CN108869542B - 一种推力轴承、转子系统及推力轴承的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种推力轴承、转子系统及推力轴承的控制方法，其中推力轴承包括：推力盘，推力盘固定连接于转轴上；穿设于转轴上的第一定子和第二定子，第一定子和第二定子分别设置于推力盘的相对两侧；每个定子包括磁轴承和箔片轴承，磁轴承上沿周向设置有多个第一磁性部件，箔片轴承设置有第二磁性部件；其中，箔片轴承设置于磁轴承与推力盘之间，并与推力盘之间具有轴承间隙，且箔片轴承能够在磁力作用下在转轴的轴向方向上移动。本发明通过在推力轴承中设置轴承间隙和磁轴承，从而使该推力轴承形成气、磁混合推力轴承，由于气体轴承与磁轴承能够协同工作，能够改善推力轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性。

Description

一种推力轴承、转子系统及推力轴承的控制方法

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种推力轴承、转子系统及推力轴承的控制方法。

背景技术

燃气轮机主要包括压气机、燃烧室及透平三大部件。空气进入压气机后被压缩成高温高压的空气，然后供给燃烧室与燃料混合燃烧，其产生的高温高压燃气在透平中膨胀做功。转子高速转动时，转子会受到轴向方向的力。为了限制转轴发生轴向上的移动，转子系统中需要安装推力轴承。传统的推力轴承均为普通的接触式轴承，随着转子转速的提高，尤其是转子转速每分钟超过40000转时，普通的接触式轴承由于存在较大的机械磨损，已不能满足工作转速的需求，这就需要采用非接触式轴承替代接触式轴承。

现有技术中，非接触式轴承一般包括磁轴承和空气轴承。然而，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。可见，以上两种非接触式轴承均无法适用于高转速的燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组。

可见，目前亟需提供一种新的推力轴承、转子系统及推力轴承的控制方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种推力轴承、转子系统及推力轴承的控制方法，以解决上述问题。

第一方面，本发明提供一种推力轴承，用于安装于转轴上，所述推力轴承包括：

推力盘，所述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，每个定子包括磁轴承和箔片轴承，所述磁轴承上沿周向设置有多个第一磁性部件，所述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，所述箔片轴承设置于所述磁轴承与所述推力盘之间，并与所述推力盘之间具有轴承间隙，且所述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，所述磁轴承包括：

磁轴承座，所述磁轴承座与所述推力盘相对设置，所述磁轴承座上沿周向设置有多个容纳槽，所述多个第一磁性部件设置于所述多个容纳槽内，且所述多个第一磁性部件的磁极朝向所述箔片轴承所在的一侧；

端盖，所述端盖设置于所述磁轴承座的远离所述箔片轴承的一侧，并与所述箔片轴承配合，将所述第一磁性部件固定于所述磁轴承座上。

可选的，所述多个第一磁性部件包括多个永磁体，所述多个永磁体在所述磁轴承上沿周向设置；

或者，所述多个第一磁性部件包括多个电磁铁，所述多个电磁铁在所述磁轴承上沿周向设置，所述多个电磁铁中的每个电磁铁包括设置于所述磁轴承上的磁芯及缠绕于所述磁芯上的线圈。

可选的，所述箔片轴承包括：

与所述磁轴承座固定连接的箔片轴承座；

以及，设置于所述箔片轴承座上的第一箔片和第二箔片，所述第一箔片安装于所述箔片轴承座上，所述第二箔片叠设于所述第一箔片的靠近所述推力盘的一侧；

其中，所述第二箔片为平箔片，所述第二磁性部件设置于所述第二箔片上，以使所述第二箔片能够在所述第一磁性部件和所述第二磁性部件的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动；所述第一箔片为能够在所述第二箔片移动时发生弹性变形的弹性变形箔片。

可选的，所述第一箔片为呈波浪状的弹性变形箔片，且所述第一箔片为不封闭的环形，其上设有一开口，所述开口的一端为固定端，所述固定端固定于所述箔片轴承座上，所述开口的另一端为活动端；

其中，所述第二箔片在所述转轴的轴向方向上移动时，所述第一箔片上的波浪纹伸展或收缩，所述活动端沿所述环形的周向移动。

可选的，所述第二磁性部件包括设置于所述第二箔片的靠近所述磁轴承的一侧表面上的磁性材料；

其中，所述磁性材料在所述第二箔片上呈条状分布，而形成多个条状磁性部，所述多个条状磁性部呈辐射状或环状；

或者，所述磁性材料在所述第二箔片上呈点状分布。

可选的，所述推力轴承还包括传感器，所述传感器为以下任意一种或多种的组合：

用于检测所述推力盘位置的位移传感器；

用于检测所述轴承间隙处的气膜压力的压力传感器；

用于检测所述推力盘转速的速度传感器；

用于检测所述推力盘旋转加速度的加速度传感器。

可选的，所述传感器包括传感器盖和传感器探头，所述传感器探头的第一端连接所述传感器盖，所述传感器盖固定于所述磁轴承上，所述磁轴承和所述箔片轴承上设有用于供所述传感器探头穿过的通孔；所述传感器探头的第二端穿过所述磁轴承和所述箔片轴承上的通孔，并伸至所述轴承间隙，且所述传感器探头的第二端端部与所述箔片轴承的靠近所述推力盘的一侧平齐。

