CN111042925A - 一种转子系统及微型燃气轮机发电机组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种转子系统及微型燃气轮机发电机组，其中转子系统包括: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推力轴承、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、压气机和透平；其中，所述转轴在所述推力轴承的定子、第一径向轴承、电机定子和第二径向轴承内旋转，所述转轴与推力轴承的推力盘以及透平的涡轮、压气机的压缩轮固定连接。本发明采用一体式旋转轴连接微型燃气轮机转子与发电机转子，并将推力轴承设置于发电机所在的一端，解决了现有技术中存在的推力轴承的设置位置受到限制的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及转子动力学技术领域，尤其涉及一种转子系统及微型燃气轮机发电机组。
背景技术
微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械以及回热循环。微型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，转子会受到径向方向的力和轴向方向的力。为了限制转轴发生径向和轴向上的移动，转子系统中需要安装径向轴承和推力轴承。传统的径向轴承和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。
对于微型燃气轮机发电机组，通过微型燃气轮机转子的高速旋转带动发电机转子旋转进而发电。现有技术中，通常采用联轴器将微型燃气轮机转子与发电机转子进行连接。联轴器的设置使得推力轴承的设置位置受到限制，这是因为随着转子转速的提高，转子受到的轴向力也会进一步提高，若将推力轴承设置于压气机和透平之间，会使得整个转子系统的重心偏向透平侧，从而导致转子系统的稳定性差。如果将推力轴承设置于联轴器朝向发电机一侧，则转子的轴向力全部作用到联轴器上，容易导致联轴器损坏。
可见，目前亟需提供一种新的转子系统，以解决现有微型燃气轮机发电机组存在的上述问题。
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转子系统及微型燃气轮机发电机组，其采用一体式旋转轴连接微型燃气轮机转子与发电机转子，并将推力轴承设置于发电机所在的一端，解决了现有技术中存在的推力轴承的设置位置受到限制的技术问题。
本发明的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种转子系统，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推力轴承、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、压气机和透平；
其中，所述转轴在所述推力轴承的定子、第一径向轴承、电机定子和第二径向轴承内旋转，所述转轴与推力轴承的推力盘以及透平的涡轮、压气机的压缩轮固定连接。
进一步的，所述第一径向轴承、第二径向轴承和推力轴承均为非接触式轴承。
进一步的，所述第一径向轴承、第二径向轴承和推力轴承均为气体轴承。
进一步的，所述电机为流体动压轴承电机，所述转轴上作为电机转子的部分设置有动压发生槽。
进一步的，所述电机定子上设置有轴向贯穿所述电机定子的多个进气道；
其中，所述电机定子包括定子铁芯和定子绕组；
所述定子铁芯呈圆柱体状，且在圆柱体的中心位置形成有供所述转轴安装的通孔；
所述定子铁芯的外径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体的周向均布的多个外线槽，所述定子铁芯的内径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体周向均布的多个内线槽；
所述定子绕组沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽和内线槽内，且在内线槽内形成所述进气道。
进一步的，所述推力轴承、第一径向轴承设置为一体式轴承。
进一步的，所述一体式轴承包括：
推力盘，所述推力盘与转轴固定连接或一体成型；
