CN108868890A - 一种特斯拉涡轮机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种特斯拉涡轮机及控制方法，其中，特斯拉涡轮机包括：转轴；设置于所述转轴上的壳体，所述壳体上设置有介质入口和介质出口；设置于所述壳体内的若干个圆盘，所述若干个圆盘固定连接于所述转轴上，所述若干个圆盘中的每两个相邻圆盘之间均设置有间隙，所述若干个圆盘中的每个圆盘上均设置有至少一个排气孔；以及，设置于所述转轴上的推力轴承和至少两个径向轴承，所述推力轴承和所述至少两个径向轴承均为非接触式轴承。本发明通过在特斯拉涡轮机中采用非接触式的推力轴承和径向轴承，降低了特斯拉涡轮机在轴承上的功率损耗，从而提高了特斯拉涡轮机的效率。

Description

一种特斯拉涡轮机及控制方法

技术领域

本发明涉及汽轮机技术领域，尤其涉及一种特斯拉涡轮机及控制方法。

背景技术

特斯拉涡轮机是一种无叶片的，由流体剪切力驱动的涡轮机，它被称为无叶片涡轮。特斯拉涡轮机应用了边界层效应，流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为0，离表面越远速度越大。利用这个效应就可以让高速运动的液体带动一组圆盘转动。特斯拉涡轮机的效率可达95％，比普通的叶片涡轮机高得多。

虽然特斯拉涡轮机具有效率高的优点，但由于特斯拉涡轮机的扭矩低，对机械摩擦敏感度极高，现有的特斯拉涡轮机在轴承上的功率损耗较大，从而导致现有特斯拉涡轮机效率较低的问题，限制了特拉斯涡轮机的推广应用。

发明内容

本发明提供一种特斯拉涡轮机及控制方法，以解决现有特斯拉涡轮机在轴承上的功率损耗较大的问题。

第一方面，本发明提供一种特斯拉涡轮机，包括：

转轴；

设置于所述转轴上的壳体，所述壳体上设置有介质入口和介质出口；

设置于所述壳体内的若干个圆盘，所述若干个圆盘固定连接于所述转轴上，所述若干个圆盘中的每两个相邻圆盘之间均设置有间隙，所述若干个圆盘中的每个圆盘上均设置有至少一个排气孔；

以及，设置于所述转轴上的推力轴承和至少两个径向轴承，所述推力轴承和所述至少两个径向轴承均为非接触式轴承。

可选的，所述推力轴承设置于所述壳体内；

所述至少两个径向轴承包括第一径向轴承和第二径向轴承，所述第一径向轴承和所述第二径向轴承分别设置于所述壳体的两侧。

可选的，所述若干个圆盘中的每个圆盘上的排气孔同轴设置。

可选的，所述若干个圆盘中的每个圆盘上的排气孔至所述转轴之间的距离小于所述排气孔至圆盘外缘之间的距离。

可选的，所述若干个圆盘中的每个圆盘上均设置有两个排气孔，所述两个排气孔以所述转轴为对称轴对称设置。

可选的，所述若干个圆盘通过键连接于所述转轴上，所述键通过弹簧垫圈与所述转轴固定。

可选的，所述若干个圆盘中相邻的两个圆盘之间设置有垫片，所述垫片用于调整相邻两圆盘之间的间隙大小。

可选的，所述推力轴承为气磁混合推力轴承；

所述至少两个径向轴承中的至少一个径向轴承为气磁混合径向轴承或者气体动静压混合径向轴承。

可选的，所述气磁混合推力轴承为箔片式气磁混合推力轴承，所述箔片式气磁混合推力轴承包括：

第一推力盘，所述第一推力盘固定连接于所述转轴上；

以及，穿设于所述转轴上的第一定子和第二定子，所述第一定子和所述第二定子分别设置于所述第一推力盘的相对两侧；

所述第一定子和所述第二定子中，每个定子包括第一磁轴承和第一箔片轴承，所述第一磁轴承上沿周向设置有多个第一磁性部件，所述第一箔片轴承设置有能够与所述多个第一磁性部件之间产生磁力的第二磁性部件；

其中，所述第一箔片轴承设置于所述第一磁轴承与所述第一推力盘之间，并与所述第一推力盘之间具有第一间隙，且所述第一箔片轴承能够在所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动。

可选的，所述气磁混合推力轴承为槽式气磁混合推力轴承，所述槽式气磁混合推力轴承包括：

第二推力盘，所述第二推力盘固定连接于所述转轴上，所述第二推力盘上设置有第三磁性部件；

以及，穿设于所述转轴上的第三定子和第四定子，所述第三定子和所述第四定子分别设置于所述第二推力盘的相对两侧；

所述第三定子和所述第四定子中，每个定子包括第二磁轴承，所述第二磁轴承上沿周向设置有能够与所述第三磁性部件之间产生磁力的多个第四磁性部件，所述第二磁轴承与所述第二推力盘之间具有第二间隙，且所述第二推力盘能够在所述第三磁性部件和所述多个第四磁性部件之间的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动；

其中，所述第二推力盘的面向所述第三定子和所述第四定子的端面，或，所述第三定子和所述第四定子的面向所述第二推力盘的端面上设置有第二动压发生槽。

可选的，所述气磁混合径向轴承为箔片式气磁混合径向轴承，所述箔片式气磁混合径向轴承包括：

套设于所述转轴上的第三磁轴承，所述第三磁轴承上沿周向设置有多个第五磁性部件；

套设于所述转轴上，并位于所述第三磁轴承和所述转轴之间的第二箔片轴承，所述第二箔片轴承上设有能够与所述多个第五磁性部件之间产生磁力的第六磁性部件；

其中，所述第二箔片轴承与所述转轴之间具有第三间隙，且所述第二箔片轴承能够在所述多个第五磁性部件和所述第六磁性部件的磁力作用下在所述转轴的径向方向上移动。

可选的，所述气磁混合径向轴承为槽式气磁混合径向轴承，所述槽式气磁混合径向轴承包括：

套设于所述转轴上的第四磁轴承，所述第四磁轴承上沿周向设置有多个第七磁性部件；

所述第四磁轴承朝向所述转轴的侧壁，或所述转轴朝向所述第四磁轴承的圆周面上设置有第三动压发生槽；

其中，所述第四磁轴承与所述转轴之间具有第四间隙，且所述转轴能够在所述多个第七磁性部件的磁力作用下在所述转轴的径向方向上移动。

可选的，所述第四磁轴承上还设置有静压进气节流孔，所述静压进气节流孔的一端与所述第四间隙相通，另一端连接外部气源，用于将外部气源输送至所述第四间隙内。

第二方面，本发明提供一种特斯拉涡轮机的控制方法，用于第一方面中任一项所述的特斯拉涡轮机，所述方法包括：

开启所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置；

通过所述介质入口向所述壳体内输入流体介质，所述流体介质驱动所述若干个圆盘旋转，所述圆盘带动所述转轴转动；

所述转轴的转速加速至工作转速之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述特斯拉涡轮机停机时，开启所述径向轴承中的静压轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速减速至零之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

其中，开启所述静压轴承包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体；

关闭所述静压轴承包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

第三方面，本发明提供另一种特斯拉涡轮机的控制方法，用于第一方面中任一项所述的特斯拉涡轮机，所述方法包括：

开启所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置；

通过所述介质入口向所述壳体内输入流体介质，所述流体介质驱动所述若干个圆盘旋转，所述圆盘带动所述转轴转动；

所述转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速平稳度过所述一阶临界速度或所述二阶临界速度之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述特斯拉涡轮机停机过程中，当所述转轴的转速减速至所述一阶临界速度或所述二阶临界速度时，开启所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速平稳度过所述一阶临界速度或所述二阶临界速度之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速减速至第二预设值时，开启所述径向轴承中的静压轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速减速至零之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

其中，开启所述静压轴承，包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体；

关闭所述静压轴承，包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

可选的，开启所述推力轴承中的静压轴承，以使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置，包括：

开启所述第一定子和所述第二定子中的第一磁轴承，控制所述第一推力盘在所述多个第一磁性部件的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动，以使所述第一推力盘与所述第一定子中的第一箔片轴承之间的所述第一间隙等于所述第一推力盘与所述第二定子中的第一箔片轴承之间的所述第一间隙；

所述方法还包括：

当载荷负载在所述第一推力盘时，开启所述第一定子和所述第二定子中的第一磁轴承；

当所述第一推力盘与所述第一定子中的第一箔片轴承之间的所述第一间隙等于所述第一推力盘与所述第二定子中的第一箔片轴承之间的所述第一间隙，关闭所述第一定子和所述第二定子中的第一磁轴承。

可选的，开启所述推力轴承中的静压轴承，以使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置，包括：

开启所述第三定子和所述第四定子中的第二磁轴承，控制所述第二推力盘在所述第三磁性部件与所述多个第四磁性部件之间的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动，以使所述第二推力盘与所述第三定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙与所述第二推力盘与所述第四定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙的差值小于或等于预定值；

所述方法还包括：

当载荷负载在所述第二推力盘时，开启所述第三定子或所述第四定子中的第二磁轴承；

当所述第二推力盘与所述第三定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙与所述第二推力盘与所述第四定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙的差值小于或者等于所述预定值，关闭所述第三定子或所述第四定子中的第二磁轴承。

可选的，开启所述径向轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，包括：

开启所述第三磁轴承，控制所述转轴在所述多个第五磁性部件的磁力作用下在所述转轴的径向方向上移动，以使所述转轴移动至预设径向位置；

所述方法还包括：

当所述转轴与所述第二箔片轴承之间的第三间隙发生变化时，开启所述第三磁轴承，使间隙变小侧对应的第二箔片轴承在所述多个第五磁性部件与所述第六磁性部件之间的磁力作用下向靠近所述转轴的方向移动；

所述转轴处于平衡径向位置之后，关闭所述第三磁轴承。

可选的，开启所述径向轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，包括：

开启所述第四磁轴承，控制所述转轴在所述多个第七磁性部件的磁力作用下在所述转轴的径向方向上移动，以使所述转轴移动至预设径向位置；

所述方法还包括：

当所述转轴与所述第四磁轴承之间的第四间隙发生变化时，开启所述第四磁轴承；

所述转轴处于平衡径向位置之后，关闭所述第四磁轴承。

可选的，开启所述径向轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，包括：

开启所述第四磁轴承；和/或，启动外部气源，通过所述静压进气节流孔向所述第四间隙处输送气体；

控制所述转轴在所述多个第七磁性部件的磁力作用下，和/或所述气体的推动作用下在所述转轴的径向方向上移动，以使所述转轴移动至预设径向位置。

可选的，所述流体介质为蒸汽。

本发明中，通过在特斯拉涡轮机中采用非接触式的推力轴承和径向轴承，降低了特斯拉涡轮机在轴承上的功率损耗，从而有利于提高特斯拉涡轮机的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1是实施例一提供的一种特斯拉涡轮机的结构示意图；

图2是实施例二提供的一种特斯拉涡轮机的控制方法的流程示意图；

图3是实施例二提供的另一种特斯拉涡轮机的控制方法的流程示意图；

图4是实施例三提供的一种箔片式气磁混合推力轴承的剖视图；

图5是实施例三提供的箔片式气磁混合推力轴承中第一磁轴承的结构示意图；

图6是实施例三提供的箔片式气磁混合推力轴承中第一磁轴承座的结构示意图；

图7是实施例三提供的箔片式气磁混合推力轴承中第一箔片的结构示意图；

图8是实施例四提供的一种槽式气磁混合推力轴承的剖视图；

图9是实施例四提供的槽式气磁混合推力轴承中第二磁轴承的结构示意图；

图10是实施例四提供的槽式气磁混合推力轴承中第二磁轴承座的结构示意图；

图11是实施例四提供的槽式气磁混合推力轴承中在第二推力盘上设置第二动压发生槽的结构示意图之一；

图12是实施例四提供的槽式气磁混合推力轴承中在第二推力盘上设置第二动压发生槽的结构示意图之二；

图13是实施例四提供的槽式气磁混合推力轴承中在第一压环上设置第二动压发生槽的结构示意图之一；

图14是实施例四提供的槽式气磁混合推力轴承中在第一压环上设置第二动压发生槽的结构示意图之二；

图15是实施例五提供的一种箔片式气磁混合径向轴承的剖视图；

图16是实施例五提供的箔片式气磁混合径向轴承的外部视图；

图17是实施例五提供的箔片式气磁混合径向轴承中第三磁轴承座的结构示意图；

图18是实施例五提供的箔片式气磁混合径向轴承中第四箔片上分布有条状磁性材料的结构示意图；

图19是实施例五提供的箔片式气磁混合径向轴承中第四箔片上分布有点状磁性材料的结构示意图；

图20是图19中A部分的放大示意图；

图21是实施例六提供的一种槽式气磁混合径向轴承的半剖视图；

图22是实施例六提供的另一种槽式气磁混合径向轴承的半剖视图；

图23是实施例六提供的一种槽式气磁混合径向轴承的外部视图；

图24是实施例六提供的槽式气磁混合径向轴承中第四磁轴承的结构示意图；

图25是实施例六提供的槽式气磁混合径向轴承中第四磁轴承座的结构示意图；

图26是实施例六提供的槽式气磁混合径向轴承中在第二轴承套上设置第三动压发生槽的结构示意图之一；

图27是实施例六提供的槽式气磁混合径向轴承中在第二轴承套上设置第三动压发生槽的结构示意图之二；

图28是实施例六提供的槽式气磁混合径向轴承中在转轴上设置第三动压发生槽的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，一种特斯拉涡轮机，包括：