可选的，所述传感器设置于相邻的两个第一磁性部件之间。

第二方面，本发明提供一种转子系统，包括转轴和第一方面中任一项所述的推力轴承。

可选的，所述转轴的轴体为一体结构，所述转轴水平设置或竖向设置；

所述转轴上依次设置有电机、压气机和透平；

所述转轴上还设置有至少两个径向轴承，所述至少两个径向轴承均为非接触式轴承；

其中，所述推力轴承设置于所述透平的靠近所述压气机的一侧的预设位置上，所述预设位置为能够使所述转子系统的重心位于所述至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间的位置。

可选的，所述转轴的轴体为一体结构，所述转轴水平设置或竖向设置；

所述转轴上设置有电机、压气机、透平和两个径向轴承，所述两个径向轴承均为非接触式轴承；

所述转子系统还包括第一机匣和第二机匣，所述第一机匣与所述第二机匣连接；

其中，所述电机、所述推力轴承和所述两个径向轴承均设置于所述第一机匣内，所述压气机和所述透平均设置于所述第二机匣内，所述压气机的叶轮与所述透平的叶轮在所述第二机匣内相靠设置。

第三方面，本发明提供一种推力轴承的控制方法，用于第二方面中任一项所述的转子系统，所述推力轴承的所述多个第一磁性部件为多个电磁铁，所述方法包括：

开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承，控制所述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，以使所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙；

所述转轴的转速加速至工作转速之后，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

所述转子系统停机时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

所述转轴的转速减速至零之后，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承。

第四方面，本发明提供一种推力轴承的控制方法，用于第二方面中任一项所述的转子系统，所述推力轴承的所述多个第一磁性部件为多个电磁铁，所述方法包括：

开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承，控制所述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，以使所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙；

所述转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

所述转轴的转速减速至第二预设值时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

所述转轴的转速减速至零之后，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承。

可选的，所述方法还包括：

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

当所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承。

可选的，当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承，包括：

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，控制所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承以最大功率开启；或者，

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，控制所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。

本发明中，通过在推力轴承中设置轴承间隙和磁轴承，从而使该推力轴承形成气、磁混合推力轴承。这样，由于气体轴承与磁轴承能够协同工作，本发明能够改善推力轴承，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。可见，本发明的推力轴承能够满足高转速的燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组等的需求。

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推力轴承的结构示意图；

图2是实施例一提供的推力轴承中磁轴承的结构示意图；

图3是实施例一提供的推力轴承中磁轴承座的结构示意图；

图4是实施例一提供的推力轴承中第一箔片的结构示意图；

图5是实施例二提供的一种转子系统的结构示意图；

图6是实施例三提供的一种转子系统的结构示意图；

图7是实施例四提供的一种转子系统的结构示意图；

图8是实施例四提供的另一种转子系统的结构示意图；

图9是实施例五提供的一种在转子系统中设置锁紧装置的结构示意图；

图10是实施例五提供的另一种在转子系统中设置锁紧装置的结构示意图；

图11是图10中C-C向的结构示意图；

图12是实施例六提供的在转轴上涂覆防磨涂层的结构示意图；

图13是实施例七提供的一种推力轴承的控制方法的流程示意图；

图14是实施例七提供的另一种推力轴承的控制方法的流程示意图；

图15是实施例八提供的一种箔片式气磁混合径向轴承的剖视图；

图16是实施例八提供的箔片式气磁混合径向轴承的外部视图；

图17是实施例八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是实施例八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是将图18所示的第四箔片展开的结构示意图；

图20是实施例八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21是将图20所示的第四箔片展开的结构示意图；

图22是图15中A部分的放大示意图；

图23是实施例九提供的一种槽式气磁混合径向轴承的半剖视图；

图24是实施例九提供的另一种槽式气磁混合径向轴承的半剖视图；

图25是实施例九提供的一种槽式气磁混合径向轴承的外部视图；

图26是实施例九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27是实施例九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28是实施例九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29是实施例九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30是实施例九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至图4所示，推力轴承500，用于安装于转轴100上，推力轴承500包括：

推力盘5101，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，每个定子包括磁轴承5104和箔片轴承5105，磁轴承5104上沿周向设置有多个第一磁性部件，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，箔片轴承5105设置于磁轴承5104与推力盘5101之间，并与推力盘5101之间具有轴承间隙5106，且箔片轴承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500中设置轴承间隙5106和磁轴承5104，从而使该推力轴承500形成气、磁混合推力轴承。

工作时，推力轴承500中的气体轴承与磁轴承5104能够协同工作，在推力轴承500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500处于非稳定的工作状态时，依靠磁轴承5104及时对推力轴承500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，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。

当本发明实施例的推力轴承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永磁体，多个永磁体在磁轴承5104上沿周向设置；

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

本发明实施例中，当推力轴承500仅需要第一磁性部件提供磁力而无需磁控时，第一磁性部件优选永磁体；当推力轴承500同时需要第一磁性部件提供磁力和磁控时，第一磁性部件优选电磁铁。

当第一磁性部件为电磁铁时，往线圈51042通入电流，即可以使磁芯51041产生磁力。往线圈51042通入电流的大小不同，磁芯51041产生的磁力大小也不同；往线圈51042通入电流的方向不同，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，磁芯51041由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。

可选的，磁轴承5104包括：

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

端盖51045，端盖51045设置于磁轴承座51043的远离箔片轴承5105的一侧，并与箔片轴承5105配合，将第一磁性部件固定于磁轴承座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，磁轴承座51043由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。容纳槽51044的数量可以为但不限于为六个或八个，沿磁轴承座51043的周向均匀设置。这样，能够使磁轴承5104与箔片轴承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磁轴承座51043上，对此不进行限定。端盖51045的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。