以及，套设于转轴并位于推力盘两侧的第一轴承本体、第二轴承本体；
其中，所述第一轴承本体具有一体成型的径向轴承部和推力轴承部，所述径向轴承部与转轴在径向上具有预定的径向间隙从而形成所述第一径向轴承；
所述推力轴承部与推力盘在轴向上对置安装且具有预定的第一轴向间隙，第二轴承本体与推力盘在轴向上对置安装且具有预定的第二轴向间隙，从而形成所述的推力轴承。
进一步的，所述一体式轴承还包括：
轴承壳体，所述轴承壳体罩设于第一轴承本体、推力盘和第二轴承本体的外周；
以及，安装于转轴的第二轴承本体的一端且在轴向上固定第二轴承本体的轴承端盖。
进一步的，所述涡轮为陶瓷材料。
根据本发明的另一方面，提供一种微型燃气轮机发电机组，包括上述的转子系统。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的转子系统结构紧凑简单，轴向尺寸短，同时解决了现有技术中推力轴承无法安装到电机一侧的技术问题。
2、本发明的转子系统在压气机和透平之间不设置轴承，整个微型燃气轮机发电机组的轴承可以全部设置在发电机机匣内，这样仅需保证发电机机匣内部用于连接轴承定子部位的加工精度即可，而电机机匣内部用于连接轴承定子部位通过一次装卡加工即可完成，进而大幅降低整机的加工精度和装配精度，降低了成本，可工程化批量生产。
3、本发明的转子系统的轴承均采用气体轴承，机械摩擦损失小，传动效率高。
4、本发明的转子系统的集成度高，径向轴承和推力轴承的同轴度高，整个转子系统的稳定性高。
5、本发明的电机定子的线圈采用外绕线方式绕制，散热性好。
附图说明
图1为本发明转子系统结构图。
图2为本发明的电机结构图。
图3为本发明的电机的半剖图。
图4为本发明的电机定子铁芯结构图。
图5为本发明的硅钢片结构图。
图6为本发明的端面线槽结构图。
图7为本发明的一种一体式气体轴承结构图。
图8为本发明的第一轴承本体主视图。
图9为本发明的第一轴承本体左视图。
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，提供一种转子系统。
如图1所示，旋转轴100、透平200、压气机300、电机400、第一径向轴承500、第二径向轴600和推力轴承700，所述旋转轴100穿过依次设置的推力轴承700、第一径向轴承500、电机400、第二径向轴承600、压气机300、和透平200，所述旋转轴100在所述推力轴承700的定子、第一径向轴承500、电机400的定子和第二径向轴承600内旋转，所述旋转轴100与推力轴承700的推力盘以及透平200的涡轮、压气机300的压缩轮固定连接。
本发明通过采用一体式旋转轴连接微型燃气轮机转子与发电机转子，避免了现有技术中，推力轴承无法安装到电机一侧的技术问题。同时，上述转子系统的布局，将微型燃气轮机压气机的压缩轮与透平的涡轮背靠背安装，减少了轴向长度，并且无需在微型燃气轮机机匣内设置轴承，整个微型燃气轮机发电机组的轴承可以全部设置在发电机机匣内，这样仅需保证发电机机匣内部用于连接轴承定子部位的加工精度即可，而电机机匣内部用于连接轴承定子部位通过一次装卡加工即可完成，进而大幅降低整机的加工精度和装配精度，降低了成本，可工程化批量生产。
另外，上述转子系统的布局，将推力轴承700设置在整个转子系统的最左端，其设置不会阻挡压气机300的进气，同时两个径向轴承设置于电机400两侧，当电机400质量较大时，也不会影响整个转子系统的运转稳定性。
作为本发明的一种优选方案，第一径向轴承500、第二径向轴600和推力轴承700均为非接触式轴承；具体的，第一径向轴承500、第二径向轴600和推力轴承700为气体轴承。其具体可以为动压轴承、静压轴承或者动静压混合轴承中的任一种。
作为优选，进一步地，所述电机400为流体动压轴承电机，所述旋转轴100上作为电机400转子的部分设置有动压发生槽420。
作为本发明的一种优选方案，电机400采用外绕线的方式绕制。
如图2所示，电机400包括：电机定子410、电机壳体430，电机定子410套设于转轴100，并且与转轴100在径向上保持一定的间隙，电机壳体430罩设于所述电机定子410的外周，所述电机定子410上设置有轴向贯穿所述电机定子410的多个进气道440。
由于设置有进气道440，当本电机用到转子系统及微型燃气轮机发电机组中时，压气机300的进气则可通过所述进气道440进入压气机300，使得压气机300的进气更为充分，同时，通过进气道440的常温空气能过对电机定子410起到一定的冷却作用。