转轴100；

设置于转轴100上的壳体200，壳体200上设置有介质入口(图中未示出)和介质出口(图中未示出)；

设置于壳体200内的若干个圆盘300，若干个圆盘300固定连接于转轴100上，若干个圆盘300中的每两个相邻圆盘300之间均设置有间隙400，若干个圆盘300中的每个圆盘300上均设置有至少一个排气孔301；

以及，设置于转轴100上的推力轴承500和至少两个径向轴承，推力轴承500和至少两个径向轴承均为非接触式轴承。

本发明实施例中，特斯拉涡轮机的转轴100可以与电机3连接，例如，转轴100通过联轴器7与电机3的旋转轴310连接。当然，电机3也可以直接设置于转轴100上。

本发明实施例中，特斯拉涡轮机的工作原理如下：高速流体介质通过壳体200上设置的介质入口进入壳体200内部后进入相邻圆盘300之间的间隙400。由于流体边界效应，流体介质驱动圆盘300高速旋转进而带动转轴100旋转。流体介质依次穿过各圆盘300的排气孔301，并最终通过壳体200上设置的介质出口排出壳体200。转轴100旋转带动电机3的旋转轴310旋转以实现电机3发电。

进一步的，电机3为动压轴承电机，旋转轴310的对应电机3的轴承的部位设置有第一动压发生槽311。

进一步的，电机3还可以是启发一体式电机。

这样，在特斯拉涡轮机初始启动时刻，可以将电机3以启动模式开启，以使特斯拉涡轮机转动，当特斯拉涡轮机的转速提升至预设转速后，可以将电机3的工作模式切换到发电模式。

本发明实施例中，推力轴承500为用于限制转轴100在轴向方向上移动的轴承，径向轴承为用于限制转轴100在径向方向上移动的轴承。径向轴承的数量为至少两个，这样可以使转轴100在高速转动过程中保持稳定。

本发明实施例中，通过在特斯拉涡轮机中采用非接触式的推力轴承和径向轴承，降低了特斯拉涡轮机在轴承上的功率损耗，从而有利于提高特斯拉涡轮机的效率。

可选的，推力轴承500设置于壳体200内；

至少两个径向轴承包括第一径向轴承600和第二径向轴承700，第一径向轴承600和第二径向轴承700分别设置于壳体200的两侧。

这样，有利于使特斯拉涡轮机的重心位于第一径向轴承600和第二径向轴承700之间，有利于提高特斯拉涡轮机在高速转动过程中的稳定性。

可选的，若干个圆盘300中的每个圆盘300上的排气孔301同轴设置。

这样，流体介质能够更加顺畅、快速地穿过排气孔301进入任意相邻圆盘300之间的间隙400，从而有利于提高特斯拉涡轮机的工作效率。

可选的，由于高速流体介质从圆盘300的外缘进入，然后从排气孔301排出，为了提高特斯拉涡轮机的工作效率，若干个圆盘300中的每个圆盘300上的排气孔301至转轴100之间的距离小于排气孔301至圆盘300外缘之间的距离。

可选的，若干个圆盘300中的每个圆盘300上均设置有两个排气孔301，两个排气孔301以转轴100为对称轴对称设置。

这样，通过对称设置两个排气孔301，能够进一步提高特斯拉涡轮机的工作效率。

可选的，若干个圆盘300通过键302连接于转轴100上，并通过弹簧垫圈303固定于转轴100上。

本发明实施例中，圆盘300与转轴100固定连接的方式并不限于上述方式，例如，圆盘300可以通过焊接、一体成型等方式固定于转轴100上。其中，通过键302将圆盘300连接于转轴100上，有利于方便圆盘300的安装、调整与拆卸。

可选的，若干个圆盘300中相邻的两个圆盘300之间设置有垫片304，垫片304用于调节相邻两圆盘300之间的间隙400大小。

本发明实施例中，相邻两个圆盘300之间的间隙400大小对于特斯拉涡轮机的工作效率具有一定的影响，间隙400太小或太大均可能导致特斯拉涡轮机的工作效率降低。因此，本发明优选实施例中，通过垫片304对相邻两圆盘300之间的间隙400大小进行调节，有利于根据实际工况对相邻两圆盘300之间的间隙400大小进行灵活调节。

可选的，推力轴承500为气磁混合推力轴承；

至少两个径向轴承中的至少一个径向轴承为气磁混合径向轴承。

目前，非接触式轴承一般包括电磁轴承和空气轴承。然而，电磁轴承在长期开启时存在能耗太大以及发热等问题；而空气轴承在表面线速度接近或者超过音速时，会产生激波，从而导致轴承失稳，甚至产生撞轴等灾难性后果。

因此，考虑到特斯拉涡轮机高转速的发展需求，为了提高推力轴承和径向轴承的工作性能，本发明实施例中，推力轴承500可以采用气磁混合推力轴承，第一径向轴承600可以采用气磁混合径向轴承或气体动静压混合径向轴承，第二径向轴承700也可以采用气磁混合径向轴承或气体动静压混合径向轴承。

实施例二

下面就特斯拉涡轮机的工作过程进行具体说明。

如前所述，特斯拉涡轮机中的推力轴承可以采用气磁混合推力轴承，径向轴承可以采用气磁混合推力轴承或气体动静压混合径向轴承。为了便于描述，我们将不需要转轴100转动就能起到润滑作用的轴承定义为静压轴承，转轴100转动到一定速度时才能工作的轴承定义为动压轴承。依此逻辑，气磁混合推力轴承中的磁轴承和气体静压轴承，以及气体动静压混合径向轴承中的气体静压轴承均可以称为静压轴承；而气磁混合推力轴承中的气体动压轴承，以及气体动静压混合径向轴承中的气体动压轴承均可以称为动压轴承。

如图2所示，本发明实施例提供一种特斯拉涡轮机的控制方法，包括：

S101、开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承，以使转轴移动至预设径向位置，使推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置。

其中，开启静压轴承包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

S102、通过介质入口向壳体内输入流体介质，流体介质驱动若干个圆盘旋转，圆盘带动转轴转动。

其中，流体介质可以是蒸汽。

S103、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。

其中，关闭静压轴承包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

S104、特斯拉涡轮机停机时，开启径向轴承中的静压轴承和推力轴承中的静压轴承。

S105、转轴的转速减速至零之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。

在上述过程中，特斯拉涡轮机启动之前，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承开启。这样，转轴在径向轴承的静压轴承的作用下，被托起至预设径向位置；推力盘在推力轴承的静压轴承的作用下，被推动至预设轴向位置。径向轴承和推力轴承中的静压轴承一直开启至转轴的转速达到工作转速。

特斯拉涡轮机停机时，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承一直开启至转轴的转速为零。

如图3所示，本发明实施例提供另一种特斯拉涡轮机的控制方法，包括：

S201、开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承，以使转轴移动至预设径向位置，使推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置。

其中，开启静压轴承，包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

S202、通过介质入口向壳体内输入流体介质，流体介质驱动若干个圆盘旋转，圆盘带动转轴转动。

S203、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。

其中，第一预设值可以是额定转速的5％至30％。

其中，关闭静压轴承，包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

S204、转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承。

S205、转轴的转速平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。

S206、特斯拉涡轮机停机过程中，当转轴的转速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承。

S207、转轴的转速平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。

S208、转轴的转速减速至第二预设值时，开启径向轴承中的静压轴承和推力轴承中的静压轴承。

其中，第二预设值可以等于第一预设值，也可以不等于第一预设值，第二预设值可以是额定转速的5％至30％。

S209、转轴的转速减速至零之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。

在上述过程中，特斯拉涡轮机启动之前，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承开启。这样，转轴在径向轴承的静压轴承的作用下，被托起至预设径向位置；推力盘在推力轴承的静压轴承的作用下，被推动至预设轴向位置。

特斯拉涡轮机启动之后，转轴的转速逐渐增大，当转轴的转速达到第一预设值时，例如额定转速的5％至30％时，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承停止工作。当转轴的转速达到一阶临界速度或二阶临界速度时，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承重新开启。在转轴的转速平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。

特斯拉涡轮机停机过程中，转轴的转速逐渐下降，当转轴的转速达到二阶临界速度或一阶临界速度时，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承再次开启。在转轴的转速平稳度过二阶临界速度或一阶临界速度之后，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。当转轴的转速下降至预定值时，例如额定转速的5％至30％时，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承再次开启直至转速降为零之后，控制特斯拉涡轮机中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。

结合上述内容，我们清楚地了解了本发明实施例中提供的特斯拉涡轮机的整体结构，以及特斯拉涡轮机的控制方法。

需要说明的是，气磁混合推力轴承和气磁混合径向轴承可以采用多种结构形式。对于气磁混合推力轴承而言，可以包括箔片式气磁混合推力轴承或槽式气磁混合推力轴承；对于气磁混合径向轴承而言，可以包括箔片式气磁混合径向轴承或槽式气磁混合径向轴承。

下面结合附图分别对气磁混合推力轴承和气磁混合径向轴承的各种具体结构形式，以及各推力轴承和各径向轴承在特斯拉涡轮机的控制过程中的具体控制方法进行详细地说明。

实施例三

图4至图7为本发明实施例提供的箔片式气磁混合推力轴承的结构示意图。

如图4至图7所示，箔片式气磁混合推力轴承5100包括：

第一推力盘5101，第一推力盘5101固定连接于转轴100上；

以及，穿设于转轴100上的第一定子5102和第二定子5103，第一定子5102和第二定子5103分别设置于第一推力盘5101的相对两侧；

第一定子5102和第二定子5103中，每个定子包括第一磁轴承5104和第一箔片轴承5105，第一磁轴承5104上沿周向设置有多个第一磁性部件，第一箔片轴承5105设置有能够与多个第一磁性部件之间产生磁力的第二磁性部件；

其中，第一箔片轴承5105设置于第一磁轴承5104与第一推力盘5101之间，并与第一推力盘5101之间具有第一间隙5106，且第一箔片轴承5105能够在第一磁性部件和第二磁性部件之间的磁力作用下在转轴100的轴向方向上移动。

本发明实施例中，通过在推力轴承5100中设置第一间隙5106和第一磁轴承5104，从而使该推力轴承5100形成气、磁混合推力轴承。

工作时，推力轴承5100中的气体轴承与第一磁轴承5104能够协同工作，在推力轴承5100处于稳定的工作状态时，依靠气体轴承实现支承；而在推力轴承5100处于非稳定的工作状态时，依靠第一磁轴承5104及时对推力轴承5100进行控制和响应。

可见，本发明实施例能够改善推力轴承，尤其在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了推力轴承的承载能力。本发明实施例的推力轴承能够满足高转速的特斯拉涡轮机，例如，燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组等的需求。

本发明实施例中，第一推力盘5101、第一定子5102和第二定子5103的外径可以相等，且第一定子5102和第二定子5103的结构可以完全相同。

当本发明实施例的特斯拉涡轮机应用于燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组时，第一定子5102和第二定子5103可以通过连接件与燃气轮机的壳体连接。

可选的，多个第一磁性部件包括多个第一永磁体，多个第一永磁体在第一磁轴承5104上沿周向设置；

或者，多个第一磁性部件包括多个第一电磁铁，多个第一电磁铁在第一磁轴承5104上沿周向设置，多个第一电磁铁中的每个第一电磁铁包括设置于第一磁轴承5104上的第一磁芯51041及缠绕于第一磁芯上的第一线圈51042。

本发明实施例中，当箔片式气磁混合推力轴承5100仅需要磁性部件提供磁力而无需磁控时，第一磁性部件优选第一永磁体；当箔片式气磁混合推力轴承5100同时需要磁力和磁控时，第一磁性部件优选第一电磁铁。