可选的，箔片轴承5105包括：

与磁轴承座51043固定连接的箔片轴承座51051；

以及，设置于箔片轴承座51051上的第一箔片51052和第二箔片51053，第一箔片51052安装于箔片轴承座51051上，第二箔片51053叠设于第一箔片51052的靠近推力盘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，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与推力盘5101之间的距离，或者说，便于控制轴承间隙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相对于箔片轴承座51051可沿转轴100的轴向移动的目的。

可选的，如图4所示，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的靠近磁轴承5104的一侧表面上的磁性材料(图中未示出)；

其中，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的表面遮喷磁性材料后，可以用陶瓷涂层覆盖磁性材料。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的表面完全覆盖磁性材料，则会大幅增加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的表面遮喷磁性材料，使磁性材料在第二箔片51053上呈条状分布或点状分布，可以将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，推力轴承500还包括传感器5107，传感器5107的传感器探头设置于轴承间隙5106内。

本发明实施例中，通过设置传感器5107，能够实时检测轴承间隙5106处的参数，例如轴承间隙5106处的气膜压力等。这样，磁轴承5104可以根据传感器5107的检测结果对推力轴承500进行主动控制，并能够使控制达到较高的精度。

可选的，传感器5107包括传感器盖51071和传感器探头51072，传感器探头51072的第一端连接传感器盖51071，传感器盖51071固定于磁轴承5104上，磁轴承5104和箔片轴承5105上设有用于供传感器探头51072穿过的通孔；传感器探头51072的第二端穿过磁轴承5104和箔片轴承5105上的通孔，并伸至轴承间隙5106，且传感器探头51072的第二端端部与箔片轴承5105的靠近推力盘5101的一侧平齐。

本发明实施例中，通过上述传感器5107的结构形式和安装方式，能够使传感器5107更稳定地设置于磁轴承5104上。此外，将传感器探头51072的第二端端部与箔片轴承5105的靠近推力盘5101的一侧平齐，一方面，能够避免传感器探头51072受到推力盘5101的碰触，从而有利于保护传感器探头51072；另一方面，不会对轴承间隙5106内的气膜产生影响，避免轴承间隙5106内的气膜发生扰动。

可选的，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传感器5107，优选设置一个传感器5107，该传感器5107优选设置在相邻两个第一磁性部件之间。

可选的，传感器5107为以下任意一种或多种的组合：

用于检测推力盘5101位置的位移传感器；

用于检测轴承间隙5106处的气膜压力的压力传感器；

用于检测推力盘5101转速的速度传感器；

用于检测推力盘5101旋转加速度的加速度传感器。

实施例二

本发明实施例提供一种转子系统，包括：

转轴，所述转轴的轴体为一体结构，所述转轴水平设置；

依次设置于所述转轴上的电机、压气机和透平；

以及，设置于所述转轴上的推力轴承和至少两个径向轴承；

其中，所述推力轴承设置于所述透平的靠近所述压气机的一侧的预设位置上，所述预设位置为能够使所述转子系统的重心位于所述至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间的位置。

本发明实施例中，推力轴承为本申请中提供的推力轴承。

本发明实施例中，推力轴承为用于限制转轴在轴向方向上移动的轴承，径向轴承为用于限制转轴在径向方向上移动的轴承。

随着转子转速的提高，普通的电磁轴承和空气轴承均已无法满足高转速转子的需要。因此，本发明实施例中，为了适应转子高速转动的发展需求，径向轴承可以采用非接触式轴承。

本发明实施例中，转轴的轴体为一体结构，可以理解为，转轴的轴体为一整根轴，或者，转轴的轴体通过多个轴段刚性连接而成。由于转轴的轴体为一体结构，转轴上各处轴体的强度具有一致性，这使得推力轴承在转轴上的设置位置不受限制。

进一步的，为了使整个转子系统在高速旋转时也能保持结构稳定，整个转子系统的重心应位于上述至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间。这样，整个转子系统形成纺锤体结构，区别于传统的悬臂式结构，本发明实施例提高了整个转子系统的稳定性。由于推力轴承在转轴的设置位置不受限制，因此，本发明实施例中，可以根据上述至少两个径向轴承的径向轴承的设置数量、每个径向轴承的设置位置以及整个转子系统中各部件的质量(包括推力轴承自身的质量)等参数对推力轴承的设置位置进行灵活地调整，以使整个转子系统的重心位于相距最远的两个径向轴承之间之间，优选的，整个转子系统的重心位于压气机上。

本发明实施例中，转轴水平设置，因此，可以理解地，本发明实施例的转子系统为水平转子系统，其可以适用于需要使用水平转子系统的卧式机组，例如卧式燃气轮机发电机组。

如图5所示，本发明实施例提供一种转子系统，包括转轴100和推力轴承500，转轴100的轴体为一体结构，转轴100水平设置；

转轴100上依次设置有电机200、压气机300和透平400；

转轴上还设置有第一径向轴承600和第二径向轴承700，第一径向轴承600和第二径向轴承700均为非接触式轴承；

第一径向轴承600设置于电机200的远离压气机300的一侧，第二径向轴承700设置于压气机300和透平400之间，推力轴承500设置于第一径向轴承600与电机200之间。

