CN109964007A - 燃气涡轮发电机的改进或与之相关的改进 - Google Patents

Abstract

一种径流式燃气涡轮发电机(10)，其中该燃气涡轮发电机(10)包括：具有发电机(10)的转子(20)的轴(30)，固定于轴(30)的压缩机叶轮(16)以及涡轮叶轮(18)。该轴(30)由单个轴承布置(38)支承用于旋转，该单个轴承布置(38)设置在转子(20)与压缩机叶轮(16)之间的轴(30)上的轴向位置。

Description

燃气涡轮发电机的改进或与之相关的改进

本发明涉及燃气涡轮发电机，尤其涉及燃气涡轮发电机的轴承布置。更具体地，本发明涉及但不限于一种适用于混合动力汽车(HEV)或电动汽车(EV)的增程器装置的燃气涡轮发电机。

燃气涡轮发动机被广泛应用于各种领域，包括发电。为了发电，燃气涡轮发动机与发电机耦合，诸如直流发电机或交流发电机。燃气涡轮与发电机可以通过变速装置(诸如变速箱)互相间接耦合。或者，燃气涡轮与发电机也可以直接耦合，使得燃气涡轮和发电机以相同的转速旋转。燃气涡轮压缩机和涡轮元件可以是轴流式或径流式的。在使用径流式元件的情况下，通常只需使用单级压缩机和单级涡轮，因此短组件可以使这些旋转元件以悬臂式布置安装，其中支承轴承靠近较冷的压缩机侧。

在压缩机、涡轮和发电机直接耦合并以相同转速旋转的情况下，由此产生的旋转组件由轴承系统支承，以抵抗机器固有的重量、推力及其它负载。在使用两个轴承的悬臂式直接驱动燃气涡轮发电机的已知技术中，这两个轴承设置在发电机的任意一侧。在这种装置下，压缩机和涡轮相对于轴承为悬臂，而发电机的旋转元件则被支承在两个轴承之间。例如，US 2002/0084702中描述了这种布置。

已知技术的另一个特点是，轴承可设置有润滑系统，该润滑系统可维持润滑油供应，既润滑轴承，又冷却轴承。由于燃气涡轮典型的高转速，适当的轴承润滑和冷却对于实现足够长的轴承寿命至关重要。

现有技术文献公开了轴承润滑的替代解决方案，例如US 2006/024178和6198174。US 2006/024178描述了位于发电机任意一侧的轴上的两个空气箔片轴承的使用。US6198174描述了类似的空气箔片轴承布置。

根据本发明的第一方面，提供了一种径流式燃气涡轮发电机，该燃气涡轮发电机包括具有发电机的转子的轴，燃气涡轮的固定于轴的压缩机叶轮和涡轮叶轮，该轴由单个轴承布置支承用于旋转，其中单个轴承布置设置在发电机的转子与压缩机叶轮之间的轴上的轴向位置。

将单个轴承布置设置在轴的中间位置，会导致轴的一部分从轴承布置的相对侧伸出。本领域技术人员应了解，轴的从轴承布置的相对侧伸出的部分在它们各自的远端不受支承。因此，单个轴承布置为轴提供唯一的旋转支承。由于在轴上的其它轴向位置无需额外的轴承，因此单个轴承布置的使用降低了燃气涡轮发电机的复杂性。轴由单个轴承布置在单个位置支承。

单个轴承布置可以包括一个或多个轴承。该轴承或每个轴承可以是机械接触轴承。

轴的所述部分中的一部分承载发电机的转子，而轴的所述部分中的另一部分承载压缩机叶轮和涡轮叶轮。因此，转子、压缩机叶轮和涡轮叶轮悬臂在轴承布置的相对侧。

轴承布置可包括两个或多个机械接触轴承。轴承可以设置在保持轴承之间的预定空间关系的模块或子组件中。这种模块可以作为单个单元方便轴承的安装和拆卸。轴承可以在模块或子组件内通过垫片分隔开。

轴承可以安装在配置成套筒的模块内。在这样的实施例中，轴承可以在套筒内以彼此间隔开的关系安装。呈螺旋弹簧式的弹性构件可位于套筒内的轴承之间。螺旋弹簧可以位于套筒内，使得弹簧的第一端抵接轴承，而弹簧的相对端抵接设置在套筒上的座。

机械接触轴承可以是滚动元件轴承，其包括内圈、外圈以及设置在内圈和外圈之间的多个滚动元件。

机械接触轴承布置可以空气冷却的。轴承布置可以由吸入发电机的空气冷却，以达到冷却发电机的目的。在这样的实施例中，发电机的转子可以设置有风扇以将空气吸入发电机。另外，或者可替换地，机械接触轴承布置可以由通过压缩机叶轮吸入到燃气涡轮中的空气冷却。

如果机械接触轴承布置的冷却是由吸入发电机和压缩机叶轮的空气来实现的，应当理解，提供了在机械接触轴承布置上的两股单独的空气流。每股空气流沿着与另一股空气流相反的轴向方向流动，使得一股空气流冲击并冷却轴承布置的第一端，另一股空气流冲击并冷却轴承布置的相对第二端。