当第一磁性部件为第一电磁铁时，往第一线圈51042通入电流，即可以使第一磁芯51041产生磁力。往第一线圈51042通入电流的大小不同，第一磁芯51041产生的磁力大小也不同；往第一线圈51042通入电流的方向不同，第一磁芯51041的磁极也不同。

其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第一磁芯51041由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。

可选的，第一磁轴承5104包括：

第一磁轴承座51043，第一磁轴承座51043与第一推力盘5101相对设置，第一磁轴承座51043上沿周向设置有多个第一容纳槽51044，多个第一磁性部件设置于多个第一容纳槽51044内，且多个第一磁性部件的磁极朝向第一箔片轴承5105所在的一侧；

第一端盖51045，第一端盖51045设置于第一磁轴承座51043的远离第一箔片轴承5105的一侧，并与第一箔片轴承5105配合，将第一磁性部件固定于第一磁轴承座51043上。

其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第一磁轴承座51043由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。第一容纳槽51044的数量可以为但不限于为六个或八个，沿第一磁轴承座51043的周向均匀设置。这样，能够使第一磁轴承座51043与第一箔片轴承5105之间的磁力更加均匀、稳定。需要说明的是，多个第一磁性部件还可以采用其他方式设置于第一磁轴承座51043上，对此不进行限定。第一端盖51045的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。

可选的，第一箔片轴承5105包括：

与第一磁轴承座51043固定连接的第一箔片轴承座51051；

以及，设置于第一箔片轴承座51051上的第一箔片51052和第二箔片51053，第一箔片51052安装于第一箔片轴承座51051上，第二箔片51053叠设于第一箔片51052的靠近第一推力盘5101的一侧；

其中，第二箔片51053为平箔片，第二磁性部件设置于第二箔片51053上，以使第二箔片51053能够在第一磁性部件和第二磁性部件的磁力作用下在转轴100的轴向方向上移动；第一箔片51052为能够在第二箔片51053移动时发生弹性变形的弹性变形箔片。

其中，第一箔片轴承座51051的材料为非磁性材料，优选硬铝材料。第一箔片51052为弹性变形箔片，考虑到导磁材料的材质较硬且脆，不宜作为弹性变形箔片，因此，第一箔片51052优选不导磁的不锈钢带。

本发明实施例中，通过将第二箔片51053设置为平箔片，便于控制第二箔片51053与第一推力盘5101之间的距离，或者说，便于控制第一间隙5106的大小。第一箔片51052采用能够弹性变形的箔片，一方面起到连接第二箔片51053和第一箔片轴承座51051的作用，另一方面可以实现第二箔片51053相对于第一箔片轴承座51051可沿转轴100的轴向移动的目的。

可选的，第一箔片51052为呈波浪状的弹性变形箔片，且第一箔片51052为不封闭的环形，其上设有一开口，开口的一端为固定端，固定端固定于第一箔片轴承座51051上，开口的另一端为活动端；

其中，第二箔片51053在转轴100的轴向方向上移动时，第一箔片51052上的波浪纹伸展或收缩，活动端沿环形的周向移动。

本发明实施例中，通过将第一箔片51052设置为呈波浪状的弹性变形箔片，便于利用波浪纹的伸展或收缩特性，推动第二箔片51053在转轴100的轴向方向上移动。

需要说明的是，本发明实施例中的第一箔片51052的形状并不局限于波浪状，其它能够产生弹性变形的形状均可以适用于本发明实施例的第一箔片51052。

可选的，第二磁性部件包括设置于第二箔片51053的靠近第一磁轴承5104的一侧表面上的第一磁性材料；

其中，第一磁性材料在第二箔片51053上呈条状分布，而形成多个条状磁性部，多个条状磁性部呈辐射状或环状；

或者，第一磁性部件在第二箔片51053上呈点状分布。

其中，第二箔片51053的材料优选非导磁材料，在第二箔片51053的表面遮喷第一磁性材料后，可以用陶瓷涂层覆盖第一磁性材料。第二箔片51053可以通过使用40％的氧化锆、30％的α氧化铝和30％的铝酸镁尖晶石的陶瓷纳米微粉烧结制成。

若第二箔片51053的表面完全覆盖第一磁性材料，则会大幅增加第一磁性材料与第一磁性部件之间产生的磁力，这样容易导致第二箔片51053发生变形。鉴于此，本发明实施例中，通过在第二箔片51053的表面遮喷第一磁性材料，使第一磁性材料在第二箔片51053上呈条状分布或点状分布，可以将第一磁性材料与第一磁性部件之间产生的磁力控制在合理的范围，从而避免第二箔片51053因过大的磁力而发生变形。

可选的，箔片式气磁混合推力轴承5100还包括第一传感器5107，第一传感器5107的传感器探头设置于第一间隙5106内。

本发明实施例中，通过设置第一传感器5107，能够实时检测第一间隙5106处的参数，例如第一间隙5106处的气膜压力等。这样，第一磁轴承5104可以根据第一传感器5107的检测结果对推力轴承5100进行主动控制，并能够使控制达到较高的精度。

可选的，第一传感器5107包括第一传感器盖51071和第一传感器探头51072，第一传感器探头51072的第一端连接第一传感器盖51071，第一传感器盖51071固定于第一磁轴承5104上，第一磁轴承5104和第一箔片轴承5105上设有用于供第一传感器探头51072穿过的通孔；第一传感器探头51072的第二端穿过第一磁轴承5104和第一箔片轴承5105上的通孔，并伸至第一间隙5106，且第一传感器探头51072的第二端端部与第一箔片轴承5105的靠近第一推力盘5101的一侧平齐。

本发明实施例中，通过上述第一传感器5107的结构形式和安装方式，能够使第一传感器5107更稳定地设置于第一磁轴承5104上。将第一传感器探头51072的第二端端部与第一箔片轴承5105的靠近第一推力盘5101的一侧平齐，一方面，能够避免第一传感器探头51072受到第一推力盘5101的碰触，从而有利于保护第一传感器探头51072；另一方面，不会对第一间隙5106内的气膜产生影响，避免第一间隙5106内的气膜发生扰动。

可选的，第一传感器5107设置于相邻的两个第一磁性部件之间。

本发明实施例中，每个定子上均应当设置至少一个第一传感器5107，优选设置一个第一传感器5107，该第一传感器5107优选设置在相邻两个第一磁性部件之间。

可选的，第一传感器5107为以下任意一种或多种的组合：

用于检测第一推力盘5101位置的位移传感器；

用于检测第一间隙5106处的气膜压力的压力传感器；

用于检测第一推力盘5101转速的速度传感器；

用于检测第一推力盘5101旋转加速度的加速度传感器。

下面以本发明实施例的箔片式气磁混合推力轴承(其中，第一磁轴承中的第一磁性部件为电磁铁)参与特斯拉涡轮机的控制过程时的具体控制方法进行详细地说明。

本发明实施例提供一种箔片式气磁混合推力轴承的控制方法，包括：

S511、开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承，控制第一推力盘在多个第一磁性部件的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙等于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙。

S512、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。

S513、特斯拉涡轮机停机时，开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承。

S514、转轴的转速减速至零之后，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。

在上述过程中，第一磁轴承开启后，第一推力盘在第一磁轴承的作用下到达第一定子和第二定子之间的预定位置，第一推力盘与第一定子和第二定子的端面均具有第一间隙。

随着转轴的转动，第一推力盘在受第一间隙中气流润滑的情况下相对第一定子和第二定子开始转动，以防止磨损。第一磁轴承开启的具体过程为：向第一线圈输入预定值的电流信号，第一推力盘在第一磁轴承的作用下到达第一定子和第二定子之间的预定位置。

随着转轴的转速越来越大，第一推力盘的转速也同步增大，当转轴的转速到达工作转速时，该推力轴承的气体动压轴承(第一推力盘与第一定子和第二定子之间设置第一间隙即形成该推力轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将第一推力盘稳定，届时可以关闭第一磁轴承。

在特斯拉涡轮机停机时，第一推力盘随着转轴减速而减速，为了使转轴在整个特斯拉涡轮机停机过程中保持稳定，在特斯拉涡轮机停机时即开启第一磁轴承，直到第一推力盘完全停下后即可关闭第一磁轴承。

本发明实施例还提供另一种箔片式气磁混合推力轴承的控制方法，包括：

S521、开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承，控制第一推力盘在多个第一磁性部件的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙等于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙。

S522、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。

S523、转轴的转速减速至第二预设值时，开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承。

S524、转轴的转速减速至零之后，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。

在上述过程中，第一磁轴承开启后，第一推力盘在第一磁轴承的作用下到达第一定子和第二定子之间的预定位置，第一推力盘与第一定子和第二定子的端面均具有第一间隙。

随着转轴的转动，第一推力盘在受第一间隙中气流润滑的情况下相对第一定子和第二定子开始转动，以防止磨损。第一磁轴承开启的具体过程为：向第一线圈输入预定值的电流信号，第一推力盘在第一磁轴承的作用下到达第一定子和第二定子之间的预定位置。

随着转轴的转速越来越大，第一推力盘的转速也同步增大，当转轴的转速到达第一预设值，例如额定转速的5％至30％时，该推力轴承的气体动压轴承(第一推力盘与第一定子和第二定子之间设置第一间隙即形成该箔片式气磁混合推力轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将第一推力盘稳定，届时可以关闭第一磁轴承。

在特斯拉涡轮机停机过程中，第一推力盘随着转轴减速而减速，当转轴的转速低于第二预设值，例如额定转速的5％至30％时，此时，推力轴承的气体动压轴承产生的气膜压力也随第一推力盘减速而减小，因此，需要开启第一磁轴承以使第一推力盘保持稳定，直到第一推力盘完全停下后即可关闭第一磁轴承。

可选的，上述方法还包括：

当载荷负载在第一推力盘，第一推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙不等于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙时，开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承；

当第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙等于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。

当载荷负载在第一推力盘上，使第一推力盘与第一定子或第二定子的第一箔片轴承之间的第一间隙变小而接近该侧的第一箔片轴承时，第一传感器(这里的第一传感器优选压力传感器)获得气压增大的信号，此时第一磁轴承需要介入工作。第一磁轴承并不完全直接将磁力作用于第一推力盘上，使其向另一侧的第一箔片轴承移动，而是使用磁力将另一侧的第一箔片轴承朝远离第一推力盘的方向移动，使第一推力盘与另一侧的第一箔片轴承之间的第一间隙提高，从而提高第一间隙变小侧的压力，适应第一推力盘上负载的重量，自动重新分配两个第一间隙上的气流压力。当第一推力盘达到新的平衡位置时，第一磁轴承停止工作。

具体的，若第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙小于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙，则控制第二定子中的第一箔片轴承在多个第一磁性部件与第二磁性部件之间的磁力作用下，朝远离第一推力盘的方向在转轴的轴向方向上移动。

若第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙小于第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙，则控制第一定子中的第一箔片轴承在多个第一磁性部件与第二磁性部件之间的磁力作用下，朝远离第一推力盘的方向在转轴的轴向方向上移动。

可选的，当载荷负载在第一推力盘，第一推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙不等于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙时，开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承，包括：

当载荷负载在第一推力盘，第一推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙不等于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙时，控制第一定子和第二定子中的第一磁轴承以最大功率开启；或者，

当载荷负载在第一推力盘，第一推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙不等于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙时，控制第一定子和第二定子中的第一磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。

当有外部冲击扰动发生时，第一推力盘可能快速地接近某侧第一箔片轴承，则有可能导致该侧的第一间隙瞬间过小，使该侧第一间隙处的局部气体流速接近甚至达到音速，从而引发激波产生气锤自激现象。激波的产生会导致局部气体流动发生扰动和混乱，当流体速度在音速到亚音速之间变化时其压力呈阶梯式显著下降。这种情况下，需要该侧第一箔片轴承主动“避让”第一推力盘，从而使该侧的第一间隙增大以使气流速度尽可能维持在亚音速区间，以维护其正常的流体压力。具体的，需要同时控制第一定子和第二定子上的第一磁轴承，使第一磁轴承的磁极以相同的极性励磁，即第一间隙减小的一侧产生吸力，用于回吸该侧第一箔片轴承，第一间隙增大的一侧产生吸力，用于拉回第一推力盘。这样，利用两侧磁力作用距离的差产生磁力差，以此拉动第一推力盘使第一推力盘与两侧第一箔片轴承之间的第一间隙恢复正常，从而使第一推力盘重新回到平衡状态。

在上述过程中，利用第一磁轴承方便实时控制的优点，主动平衡第一推力盘的不平衡质量或第一推力盘涡动等导致第一推力盘过度偏移的因素，使第一推力盘在转轴的轴向方向上固定在某一极小范围内。另外，在第一推力盘的加速过程中，可以准确定位产生激波的位置(即线速度超声速部位)，并通过控制第一磁轴承的电流大小和方向等，使第一磁轴承产生相反的力来平衡激波作用。待激波平稳后，再次调整第一磁轴承的控制策略，以最节能的方式将第一推力盘固定在某一极小范围内。