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，考虑到燃气轮机或者燃气轮机发电机组高转速的发展需求，为了提高径向轴承的工作性能，本发明实施例中，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由于靠近透平400，考虑到磁轴承中的磁性部件无法耐受透平400传来的高温，第二径向轴承700可以采用气体动静压混合径向轴承。

作为另一种实施方式，第二径向轴承700也可以采用气磁混合径向轴承，该方式下，第二径向轴承700的磁性部件设置于第二径向轴承700上的远离透平400的区域。也就是说，第二径向轴承700上的靠近透平400的区域不设置磁性部件。

为保护第二径向轴承700上的磁性部件，可以通过减少透平400辐射至第二径向轴承700上的热能的方式实现。具体的，透平400上靠近第二径向轴承700的一侧设置有隔热层(图中未示出)。这里，隔热层的材料可以是气凝胶或隔热性能良好的其它材料。

本发明实施例中，压气机300可以为离心压气机300，透平400涡轮可以为离心式涡轮；电机200可以为动压轴承电机，转轴100对应电机200的轴承的部位可以设置有第一动压发生槽201；电机200还可以是启发一体式电机，这样，在转子系统启动时，电机200可以作为电动机使用，以驱动转子系统转动；当转子系统启动之后，电机200可以作为发电机使用，以实现转子系统驱动发电机发电。

本发明实施例的转子系统中的推力轴承500和径向轴承还可以采用其它设置方式，由于无法穷举，本发明实施例不再一一说明。

实施例三

本发明实施例提供一种转子系统，包括：

转轴，所述转轴的轴体为一体结构，所述转轴竖向设置；

依次设置于所述转轴上的电机、压气机和透平；

以及，设置于所述转轴上的推力轴承和至少两个径向轴承；

其中，所述推力轴承设置于所述透平的靠近所述压气机的一侧的预设位置上，所述预设位置为能够使所述转子系统的重心位于所述至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间的位置。

本发明实施例中，推力轴承为本申请中提供的推力轴承。

本发明实施例中，推力轴承为用于限制转轴在轴向方向上移动的轴承，径向轴承为用于限制转轴在径向方向上移动的轴承。

随着转子转速的提高，普通的电磁轴承和空气轴承均已无法满足高转速转子的需要。因此，本发明实施例中，为了适应转子高速转动的发展需求，径向轴承可以采用非接触式轴承。

本发明实施例中，转轴的轴体为一体结构，可以理解为，转轴的轴体为一整根轴，或者，转轴的轴体通过多个轴段刚性连接而成。由于转轴的轴体为一体结构，转轴上各处轴体的强度具有一致性，这使得推力轴承在转轴上的设置位置不受限制。

进一步的，为了使整个转子系统在高速旋转时也能保持结构稳定，整个转子系统的重心应位于上述至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间。这样，整个转子系统形成纺锤体结构，区别于传统的悬臂式结构，本发明实施例提高了整个转子系统的稳定性。由于推力轴承在转轴的设置位置不受限制，因此，本发明实施例中，可以根据上述至少两个径向轴承的径向轴承的设置数量、每个径向轴承的设置位置以及整个转子系统中各部件的质量(包括推力轴承自身的质量)等参数对推力轴承的设置位置进行灵活地调整，以使整个转子系统的重心位于相距最远的两个径向轴承之间之间，优选的，整个转子系统的重心位于压气机上。

本发明实施例中，转轴竖向设置，因此，可以理解地，本发明实施例的转子系统为立式转子系统，其可以适用于需要使用立式转子系统的立式机组，例如立式燃气轮机发电机组。

由于推力轴承和径向轴承均采用非接触式轴承，使得转子系统能够立式设置。这样，转子系统的重心处于轴心，不会产生静挠曲，且重力在轴线上产生的力矩为零，能够消除重力对转子系统的转动产生影响，从而能够提高转子系统的稳定性。同时，由于转子系统立式设置，所有部件的重心向下，能够避免因转子系统水平设置而导致的悬臂轴式结构所带来的问题。

如图6所示，本发明实施例提供一种转子系统，包括转轴100和推力轴承500，转轴100的轴体为一体结构，转轴100竖向设置；

转轴100上依次设置有电机200、压气机300和透平400；

转轴上还设置有第一径向轴承600和第二径向轴承700，第一径向轴承600和第二径向轴承700均为非接触式轴承；

第一径向轴承600设置于电机200的远离压气机300的一侧，第二径向轴承700设置于压气机300和透平400之间，推力轴承500设置于第一径向轴承600与电机200之间。

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，考虑到燃气轮机或者燃气轮机发电机组高转速的发展需求，为了提高径向轴承的工作性能，本发明实施例中，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由于靠近透平400，考虑到磁轴承中的磁性部件无法耐受透平400传来的高温，第二径向轴承700可以采用气体动静压混合径向轴承。

作为另一种实施方式，第二径向轴承700也可以采用气磁混合径向轴承，该方式下，第二径向轴承700的磁性部件设置于第二径向轴承700上的远离透平400的区域。也就是说，第二径向轴承700上的靠近透平400的区域不设置磁性部件。

为保护第二径向轴承700上的磁性部件，可以通过减少透平400辐射至第二径向轴承700上的热能的方式实现。具体的，透平400上靠近第二径向轴承700的一侧设置有隔热层(图中未示出)。这里，隔热层的材料可以是气凝胶或隔热性能良好的其它材料。