具体地，上述进气道440的形成可通过以下结构和绕线方式来实现。参见图3，为电机的半剖图；及图4，电机定子铁芯411的结构图。
电机定子410包括定子铁芯411和定子绕组412，定子铁芯411呈圆柱体状，且在圆柱体的中心位置形成有供转轴100安装的通孔4111；所述定子铁芯411的外径侧形成有沿圆柱体的轴向和径向外侧延伸、沿圆柱体的周向均布的多个第一绕组隔板4112，所述定子铁芯411的内径侧形成有沿圆柱体的轴向和径向内侧延伸、沿圆柱体的周向均布的多个第二绕组隔板4113，所述第二绕组隔板4113靠近圆柱体圆心的一端形成所述通孔4111。第一绕组隔板4112与第二绕组隔板4113在圆柱体的外径侧和内径侧相对设置，相邻的两个第一绕组隔板4112和圆柱体的外周面形成外线槽4114，相邻的第二绕组隔板4113和圆柱体的内周面形成内线槽4115，定子绕组412沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽4114和内线槽4115内，所述定子绕组412和相邻的两个第二绕组隔板4113构成进气道440。
可选地，所述定子铁芯411由多个形状完全相同的硅钢片4116沿圆柱体的轴向方向叠加压制而成，硅钢片结构如图5所示。
通过上述定子铁芯411结构的设置，使得定子绕组412能够缠绕于定子铁芯411的外线槽4114和内线槽4115内，同时在内线槽4115内布完定子绕组后，仍形成有进气道440。因此，本结构中电机400的定子绕组412大部分位于线槽内，且在定子铁芯411的两端只有很少的定子绕组漏出。而常规的电机采用常规的绕线方式，整个绕组位于定子铁芯的内侧，因定子铁芯内侧的空间有限，很难形成规则的进气道，即便形成进气道，其进气道也很狭窄，不利于气体的通过，并且在定子铁芯的两端会形成有蘑菇状的绕组。两者相比，本结构的电机400在轴向上长度缩短，整体体积减少。因此，本结构的电机400用于转子系统时，可大幅缩短整个转子系统的轴向长度，提高转子系统的运转平稳性。同时，本结构的电机400在电机定子410上形成有供空气或者冷却空气通过的进气道440，这样既有利于电机定子410和转轴100的散热，同时当该电机400用在压气机或者其他需要进气的设备前端时，不会阻挡后端设备的进气，也不会增加转子系统的轴向长度。
可选地，如图6所示，上述定子铁芯411的结构还可以进一步优化，即在定子铁芯411的两端对应外线槽4114和内线槽4115的位置设置端面线槽4117，这样可以将整个绕组设置于线槽内，使得电机400的整体布线更加整洁干净。
可选地，定子铁芯411的表面涂有绝缘层或者涂刷有绝缘漆。
可选地，所述第一绕组隔板4112和所述第二绕组隔板4113设置为10个、16个、18个、24个等。
可选地，为了便于电机定子410、以及转轴100的散热以及进气道440的进气，本结构的电机400两端可以不设置端盖，或者在两端设置端盖，但是两端的端盖上设置网状气孔。
作为本发明的一种优选方案，为了提高整个系统的集成度，同时保证径向轴承和推力轴承的同轴度，将上述的转子系统中的推力轴承700和第一径向轴承500设置为一体式轴承，以提高径向轴承和推力轴承的垂直度，进而提高轴承的使用寿命和转子系统的稳定性。
本发明的所述一体式轴承采用集成式空气轴承，其既具有径向支撑作用，同时也有轴向的支撑作用。
其中如图7、8所示，一体式轴承包括：第一轴承本体2200、推力盘2300、第二轴承本体2400；推力盘2300与转轴100固定连接或者一体成型；第一轴承本体2200和第二轴承本体2400均套设于转轴100并位于推力盘2300的两侧；第一轴承本体2200具有一体成型的径向轴承部2210和推力轴承部2220，径向轴承部2210与转轴100在径向上具有预定的径向间隙S1，推力轴承部2220与推力盘2300在轴向上对置安装且具有预定的第一轴向间隙S2；第二轴承本体2400与推力盘2300在轴向上对置安装且具有预定的第二轴向间隙S3；一体式轴承200还包括第一轴承壳体2500以及第一轴承端盖2600，第一轴承壳体2500罩设于第一轴承本体2200、推力盘2300和第二轴承本体2400的外周，第一轴承端盖2600安装于转轴100的第二轴承本体2400的一端，在轴向上固定第二轴承本体2400，并与第一轴承壳体2500过渡配合。
具体的，本实施例的一体式气体轴承可以是静压气体轴承、动压气体轴承或者动静压混合气体轴承中的任一种。