综合上述，本发明实施例具有如下有益效果：

其一，电磁轴承与气体轴承协同工作，改善了轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了轴承的承载能力。同时，电磁轴承与气体轴承采用并联结构，简化了结构，集成度高，易加工、制造和操作，提高了轴承的综合性能。在特斯拉涡轮机启动或停机时，可以用电磁轴承使轴承的推力盘与定子在轴承间隙内转动，提高了轴承的低速性能，延长了轴承的使用寿命，能够提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。

其二，相对于传统的采用气体静压轴承和气体动压轴承结合的气体动静压混合推力轴承，本发明实施例的箔片式气磁混合推力轴承具有响应速度快的优点。

其三，通过在箔片上设置磁性材料，通过电磁轴承的磁极的吸引能够使箔片适度变形，提高轴承中润滑气膜一侧的最高压力和防止润滑气流泄漏，提高推力盘抗受扰动偏心撞壁的能力，从而也提高了轴承的承载能力。

其四，采用成本较低的压力传感器采集气膜压力变化，通过简单的控制方法控制箔片的变形，可提供较高转子阻尼，从而提高转子稳定性。另外，由于控制方法简单，对轴承的加工精度要求不高。

实施例四

图8至图14为本发明实施例提供的槽式气磁混合推力轴承的结构示意图。

如图8至图14所示，槽式气磁混合推力轴承5200包括：

第二推力盘5201，第二推力盘5201固定连接于转轴100上，第二推力盘5201上设置有第三磁性部件；

以及，穿设于转轴100上的第三定子5202和第四定子5203，第三定子5202和第四定子5203分别设置于第二推力盘5201的相对两侧；

第三定子5202和第四定子5203中，每个定子包括第二磁轴承5204，第二磁轴承5204上沿周向设置有能够与第三磁性部件之间产生磁力的多个第四磁性部件，第二磁轴承5204与第二推力盘5201之间具有第二间隙5206，且第二推力盘5201能够在第三磁性部件和多个第四磁性部件之间的磁力作用下在转轴100的轴向方向上移动；

其中，第二推力盘5201的面向第三定子5202和第四定子5203的端面，或，第三定子5202和第四定子5203的面向第二推力盘5201的端面上设置有第二动压发生槽5205。

本发明实施例中，通过在推力轴承5200中设置第二间隙5206和第二磁轴承5204，从而使该推力轴承5200形成气、磁混合推力轴承。

工作时，推力轴承5200中的气体轴承与第二磁轴承5204能够协同工作，在推力轴承5200处于稳定的工作状态时，依靠气体轴承实现支承；而在推力轴承5200处于非稳定的工作状态时，依靠第二磁轴承5204及时对推力轴承5200进行控制和响应。

可见，本发明实施例能够改善推力轴承，尤其在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了推力轴承的承载能力。本发明实施例的推力轴承能够满足高转速的特斯拉涡轮机，例如，燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组等的需求。

本发明实施例中，第二推力盘5201、第三定子5202和第四定子5203的外径可以相等，且第三定子5202和第四定子5203的结构可以完全相同。

当本发明实施例的特斯拉涡轮机应用于燃气轮机时，第三定子5202和第四定子5203可以通过连接件与燃气轮机的壳体连接。

本发明实施例中，当第二推力盘5201旋转时，存在于第二间隙5206的流动气体被压入第二动压发生槽5205内，从而产生压力，以实现第二推力盘5201沿轴向方向被非接触地保持。其中，第二动压发生槽5205产生压力的大小随第二动压发生槽5205的角度、槽宽、槽长、槽深、槽数以及平面度的不同而变化。此外，第二动压发生槽5205产生压力的大小也和第二推力盘5201的旋转速度以及第二间隙5206有关。可以根据实际工况对第二动压发生槽5205的参数进行设计。第二动压发生槽5205可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压等方式形成于第三定子5202和第四定子5203上，或者，第二动压发生槽5205可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压等方式形成于第二推力盘5201上。

可选的，多个第四磁性部件包括多个第二永磁体，多个第二永磁体在第二磁轴承5204上沿周向设置；

或者，多个第四磁性部件包括多个第二电磁铁，多个第二电磁铁在第二磁轴承5204上沿周向设置，多个第二电磁铁中的每个第二电磁铁包括设置于第二磁轴承5204上的第二磁芯52041及缠绕于第二磁芯52041上的第二线圈52042。

本发明实施例中，当槽式气磁混合推力轴承5200仅需要磁性部件提供磁力而无需磁控时，第四磁性部件优选第二永磁体；当槽式气磁混合推力轴承5200同时需要磁力和磁控时，第四磁性部件优选第二电磁铁。

当第四磁性部件为第二电磁铁时，往第二线圈52042通入电流，即可以使第二磁芯52041产生磁力。往第二线圈52042通入电流的大小不同，第二磁芯52041产生的磁力大小也不同；往第二线圈52042通入电流的方向不同，第二磁芯52041的磁极也不同。

其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第二磁芯52041可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。

可选的，第二磁轴承5204包括：

第二磁轴承座52043，第二磁轴承座52043与第二推力盘5201相对设置，第二磁轴承座52043上沿周向设置有多个第二容纳槽52044，多个第四磁性部件设置于多个第二容纳槽52044内，且多个第四磁性部件的磁极朝向第二推力盘5201所在的一侧；

第二端盖52045和第一压环52046，第二端盖52045设置于第二磁轴承座52043的远离第二推力盘5201的一侧，第一压环52046设置于第二磁轴承座52043的靠近第二推力盘5201的一侧，第二端盖52045与第一压环52046配合，将多个第四磁性部件固定于第二磁轴承座52043上。

其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第二磁轴承座52043可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。第二容纳槽52044的数量可以为但不限于为六个或八个，沿第二磁轴承座52043的周向均匀设置。这样，能够使第二磁轴承5204与第二推力盘5201之间的磁力更加均匀、稳定。需要说明的是，多个第四磁性部件还可以采用其他方式设置于第二磁轴承座52043上，对此不进行限定。第二端盖52045的材料可以为非磁性材料，优选硬铝材料。第一压环52046的材料可以为非磁性材料，优选硬铝材料。

本发明实施例中，可以在第一压环52046上设置第二动压发生槽5205，为便于第二动压发生槽5205的加工，第一压环52046可以由不锈钢材料制成。

可选的，第三磁性部件包括设置于第二推力盘5201的面向第三定子5202和第四定子5203的端面上的第二磁性材料(图中未示出)；

其中，第二磁性材料在第二推力盘5201上呈条状分布，而形成多个条状磁性部，多个条状磁性部呈辐射状或环状；

或者，第二磁性部件在第二推力盘5201上呈点状分布。

本发明实施例中，使第二磁性材料在第二推力盘5201上呈条状分布或点状分布，可以将第二磁性材料与第四磁性部件之间产生的磁力控制在合理的范围。

可选的，第二动压发生槽5205呈辐射状或同心圆状排布，这样，有利于使气膜更均匀地分布于第二间隙5206内。

可选的，第二动压发生槽5205包括第一螺旋槽52051和第二螺旋槽52052，第一螺旋槽52051环绕于第二螺旋槽52052外，第一螺旋槽52051和第二螺旋槽52052的螺旋走向相反，第一螺旋槽52051的靠近第二螺旋槽52052的一端与第二螺旋槽52052的靠近第一螺旋槽52051的一端连接或断开。

其中，第一螺旋槽52051的靠近第二螺旋槽52052的一端至转轴100的轴心的距离等于第一螺旋槽52051的靠近第二螺旋槽52052的一端至第三定子5202或第四定子5203或第二推力盘5201的外周边缘的距离。或者，第二螺旋槽52052的靠近第一螺旋槽52051的一端至转轴100的轴心的距离等于第二螺旋槽52052的靠近第一螺旋槽52051的一端至第三定子5202或第四定子5203或第二推力盘5201的外周边缘的距离。

本发明实施例中，通过采用上述第二动压发生槽5205的设置方式，能够在转轴100正向旋转或者反向旋转的情况下，第二推力盘5201都能以期望的方式非接触式地保持，从而使转轴100具有负载能力高及稳定性好的优点。

可选的，第三定子5202和第四定子5203中，每个定子上还设置有第一静压进气节流孔5208，第一静压进气节流孔5208的一端与第二间隙5206相通，另一端连接外部气源，用于将外部气源输送至第二间隙5206内。

本发明实施例中，通过设置上述第一静压进气节流孔5208，可以形成气体静压轴承，从而该推力轴承5200可以构成气体动静压-磁混合推力轴承。其中，第一静压进气节流孔5208的流通直径可以根据气量需求等实际工况进行调节。

可选的，第三定子5202和第四定子5203中，每个定子上设置有多个第一静压进气节流孔5208，且多个第一静压进气节流孔5208沿定子的周向间隔设置。

本发明实施例中，多个第一静压进气节流孔5208沿定子的周向间隔设置，优选沿定子的周向均匀间隔设置。这样，有利于使第二间隙5206内的气膜压力更加均匀。

可选的，第三定子5202和第四定子5203中，第一静压进气节流孔5208至转轴100的轴心的距离大于或者等于第一静压进气节流孔5208至定子的外周边缘的距离。

本发明实施例中，上述第一静压进气节流孔5208的设置方式可以使气体静压轴承更加稳定，如果静压进气节流孔过于靠近转轴100的轴心，则无法及时有效地使气膜布满整个第二推力盘5201的端面，使第二推力盘5201的旋转不够稳定。优选的，第一静压进气节流孔5208至转轴100的轴心的距离等于第一静压进气节流孔5208至定子的外周边缘的距离。

可选的，槽式气磁混合推力轴承5200还包括第二传感器5207，第二传感器5207的传感器探头设置于第二间隙5206内。

本发明实施例中，通过设置第二传感器5207，能够实时检测第二间隙5206处的参数，例如第二间隙5206处的气膜压力等。这样，第二磁轴承5204可以根据第二传感器5207的检测结果对推力轴承5200进行主动控制，并能够使控制达到较高的精度。

可选的，第二传感器5207包括第二传感器盖52071和第二传感器探头52072，第二传感器探头52072的第一端连接第二传感器盖52071，第二传感器盖52071固定于第二磁轴承5204上，第二磁轴承5204上设有用于供第二传感器探头52072穿过的通孔；第二传感器探头52072的第二端穿过第二磁轴承5204上的通孔，并伸至第二间隙5206，且第二传感器探头52072的第二端端部与第二磁轴承5204的靠近第二推力盘5201的一侧平齐。

本发明实施例中，通过上述第二传感器5207的结构形式和安装方式，能够使第二传感器5207更稳定地设置于第二磁轴承5204上。此外，将第二传感器探头52072的第二端端部与第二磁轴承5204的靠近第二推力盘5201的一侧平齐，一方面，能够避免第二传感器探头52072受到第二推力盘5201的碰触，从而有利于保护第二传感器探头52072；另一方面，不会对第二间隙5206内的气膜产生影响，避免第二间隙5206内的气膜发生扰动。

可选的，第二传感器5207设置于相邻的两个第四磁性部件之间。

本发明实施例中，每个定子上均应当设置至少一个第二传感器5207，优选设置一个第二传感器5207，该第二传感器5207优选设置在相邻两个第四磁性部件之间。

可选的，第二传感器5207为以下任意一种或多种的组合：

用于检测第二推力盘5201位置的位移传感器；

用于检测第二间隙5206处的气膜压力的压力传感器；

用于检测第二推力盘5201转速的速度传感器；

用于检测第二推力盘5201旋转加速度的加速度传感器。

下面以本发明实施例的槽式气磁混合推力轴承(其中，第二磁轴承中的第四磁性部件为电磁铁)参与特斯拉涡轮机的控制过程时的具体控制方法进行详细地说明。

本发明实施例提供一种槽式气磁混合推力轴承的控制方法，包括：

S531、开启第三定子和第四定子中的第二磁轴承，控制第二推力盘在第三磁性部件与多个第四磁性部件之间的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值小于或等于预定值。

S532、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭第三定子和第四定子中的第二磁轴承。

S533、特斯拉涡轮机停机时，开启第三定子和第四定子中的第二磁轴承。

S534、转轴的转速减速至零之后，关闭第三定子和第四定子中的第二磁轴承。

在上述过程中，第二磁轴承开启后，第二推力盘在第二磁轴承的作用下到达第三定子和第四定子之间的预定位置，第二推力盘与第三定子和第四定子的端面均具有第二间隙。

随着转轴的转动，第二推力盘在受第二间隙中气流润滑的情况下相对第三定子和第四定子开始转动，以防止磨损。第二磁轴承开启的具体过程为：向第二线圈输入预定值的电流信号，第二推力盘在第二磁轴承的作用下到达第三定子和第四定子之间的预定位置。

