CN110985211B - 一种燃气轮机定心结构、加工方法、转子系统及发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气轮机定心结构、加工方法、转子系统及发电机组，定心结构包括沿轴向依次设置的燃机轴套、电机壳体、进气道、扩压器、涡轮外环，所述燃机轴套两侧分别设置台阶孔，其中，台阶孔外设置有外台阶止口，燃机轴套通过所述外台阶止口轴向固定于所述电机壳体一侧端面；所述电机壳体包括从内至外依次套设的轴套、内环、外环，所述外环远离燃机轴套的一侧延伸有容置进气道的壳体；所述进气道固定安装于电机壳体的外环一侧，所述扩压器一侧与进气道对接以固定连接进气道，扩压器另一侧与涡轮外环固定连接。本发明能够保证燃气轮机转子系统结构的同心装配，加工工艺简单，可靠性高。

Description

一种燃气轮机定心结构、加工方法、转子系统及发电机组

技术领域

本发明涉及燃气轮机加工装配技术领域，尤其涉及一种燃气轮机定心结构、加工方法、转子系统及发电机组。

背景技术

燃气轮机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要包括压气机、燃烧室、透平三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并可通过连接发电机输出电能。

但现有技术中燃气轮机发电机组存在如下缺陷：

燃气轮机总装时，转轴依次套装在电机的两个径向轴承以及压气机与涡轮之间的扩压器内，从而将电机、压气机与涡轮组成一个转子系统，由于空气轴承的配合间隙仅为数微米至数十微米数量级。同时压气机和涡轮与壳体的工作间隙变动，产生压力从而支撑轴承负载，从而较大的影响气动效率，需要较高的同轴对中精度，而轴承内圈和转轴之间的最小间隙更小，很容易产生碰轴现象，对轴承造成磨损和损坏。此外，空气轴承的定子和转子之间的间隙狭小，要求定子和转子必须具有很高的加工精度和装配精度，以防止定子和转子之间产生碰撞和磨损。

但由于转轴、径向轴承与扩压器内孔的加工误差，当转轴以不同的安装角度与两个径向轴承与扩压器内孔进行啮合时，会导致压气机和涡轮的对中精度不一致，当转子对中不好时，会在高速转动时，产生附加的弯矩和剪切力，以及轴承径向载荷，导致轴承受力情况恶化，产生振动，系统气动效率不稳定，从而影响燃气轮机的安全使用。电机、压气机与涡轮组成转子系统加工或者装配的同轴对中精度不一致所产生的振动，是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种燃气轮机定心结构、加工方法、转子系统及发电机组，能够保证燃气轮机转子系统结构的同心装配，加工工艺简单，可靠性高，运行稳定。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种燃气轮机定心结构，包括沿轴向依次设置的燃机轴套、电机壳体、进气道、扩压器、涡轮外环，

所述燃机轴套两侧分别设置台阶孔，一侧台阶孔为第一推力轴承座，另一侧台阶孔为第一径向轴承座，其中，第一径向轴承座的台阶孔外设置有外台阶止口，燃机轴套通过所述外台阶止口轴向固定于所述电机壳体一侧端面；

所述电机壳体包括从内至外依次套设的电机壳体轴套、内环、外环，所述外环远离燃机轴套的一侧延伸有进气道安装壳体，所述电机壳体轴套为第二径向轴承座，电机壳体轴套与内环之间形成电机定子容置腔，内环与外环之间形成空气通道；