当其设置为静压气体轴承时，第一轴承本体2200的径向轴承部2210的外周与第一轴承壳体2500之间设置有第一环形气腔2230，第一环形气腔2230的底部设置有贯通第一环形气腔2230与径向间隙S1的第一通孔2240；
第一轴承本体2200的推力轴承部2220与第一轴承壳体2500之间设置有第二环形气腔2250，第二环形气腔2250的底部设置有贯通第二环形气腔2250与第一轴向间隙S2的第二通孔2260；
第二轴承本体2400与第一轴承端盖2600之间设置有第三环形气腔2270，第三环形气腔2270的底部设置有贯通第三环形气腔2270与第二轴向间隙S3的第三通孔2280；
同时第一轴承壳体2500上也设置有将第一环形气腔2230、第二环形气腔2250与外接气源连通的第一进气孔2510、第二进气孔2520，第一轴承端盖2600上设置有将第三环形气腔2270与外接气源连通的第三进气孔2610。
作为优选，如图8所示，本实施例中，第一通孔2240、第二通孔2260、第三通孔2280均设置为台阶孔，具体是：该台阶孔远离间隙的一侧的直径大，靠近间隙的一侧的直径小，同时台阶孔的变径部位截面可以为漏斗状或者圆锥状。这样既便于加工，同时不影响间隙内的气体压力。因为为了满足间隙内的气体压力，进气孔的孔径需要小于一定的数值，而对于直径很小的进气孔，不仅很难加工，同时容易发生堵塞。
作为优选，本实施例的第一通孔2240设置为多个，沿径向轴承部2210的周向均布，以在转轴100的周向形成稳定的压力气膜，更平稳地在周向上支撑转轴100。
作为优选，本实施例的第一通孔2240设置为多个，沿径向轴承部2210的轴向均布，以在转轴100的轴向上形成稳定的压力气膜，更平稳地轴向上支撑转轴100。
作为优选，本实施例的第二通孔2260设置为多个，以转轴100的轴线为中心，在推力轴承部2220的端面上均布，以在轴向上，更平稳地支撑转轴100及转子系统。如图9所示。图9为第一轴承本体2200的左视图。
作为优选，本实施例的第三通孔2280设置为多个，以转轴100的轴线为中心，在第二轴承本体2400的端面上均布，以在轴向上，更平稳地支撑转轴100及转子系统。
当本实施例的一体式气体轴承设置为动压轴承时，在第一轴承本体2200的径向轴承部2210的内径面或者转轴100的安装径向轴承部2210的部位设置有动压发生槽；在第一轴承本体2200的推力轴承部2220朝向推力盘2300的端面或者推力盘面2300向推力轴承部2220的端面设置有动压发生槽；在第二轴承本体2400的朝向推力盘2300的端面或者推力盘2300朝向第二轴承本体2400的端面设置有动压发生槽。
当本实施例的一体式气体轴承设置为动静压混合轴承时，其同时具有静压轴承和动压轴承的特征。
由于在本实施例中，第一轴承本体2200同时具有径向轴承部2210和推力轴承部2220，因此只要在加工过程中，以轴向为基准加工推力轴承部2220，保证轴向与推力轴承部2220的作用面之间的垂直度或者以推力轴承部2220的作用面为基准加工径向轴承部2210的内径，保证推力轴承部2220的作用面与轴向的垂直度即可。加工工艺简单易操作，加工精度高，同时装配过程中不用考虑组合装配的精度，装配工艺简单。
作为本实施例的一种优选方案，第一轴承本体2200靠近推力盘2200的一端设置有推力盘容纳槽2290，参见图8。安装时，推力盘2200放置于推力盘容纳槽2290内，第二轴承本体2400的端面与推力盘容纳槽2290的端面抵接。这种结构的设计，便于安装，且安装精度高。
作为本发明的一种优选方案，为降低涡轮热端导热对压气机效率的影响，涡轮可以采用导热系数更低的陶瓷涡轮材料或其他材料制造。
根据本发明的另一方面，提供一种使用上述转子系统的微型燃气轮机发电机组，其能够进行稳定高效的运行。
本发明的微型燃气轮机结构简单且十分紧凑，节省了安装空间，便于快速安装和搬运，可以很好地满足分布式供电的小规模、分散式需求；运动部件少，结构简单紧凑，因而其可靠性好、制造成本与维护成本低；环境适应性好、供电品质高的优点。
整套系统只有一个运动部件，并采用空气轴承，其运行可靠率高达99.996％，平均每年停机检修时间不超过2小时。本发明的转子系统可用于10～100KW机型的微型燃气轮机，如15/30/45KW机型。
单个微型燃气轮机：