随着转轴的转速越来越大，第二推力盘的转速也同步增大，当转轴的转速到达工作转速时，该推力轴承的气体动压轴承(第二推力盘与第三定子和第四定子之间设置第二间隙即形成该推力轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将第二推力盘稳定，届时可以关闭第二磁轴承。

在特斯拉涡轮机停机时，第二推力盘随着转轴减速而减速，为了使转轴在整个特斯拉涡轮机停机过程中保持稳定，在特斯拉涡轮机停机时即开启第二磁轴承，直到第二推力盘完全停下后即可关闭第二磁轴承。

本发明实施例还提供另一种槽式气磁混合推力轴承的控制方法，包括：

S541、开启第三定子和第四定子中的第二磁轴承，控制第二推力盘在第三磁性部件与多个第四磁性部件之间的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值小于或等于预定值。

S542、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭第三定子和第四定子中的第二磁轴承。

S543、转轴的转速减速至第二预设值时，开启第三定子和第四定子中的第二磁轴承。

S544、转轴的转速减速至零之后，关闭第三定子和第四定子中的第二磁轴承。

在上述过程中，第二磁轴承开启后，第二推力盘在第二磁轴承的作用下到达第三定子和第四定子之间的预定位置，第二推力盘与第三定子和第四定子的端面均具有第二间隙。随着转轴的转动，第二推力盘在受第二间隙中气流润滑的情况下相对第三定子和第四定子开始转动，以防止磨损。第二磁轴承开启的具体过程为：向第二线圈输入预定值的电流信号，第二推力盘在第二磁轴承的作用下到达第三定子和第四定子之间的预定位置。

随着转轴的转速越来越大，第二推力盘的转速也同步增大，当转轴的转速到达第二预设值，例如额定转速的5％至30％时，该推力轴承的气体动压轴承(第二推力盘与第三定子和第四定子之间设置第二间隙即形成该槽式气磁混合推力轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将第二推力盘稳定，届时可以关闭第二磁轴承。

在特斯拉涡轮机停机过程中，第二推力盘随着转轴减速而减速，当转轴的转速低于第二预设值时，例如额定转速的5％至30％时，此时，推力轴承的气体动压轴承产生的气膜压力也随第二推力盘减速而减小，因此，需要开启第二磁轴承以使第二推力盘保持稳定，直到第二推力盘完全停下后即可关闭第二磁轴承。

可选的，上述方法还包括：

当载荷负载在第二推力盘，第二推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值时，开启所述第三定子或所述第四定子中的第二磁轴承；

当第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值小于或者等于预定值，关闭第三定子或第四定子中的第二磁轴承。

当载荷负载在第二推力盘上，使第二推力盘与第三定子或第四定子的第二磁轴承之间的第二间隙变小而接近该侧的第二磁轴承时，第二传感器(这里的第二传感器优选压力传感器)获得气压增大的信号，此时第二磁轴承需要介入工作。第二磁轴承将磁力作用于第二推力盘上，使其向另一侧的第二磁轴承移动，当第二推力盘达到新的平衡位置之后，第二磁轴承停止工作。

具体的，若第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙小于第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙，且第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值，则控制第四定子中的第二磁轴承，使第二推力盘在第三磁性部件与多个第四磁性部件之间的磁力作用下，朝远离第四定子的方向在转轴的轴向方向上移动。

若第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙小于第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙，且第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值，则控制第三定子中的第二磁轴承，使第二推力盘在第三磁性部件与多个第四磁性部件之间的磁力作用下，朝远离第三定子的方向在转轴的轴向方向上移动。

可选的，当载荷负载在第二推力盘，第二推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值时，开启第三定子或第四定子中的第二磁轴承，包括：

当载荷负载在第二推力盘，第二推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值时，控制第三定子或第四定子中的第二磁轴承以最大功率开启；或者，

当载荷负载在第二推力盘，第二推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值时，控制第三定子或第四定子中的第二磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。

当有外部冲击扰动发生时，第二推力盘可能快速地接近某侧第二磁轴承，则有可能导致该侧的第二间隙瞬间过小，使该侧第二间隙处的局部气体流速接近甚至达到音速，从而引发激波产生气锤自激现象。激波的产生会导致局部气体流动发生扰动和混乱，当流体速度在音速到亚音速之间变化时其压力呈阶梯式显著下降。这种情况下，需要控制第三定子或第四定子中的第二磁轴承以最大功率开启，或者控制第三定子或第四定子中的第二磁轴承按照预设频率以频闪的方式轮流开启，以提供对扰动的阻尼作用，从而有效抑制外部扰动。当第二推力盘重新回到平衡状态之后，第二磁轴承停止工作。

需要说明的是，本发明实施例中，对于同时设置有电磁轴承(第二磁轴承中的第四磁性部件为电磁铁即形成电磁轴承)和气体静压轴承(第三定子和第四定子上设置的第一静压进气节流孔即形成气体静压轴承)的情况下，电磁轴承和气体静压轴承可以相互备用，在其中一方故障、失效或者无法满足开启条件的情况下，另一方可作为备用轴承起到相同的作用。例如，在检测到电磁轴承故障的情况下，控制外部气源开启以替代电磁轴承执行相应的动作，从而提高轴承的安全性和可靠性。

本发明实施例中，对于同时设置有电磁轴承和气体静压轴承的情况下，对于“开启所述推力轴承中的静压轴承，以使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置”的步骤，可以包括如下实施方式：

开启所述第三定子和所述第四定子的第二磁轴承；和/或，启动外部气源，通过所述第一静压进气节流孔向所述第二间隙处输送气体；

控制所述第二推力盘在所述第三磁性部件与所述第四磁性部件之间的磁力作用下，和/或所述气体的推动作用下在所述转轴的轴向方向上移动，以使所述第二推力盘与所述第三定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙与所述第二推力盘与所述第四定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙的差值小于或等于所述预定值。

在上述过程中，利用第二磁轴承方便实时控制的优点，主动平衡第二推力盘的不平衡质量或第二推力盘涡动等导致第二推力盘过度偏移的因素，使第二推力盘在转轴的轴向方向上固定在某一极小范围内。另外，在第二推力盘的加速过程中，可以准确定位产生激波的位置(即线速度超声速部位)，并通过控制第二磁轴承的电流大小和方向等，使第二磁轴承产生相反的力来平衡激波作用。待激波平稳后，再次调整第二磁轴承的控制策略，以最节能的方式将第二推力盘固定在某一极小范围内。

综合上述，本发明实施例具有如下有益效果：

其一，电磁轴承与气体轴承协同工作，改善了轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了轴承的承载能力。同时，电磁轴承与气体轴承采用并联结构，简化了结构，集成度高，易加工、制造和操作，提高了轴承的综合性能。在特斯拉涡轮机启动或停机时，可以用电磁轴承使轴承的推力盘与定子在第二间隙内转动，提高了轴承的低速性能，延长了轴承的使用寿命，能够提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。

其二，相对于传统的采用气体静压轴承和气体动压轴承结合的气体动静压混合推力轴承，本发明实施例的槽式气磁混合推力轴承具有响应速度快的优点。

其三，增加了气体静压轴承，形成槽式动静压-磁混合推力轴承，在同时设置有电磁轴承和气体静压轴承的情况下，轴承的承载力进一步加大，电磁轴承和气体静压轴承可以相互备用，在其中一方故障、失效或者无法满足开启条件的情况下，另一方可作为备用轴承起到相同的作用。例如，在检测到电磁轴承故障的情况，控制系统控制气体静压轴承开启以替代电磁轴承执行相应的动作，从而提高轴承的安全性和可靠性。

实施例五

图15至图20为本发明实施例提供的箔片式气磁混合径向轴承的结构示意图。

如图15至图20所示，箔片式气磁混合径向轴承6100包括：

套设于转轴100上的第三磁轴承6101，第三磁轴承6101上沿周向设置有多个第五磁性部件；

套设于转轴100上，并位于第三磁轴承6101和转轴100之间的第二箔片轴承6102，第二箔片轴承6102上设有能够与多个第五磁性部件之间产生磁力的第六磁性部件；

其中，第二箔片轴承6102与转轴100之间具有第三间隙6103，且第二箔片轴承6102能够在多个第五磁性部件和第六磁性部件的磁力作用下在转轴100的径向方向上移动。

本发明实施例中，通过在径向轴承6100中设置第三间隙6103和第三磁轴承6101，从而使该径向轴承6100形成气、磁混合径向轴承。

工作时，径向轴承6100中的气体轴承与第三磁轴承6101能够协同工作，在径向轴承6100处于稳定的工作状态时，依靠气体轴承实现支承；而在径向轴承6100处于非稳定的工作状态时，依靠第三磁轴承6101及时对径向轴承6100进行控制和响应。

可见，本发明实施例能够改善径向轴承，尤其在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了径向轴承的承载能力。本发明实施例的径向轴承能够满足高转速的特斯拉涡轮机，例如，燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组等的需求。

本发明实施例中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，转轴100可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。

可选的，多个第五磁性部件包括多个第三永磁体，多个第三永磁体在第三磁轴承6101上沿周向设置；

或者，多个第五磁性部件包括多个第三电磁铁，多个第三电磁铁在第三磁轴承6101上沿周向设置，多个第三电磁铁中的每个第三电磁铁包括设置于第三磁轴承6101上的第三磁芯61011及缠绕于第三磁芯61011上的第三线圈61012。

本发明实施例中，当箔片式气磁混合径向轴承6100仅需要磁性部件提供磁力而无需磁控时，第五磁性部件优选第三永磁体；当箔片式气磁混合推力轴承同时需要磁力和磁控时，第五磁性部件优选第三电磁铁。

当第五磁性部件为第三电磁铁时，往第三线圈61012通入电流，即可以使第三磁芯61011产生磁力。往第三线圈61012通入电流的大小不同，第三磁芯61011产生的磁力大小也不同；往第三线圈61012通入电流的方向不同，第三磁芯61011的磁极也不同。

其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第三磁芯61011可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。

可选的，第三磁轴承6101包括：

第三磁轴承座61013，第三磁轴承座61013套设于转轴100上，第三磁轴承座61013上沿周向设置有多个第三容纳槽61014，多个第五磁性部件设置于多个第三容纳槽61014内，且多个第五磁性部件的磁极朝向第二箔片轴承6102所在的一侧；

套设于第三磁轴承座61013外的第一轴承壳61015；

套设于第三磁轴承座61013与第二箔片轴承6102之间的第一轴承套61016；

以及，分别设置于第一轴承壳61015两端的第三端盖61017和第四端盖61018；

其中，第一轴承套61016、第三端盖61017及第四端盖61018配合，将多个第五磁性部件固定于第三磁轴承座61013上。

其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第三磁轴承座61013可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。第三容纳槽61014的数量可以为但不限于为六个或八个，沿第三磁轴承座61013的周向均匀设置。这样，能够使第三磁轴承6101与第二箔片轴承6102之间的磁力更加均匀、稳定。需要说明的是，多个第五磁性部件还可以采用其他方式设置于第三磁轴承座61013上，对此不进行限定。第三端盖61017和第四端盖61018的材料均可以是非磁性材料，优选硬铝材料。第一轴承套61016的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。第一轴承壳61015的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。

可选的，第二箔片轴承6102包括第三箔片61021和第四箔片61022，第三箔片61021安装于第一轴承套61016上，第四箔片61022叠设于第三箔片61021的靠近转轴100的一侧；

其中，第四箔片61022为平箔片，第六磁性部件设置于第四箔片61022上，以使第四箔片61022能够在多个第五磁性部件和第六磁性部件的磁力作用下在转轴100的径向方向上移动；第三箔片61021为能够在第四箔片61022移动时发生弹性变形的弹性变形箔片。

其中，第三箔片61021为弹性变形箔片，考虑到导磁材料的材质较硬且脆，不宜作为弹性变形箔片，因此，第三箔片61021优选不导磁的不锈钢带。

本发明实施例中，通过将第四箔片61022设置为平箔片，便于控制第四箔片61022与转轴100之间的距离，或者说，便于控制第三间隙6103的大小。

可选的，第三箔片61021为呈波浪状的弹性变形箔片，且第三箔片61021为不封闭的环形，其上设有一开口，开口的一端为固定端，固定端固定于第一轴承套61016上，开口的另一端为活动端；