本发明实施例中，压气机300可以为离心压气机300，透平400涡轮可以为离心式涡轮；电机200可以为动压轴承电机，转轴100对应电机200的轴承的部位可以设置有第一动压发生槽201；电机200还可以是启发一体式电机，这样，在转子系统启动时，电机200可以作为电动机使用，以驱动转子系统转动；当转子系统启动之后，电机200可以作为发电机使用，以实现转子系统驱动发电机发电。

本发明实施例的转子系统中的推力轴承500和径向轴承还可以采用其它设置方式，由于无法穷举，本发明实施例不再一一说明。

实施例四

本发明实施例提供一种转子系统，包括：

转轴，所述转轴的轴体为一体结构，所述转轴水平设置或竖向设置；

设置于所述转轴上的电机、压气机、透平、推力轴承和两个径向轴承，所述两个径向轴承均为非接触式轴承；

以及，第一机匣和第二机匣，所述第一机匣与所述第二机匣连接；

其中，所述电机、所述推力轴承和所述两个径向轴承均设置于所述第一机匣内，所述压气机和所述透平均设置于所述第二机匣内；所述压气机的叶轮与所述透平的叶轮在所述第二机匣内相靠设置。

本发明实施例中，推力轴承为本申请中提供的推力轴承。

本发明实施例中，推力轴承为用于限制转轴在轴向方向上移动的轴承，径向轴承为用于限制转轴在径向方向上移动的轴承。

随着转子转速的提高，接触式轴承由于存在较大的机械磨损，均已无法满足高转速转子的需要。因此，本发明实施例中，为了适应转子高速转动的发展需求，径向轴承均可以采用非接触式轴承。

本发明实施例中，第一机匣和第二机匣可以通过止口(图中未示出)定位并连接，其中，推力轴承和所有的径向轴承可以全部设置在第一机匣(可以理解为电机机匣)内，而第二机匣(可以理解为燃气轮机机匣)内无需设置轴承。这样，只需保证第一机匣内用于设置轴承定子的部位的加工精度即可，在装配时第一机匣内用于连接轴承定子的部位通过一次装卡加工即可完成，可见，本发明降低了燃气轮机电机组的加工精度和装配精度，降低了成本，适合工程化批量生产。

本发明实施例中，转轴可以水平设置，也可以竖向设置，因此，可以理解地，本发明实施例的转子系统既适用于需要使用转子系统的卧式机组，也适用于需要使用转子系统的立式机组，例如卧式燃气轮机电机组，或立式燃气轮机电机组。

本发明实施例中，由于转轴的轴体为一体结构，从而区别于现有技术中采用联轴器将燃气轮机转子与电机转子进行连接。与现有技术相比，由于转轴的轴体为一体结构，转轴上各处轴体的强度具有一致性，这使得推力轴承在转轴上的设置位置不受限制。

本发明实施例中，通过将压气机的叶轮与透平的叶轮相靠设置，使得第一机匣内的轴向长度缩短，从而能够进一步提高整个转子系统的稳定性。

进一步的，为降低透平产生的热量对压气机效率的影响，可以在透平的涡轮上和/或所述压气机上设置隔热层(图中未示出)，其中，隔热层的材料可以是气凝胶或隔热性能良好的其它材料；透平的涡轮还可以采用导热系数较低的材料制造，例如，用陶瓷材料制造透平的涡轮。

如图7所示，本发明实施例提供一种转子系统，包括转轴100和推力轴承500，转轴100的轴体为一体结构，转轴100水平设置；

设置于转轴100上的电机200、压气机300、透平400、推力轴承500、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均为非接触式轴承；

以及第一机匣800和第二机匣900，第一机匣800与第二机匣900连接，其中，电机200、推力轴承500、第一径向轴承600和第二径向轴承700均设置于第一机匣800内，压气机300和透平400均设置于第二机匣900内。

第一径向轴承600设置于电机200的远离第二机匣900的一侧，第二径向轴承700设置于电机200的靠近第二机匣900的一侧；推力轴承500设置于第一径向轴承600与电机200之间。

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，考虑到燃气轮机电机组高转速的发展需求，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，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可以采用气磁混合径向轴承或气体动静压混合径向轴承。

可选的，第二径向轴承700的承载力大于第一径向轴承600的承载力。

本发明实施例中，一般的，电机200和推力轴承500的重量均较大，，整个转子系统的重心会偏向于第一径向轴承600一侧。鉴于此，，提高第二径向轴承700的承载力有助于提高整个转子系统的稳定性。

本发明实施例中，压气机300可以为离心压气机300，透平400的涡轮可以为离心式涡轮；电机200为动压轴承电机，转轴100的对应电机200的轴承的部位可以设置有第一动压发生槽201。

进一步的，电机200还可以是启发一体式电机。

这样，在转子系统初始启动时刻，可以将电机200以启动模式开启，以使转子系统转动，当转子系统的转速提升至预设转速后，可以将电机200的工作模式切换到发电模式。

如图8所示，本发明实施例提供另一种转子系统，包括转轴100和推力轴承500，转轴100的轴体为一体结构，转轴100竖向设置；

设置于转轴100上的电机200、压气机300、透平400、推力轴承500、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均为非接触式轴承；

以及第一机匣800和第二机匣900，第一机匣800与第二机匣900连接，其中，电机200、推力轴承500、第一径向轴承600和第二径向轴承700均设置于第一机匣800内，压气机300和透平400均设置于第二机匣900内。

第一径向轴承600设置于电机200的远离第二机匣900的一侧，第二径向轴承700设置于电机200的靠近第二机匣900的一侧；推力轴承500设置于第一径向轴承600与电机200之间。