有利地，机械接触轴承布置可以是自润滑构造，因此无需提供单独的轴承润滑系统。

可替换地，轴承可以由适当配置的润滑系统进行冷却和润滑。

根据本发明的另一方面，提供了一种运行如上关于本发明的第一方面所述的燃气涡轮发电机的方法，其中燃气涡轮发电机的运行速度大于第一共振速度。

根据本发明的又一方面，提供了一种具有上述类型的燃气涡轮发电机的电动汽车(EV)或混合动力汽车(HEV)。

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1显示根据本发明的包括轴承布置的燃气涡轮发电机的纵向剖视图；

图2显示了图1的轴承布置的放大纵向剖视图；

图3显示了燃气涡轮发电机的旋转组件的侧视图，该燃气涡轮发电机包括轴承布置、发电机转子、以及燃气涡轮压缩机和涡轮；

图4显示了图3的旋转组件、轴承布置、发电机转子以及燃气涡轮压缩机和涡轮的纵向剖视图；

图5显示了另一旋转组件、轴承布置、发电机转子以及燃气涡轮压缩机和涡轮的纵向剖视图；以及

图6显示了图5的剖视图的放大细节。

首先参考图1至图4，显示了总体标记为10的燃气涡轮发电机。发电机10包括径流式燃气涡轮段12和发电段14。燃气涡轮段12包括压缩机叶轮16和涡轮叶轮18。发电段14包括转子20和定子22。转子20和定子22被壳体23包围。

压缩机叶轮16和涡轮叶轮18分别设置有相应的壳体24、26。燃气涡轮段12可以以本领域技术人员已知的传统方式运行。具体地，通过压缩机的环形入口28吸入到压缩机叶轮壳体24的空气被压缩机叶轮16压缩。将燃料添加到经压缩的空气中，促使燃料-空气混合物燃烧。膨胀的燃烧气体传递到涡轮叶轮壳体26，在那里它们撞击到涡轮叶轮18上并引起涡轮叶轮18旋转。随后可以从燃烧气体中回收能量，例如通过热交换器。回收的能量可用于在燃烧前加热由压缩机叶轮压缩的空气。

发电段14以本领域技术人员已知的传统方式运行，其中转子20相对于定子22的旋转产生电能。

压缩机叶轮16、涡轮叶轮18与转子20耦合以便在共同的轴30上旋转。在所示的实施例中，轴30包括彼此连接的涡轮轴段30a和发电机轴段30b。在所示的实施例中，该连接通过涡轮轴段30a的螺纹凸起32容纳在对应的发电机轴段30b的螺纹凹槽34中实现。本领域技术人员应当了解，连接轴段30a与30b还可以采用其它方法。或者，可以采用整体式轴。

转子20还设置有在使用中向发电段14供应冷却空气流的布置。在所示的实施例中，该布置是径向冷却风扇36。应当了解，也可以采用其它形式的布置以所述方式移动空气。如箭头27所示，冷却风扇36的旋转使空气通过壳体的孔25被吸入壳体23中。然后空气环绕定子22、在定子22和转子20之间通过，如箭头29所示。空气通过在壳体23的端部设置的孔31离开壳体23。

在图中所示的实施例中，轴30被支承在设置在发电段壳体23中的轴承布置38中用于旋转。并且在所示的实施例中，轴承布置38包括第一环形轴承40(下文称为发电机侧轴承40)，第二环形轴承42(下文称为涡轮侧轴承42)，位于轴承40、42中间的环形垫片44，以及在轴承40、42之间延伸并环绕环形垫片44的轴向弹簧46。在所示的实施例中，轴承40、42，垫片44和弹簧46是分开的。在另一个实施例中，轴承40、42，垫片44和弹簧46可以合并到模块或盒子中，该模块或盒子可以作为单个物项安装。下面参照图5和6描述这样的实施例。

轴承40、42每个都是滚动元件轴承。每个轴承40、42均包括内圈、外圈以及设置在内圈和外圈之间的多个滚动元件。

应当注意，轴承布置38设置在轴30上的中间位置，以使涡轮轴段30a从轴承布置38的一侧伸出，而发电机轴段30b从轴承布置38的相对侧伸出。还应注意，涡轮轴段30a和发电机轴段30b沿其各自的长度均不受任何其它的轴承布置支承。因此应当理解，发电段14的转子20、以及燃气涡轮段12的压缩机叶轮16和涡轮叶轮18相对于轴承布置38都是悬臂的。

通过将轴承布置38设置在轴30的上述中间位置，可以使轴承40、42被空气冷却。从图中可以容易地看出，发电机侧轴承40位于紧邻冷却风扇36的位置并被孔25包围，空气经由该孔25被冷却风扇36吸入。涡轮侧轴承42位于紧邻压缩机入口28的位置。因此，轴承40、42都设置在燃气涡轮段12和发电段14各自的“冷”端。