其中，第四箔片61022在转轴100的径向方向上移动时，第三箔片61021上的波浪纹伸展或收缩，活动端沿环形的周向移动。

本发明实施例中，通过将第三箔片61021设置为呈波浪状的弹性变形箔片，便于利用波浪纹的伸展或收缩特性，推动第四箔片61022在转轴100的径向方向上移动。

需要说明的是，本发明实施例中的第三箔片61021的形状并不局限于波浪状，其它能够产生弹性变形的形状均可以适用于本发明实施例的第三箔片61021。

可选的，第六磁性部件包括设置于第四箔片61022的靠近第一轴承套61016的一侧表面上的第三磁性材料61023；

其中，第三磁性材料61023在第四箔片61022上呈条状分布，而形成多个条状磁性部，多个条状磁性部的长度方向与转轴100的轴线方向平行；

或者，第三磁性部件在第四箔片61022上呈点状分布。

其中，第四箔片61022的材料优选非导磁材料，在第四箔片61022的表面遮喷第三磁性材料61023后，可以用陶瓷涂层覆盖第三磁性材料61023。第四箔片61022可以通过使用40％的氧化锆、30％的α氧化铝和30％的铝酸镁尖晶石的陶瓷纳米微粉烧结制成。

若第四箔片61022的表面完全覆盖第三磁性材料61023，则会大幅增加第三磁性材料61023与第一磁性部件之间产生的磁力，这样容易导致第四箔片61022发生变形。鉴于此，本发明实施例中，通过在第四箔片61022的表面遮喷第三磁性材料61023，使第三磁性材料61023在第四箔片61022上呈条状分布或点状分布，可以将第三磁性材料61023与第一磁性部件之间产生的磁力控制在合理的范围，从而避免第四箔片61022因过大的磁力而发生变形。

可选的，箔片式气磁混合径向轴承6100还包括沿第三磁轴承6101的周向间隔设置的多个第三传感器6104，其中每个第三传感器6104包括第三传感器盖61041和第三传感器探头61042，第三传感器探头61042的第一端连接第三传感器盖61041，第三传感器盖61041固定于第三磁轴承6101上，第一轴承壳61015、第三磁轴承座61013和第一轴承套61016上设有用于供第三传感器探头61042穿过的通孔；第三传感器探头61042的第二端穿过第一轴承壳61015、第三磁轴承座61013和第一轴承套61016上的通孔，并伸至第一轴承套61016与第三箔片61021之间的间隙内，且第三传感器探头61042的第二端端部与第一轴承套61016的靠近第三箔片61021的一侧平齐。

本发明实施例中，通过设置第三传感器6104，能够实时检测第三箔片61021处的气体压力参数。这样，第三磁轴承6101可以根据第三传感器6104的检测结果对径向轴承6100进行主动控制，并能够使控制达到较高的精度。

本发明实施例中，通过上述第三传感器6104的结构形式和安装方式，能够使第三传感器6104更稳定地设置于第三磁轴承6101上。此外，将第三传感器探头61042的第二端端部与第一轴承套61016的靠近第三箔片61021的一侧平齐，一方面，能够避免第三传感器探头61042受到第三箔片61021的碰触，从而有利于保护第三传感器探头61042；另一方面，不会对第三间隙6103内的气膜产生影响，避免第三间隙6103内的气膜发生扰动。

可选的，多个第三传感器6104中，每个第三传感器6104分别设置于相邻的两个第五磁性部件之间。

本发明实施例中，第三传感器6104的数量可以与第五磁性部件的数量相同，每个第三传感器6104分别设置于相邻的两个第五磁性部件之间，每个第三传感器6104优选设置于第三磁轴承6101的中部。此外，本发明实施例中，除了设置用于检测第三箔片61021处的气体压力参数的第三传感器6104之外，还可以设置用于检测转轴位置的位移传感器，或者用于检测转轴转速的速度传感器，或者用于检测转轴旋转加速度的加速度传感器，等等。

下面以本发明实施例的箔片式气磁混合径向轴承(其中，第三磁轴承中的第五磁性部件为电磁铁)参与特斯拉涡轮机的控制过程时的具体控制方法进行详细地说明。

本发明实施例提供一种箔片式气磁混合径向轴承的控制方法，包括：

S611、开启第三磁轴承，控制转轴在多个第五磁性部件的磁力作用下在转轴的径向方向上移动，以使转轴移动至预设径向位置。

S612、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭第三磁轴承。

S613、特斯拉涡轮机停机时，开启第三磁轴承。

S614、转轴的转速减速至零之后，关闭第三磁轴承。

在上述过程中，第三磁轴承开启后，转轴在第三磁轴承的作用下托起并到达预定位置，第二箔片轴承与转轴之间具有第三间隙。

随着转轴的转动，转轴在受第三间隙中气流润滑的情况下开始转动，以防止磨损。第三磁轴承开启的具体过程为：向第三线圈输入预定值的电流信号，转轴在第三磁轴承的作用下托起并到达预定位置。

随着转轴的转速越来越大，当转轴的转速到达工作转速时，该径向轴承的气体动压轴承(第二箔片轴承与转轴之间设置的第三间隙即形成该径向轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将转轴稳定，届时可以关闭第三磁轴承。

在特斯拉涡轮机停机时，转轴减速，为了使转轴在整个特斯拉涡轮机停机过程中保持稳定，在特斯拉涡轮机停机时即开启第三磁轴承，直到转轴完全停下后即可关闭第三磁轴承。

本发明实施例还提供另一种箔片式气磁混合径向轴承的控制方法，包括：

S621、开启第三磁轴承，控制转轴在多个第五磁性部件的磁力作用下在转轴的径向方向上移动，以使转轴移动至预设径向位置。

S622、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭第三磁轴承。

S623、转轴的转速加速至一阶临界速度或所述二阶临界速度时，开启第三磁轴承。

具体的，当转轴与第二箔片轴承(进一步的，为第四箔片)之间的第三间隙处的气体流速达到一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第三磁轴承，直至转轴恢复至平衡径向位置。

可选的，转轴的转速加速至一阶临界速度或所述二阶临界速度时，开启第三磁轴承，包括：

转轴的转速加速至一阶临界速度或所述二阶临界速度时，控制第三磁轴承以最大功率开启；或者，

转轴的转速加速至一阶临界速度或所述二阶临界速度时，控制第三磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。

S624、特斯拉涡轮机平稳度过一阶临界速度或所述二阶临界速度之后，关闭第三磁轴承。

S625、特斯拉涡轮机停机过程中，当所述转轴的转速减速至所述一阶临界速度或所述二阶临界速度时，开启第三磁轴承。

具体的，当转轴与第二箔片轴承(进一步的，为第四箔片)之间的第三间隙处的气体流速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第三磁轴承，直至转轴恢复至平衡径向位置。

可选的，转轴的转速减速至一阶临界速度或所述二阶临界速度时，开启第三磁轴承，包括：

转轴的转速减速至一阶临界速度或所述二阶临界速度时，控制第三磁轴承以最大功率开启；或者，

转轴的转速减速至一阶临界速度或所述二阶临界速度时，控制第三磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。

S626、特斯拉涡轮机平稳度过所述一阶临界速度或所述二阶临界速度之后，关闭第三磁轴承。

S627、转轴的转速减速至第二预设值时，开启第三磁轴承。

S628、所述转轴的转速减速至零之后，关闭第三磁轴承。

在上述过程中，第三磁轴承开启后，转轴在第三磁轴承的作用下托起并到达预定位置，第二箔片轴承与转轴之间具有第三间隙。

随着转轴的转动，转轴在受第三间隙中气流润滑的情况下开始转动，以防止磨损。第三磁轴承开启的具体过程为：向第三线圈输入预定值的电流信号，转轴在第三磁轴承的作用下托起并到达预定位置。

随着转轴的转速越来越大，当转轴的转速到达第一预设值，例如额定转速的5％至30％时，该径向轴承的气体动压轴承(第二箔片轴承与转轴之间设置的第三间隙即形成该径向轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将转轴稳定，届时可以关闭第三磁轴承。

在特斯拉涡轮机停机过程中，转轴减速，当转轴的转速降至第二预设值，例如额定转速的5％至30％时，开启第三磁轴承，直到转轴完全停下后即可关闭第三磁轴承。

可选的，所述方法还包括：

当所述转轴与所述第二箔片轴承(进一步的，为第四箔片)之间的第三间隙发生变化时，开启所述第三磁轴承，使间隙变小侧对应的第二箔片轴承在所述多个第五磁性部件与所述第六磁性部件之间的磁力作用下向靠近所述转轴的方向移动；

所述转轴处于平衡径向位置之后，关闭所述第三磁轴承。

当载荷负载在转轴上，使转轴逐渐下降并接近下方的第四箔片时，第三传感器(这里的第三传感器优选压力传感器)获得气压增大的信号，此时第三磁轴承需要介入工作。第三磁轴承并不完全直接将磁力作用于转轴上使其向上悬浮，而是使用磁力将下方的第四箔片朝上(即向靠近转轴的方向)推动，使下方间隙减小从而使下方间隙处的压力提高，适应转轴上负载的重量，自动重新分配第三间隙各个方向上的气流压力。当转轴达到新的平衡径向位置时，第三磁轴承停止工作。

当有外部冲击扰动发生时，转轴可能快速地接近第二箔片轴承，则有可能导致转轴与第二箔片轴承之间的间隙瞬间过小，使间隙减小处的局部气体流速接近甚至达到音速，从而引发激波产生气锤自激现象。激波的产生会导致局部气体流动发生扰动和混乱，当流体速度在音速到亚音速之间变化时其压力呈阶梯式显著下降。这种情况下，需要使第二箔片轴承主动“避让”转轴，从而使转轴与第二箔片轴承之间的间隙增大以使气流速度尽可能维持在亚音速区间，以维护其正常的流体压力。具体的，需要使间隙产生变化的两相对侧的第五磁性部件的磁极以相同的极性励磁，即间隙减小的方向产生吸力，用于回吸第二箔片轴承，间隙增大的方向产生吸力，用于拉回转轴。这样，利用两侧磁力作用距离的差产生磁力差，以此拉动转轴恢复与第二箔片轴承之间的正常间隙，从而使转轴回到新的平衡径向位置。

在上述过程中，利用第三磁轴承方便实时控制的优点，主动平衡转轴的不平衡质量或转轴涡动等导致转轴过度偏移的因素，使转轴在径向方向上固定在某一极小范围内。另外，在转轴的加速过程中，可以准确定位产生激波的位置(即线速度超声速部位)，并通过控制第三磁轴承的电流大小和方向等，使第三磁轴承产生相反的力来平衡激波作用。待激波平稳后，再次调整第三磁轴承的控制策略，以最节能的方式将转轴固定在某一极小范围内。

综合上述，本发明实施例具有如下有益效果：

其一，电磁轴承与气体轴承协同工作，改善了轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了轴承的承载能力。同时，电磁轴承与气体轴承采用嵌套结构，简化了结构，集成度高，易加工、制造和操作，提高了轴承的综合性能。在特斯拉涡轮机启动或停机时，可以用电磁轴承使轴承的推力盘与定子在轴承间隙内转动，提高了轴承的低速性能，延长了轴承的使用寿命，能够提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。

其二，相对于传统的采用气体静压轴承和气体动压轴承结合的气体动静压混合推力轴承，本发明实施例的箔片式气磁混合径向轴承具有响应速度快的优点。

其三，通过在箔片上设置磁性材料，通过电磁轴承的磁极的吸引能够使箔片适度变形，提高轴承中润滑气膜一侧的最高压力和防止润滑气流泄漏，提高推力盘抗受扰动偏心撞壁的能力，从而也提高了轴承的承载能力。

其四，采用成本较低的压力传感器采集气膜压力变化，通过简单的控制方法控制箔片的变形，可提供较高转子阻尼，从而提高转子稳定性。另外，由于控制方法简单，对轴承的加工精度要求不高。

实施例六

图21至图28为本发明实施例提供的槽式气磁混合径向轴承的结构示意图。

如图21至图28所示，槽式气磁混合径向轴承6200包括：

套设于转轴100上的第四磁轴承6201，第四磁轴承6201上沿周向设置有多个第七磁性部件；

第四磁轴承6201朝向转轴100的侧壁，或转轴100朝向第四磁轴承6201的圆周面上设置有第三动压发生槽6202；

其中，第四磁轴承6201与转轴100之间具有第四间隙6203，且转轴100能够在多个第七磁性部件的磁力作用下在转轴100的径向方向上移动。

本发明实施例中，通过在径向轴承6200中设置第四间隙6203和第四磁轴承6201，从而使该径向轴承6200形成气、磁混合径向轴承。

工作时，径向轴承6200中的气体轴承与第四磁轴承6201能够协同工作，在径向轴承6200处于稳定的工作状态时，依靠气体轴承实现支承；而在径向轴承6200处于非稳定的工作状态时，依靠第四磁轴承6201及时对径向轴承6200进行控制和响应。