15KW带回热器的微燃机转速为0～140000RPM，燃料为煤油时，油耗量为50g/kWh～600g/kWh；燃料为天然气时，天然气消耗量为0.15m3/kWh～0.5m3/kWh。15KW不带回热器的微燃机转速为0～140000RPM，燃料为煤油时，油耗量为400g/kWh～1000g/kWh；燃料为天然气时，天然气消耗量为0.4m3/kWh～1m3/kWh。
45KW带回热器的微燃机转速为0～80000RPM，燃料为煤油时，油耗量为200g/kWh～500g/kWh；燃料为天然气时，天然气消耗量为0.2m3/kWh～0.5m3/kWh。45KW不带回热器的微燃机转速为0～80000RPM，燃料为煤油时，油耗量为400g/kWh～900g/kWh；燃料为天然气时，天然气消耗量为0.5m3/kWh～1m3/kWh。
以上描述仅为本申请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，本申请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。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。
Claims (10)
1.一种转子系统，其特征在于，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推力轴承、第一径向轴承、电机、第二径向轴承、压气机和透平；
其中，所述转轴在所述推力轴承的定子、第一径向轴承、电机定子和第二径向轴承内旋转，所述转轴与推力轴承的推力盘以及透平的涡轮、压气机的压缩轮固定连接。
2.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述第一径向轴承、第二径向轴承和推力轴承均为非接触式轴承。
3.根据权利要求2所述的转子系统，其特征在于，所述第一径向轴承、第二径向轴承和推力轴承均为气体轴承。
4.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述电机为流体动压轴承电机，所述转轴上作为电机转子的部分设置有动压发生槽。
5.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述电机定子上设置有轴向贯穿所述电机定子的多个进气道；
其中，所述电机定子包括定子铁芯和定子绕组；
所述定子铁芯呈圆柱体状，且在圆柱体的中心位置形成有供所述转轴安装的通孔；
所述定子铁芯的外径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体的周向均布的多个外线槽，所述定子铁芯的内径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体周向均布的多个内线槽；
所述定子绕组沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽和内线槽内，且在内线槽内形成所述进气道。
6.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述推力轴承、第一径向轴承设置为一体式轴承。
7.根据权利要求6所述的转子系统，其特征在于，所述一体式轴承包括：
推力盘，所述推力盘与转轴固定连接或一体成型；
以及，套设于转轴并位于推力盘两侧的第一轴承本体、第二轴承本体；
其中，所述第一轴承本体具有一体成型的径向轴承部和推力轴承部，所述径向轴承部与转轴在径向上具有预定的径向间隙从而形成所述第一径向轴承；
所述推力轴承部与推力盘在轴向上对置安装且具有预定的第一轴向间隙，第二轴承本体与推力盘在轴向上对置安装且具有预定的第二轴向间隙，从而形成所述的推力轴承。
8.根据权利要求7所述的转子系统，其特征在于，所述一体式轴承还包括：
轴承壳体，所述轴承壳体罩设于第一轴承本体、推力盘和第二轴承本体的外周；
以及，安装于转轴的第二轴承本体的一端且在轴向上固定第二轴承本体的轴承端盖。
9.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述涡轮为陶瓷材料。
10.一种微型燃气轮机发电机组，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的转子系统。
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