所述进气道固定安装于进气道安装壳体内；

所述扩压器一侧与进气道对接以固定连接进气道，扩压器另一侧与涡轮外环固定连接；

所述涡轮外环靠近扩压器一侧设置内台阶孔，所述内台阶孔为第二推力轴承座。

进一步的，所述电机壳体轴套与内环之间通过环形电机壳体端面连接为一体，所述内环与外环之间通过间隔的筋块连接为一体。

进一步的，所述燃机轴套外径与电机壳体的内环外径相等，燃机轴套固定在电机壳体的内环端面上。

进一步的，所述电机壳体的外环两端设置有外缘法兰，所述进气道靠近电机壳体一侧具有凹型端面与外缘法兰，进气道的外缘法兰与外环的外缘法兰固定连接。

进一步的，所述进气道远离电机壳体的一侧具有与压气机外形匹配的外轮廓面以及过渡平面，所述过渡平面周向设置有螺纹孔；

所述扩压器具有扩压面与中心轴孔，扩压面上设置安装孔，扩压器通过扩压面的安装孔与进气道一侧过渡平面的螺纹孔对接以固定连接进气道。

根据本发明的另一方面，提供一种燃气轮机定心加工方法，用于加工上述的燃气轮机定心结构，所述方法包括如下步骤：

步骤1、在电机壳体轴套与内环之间的电机定子容置腔内安装电机定子，将燃机轴套外台阶止口与电机壳体内环的一侧端面对接，燃机轴套外径与电机壳体内环外径对齐，通过紧固件将燃机轴套轴向固定在电机壳体一侧，在电机壳体轴套与内环之间的空间内注胶填充电机定子内的间隙；

步骤2、待电机定子内的注胶干燥后，将进气道外缘法兰具有凹形端面的端面与远离燃机轴套一侧的电机壳体外环的外缘法兰端面对接，通过紧固件将进气道轴向固定在进气道安装壳体内，将扩压器一侧扩压面的安装孔与进气道过渡平面的螺纹孔对接，通过紧固件将扩压器固定在进气道一侧，扩压器另一侧与涡轮外环固接，燃机轴套与电机壳体之间、电机壳体与进气道之间、进气道与扩压器之间、扩压器与涡轮外环之间设置对中标志，以保证径向跳动低点相对应的角向位置；

步骤3、以电机壳体外环外壁面为定位面，装卡组合的待加工零部件，利用刀具依次完成燃机轴套内壁、电机壳体轴套内壁以及涡轮外环内台阶孔的加工至需要尺寸；

步骤4、依次拆除涡轮外环、扩压器、进气道，电机壳体与燃机轴套作为一体部件进行后续装配。

进一步的，步骤3中，在电机壳体上周向设置多个定位销或者划线标识以确定角向关系。

根据本发明的另一方面，提供一种转子系统，所述转子系统装配于上述的燃气轮机定心结构，所述转子系统包括：

转轴，所述转轴为一体成型结构；

以及，依次设置于所述转轴上的第一推力轴承、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、压气机、第二推力轴承及透平；

其中，所述第一推力轴承装配于所述第一推力轴承座内，所述第一径向轴承装配于所述第一径向轴承座内，所述电机的电机定子装配于所述电机定子容置腔内，所述第二径向轴承装配于所述第二轴承座内，所述压气机装配于所述进气道内，所述第二推力轴承装配于所述第二推力轴承座内，所述透平装配于所述涡轮外环内。

进一步的，所述第二推力轴承座为径向推力一体式轴承座，所述第二推力轴承为径向推力一体式轴承。

根据本发明的另一方面，提供一种燃气轮机发电机组，包括燃烧室以及上述的转子系统；

所述燃烧室与进气道连接，并且燃烧的进气口与进气道的排气口连接，燃烧室的排气口与涡轮外环的进气口连接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的燃气轮机定心结构能够证燃气轮机转子系统结构的同心装配效率和精度，简化加工工艺，保证燃气轮机的稳定性。

2、本发明提供的加工方法，工艺简单方便，可靠性高，能够保证加工后的定心结构精度。

3、本发明所提供的转子系统及发电机组装配精度高，轴向尺寸短，重量轻，转子系统的临界转速高，因此转子系统在高速状态下运行平稳；且将一体式轴承(推力轴承)设置于涡轮和压气机之间，结构紧凑，在旋转轴安装涡轮的位置周围产生热膨胀时，一体式轴承(推力轴承)可同时像旋转轴的两端产生轴向位移，相比于将推力轴承安装于转子系统的最左端，其更不容易产生压气机的压缩轮和涡轮与燃气轮机壳体相碰撞的状况。