可选地，可以利用吸入压缩机入口28的空气来实现轴承38的额外冷却，如箭头48所示。压缩机叶轮16设置有多个通孔50，该通孔50在压缩机入口28与在压缩机叶轮16和轴30之间的限定环形空间或通道52之间延伸。在压缩机的叶片前压力减小使得部分进入壳体23的空气被吸向压缩机叶轮孔50，如箭头54所示。

轴承布置38的空气冷却允许使用润滑脂或油芯为轴承40、42润滑，因此无需用为轴承40、42供油的相对复杂的润滑系统。轴承布置38的空气冷却还使自润滑的轴承40、42能够使用，因为轴承40、42在使用时经受的温度不超过轴承40、42内的润滑介质降解的温度。

现在参照图5和图6，显示了另一旋转组件、轴承布置、发电机转子和燃气涡轮压缩机以及涡轮的纵向剖视图，总体标记为100。与参照图1至4所述的本发明实施例共同的特征用前缀为“1”的相似参考数字标识。

如前，轴承布置138包括两个轴承140、142，它们通过垫片144相对于彼此保持所需的轴向间隔。与图1至4中的轴承布置38不同，轴承140、142位于管状套筒156内。套筒156的孔腔158上设置有环形座160，螺旋弹簧146的一端位于靠着该环形座160的位置。螺旋弹簧146的相对端抵接靠近转子120的轴承140。应当理解，用套筒156安装轴承140、142，使得可以在安装到壳体123的适当尺寸的孔腔中之前预先安装轴承布置138。

套筒156围绕其外围还设置有多个弹性环162。在所示的实施例中，套筒156设置有四个环162，它们成对地设置在套筒156的相对端。这些弹性环162有双重功能。首先，环162在壳体123内限定了套筒156的柔性安装布置，并由此限定了轴130。成对的弹性环162还用于围绕套筒156的外围限定环形腔室164。腔室164可以通过壳体123中的端口166填充诸如油的液体，以阻止套筒156和轴130在大体垂直于轴130的纵向中心轴线的方向上的移动。

本领域的技术人员应当理解，为了使上述类型的燃气涡轮发电机10可靠地运行，其运行方式必须确保在任何重要时间段内都不会激发有害振动。对于这种发电机10，质量和刚度特性的布置应确保发电机10始终以低于第一共振振动速度的速度运行。或者，这种发电机10可以设计成以高于一个或多个共振频率的速度运行。这种发电机10通常以足够的速率加速穿越共振速度，以至于不会发生明显有害的振动。

虽然上述实施例涉及的燃气涡轮发电机中的轴承是空气冷却和润滑脂润滑式的，但是应当理解，转子及压缩机和涡轮的双悬臂式构造可以与其它轴承布置结合使用。例如，该双悬臂式构造可以与传统的加压供油润滑和冷却系统结合使用。可替换地，该双悬臂式构造可以与其中润滑剂通过油芯从储存器供应到轴承的润滑系统结合使用。

本发明的燃气涡轮发电机可以用在电动汽车(EV)或混合动力汽车(HEV)上作为增程器装置。更具体地说，可以运行该燃气涡轮发电机以产生电力，以达到为电动汽车(EV)或混合动力汽车(HEV)的电池再充电的目的。

Claims (18)

1.一种径流式燃气涡轮发电机，所述燃气涡轮发电机包括：具有所述发电机的转子的轴，燃气涡轮的固定于所述轴的压缩机叶轮和涡轮叶轮，所述轴由单个轴承布置支承用于旋转，其中所述单个轴承布置设置在所述转子与所述压缩机叶轮之间的所述轴上的轴向位置。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发电机，其中所述单个轴承布置包括两个或多个机械接触轴承。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发电机，其中所述机械接触轴承为滚动元件轴承。

4.根据权利要求2或3所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承布置中的所述轴承设置在保持所述轴承之间的预定关系的模块中。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承安装在套筒内。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承在所述套筒内以彼此间隔开的关系安装。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发电机，其中所述套筒内的所述轴承之间设有弹性构件。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发电机，其中所述弹性构件为螺旋弹簧。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发电机，其中所述螺旋弹簧位于所述套筒内，使得所述弹簧的第一端抵接所述轴承，并且所述弹簧的相对端抵接设置在所述套筒上的座。

10.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承布置是空气冷却的。

11.根据权利要求10所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承布置由吸入所述发电机内的空气冷却，以达到冷却所述发电机的目的。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发电机，其中所述发电机的所述转子设置有用于将空气吸入所述发电机的布置。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承布置由通过所述压缩机叶轮吸入到所述燃气涡轮中的空气冷却。

14.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承布置是自润滑的。

15.根据权利要求1-13中任一项所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承布置由油芯系统润滑。

16.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气涡轮发电机，其中所述轴承布置由适当配置的再循环润滑系统进行冷却和润滑。

17.一种运行前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮发电机的方法，其中所述燃气涡轮发电机的运行速度大于第一共振速度。

18.一种混合动力汽车(HEV)或电动汽车(EV)，其包括权利要求1-16中任一项所述的燃气涡轮发电机。