其余均可参照图7中的相关说明，并能达到相同的技术效果，为避免重复，本发明实施例对此不作赘述。

实施例五

当本申请的转子系统用于移动设备上时，例如增程式电动汽车，在转子系统不工作的情况下，转轴与轴承直接接触。汽车在行驶过程中，由于颠簸或者振动引起转轴相对于轴承径向或者轴向的移动，使得转轴和轴承之间产生磨损，进而影响轴承的精度和寿命。

因此，为了解决上述问题，在本发明其它实施例的基础上，本发明实施例的转子系统设置锁紧装置，该锁紧装置用于在转子系统不工作时，锁紧转轴。

本发明实施例中，锁紧装置的结构形式及设置方式并不唯一，为便于理解，下面结合图5对转子系统中设置有锁紧装置的两种实施方式进行具体描述。

一种实施方式下，如图9所示，锁紧装置110包括伸缩顶紧单元111、连接杆112和固定部件113，连接杆112的一端连接固定部件113，另一端连接伸缩顶紧单元111，伸缩顶紧单元111正对转轴100的远离透平400的一端的端面，固定部件113的另一端固定连接到安装本申请的转子系统的壳体。

在转子系统停机时，锁紧装置110的伸缩顶紧单元111动作，并沿转轴100的轴向推动转轴100，使得推力轴承500的定子与推力盘接触，从而将转轴100轴向固定，同时利用推力轴承500的定子与推力盘之间的摩擦力将转轴100径向固定。

进一步地，伸缩顶紧单元111设置有顶尖部(图中未示出)，转轴100的远离透平400的一端的端面设置有顶尖孔(图中未示出)。在锁紧状态下，顶尖部顶入转轴100的顶尖孔，从而能够更好地将转轴100固定，防止在车辆的行驶过程中，造成对转轴100和轴承的磨损和损坏。

另一种实施方式下，如图10至图11所示，锁紧装置120也可以设置为卡套结构的锁紧装置。具体的，锁紧装置120包括伸缩单元121和卡套122，卡套122连接到伸缩单元121的伸缩端。卡套122可以为半圆卡套，其半径等于或者稍微大于转轴100的半径，卡套122的轴线与转轴100的轴线平行设置，伸缩单元121安装到转轴100的大致轴向中间位置，并固定连接至安装本申请的转子系统的壳体。

在转子系统停机时，伸缩单元121伸出，使卡套122卡住转轴100，并将转轴100推动到与径向轴承接触，从而将转轴100径向固定，同时利用径向轴承与转轴100的摩擦力将转轴100轴向固定。

进一步地，伸缩单元121可以选择活塞式气缸或者液压缸等可实现伸缩控制的部件。

在该实施方式下，锁紧装置120在转轴100上的设置位置可以不作限定，优选地，锁紧装置120设置于转子系统中的最远的两个径向轴承之间。

需要说明的是，图9与图10中的锁紧装置均基于图5示出的转子系统设置，对于在本发明其它实施例的转子系统中设置锁紧装置，在此不作一一描述。

本发明实施例中，通过设置锁紧装置，在转子系统不工作时，锁紧装置能够锁紧转轴。这样，能够防止转轴相对于轴承径向或者轴向的移动，从而能够提高轴承的精度和寿命。

实施例六

当本申请的转子系统用于移动设备上时，例如增程式电动汽车，在转子系统不工作的情况下，转轴与轴承直接接触。汽车在行驶过程中，由于颠簸或者振动引起转轴相对于轴承径向或者轴向的移动，使得转轴和轴承之间产生磨损，进而影响轴承的精度和寿命。

因此，为了解决上述问题，在本发明其它实施例的基础上，本发明实施例的转子系统，在转轴100的安装轴承的部位涂有防磨涂层101，如图12所示。

在转轴100的安装轴承的部位涂有防磨涂层101，可以有效防止转轴100和轴承的磨损。该防磨涂层101优先选用化学稳定性、耐腐蚀性、高润滑不粘性和良好的抗老化耐力的材料，例如聚四氟乙烯等。

需要说明的是，图12中的防磨涂层101基于图5示出的转子系统设置，对于在本发明其它实施例的转子系统中设置锁紧装置，在此不作一一描述。

实施例七

下面以本发明实施例的推力轴承(其中，磁轴承中的第一磁性部件为电磁铁)在转子系统中的控制方法进行详细地说明。

如图13所示，本发明实施例提供一种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磁轴承，控制推力盘在多个磁性部件的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使推力盘与第一定子中的箔片轴承之间的轴承间隙等于推力盘与第二定子中的箔片轴承之间的轴承间隙。

其中，磁轴承开启的具体过程为：向线圈输入预定值的电流信号，推力盘在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。

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磁轴承。

S513、转子系统停机时，开启第一定子和第二定子中的磁轴承。

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磁轴承。

在上述过程中，磁轴承开启后，推力盘在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，推力盘与第一定子和第二定子的端面均具有轴承间隙。

随着转轴的转动，推力盘在受轴承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。

随着转轴的转速越来越大，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(推力盘与第一定子和第二定子之间设置轴承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推力盘稳定，届时可以关闭磁轴承。

在转子系统停机时，推力盘随着转轴减速而减速，为了使转轴在整个转子系统停机过程中保持稳定，在转子系统停机时即开启磁轴承，直到推力盘完全停下后即可关闭磁轴承。

如图14所示，本发明实施例还提供另一种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磁轴承，控制推力盘在多个磁性部件的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使推力盘与第一定子中的箔片轴承之间的轴承间隙等于推力盘与第二定子中的箔片轴承之间的轴承间隙。