附图说明

图1为本发明定心结构组合剖视图。

图2为本发明燃机轴套的结构图。

图3为本发明电机壳体的结构图。

图4为本发明定心结构加工的流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本发明作进一步说明。

根据本发明的一个方面，提供一种燃气轮机定心结构。

如图1所示，为本实施例中一种燃气轮机定心结构，包括沿轴向依次固定连接的燃机轴套1、电机壳体2、进气道4、扩压器5，涡轮外环6，电机壳体2内用于设置电机3，燃机轴套1内设置第一推力轴承座与第一径向轴承座，电机壳体2内设置第二径向轴承座，扩压器5与涡轮外环6之间设置径向推力一体式轴承座或者第二推力轴承座。定心结构中轴向的多个径向轴承座需保持同心，多个推力轴承座与径向轴承座需保持垂直。

如图2所示，燃机轴套1两侧分别设置台阶孔，一侧台阶孔为第一推力轴承座，台阶孔端面用以放置第一推力轴承，另一侧台阶孔为第一径向轴承座，台阶孔周面用以放置第一径向轴承，台阶孔长度与第一径向轴承匹配，设置第一径向轴承座的台阶孔外设置有外台阶止口，燃机轴套1通过燃机轴套外台阶止口轴向固定在电机壳体2一侧端面。

如图3所示，电机壳体2包括从内至外依次套设的电机壳体轴套21、内环22、外环23，电机壳体轴套21与内环22之间通过环形电机壳体2端面连接为一体，环形电机壳体2端面与安装燃机轴套1的端面相对，内环22与外环23之间通过间隔的筋块连接为一体，外环远离燃机轴套1一侧延伸有容置进气道4的进气道安装壳体，电机壳体轴套21为第二径向轴承座，电机壳体轴套21周面用以放置第二径向轴承，电机壳体轴套21长度与第二径向轴承匹配，电机壳体轴套21与内环22之间空间形成用于安装电机定子的电机定子容置腔，内环22与外环23之间空间形成空气通道，外环23两端设置有外缘法兰。

作为优选，燃机轴套1外径与电机壳体2的内环22外径相等，燃机轴套1固定在电机壳体2的内环22端面上。

在本发明的进气道4一侧具有与压气机外形匹配的外轮廓面以及过渡平面，过渡平面周向设置有螺纹孔，另一侧具有凹形端面与外缘法兰，进气道4的外缘法兰与电机壳体2的外环23的外缘法兰固定连接。

本发明的扩压器5具有扩压面与中心轴孔，扩压器5一侧通过扩压面上安装孔与进气道4一侧的过渡平面的螺纹孔对接以固定连接进气道4，扩压器5另一侧与涡轮外环6固接。

涡轮外环6一侧具有内台阶孔，内台阶孔为径向推力一体式轴承座或者第二推力轴承座，内台阶孔端面与扩压器5另一侧端面之间用于安装径向推力一体式轴承或者第二推力轴承。

上述结构的燃气轮机定心结构中，通过燃机轴套1、电机壳体2、进气道4、扩压器5、涡轮外环6合理的结构设计和布局，能够保证加工时各零部件的同轴度。

根据本发明的另一方面，本发明实施例还提供一种定心组合加工方法。

如图4所示，一种定心组合加工方法，包括步骤1，在电机壳体轴套21与内环22之间的空间内安装电机定子，将燃机轴套1外台阶止口与电机壳体2内环22的一侧端面对接，燃机轴套1外径与电机壳体2内环22外径对齐，通过紧固件将燃机轴套1轴向固定在电机壳体2一侧，在电机壳体轴套21与内环22之间的空间内注胶填充电机定子内的间隙；

