-way thrust bearing (figure 3).

В состав турбокомпрессора, представленного на фиг.1, входят: центробежный компрессор 1 с корпусом и крыльчаткой закрытого типа 2, турбина 3, односторонний радиально-упорный подшипник 4 - в качестве ближней к турбине опоры вала 5. В корпус компрессора 1 встроены многополюсный кольцевой электромагнит 6 с магнитоводами, полюсами, обращенными к выполненной из высокопрочного ферромагнитного материала крышке 7 крыльчатки 2, датчики перемещения, например, индукционного типа 8. Кольцевой электромагнит 6 (статор) с ферромагнитной крышкой 7 (ротор) образует односторонний радиально-упорный подшипник - вторую опору вала 5 турбокомпрессора.The turbocompressor shown in Fig. 1 includes: a centrifugal compressor 1 with a housing and a closed impeller 2, a turbine 3, a single-side angular contact bearing 4 - as the shaft support closest to the turbine 5. A multipolar ring electromagnet is built into the compressor housing 1 6 with magnets, poles facing the impeller cover 7 made of high strength ferromagnetic material, displacement sensors, for example, of induction type 8. Ring electromagnet 6 (stator) with ferromagnetic cover 7 (rotor) there is a one-sided angular contact bearing - the second support of the shaft 5 of the turbocompressor.

В состав турбокомпрессора, представленного на фиг.2, входят: центробежный компрессор 1 с корпусом и крыльчаткой закрытого типа 2 с диском 10, турбиной 3, два радиальных электромагнитных подшипника 4 (опоры вала 5). В корпус компрессора встроены кольцевой электромагнит 6, обращенный полюсами магнитовода к крышке 7, выполненной из высокопрочного ферромагнитного материала, кольцевой электромагнит 9, обращенный полюсами магнитовода к диску 10 крыльчатки 2, выполненному из высокопрочного ферромагнитного материала. В кольцевой электромагнит 6 встроены также датчики перемещения 8.The composition of the turbocompressor, shown in figure 2, includes: a centrifugal compressor 1 with a housing and a closed impeller 2 with a disk 10, a turbine 3, two radial electromagnetic bearings 4 (shaft support 5). An annular electromagnet 6 is turned into the compressor casing, facing the poles of the magnet guide to a cover 7 made of high-strength ferromagnetic material, an annular electromagnet 9 facing the poles of the magnet is facing the disk 10 of the impeller 2, made of high-strength ferromagnetic material. Displacement sensors 8 are also integrated in the ring electromagnet 6.

В состав турбокомпрессора, представленного на фиг.3, входят: компрессор 1 с корпусом и крыльчаткой открытого типа 2 с диском 10, турбина 3 с заданной реактивностью, например, не более 0,2, два радиальных электромагнитных подшипника 4 в качестве опор вала 5 ротора турбокомпрессора. В корпус компрессора 1 со стороны диска 10 крыльчатки 2, выполненного из высокопрочного ферромагнитного материала, встроены обращенный полюсами магнитовода к диску 10 электромагнит 9, образующий вместе с диском 10 односторонний осевой (упорный) электромагнитный подшипник, воспринимающий осевую нагрузку, действующую на ротор в направлении от турбины к компрессору, и датчики перемещения 8.The composition of the turbocharger shown in figure 3 includes: a compressor 1 with a casing and an impeller of open type 2 with a disk 10, a turbine 3 with a given reactivity, for example, not more than 0.2, two radial electromagnetic bearings 4 as bearings of the shaft 5 of the rotor turbocharger. In the compressor housing 1 from the side of the disk 10 of the impeller 2, made of high-strength ferromagnetic material, an electromagnet 9 facing the poles of the magnet guide to the disk 10 is integrated, forming together with the disk 10 a one-sided axial (thrust) electromagnetic bearing that receives the axial load acting on the rotor in the direction from turbines to the compressor, and displacement sensors 8.

При работе турбокомпрессора конструктивно совмещенные с компрессором электромагнитные подшипники удерживают положение ротора так же, как и автономные электромагнитные подшипники, - путем подачи аппаратурой управления импульсов электрического напряжения на электромагниты статоров по сигналам датчиков перемещения при изменении заданного зазора между ним и ферромагнитным элементом ротора (диск, крышка крыльчатки компрессора).When the turbocompressor is operating, the electromagnetic bearings structurally combined with the compressor maintain the rotor position in the same way as autonomous electromagnetic bearings, by supplying control voltage pulses to the stators' electromagnets by the signals of the displacement sensors when the specified clearance between it and the rotor ferromagnetic element changes (disk, cover compressor impellers).

При работе турбокомпрессора, которая описана применительно к варианту 1 (фиг.1), ротор турбокомпрессора находится во взвешенном состоянии с заданными зазорами между статорами и роторами радиально-упорного подшипника 4 и радиально-упорного подшипника, встроенного в компрессор 1. В случае смещения ротора и увеличения зазора в каком либо месте между ферромагнитной крышкой 7 крыльчатки 2 (ротор подшипника) и полюсами магнитовода кольцевого электромагнита, датчики перемещения 8 вырабатывают сигналы в систему управления, которая по этим сигналам формирует команду на подачу электрического напряжения на обмотку соответствующего магнитовода кольцевого электромагнита 6, после чего указанный магнитовод притягивает ротор радиально-упорного подшипника, возвращая ротор в заданное положение.During operation of the turbocompressor, which is described in relation to option 1 (Fig. 1), the rotor of the turbocompressor is in suspension with predetermined gaps between the stators and rotors of the angular contact bearing 4 and the angular contact bearing integrated in the compressor 1. In the case of displacement of the rotor and increase the gap in any place between the ferromagnetic cover 7 of the impeller 2 (bearing rotor) and the poles of the magnet of the ring electromagnet, displacement sensors 8 generate signals to the control system, which by this signal m generates a command for supplying electric voltage to the winding of the corresponding magnet of the ring electromagnet 6, after which the specified magnet attracts the rotor of the angular contact bearing, returning the rotor to a predetermined position.

Электромагнитные опоры вариантов 2, 3 работают аналогичным образом.Electromagnetic supports of options 2, 3 work in a similar way.

Claims

1. A turbocompressor, including a centrifugal compressor with a closed housing and impeller, a turbine, an active magnetic rotor suspension based on angular contact electromagnetic bearings, characterized in that the multi-pole ring electromagnet of one of the bearings is built into the compressor housing from the side of the impeller cover, and the cover is made made of electrical steel or amorphous iron.

2. A turbocompressor including a centrifugal compressor with a closed impeller with a disk, a turbine, an active magnetic rotor suspension based on axial and radial electromagnetic bearings, characterized in that the ring electromagnets of the axial bearing are built into the compressor housing both from the cover side and from the disk side impellers, and the disk and cover are made of electrical steel or amorphous iron.

3. A turbocharger including a centrifugal compressor with an open-type housing and impeller with a disk, a turbine, an active magnetic rotor suspension based on one-sided axial and radial electromagnetic bearings, characterized in that the ring electromagnet of a one-way axial bearing is built into the compressor housing on the side of the impeller disk, the disk made of electrical steel or amorphous iron, and the turbine is made with a degree of reactivity, providing unidirectional axial force from the turbine to the compressor Copy to all modes of operation of the turbocharger.