可见，本发明实施例能够改善径向轴承，尤其在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了径向轴承的承载能力。本发明实施例的径向轴承能够满足高转速的特斯拉涡轮机，例如，燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组等的需求。

本发明实施例中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，转轴100可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。

本发明实施例中，当转轴100旋转时，存在于第四间隙6203的流动气体被压入第三动压发生槽6202内，从而产生压力，使转轴100上浮，以实现转轴100沿径向方向被非接触地保持。其中，第三动压发生槽6202产生压力的大小随第三动压发生槽6202的角度、槽宽、槽长、槽深、槽数以及平面度的不同而变化。此外，第三动压发生槽6202产生压力的大小也和转轴100的旋转速度以及第四间隙6203有关。可以根据实际工况对第三动压发生槽6202的参数进行设计。第三动压发生槽6202可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压等方式形成于第四磁轴承6201或转轴上。

可选的，多个第七磁性部件包括多个第四永磁体，多个第四永磁体在第四磁轴承6201上沿周向设置；

或者，多个第七磁性部件包括多个第四电磁铁，多个第四电磁铁在第四磁轴承6201上沿周向设置，多个第四电磁铁中的每个第四电磁铁包括设置于第四磁轴承6201上的第四磁芯62011及缠绕于第四磁芯62011上的第四线圈62012。

本发明实施例中，当槽式气磁混合径向轴承6200仅需要磁性部件提供磁力而无需磁控时，第七磁性部件优选第四永磁体；当箔片式气磁混合推力轴承同时需要磁力和磁控时，第七磁性部件优选第四电磁铁。

当第七磁性部件为第四电磁铁时，往第四线圈62012通入电流，即可以使第四磁芯62011产生磁力。往第四线圈62012通入电流的大小不同，第四磁芯62011产生的磁力大小也不同；往第四线圈62012通入电流的方向不同，第四磁芯62011的磁极也不同。

其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第四磁芯62011可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。

可选的，第四磁轴承6201包括：

第四磁轴承座62013，第四磁轴承座62013套设于转轴100上，第四磁轴承座62013上沿周向设置有多个第四容纳槽62014，多个第七磁性部件设置于多个第四容纳槽62014内，且多个第七磁性部件的磁极朝向转轴100；

套设于第四磁轴承座62013外的第二轴承壳62015；

套设于第四磁轴承座62013与转轴100之间的第二轴承套62016；

以及，分别设置于第二轴承壳62015两端的第五端盖62017和第六端盖62018；

其中，第二轴承套62016、第五端盖62017及第六端盖62018配合，将多个第七磁性部件固定于第四磁轴承座62013上。

本发明实施例中，通过设置第二轴承套62016，能够封闭第四磁芯62011以及第四线圈62012之间的间隙，从而在第二轴承套62016和转轴100之间形成稳定、均匀的气膜压力。另外，通过设置不同径向厚度的第二轴承套62016能够方便地调节和控制第四间隙6203的大小。

其中，第二轴承套62016与转轴100之间的第四间隙6203的宽度可以为5μm至12μm，优选8μm至10μm。

其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第四磁轴承座62013可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。第四容纳槽62014的数量可以为但不限于为六个或八个，沿第四磁轴承座62013的周向均匀设置。这样，能够使第四磁轴承6201与转轴100之间的磁力更加均匀、稳定。需要说明的是，多个第七磁性部件还可以采用其他方式设置于第四磁轴承座62013上，对此不进行限定。第五端盖62017和第六端盖62018的材料均可以是非磁性材料，优选硬铝材料。第二轴承套62016的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。第二轴承壳62015的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。

优选的，第五端盖62017和第六端盖62018均设置有外径与第二轴承壳62015的内径相同的凸台，第五端盖62017和第六端盖62018的凸台用于从两端固定和压紧组成第四磁轴承座62013的硅钢片或者矽钢片。

本发明实施例中，可以在第二轴承套62016上设置第三动压发生槽6202，为便于第三动压发生槽6202的加工，第二轴承套62016可以由不锈钢材料制成。具体地，第三动压发生槽6202可以设置在转轴100上对应第二轴承套62016的圆周面的中间部分，也可以设置为对称分布在中间部分的两侧、相互独立的两部分第三动压发生槽6202；第三动压发生槽6202还可以设置在第二轴承套62016内侧壁的中间部分，也可以设置为对称分布在第二轴承套62016内侧壁两端、相互独立的两部分第三动压发生槽6202。

可选的，第三动压发生槽6202呈矩阵排布，这样，有利于使气膜更均匀地分布于第四间隙6203内。

可选的，第三动压发生槽6202为连续或间隔设置的V形槽。

本发明实施例中，通过采用上述第三动压发生槽6202的设置方式，能够在转轴100正向旋转或者反向旋转的情况下，转轴都能以期望的方式非接触式地保持，从而使转轴100具有负载能力高及稳定性好的优点。第三动压发生槽6202除了设置为V形槽，还可以设置为人字形槽或其它形状的槽。

可选的，第四磁轴承6201上还设置有第二静压进气节流孔6205，第二静压进气节流孔6205的一端与第四间隙6203相通，另一端连接外部气源，用于将外部气源输送至第四间隙6203内。

本发明实施例中，通过设置上述第二静压进气节流孔6205，可以形成气体静压轴承，从而该槽式气磁混合径向轴承6200可以构成槽式气体动静压-磁混合径向轴承。其中，第二静压进气节流孔6205的流通直径可以根据气量需求等实际工况进行调节。

可选的，第二静压进气节流孔6205在第四磁轴承6201内分成至少两个支路连通至第四间隙6203内。

本发明实施例中，第二静压进气节流孔6205可以依次穿过第五端盖62017或第六端盖62018、第四磁轴承6201以及第二轴承套62016，将外部气源与第四间隙6203连通。进一步地，第二静压进气节流孔6205可以分为两个或者更多个支路连通至第四间隙6203，使得第四间隙6203内的气膜压力更加均匀。进一步的，第五端盖62017或第六端盖62018上可以设置有环形槽，可在第四磁轴承6201与该环形槽对应的环形区域内设置多个第二静压进气节流孔6205，例如，在每个第四磁芯62011中或每两个相邻的第四磁芯62011中设置一个第二静压进气节流孔6205。其中，第二静压进气节流孔6205以及支路的流通直径可以根据气量需求等实际工况进行调节。

可选的，槽式气磁混合径向轴承6200还包括沿第四磁轴承6201的周向间隔设置的多个第四传感器6204，其中每个第四传感器6204的传感器探头设置于第四间隙6203内。

本发明实施例中，通过设置第四传感器6204，能够实时检测第四间隙6203处的参数，例如第四间隙6203处的气膜压力。这样，第四磁轴承6201可以根据第四传感器6204的检测结果对径向轴承6200进行主动控制，并能够使控制达到较高的精度。

可选的，多个第四传感器6204中，每个第四传感器6204包括第四传感器盖62041和第四传感器探头62042，第四传感器探头62042的第一端连接第四传感器盖62041，第四传感器盖62041固定于第四磁轴承6201上，第四磁轴承6201上设有用于供第四传感器探头62042穿过的通孔；第四传感器探头62042的第二端穿过第四磁轴承6201上的通孔，并伸至第四间隙6203，且第四传感器探头62042的第二端端部与第四磁轴承6201的靠近转轴100的一侧平齐。

本发明实施例中，通过上述第四传感器6204的结构形式和安装方式，能够使第四传感器6204更稳定地设置于第四磁轴承6201上。此外，将第四传感器探头62042的第二端端部与第四磁轴承6201的靠近转轴100的一侧平齐，一方面，能够避免第四传感器探头62042受到转轴100的碰触，从而有利于保护第四传感器探头62042；另一方面，不会对第四间隙6203内的气膜产生影响，避免第四间隙6203内的气膜发生扰动。

本发明实施例中，第四传感器6204的数量可以与第七磁性部件的数量相同。第四传感器6204可以设置于相邻的两个第七磁性部件之间，也可以穿过第七磁性部件设置，本发明实施例对此不作限定。每个第四传感器6204优选设置于第四磁轴承6201的中部。

可选的，多个第四传感器6204为以下任意一种或多种的组合：

用于检测转轴100位置的位移传感器；

用于检测第四间隙6203处的气膜压力的压力传感器；

用于检测转轴100转速的速度传感器；

用于检测转轴100旋转加速度的加速度传感器。

下面以本发明实施例的槽式气磁混合径向轴承(其中，第四磁轴承中的第七磁性部件为电磁铁)参与特斯拉涡轮机的控制过程时的具体控制方法进行详细地说明。

本发明实施例提供一种槽式气磁混合径向轴承的控制方法，包括：

S631、开启第四磁轴承，控制转轴在多个第七磁性部件的磁力作用下在转轴的径向方向上移动，推动转轴至预设径向位置。

S632、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭第四磁轴承。

S633、特斯拉涡轮机停机时，开启第四磁轴承。

S634、转轴的转速减速至零之后，关闭第四磁轴承。

在上述过程中，第四磁轴承开启后，转轴在第四磁轴承的作用下托起并到达预设径向位置，第四磁轴承与转轴之间具有第四间隙。

随着转轴的转动，转轴在受第四间隙中气流润滑的情况下开始转动，以防止磨损。第四磁轴承开启的具体过程为：向第四线圈输入预定值的电流信号，转轴在第四磁轴承的作用下托起并到达预设径向位置。

随着转轴的转速越来越大，当转轴的转速到达工作转速时，该径向轴承的气体动压轴承(第四磁轴承与转轴之间设置第四间隙即形成该径向轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将转轴稳定，届时可以关闭第四磁轴承。

在特斯拉涡轮机停机时，转轴减速，为了使转轴在整个特斯拉涡轮机停机过程中保持稳定，在特斯拉涡轮机停机时即开启第四磁轴承，直到转轴完全停下后即可关闭第四磁轴承。

本发明实施例还提供另一种槽式气磁混合径向轴承的控制方法，包括：

S641、开启第四磁轴承，控制转轴在多个第七磁性部件的磁力作用下在转轴的径向方向上移动，推动转轴至预设径向位置。

S642、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭第四磁轴承。

S643、转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承。

具体的，当转轴与第四磁轴承之间的第四间隙处的气体流速达到一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承，直至转轴恢复至平衡径向位置。

可选的，转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承，包括：

转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，控制第四磁轴承以最大功率开启；或者，

转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，控制第四磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。

S644、特斯拉涡轮机平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭第四磁轴承。

S645、特斯拉涡轮机停机过程中，当转轴的转速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承。

具体的，当转轴与第四磁轴承之间的第四间隙处的气体流速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承，直至转轴恢复至平衡径向位置。

可选的，转轴的转速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承，包括：

转轴的转速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，控制第四磁轴承以最大功率开启；或者，

转轴的转速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，控制第四磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。

S646、特斯拉涡轮机平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭第四磁轴承。

S647、转轴的转速减速至第二预设值时，开启第四磁轴承。

S648、转轴的转速减速至零之后，关闭第四磁轴承。

在上述过程中，第四磁轴承开启后，转轴在第四磁轴承的作用下托起并到达预设径向位置，第四磁轴承与转轴之间具有第四间隙。

随着转轴的转动，转轴在受第四间隙中气流润滑的情况下开始转动，以防止磨损。第四磁轴承开启的具体过程为：向第四线圈输入预定值的电流信号，转轴在第四磁轴承的作用下托起并到达预设径向位置。

随着转轴的转速越来越大，当转轴的转速到达第一预设值，例如额定转速的5％至30％时，该径向轴承的气体动压轴承(第四磁轴承与转轴之间设置第四间隙即形成该径向轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将转轴稳定，届时可以关闭第四磁轴承。

在特斯拉涡轮机停机过程中，转轴减速，当转轴的转速降至第二预设值，例如额定转速的5％至30％时，开启第四磁轴承，直到转轴完全停下后即可关闭第四磁轴承。

可选的，所述方法还包括：

当所述转轴与所述第四磁轴承之间的第四间隙发生变化时，使转轴在所述多个第七磁性部件的磁力作用下向远离间隙变小侧的方向移动；

所述转轴处于平衡径向位置之后，关闭所述第四磁轴承。

当载荷负载在转轴上，使转轴逐渐下降并接近下方的第四磁轴承时，第四传感器(这里的第四传感器优选压力传感器)获得气压增大的信号，此时第四磁轴承需要介入工作。第四磁轴承将磁力作用于转轴上使其向上悬浮，当转轴达到新的平衡位置时，第四磁轴承停止工作。