其中，磁轴承开启的具体过程为：向线圈输入预定值的电流信号，推力盘在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。

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磁轴承。

在上述过程中，磁轴承开启后，推力盘在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，推力盘与第一定子和第二定子的端面均具有轴承间隙。

随着转轴的转动，推力盘在受轴承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。

随着转轴的转速越来越大，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(推力盘与第一定子和第二定子之间设置轴承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推力盘稳定，届时可以关闭磁轴承。

在转子系统停机过程中，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推力盘减速而减小，因此，需要开启磁轴承以使推力盘保持稳定，直到推力盘完全停下后即可关闭磁轴承。

可选的，上述方法还包括：

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

当所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承。

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

具体的，若推力盘与第一定子中的箔片轴承之间的轴承间隙小于推力盘与第二定子中的箔片轴承之间的轴承间隙，则控制第二定子中的箔片轴承在多个磁性部件与第二磁性部件之间的磁力作用下，朝远离推力盘的方向在转轴的轴向方向上移动。

若推力盘与第二定子中的箔片轴承之间的轴承间隙小于推力盘与第一定子中的箔片轴承之间的轴承间隙，则控制第一定子中的箔片轴承在多个磁性部件与第二磁性部件之间的磁力作用下，朝远离推力盘的方向在转轴的轴向方向上移动。

可选的，当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承，包括：

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，控制所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承以最大功率开启；或者，

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，控制所述第一定子和所述第二定子中的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，推力盘可能快速地接近某侧箔片轴承，则有可能导致该侧的轴承间隙瞬间过小，使该侧轴承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，需要该侧箔片轴承主动“避让”推力盘，从而使该侧的轴承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磁轴承，使磁轴承的磁极以相同的极性励磁，即轴承间隙减小的一侧产生吸力，用于回吸该侧箔片轴承，轴承间隙增大的一侧产生吸力，用于拉回推力盘。这样，利用两侧磁力作用距离的差产生磁力差，以此拉动推力盘使推力盘与两侧箔片轴承之间的轴承间隙恢复正常，从而使推力盘重新达到平衡位置。

在上述过程中，利用磁轴承方便实时控制的优点，主动平衡推力盘的不平衡质量或推力盘涡动等导致推力盘过度偏移的因素，使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)，并通过控制磁轴承的电流大小和方向等，使磁轴承产生相反的力来平衡激波作用。待激波平稳后，再次调整磁轴承的控制策略，以最节能的方式将推力盘固定在某一极小范围内。

综合上述，本发明优选实施例具有如下有益效果：

其一，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，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。在转子系统开启或停机时，可以用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。

本申请中，转子系统中的径向轴承可以采用多种结构形式，若径向轴承采用气磁混合径向轴承，则可以是箔片式气磁混合径向轴承，也可以是槽式气磁混合径向轴承。

下面结合附图分别对上述两种径向轴承的具体结构形式，以及在整个转子系统控制中的具体控制过程进行详细地说明。

实施例八

图15至图22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22所示，箔片式气磁混合径向轴承(简称径向轴承)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转子系统，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)参与转子系统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、转子系统停机时，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。

在转子系统停机时，转轴减速，为了使转轴在整个转子系统停机过程中保持稳定，在转子系统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、转子系统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、转子系统停机过程中，当所述转子系统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。

S626、转子系统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。

在转子系统停机过程中，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。在转子系统启动或停机时，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。

实施例九

图23至图30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23至图30所示，槽式气磁混合径向轴承(简称径向轴承)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转子系统，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。

可选的，多个第四传感器6204中，每个第四传感器6204分别设置于相邻的两个第七磁性部件之间。

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)参与转子系统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，推动所述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、转子系统停机时，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。

在转子系统停机时，转轴减速，为了使转轴在整个转子系统停机过程中保持稳定，在转子系统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，推动所述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所述二阶临界速度时，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所述二阶临界速度时，开启第四磁轴承，包括：

转轴的转速加速至一阶临界速度或所述二阶临界速度时，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所述二阶临界速度时，控制第四磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。

S644、转子系统平稳度过一阶临界速度或所述二阶临界速度之后，关闭第四磁轴承。

S645、转子系统停机过程中，当所述转子系统减速至所述一阶临界速度或所述二阶临界速度时，开启第四磁轴承。

S646、转子系统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、所述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。

在转子系统停机过程中，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，开启所述第四磁轴承，使间隙变小侧对应的第四磁轴承在所述多个第七磁性部件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；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，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。在转子系统启动或停机时，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 (16)

1.一种推力轴承，用于安装于转轴上，其特征在于，所述推力轴承包括：

推力盘，所述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，每个定子包括磁轴承和箔片轴承，所述磁轴承上沿周向设置有多个第一磁性部件，所述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，所述箔片轴承设置于所述磁轴承与所述推力盘之间，所述箔片轴承的第一侧与所述磁轴承连接，所述箔片轴承的第二侧与所述推力盘之间具有轴承间隙，且所述箔片轴承的第二侧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。

2.根据权利要求1所述的推力轴承，其特征在于，

所述磁轴承包括：

磁轴承座，所述磁轴承座与所述推力盘相对设置，所述磁轴承座上沿周向设置有多个容纳槽，所述多个第一磁性部件设置于所述多个容纳槽内，且所述多个第一磁性部件的磁极朝向所述箔片轴承所在的一侧；