步骤2，待电机定子内的注胶干燥后，将进气道4外缘法兰具有凹形端面的端面与远离燃机轴套1一侧的电机壳体外环23的外缘法兰端面对接，通过紧固件将进气道4轴向固定在电机壳体2另一侧，将扩压器5一侧的扩压面与进气道4另一侧过渡平面的螺纹孔对接，通过紧固件将扩压器5固定在进气道4另一侧，扩压器5另一侧与涡轮外环6固接，燃机轴套1与电机壳体2之间、电机壳体2与进气道4之间、进气道4与扩压器5之间、扩压器5与涡轮外环6之间设置对中标志，以保证径向跳动低点相对应的角向位置；

步骤3，以电机壳体2的外环23外壁面为定位面，装卡组合的待加工零部件，利用刀具依次完成燃机轴套1内壁、电机壳体轴套21内壁以及涡轮外环6内台阶孔孔的加工至需要尺寸，由于燃机轴套1内壁、电机壳体轴套21内壁以及涡轮外环6内台阶孔三个部位的加工是在装卡后一次完成的，故具有很高的同心度；

步骤4，依次拆除涡轮外环6、扩压器5、进气道4，电机壳体2与燃机轴套1为一体部件进行后续装配，完成待加工零部件的定心组合加工。

作为优选，步骤3中，通过在电机壳体2上周向设置多个定位销或者划线标识以确定角向关系。

由于空气轴承的配合间隙与压气机和涡轮与壳体的工作间隙均为微米级，因而径向轴承座之间的同轴度、径向轴承座与推力轴承座之间的垂直度需要极小的加工误差，通过定心组合加工的方法，可以保持转子系统安装后，轴承之间的同心度与垂直度。

根据本发明另一方面，本发明实施例还提供一种转子系统，本发明的燃气轮机定心结构应用于所述转子系统的装配。所述转子系统包括：转轴，所述转轴为一体成型结构；以及，依次设置于所述转轴上的第一推力轴承、第一径向轴承、电机3、第二径向轴承、压气机、第二推力轴承及透平；其中，所述第一推力轴承装配于所述第一推力轴承座内，所述第一径向轴承装配于所述第一径向轴承座内，所述电机3的电机定子装配于所述电机定子容置腔内，电机3的电机转子装配于转轴上所设置的转子容置腔内，所述第二径向轴承装配于所述第二轴承座内，所述压气机装配于所述进气道4内，所述第二推力轴承装配于所述第二推力轴承座内，所述透平装配于所述涡轮外环6内。

作为优选，所述第二推力轴承座为径向推力一体式轴承座，所述第二推力轴承为径向推力一体式轴承。

本发明所提供的转子系统及发电机组装配精度高，轴向尺寸短，重量轻，转子系统的临界转速高，因此转子系统在高速状态下运行平稳；且将一体式轴承(推力轴承)设置于涡轮和压气机之间，结构紧凑，在旋转轴安装涡轮的位置周围产生热膨胀时，一体式轴承(推力轴承)可同时像旋转轴的两端产生轴向位移，相比于将推力轴承安装于转子系统的最左端，其更不容易产生压气机的压缩轮和涡轮与燃气轮机壳体相碰撞的状况。

根据本发明的另一方面，本发明实施例还提供一种燃气轮机发电机组，包括燃烧室以及上述的转子系统；所述燃烧室与进气道4连接，并且燃烧的进气口与进气道4的排气口连接，燃烧室的排气口与涡轮外环6的进气口连接。本实施例的燃气轮机发电机组装配精度高。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims (8)

1.一种燃气轮机定心结构，包括沿轴向依次设置的燃机轴套、电机壳体、进气道、扩压器、涡轮外环，其特征在于，

所述燃机轴套两侧分别设置台阶孔，一侧台阶孔为第一推力轴承座，另一侧台阶孔为第一径向轴承座，其中，第一径向轴承座的台阶孔外设置有外台阶止口，燃机轴套通过所述外台阶止口轴向固定于所述电机壳体一侧端面；

所述电机壳体包括从内至外依次套设的电机壳体轴套、内环、外环，所述外环远离燃机轴套的一侧延伸有进气道安装壳体，所述电机壳体轴套为第二径向轴承座，电机壳体轴套与内环之间形成电机定子容置腔，内环与外环之间形成空气通道；