当有外部冲击扰动发生时，转轴可能快速地接近第四磁轴承，则有可能导致转轴与第四磁轴承之间的间隙瞬间过小，使间隙减小处的局部气体流速接近甚至达到音速，从而引发激波产生气锤自激现象。激波的产生会导致局部气体流动发生扰动和混乱，当流体速度在音速到亚音速之间变化时其压力呈阶梯式显著下降。这种情况下，需要控制第四磁轴承的第七磁性部件以预设频率轮流开启，以提供对扰动的阻尼作用，从而有效抑制外部扰动。当转轴恢复至新的平衡径向位置之后，第四磁轴承停止工作。

需要说明的是，本发明实施例中，对于同时设置有电磁轴承(第四磁轴承中的第七磁性部件为电磁铁即形成电磁轴承)和气体静压轴承(第四磁轴承上设置的第二静压进气节流孔即形成气体静压轴承)的情况下，电磁轴承和气体静压轴承可以相互备用，在其中一方故障、失效或者无法满足开启条件的情况下，另一方可作为备用轴承起到相同的作用。例如，在检测到电磁轴承故障的情况下，控制外部气源开启以替代电磁轴承执行相应的动作，从而提高轴承的安全性和可靠性。

本发明实施例中，对于同时设置有电磁轴承和气体静压轴承的情况下，对于“开启所述径向轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，”的步骤，可以包括如下实施方式：

开启所述第四磁轴承，和/或，启动外部气源，通过所述第二静压进气节流孔向所述第四间隙处输送气体；

控制所述转轴在所述多个第七磁性部件的磁力作用下，和/或所述气体的推动作用下，在所述转轴的径向方向上移动，以使所述转轴移动至预设径向位置。

在上述过程中，利用第四磁轴承方便实时控制的优点，主动平衡转轴的不平衡质量或转轴涡动等导致转轴过度偏移的因素，使转轴在径向方向上固定在某一极小范围内。另外，在转轴的加速过程中，可以准确定位产生激波的位置(即线速度超声速部位)，并通过控制第四磁轴承的电流大小和方向等，使第四磁轴承产生相反的力来平衡激波作用。待激波平稳后，再次调整第四磁轴承的控制策略，以最节能的方式将转轴固定在某一极小范围内。

综合上述，本发明实施例具有如下有益效果：

其一，电磁轴承与气体轴承协同工作，改善了轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了轴承的承载能力。同时，电磁轴承与气体轴承采用嵌套结构，简化了结构，集成度高，易加工、制造和操作，提高了轴承的综合性能。在特斯拉涡轮机启动或停机时，可以用电磁轴承使轴承的推力盘与定子在第一间隙内转动，提高了轴承的低速性能，延长了轴承的使用寿命，能够提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。

其二，相对于传统的采用气体静压轴承和气体动压轴承结合的气体动静压混合推力轴承，本发明实施例的槽式气磁混合径向轴承具有响应速度快的优点。

其三，增加了气体静压轴承，形成槽式动静压-磁混合推力轴承，在同时设置有电磁轴承和气体静压轴承的情况下，轴承的承载力进一步加大，电磁轴承和气体静压轴承可以相互备用，在其中一方故障、失效或者无法满足开启条件的情况下，另一方可作为备用轴承起到相同的作用。例如，在检测到电磁轴承故障的情况，控制系统控制气体静压轴承开启以替代电磁轴承执行相应的动作，从而提高轴承的安全性和可靠性。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (21)

1.一种特斯拉涡轮机，其特征在于，包括：

转轴；

设置于所述转轴上的壳体，所述壳体上设置有介质入口和介质出口；

设置于所述壳体内的若干个圆盘，所述若干个圆盘固定连接于所述转轴上，所述若干个圆盘中的每两个相邻圆盘之间均设置有间隙，所述若干个圆盘中的每个圆盘上均设置有至少一个排气孔；

以及，设置于所述转轴上的推力轴承和至少两个径向轴承，所述推力轴承和所述至少两个径向轴承均为非接触式轴承。

2.根据权利要求1所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述推力轴承设置于所述壳体内；

所述至少两个径向轴承包括第一径向轴承和第二径向轴承，所述第一径向轴承和所述第二径向轴承分别设置于所述壳体的两侧。

3.根据权利要求1所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述若干个圆盘中的每个圆盘上的排气孔同轴设置。

4.根据权利要求1所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述若干个圆盘中的每个圆盘上的排气孔至所述转轴之间的距离小于所述排气孔至圆盘外缘之间的距离。

5.根据权利要求1所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述若干个圆盘中的每个圆盘上均设置有两个排气孔，所述两个排气孔以所述转轴为对称轴对称设置。

6.根据权利要求1所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述若干个圆盘通过键连接于所述转轴上，并通过弹簧垫圈固定于所述转轴上。

7.根据权利要求1所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述若干个圆盘中相邻的两个圆盘之间设置有垫片，所述垫片用于调节相邻两圆盘之间的间隙大小。

8.根据权利要求1所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述推力轴承为气磁混合推力轴承；

所述至少两个径向轴承中的至少一个径向轴承为气磁混合径向轴承或者气体动静压混合径向轴承。

9.根据权利要求8所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述气磁混合推力轴承为箔片式气磁混合推力轴承，所述箔片式气磁混合推力轴承包括：

第一推力盘，所述第一推力盘固定连接于所述转轴上；

以及，穿设于所述转轴上的第一定子和第二定子，所述第一定子和所述第二定子分别设置于所述第一推力盘的相对两侧；

所述第一定子和所述第二定子中，每个定子包括第一磁轴承和第一箔片轴承，所述第一磁轴承上沿周向设置有多个第一磁性部件，所述第一箔片轴承设置有能够与所述多个第一磁性部件之间产生磁力的第二磁性部件；

其中，所述第一箔片轴承设置于所述第一磁轴承与所述第一推力盘之间，并与所述第一推力盘之间具有第一间隙，且所述第一箔片轴承能够在所述第一磁性部件和所述第二磁性部件之间的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动。

10.根据权利要求8所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述气磁混合推力轴承为槽式气磁混合推力轴承，所述槽式气磁混合推力轴承包括：

第二推力盘，所述第二推力盘固定连接于所述转轴上，所述第二推力盘上设置有第三磁性部件；

以及，穿设于所述转轴上的第三定子和第四定子，所述第三定子和所述第四定子分别设置于所述第二推力盘的相对两侧；

所述第三定子和所述第四定子中，每个定子包括第二磁轴承，所述第二磁轴承上沿周向设置有能够与所述第三磁性部件之间产生磁力的多个第四磁性部件，所述第二磁轴承与所述第二推力盘之间具有第二间隙，且所述第二推力盘能够在所述第三磁性部件和所述多个第四磁性部件之间的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动；

其中，所述第二推力盘的面向所述第三定子和所述第四定子的端面，或，所述第三定子和所述第四定子的面向所述第二推力盘的端面上设置有第二动压发生槽。

11.根据权利要求8所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述气磁混合径向轴承为箔片式气磁混合径向轴承，所述箔片式气磁混合径向轴承包括：

套设于所述转轴上的第三磁轴承，所述第三磁轴承上沿周向设置有多个第五磁性部件；

套设于所述转轴上，并位于所述第三磁轴承和所述转轴之间的第二箔片轴承，所述第二箔片轴承上设有能够与所述多个第五磁性部件之间产生磁力的第六磁性部件；

其中，所述第二箔片轴承与所述转轴之间具有第三间隙，且所述第二箔片轴承能够在所述多个第五磁性部件和所述第六磁性部件的磁力作用下在所述转轴的径向方向上移动。

12.根据权利要求8所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述气磁混合径向轴承为槽式气磁混合径向轴承，所述槽式气磁混合径向轴承包括：

套设于所述转轴上的第四磁轴承，所述第四磁轴承上沿周向设置有多个第七磁性部件；

所述第四磁轴承朝向所述转轴的侧壁，或所述转轴朝向所述第四磁轴承的圆周面上设置有第三动压发生槽；

其中，所述第四磁轴承与所述转轴之间具有第四间隙，且所述转轴能够在所述多个第七磁性部件的磁力作用下在所述转轴的径向方向上移动。

13.根据权利要求12所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

所述第四磁轴承上还设置有静压进气节流孔，所述静压进气节流孔的一端与所述第四间隙相通，另一端连接外部气源，用于将外部气源输送至所述第四间隙内。

14.一种特斯拉涡轮机的控制方法，用于如权利要求1至13中任一项所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，所述方法包括：

开启所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置；

通过所述介质入口向所述壳体内输入流体介质，所述流体介质驱动所述若干个圆盘旋转，所述圆盘带动所述转轴转动；

所述转轴的转速加速至工作转速之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述特斯拉涡轮机停机时，开启所述径向轴承中的静压轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速减速至零之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

其中，开启所述静压轴承包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体；

关闭所述静压轴承包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

15.一种特斯拉涡轮机的控制方法，用于如权利要求1至13中任一项所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，所述方法包括：

开启所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置；

通过所述介质入口向所述壳体内输入流体介质，所述流体介质驱动所述若干个圆盘旋转，所述圆盘带动所述转轴转动；

所述转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速平稳度过所述一阶临界速度或所述二阶临界速度之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述特斯拉涡轮机停机过程中，当所述转轴的转速减速至所述一阶临界速度或所述二阶临界速度时，开启所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速平稳度过所述一阶临界速度或所述二阶临界速度之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速减速至第二预设值时，开启所述径向轴承中的静压轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

所述转轴的转速减速至零之后，关闭所述径向轴承和所述推力轴承中的静压轴承；

其中，开启所述静压轴承，包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体；

关闭所述静压轴承，包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。

16.根据权利要求15所述的方法，用于如权利要求9所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

开启所述推力轴承中的静压轴承，以使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置，包括：

开启所述第一定子和所述第二定子中的第一磁轴承，控制所述第一推力盘在所述多个第一磁性部件的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动，以使所述第一推力盘与所述第一定子中的第一箔片轴承之间的所述第一间隙等于所述第一推力盘与所述第二定子中的第一箔片轴承之间的所述第一间隙；

所述方法还包括：

当载荷负载在所述第一推力盘时，开启所述第一定子和所述第二定子中的第一磁轴承；

当所述第一推力盘与所述第一定子中的第一箔片轴承之间的所述第一间隙等于所述第一推力盘与所述第二定子中的第一箔片轴承之间的所述第一间隙，关闭所述第一定子和所述第二定子中的第一磁轴承。

17.根据权利要求15所述的方法，用于如权利要求10所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

开启所述推力轴承中的静压轴承，以使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置，包括：

开启所述第三定子和所述第四定子中的第二磁轴承，控制所述第二推力盘在所述第三磁性部件与所述多个第四磁性部件之间的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动，以使所述第二推力盘与所述第三定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙与所述第二推力盘与所述第四定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙的差值小于或等于预定值；

所述方法还包括：

当载荷负载在所述第二推力盘时，开启所述第三定子或所述第四定子中的第二磁轴承；

当所述第二推力盘与所述第三定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙与所述第二推力盘与所述第四定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙的差值小于或者等于所述预定值，关闭所述第三定子或所述第四定子中的第二磁轴承。

18.根据权利要求15所述的方法，用于如权利要求11所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

开启所述径向轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，包括：

开启所述第三磁轴承，控制所述转轴在所述多个第五磁性部件的磁力作用下在所述转轴的径向方向上移动，以使所述转轴移动至预设径向位置；

所述方法还包括：

当所述转轴与所述第二箔片轴承之间的第三间隙发生变化时，开启所述第三磁轴承，使间隙变小侧对应的第二箔片轴承在所述多个第五磁性部件与所述第六磁性部件之间的磁力作用下向靠近所述转轴的方向移动；

所述转轴处于平衡径向位置之后，关闭所述第三磁轴承。

19.根据权利要求15所述的方法，用于如权利要求12所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

开启所述径向轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，包括：

开启所述第四磁轴承，控制所述转轴在所述多个第七磁性部件的磁力作用下在所述转轴的径向方向上移动，以使所述转轴移动至预设径向位置；

所述方法还包括：

当所述转轴与所述第四磁轴承之间的第四间隙发生变化时，开启所述第四磁轴承；

所述转轴处于平衡径向位置之后，关闭所述第四磁轴承。

20.根据权利要求15所述的方法，用于如权利要求13所述的特斯拉涡轮机，其特征在于，

开启所述径向轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置，包括：

开启所述第四磁轴承；和/或，启动外部气源，通过所述静压进气节流孔向所述第四间隙处输送气体；

控制所述转轴在所述多个第七磁性部件的磁力作用下，和/或所述气体的推动作用下在所述转轴的径向方向上移动，以使所述转轴移动至预设径向位置。

21.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，

所述流体介质为蒸汽。