端盖，所述端盖设置于所述磁轴承座的远离所述箔片轴承的一侧，并与所述箔片轴承配合，将所述第一磁性部件固定于所述磁轴承座上。

3.根据权利要求2所述的推力轴承，其特征在于，

所述多个第一磁性部件包括多个永磁体，所述多个永磁体在所述磁轴承上沿周向设置；

或者，所述多个第一磁性部件包括多个电磁铁，所述多个电磁铁在所述磁轴承上沿周向设置，所述多个电磁铁中的每个电磁铁包括设置于所述磁轴承上的磁芯及缠绕于所述磁芯上的线圈。

4.根据权利要求2所述的推力轴承，其特征在于，

所述箔片轴承包括：

与所述磁轴承座固定连接的箔片轴承座；

以及，设置于所述箔片轴承座上的第一箔片和第二箔片，所述第一箔片安装于所述箔片轴承座上，所述第二箔片叠设于所述第一箔片的靠近所述推力盘的一侧；

其中，所述第二箔片为平箔片，所述第二磁性部件设置于所述第二箔片上，以使所述第二箔片能够在所述第一磁性部件和所述第二磁性部件的磁力作用下在所述转轴的轴向方向上移动；所述第一箔片为能够在所述第二箔片移动时发生弹性变形的弹性变形箔片。

5.根据权利要求4所述的推力轴承，其特征在于，

所述第一箔片为呈波浪状的弹性变形箔片，且所述第一箔片为不封闭的环形，其上设有一开口，所述开口的一端为固定端，所述固定端固定于所述箔片轴承座上，所述开口的另一端为活动端；

其中，所述第二箔片在所述转轴的轴向方向上移动时，所述第一箔片上的波浪纹伸展或收缩，所述活动端沿所述环形的周向移动。

6.根据权利要求4所述的推力轴承，其特征在于，

所述第二磁性部件包括设置于所述第二箔片的靠近所述磁轴承的一侧表面上的磁性材料；

其中，所述磁性材料在所述第二箔片上呈条状分布，而形成多个条状磁性部，所述多个条状磁性部呈辐射状或环状；

或者，所述磁性材料在所述第二箔片上呈点状分布。

7.根据权利要求1所述的推力轴承，其特征在于，

所述推力轴承还包括传感器，所述传感器为以下任意一种或多种的组合：

用于检测所述推力盘位置的位移传感器；

用于检测所述轴承间隙处的气膜压力的压力传感器；

用于检测所述推力盘转速的速度传感器；

用于检测所述推力盘旋转加速度的加速度传感器。

8.根据权利要求7所述的推力轴承，其特征在于，

所述传感器包括传感器盖和传感器探头，所述传感器探头的第一端连接所述传感器盖，所述传感器盖固定于所述磁轴承上，所述磁轴承和所述箔片轴承上设有用于供所述传感器探头穿过的通孔；所述传感器探头的第二端穿过所述磁轴承和所述箔片轴承上的通孔，并伸至所述轴承间隙，且所述传感器探头的第二端端部与所述箔片轴承的靠近所述推力盘的一侧平齐。

9.根据权利要求8所述的推力轴承，其特征在于，

所述传感器设置于相邻的两个第一磁性部件之间。

10.一种转子系统，其特征在于，包括转轴和如权利要求1至9中任一项所述的推力轴承。

11.根据权利要求10所述的转子系统，其特征在于，

所述转轴的轴体为一体结构，所述转轴水平设置或竖向设置；

所述转轴上依次设置有电机、压气机和透平；

所述转轴上还设置有至少两个径向轴承，所述至少两个径向轴承均为非接触式轴承；

其中，所述推力轴承设置于所述透平的靠近所述压气机的一侧的预设位置上，所述预设位置为能够使所述转子系统的重心位于所述至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间的位置。

12.根据权利要求10所述的转子系统，其特征在于，

所述转轴的轴体为一体结构，所述转轴水平设置或竖向设置；

所述转轴上设置有电机、压气机、透平和两个径向轴承，所述两个径向轴承均为非接触式轴承；

所述转子系统还包括第一机匣和第二机匣，所述第一机匣与所述第二机匣连接；

其中，所述电机、所述推力轴承和所述两个径向轴承均设置于所述第一机匣内，所述压气机和所述透平均设置于所述第二机匣内，所述压气机的叶轮与所述透平的叶轮在所述第二机匣内相靠设置。

13.一种推力轴承的控制方法，用于如权利要求10至12中任一项所述的转子系统，所述推力轴承的所述多个第一磁性部件为多个电磁铁，其特征在于，所述方法包括：

开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承，控制所述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，以使所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙；

所述转轴的转速加速至工作转速之后，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

所述转子系统停机时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

所述转轴的转速减速至零之后，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承。

14.一种推力轴承的控制方法，用于如权利要求10至12中任一项所述的转子系统，所述推力轴承的所述多个第一磁性部件为多个电磁铁，其特征在于，所述方法包括：

开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承，控制所述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，以使所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙；

所述转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

所述转轴的转速减速至第二预设值时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

所述转轴的转速减速至零之后，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承；

当所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，关闭所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，开启所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承，包括：

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，控制所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承以最大功率开启；或者，

当载荷负载在所述推力盘，所述推力盘在载荷负载的作用下在所述转轴的轴向方向上移动，所述推力盘与所述第一定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙不等于所述推力盘与所述第二定子中的箔片轴承之间的所述轴承间隙时，控制所述第一定子和所述第二定子中的磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。