CN106678058A - 高速电机直驱透平机械的超高速转子结构 - Google Patents

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张回良
任泓泉
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Abstract

本发明涉及一种高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，它包括转子、转子光轴、定子和支撑轴承，整个高速转子结构为等直径的轴，从位于中间的高速电机转子部分直径到位于两侧的转子光轴直径的尺寸相同，改变现有转子中间电机部分直径粗大、两端轴承位置轴径细小的结构；所述高速转子中间的高速电机转子部分的外围设置高速电机定子，位于高速转子两侧的转子光轴由支撑轴承支撑，高速转子两端分别连接一级透平叶轮和二级透平叶轮；所述高速转子的结构通过增大转子直径以提高转子刚性，同时通过减小转子的电机部分直径以降低或者减缓对应线速度的增大。本发明能够降低设计制造成本，提高转子运行的安全性。

Description

高速电机直驱透平机械的超高速转子结构
技术领域
本发明涉及高速电机直驱透平机械（包括离心压缩机、制冷压缩机、MVR蒸汽压缩机、余热回收膨胀机、化工介质压缩机等）的转子结构，尤其涉及一种超高转速（转速超过50000RPM）的高速电机直驱透平机械例如离心压缩机的超高速转子结构。
背景技术
高速电机直驱透平机械将电机功能与齿轮增速传动在结构上融为一体，由高速电机主轴直接带动透平叶轮，并用电磁悬浮轴承或者空气悬浮轴承支撑转子。透平离心压缩机为了获得更高压力的压缩气体，须提升叶轮的线速度，也就是转子的转速。传统的齿轮增速离心压缩机只能通过增大齿轮传动比提升转速，但由于结构限制，以及油膜滑动轴承的线速度过大将导致润滑油失效，因而机组的转子转速提升有限。
高速电机直驱离心压缩机由高速电机直接驱动叶轮转子，同时用无接触的电磁悬浮轴承或空气悬浮轴承支撑转子，因而转子转速的提升空间很大，叶轮的线速度提高对应可获得更高压力的压缩气体，因此，有效提升高速转子的转速决定了高速电机直驱离心压缩机的性能和排气压力，而转子的刚性决定了转速提升空间的大小。
目前常用的高速电机直驱离心压缩机的转子结构可参见图1，图中标记11为电机转子部分，12为转子光轴，转子中间电机部分比较粗，两端轴承位置的轴径比较细，整体转子的刚性比较差。一方面，该类型转子对应的转子一阶、二阶弯曲临界转速比较小，对于较高压力要求的压缩机，对应的转子转速也比较高，这样转子设计转速容易运行在一、二阶弯曲临界之间或者二阶弯曲临界之上，因而转子升速过程需要跨越一阶弯曲临界或者一、二阶弯曲临界。由于电磁悬浮轴承或者空气悬浮轴承的刚度和阻尼都不大，导致转子跨越弯曲临界的难度加大很多，这样转子启动升速过程存在很多困难，且转子的振动也比较大。另一方面，如果加粗转子增大转子刚性，转子中间电机部分由于比较粗，对应的线速度就会非常高，对材料、工艺的要求就会更苛刻，甚至无法保证转子的安全性。
有鉴于此，该领域技术人员致力于研发一种高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，以解决高速电机直驱透平机械的转子结构在高转速要求下的转子刚性问题，以及解决高转速下的转子电机部分线速度过高的问题。
发明内容
本发明的任务是提供一种高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，通过增大转子直径以提高转子的刚性，并通过减小转子的电机部分直径以降低或者减缓对应线速度的增大，解决高转速下的转子刚性问题以及高转速下的转子电机部分线速度过高的问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，它包括转子、转子光轴、定子和支撑轴承，整个高速转子结构为等直径的轴，从位于中间的高速电机转子部分直径到位于两侧的转子光轴直径的尺寸相同，改变现有转子中间电机部分直径粗大、两端轴承位置轴径细小的结构；
所述高速转子中间的高速电机转子部分的外围设置高速电机定子，位于高速转子两侧的转子光轴由支撑轴承支撑，高速转子两端分别连接一级透平叶轮和二级透平叶轮；
所述高速转子的结构通过增大转子直径以提高转子刚性，同时通过减小转子的电机部分直径以降低或者减缓对应线速度的增大。
所述高速电机转子部分由永磁电机的永磁体及表面护套组成。
所述高速电机转子部分由感应电机的转子部分组成。
采用本发明的高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，能够解决高转速下的转子电机部分线速度过高的问题，降低材料要求及工艺要求，降低设计制造成本，并提高转子运行的安全性。