所述进气道固定安装于进气道安装壳体内；

所述扩压器一侧与进气道对接以固定连接进气道，扩压器另一侧与涡轮外环固定连接；

所述涡轮外环靠近扩压器一侧设置内台阶孔，所述内台阶孔为第二推力轴承座；

所述电机壳体轴套与内环之间通过环形电机壳体端面连接为一体，所述内环与外环之间通过间隔的筋块连接为一体；

所述燃机轴套外径与电机壳体的内环外径相等，燃机轴套固定在电机壳体的内环端面上。

2.根据权利要求1所述燃气轮机定心结构，其特征在于，所述电机壳体的外环两端设置有外缘法兰，所述进气道靠近电机壳体一侧具有凹型端面与外缘法兰，进气道的外缘法兰与外环的外缘法兰固定连接。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机定心结构，其特征在于，所述进气道远离电机壳体的一侧具有与压气机外形匹配的外轮廓面以及过渡平面，所述过渡平面周向设置有螺纹孔；

所述扩压器具有扩压面与中心轴孔，扩压面上设置安装孔，扩压器通过扩压面的安装孔与进气道一侧过渡平面的螺纹孔对接以固定连接进气道。

4.一种燃气轮机定心加工方法，用于加工权利要求1-3任一项所述的燃气轮机定心结构，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1、在电机壳体轴套与内环之间的电机定子容置腔内安装电机定子，将燃机轴套外台阶止口与电机壳体内环的一侧端面对接，燃机轴套外径与电机壳体内环外径对齐，通过紧固件将燃机轴套轴向固定在电机壳体一侧，在电机壳体轴套与内环之间的空间内注胶填充电机定子内的间隙；

步骤2、待电机定子内的注胶干燥后，将进气道外缘法兰具有凹形端面的端面与远离燃机轴套一侧的电机壳体外环的外缘法兰端面对接，通过紧固件将进气道轴向固定在进气道安装壳体内，将扩压器一侧扩压面的安装孔与进气道过渡平面的螺纹孔对接，通过紧固件将扩压器固定在进气道一侧，扩压器另一侧与涡轮外环固接，燃机轴套与电机壳体之间、电机壳体与进气道之间、进气道与扩压器之间、扩压器与涡轮外环之间设置对中标志，以保证径向跳动低点相对应的角向位置；

步骤3、以电机壳体外环外壁面为定位面，装卡组合的待加工零部件，利用刀具依次完成燃机轴套内壁、电机壳体轴套内壁以及涡轮外环内台阶孔的加工至需要尺寸；

步骤4、依次拆除涡轮外环、扩压器、进气道，电机壳体与燃机轴套作为一体部件进行后续装配。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机定心加工方法，其特征在于，步骤3中，在电机壳体上周向设置多个定位销或者划线标识以确定角向关系。

6.一种转子系统，所述转子系统装配于权利要求1-3任一项所述的燃气轮机定心结构，其特征在于，所述转子系统包括：

转轴，所述转轴为一体成型结构；

以及，依次设置于所述转轴上的第一推力轴承、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、压气机、第二推力轴承及透平；

其中，所述第一推力轴承装配于第一推力轴承座内，所述第一径向轴承装配于第一径向轴承座内，所述电机的电机定子装配于所述电机定子容置腔内，所述第二径向轴承装配于第二径向轴承座内，所述压气机装配于所述进气道内，所述第二推力轴承装配于所述第二推力轴承座内，所述透平装配于所述涡轮外环内。

7.根据权利要求6所述的转子系统，其特征在于，所述第二推力轴承座为径向推力一体式轴承座，所述第二推力轴承为径向推力一体式轴承。

8.一种燃气轮机发电机组，其特征在于，包括燃烧室以及权利要求6或7所述的转子系统；

所述燃烧室与进气道连接，并且燃烧的进气口与进气道的排气口连接，燃烧室的排气口与涡轮外环的进气口连接。