本发明的基本思想是通过增大转子直径以提高转子的刚性，并通过减小转子的电机部分直径以降低或者减缓对应线速度的增大。转子刚性增大，对应的转子临界转速也增大，这样转子结构在高转速区域的空间也增大。
本发明的整体转子结构为等直径的轴，或者近似等直径的轴（转子整体外径变化比较小），对高转速要求的转子可增大转子直径，同时转子电机部分的线速度不会增大过多。
本发明的超高速转子结构可满足高转速离心压缩机的转子动力学要求，使转子设计转速运行在亚临界区域（转速没有超过一阶弯曲临界），或者尽可能少的超过弯曲临界，降低高速电机直驱的离心压缩机转子启动升速过程的难度，并减小转子振动，提升机组运行的安全性。
本发明的超高速转子结构可用于更高压缩压力的高速电机直驱离心压缩机，因为转子刚性的提升，对应的转子转速可以更高，这样转子两端叶轮的转速提高，压缩机的排气压力也增大，可实现更高排气压力的高速直驱离心压缩机。
附图说明
图1为目前常用的高速电机的转子结构示意图。
图2为本发明的一种高速电机直驱透平机械的超高速转子结构的第一实施例示意图。
图3为本发明的一种高速电机直驱透平机械的超高速转子结构的第二实施例示意图。
附图标记：
图1中：11为电机转子部分，12为转子光轴。
1为高速转子，2为转子光轴，3为高速电机转子部分（永磁电机的永磁体及表面护套，或者感应电机的转子部分），4为高速电机定子，5为支撑轴承，6为一级透平叶轮，7为二级透平叶轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参看图2和图3，本发明的一种高速电机直驱透平机械的超高速转子结构是由转子光轴2、高速电机转子部分3、高速电机定子4、支撑轴承5、一级透平叶轮6和二级透平叶轮7组成。
整个高速转子1结构为等直径的轴，从位于中间的高速电机转子部分3直径到位于两侧的转子光轴2直径的尺寸相同，改变现有转子中间电机部分直径粗大、两端轴承位置轴径细小的结构。
如图2和图3所示，高速转子1中间的高速电机转子部分3的外围设置高速电机定子4，位于高速转子1两侧的转子光轴2由支撑轴承5支撑，高速转子1两端分别连接一级透平叶轮6和二级透平叶轮7。
高速转子1的结构通过增大转子直径以提高转子刚性，同时通过减小转子的电机部分直径以降低或者减缓对应线速度的增大。
图2中，高速电机转子部分3是由感应电机的转子部分组成。
图3中，高速电机转子部分3是由永磁电机的永磁体及表面护套组成。
本发明的转子结构要点为轴承处的转子直径尺寸与电机转子部分的外径尺寸相近，使转子整体保持相同外径尺寸或者近似相同外径尺寸，使转子整体刚性较好。
本发明的转子结构设计成相同外径尺寸或者近似相同外径尺寸，这样高速电机直驱离心压缩机即使需要更高的转速要求，通过增大转子外径仍能保持较好刚性，转子的刚性临界转速与弯曲临界转速之间有较大的转速空间，转子运行转速在亚临界转速区域，或一弯与二弯临界转速之间，解决转子升速、转子振动问题及运行安全性，降低转子材料及工艺要求，提供一种更加稳定可靠的解决方案。
综上所述，采用本发明的高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，能够解决高转速下的转子电机部分线速度过高的问题，降低材料要求及工艺要求，降低设计制造成本，并提高转子运行的安全性。
本发明的超高速转子结构可用于更高压缩压力的高速电机直驱离心压缩机，因为转子刚性的提升，对应的转子转速可以更高，这样转子两端叶轮的转速提高，压缩机的排气压力也增大，可实现更高排气压力的高速直驱离心压缩机。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，它包括转子、转子光轴、定子和支撑轴承，其特征在于：整个高速转子（1）结构为等直径的轴，从位于中间的高速电机转子部分（3）直径到位于两侧的转子光轴（2）直径的尺寸相同，改变现有转子中间电机部分直径粗大、两端轴承位置轴径细小的结构；
所述高速转子（1）中间的高速电机转子部分（3）的外围设置高速电机定子（4），位于高速转子（1）两侧的转子光轴（2）由支撑轴承（5）支撑，高速转子（1）两端分别连接一级透平叶轮（6）和二级透平叶轮（7）；
所述高速转子（1）的结构通过增大转子直径以提高转子刚性，同时通过减小转子的电机部分直径以降低或者减缓对应线速度的增大。
2.根据权利要求1所述的高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，其特征在于：所述高速电机转子部分由永磁电机的永磁体及表面护套组成。
3.根据权利要求1所述的高速电机直驱透平机械的超高速转子结构，其特征在于：所述高速电机转子部分由感应电机的转子部分组成。
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