CN111156180A - 一种压气机、转子系统及微型燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压气机、转子系统及微型燃气轮机，压气机包括：转子、定子、线圈、壳体、叶轮以及至少一个主气道；其中，所述转子上套设所述定子及线圈，所述定子及线圈外罩设所述壳体，所述壳体在压气机末端围拢形成高压腔体，所述叶轮套设在转子末端迎向进气设置，所述至少一个主气道环绕所述定子设置，所述至少一个主气道末端的出口经所述叶轮连接高压气腔。本发明能够解决现有压气机结构复杂、体积大、散热难的技术问题。

Description

一种压气机、转子系统及微型燃气轮机
技术领域
本发明涉及压气机技术领域，尤其涉及一种压气机、转子系统及微型燃气轮机。
背景技术
压气机是利用高速旋转的叶片给气体(多为空气)作功以提高气体压力的部件。现有压气机存在以下缺陷：压气机采用电机驱动，电机转子转动会产生大量的热，转子温度超过永磁材料的使用温度后出现退磁，电机效率会明显降低，电机寿命受到影响，可靠性不能有效的保证。
现有压气机的结构布置不合理，冷却方式多为在转子上设置冷却风扇，增加了零部件数量和工艺难度，带来体积大、发热高、散热困难的问题，而电机温度的高低直接影响了电机使用寿命，合理的冷却方式和冷却结构是电机寿命的保障。
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压气机、转子系统及微型燃气轮机，其能够解决现有压气机结构复杂、体积大、散热难的技术问题。
本发明的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种压气机，包括：转子、定子、线圈、壳体、叶轮以及至少一个主气道；
其中，所述转子上套设所述定子及线圈，所述定子及线圈外罩设所述壳体，所述壳体在压气机末端围拢形成高压腔体，所述叶轮套设在转子末端迎向进气设置，所述主气道环绕所述定子设置，所述主气道末端的出口经所述叶轮连接高压气腔。
进一步的，所述壳体包括第一壳体、第二壳体以及第三壳体，所述主气道包括第一气道或/和第三气道；
所述定子及线圈外罩设所述第一壳体，且定子与第一壳体固定，所述第一壳体的前端和末端分别设置第一前端盖和第一后端盖，所述第二壳体环绕第一壳体设置，第二壳体末端设置第二端盖，所述第三壳体设置在压气机末端，和第二端盖之间围成所述高压腔体；
所述第一壳体和第二壳体之间的腔体、第一后端盖和第二端盖之间的腔体形成所述第一气道；
所述第三气道轴向贯穿所述定子。
进一步的，所述压气机还包括第二气道；
所述定子及线圈和转子外壁之前的间隙、定子及线圈和第一前端盖之间的间隙、定子及线圈和第一后端盖之间的间隙形成所述第二气道，所述第二气道入口设置在第一壳体的前端或者设置在第一前端盖上，出口设置在第一后端盖上且与第一气道或/和第三气道连通。
进一步的，所述转子两端设置径向轴承支撑所述定子；
所述径向轴承为静压气体轴承、动压气体轴承或者动静压混合气体轴承中的一种。
进一步的，所述径向轴承的两头套设环形胶圈阻尼器。
进一步的，所述转子进气端设置第一推力盘以及第二推力盘，两个推力盘均包括盘部和套筒部，两个推力盘的套筒部对接固定在转子上，两个推力盘内端面和套筒部外部之间形成止推槽，所述止推槽内设置推力轴承；
所述推力轴承顶部凸出于止推槽的部分两侧分别由盖体和壳体卡住，所述盖体和壳体固定连接。
进一步的，所述推力轴承为动静压混合的空气轴承；
所述推力轴承包括第一推力部和第二推力部，第一推力部和第二推力部相对设置，第二推力部的内侧端面开设环形气腔，该环形气腔连通外部气体；第一推力盘内侧端面和第一推力部外侧端面的第一间隙通过气孔连通环形气腔，第二推力盘内侧端面和第二推力部外侧端面的第二间隙通过气孔连通环形气腔，第二推力部的内圈侧壁和推力槽侧壁之间的第三间隙通过气孔连通环形气腔，所述壳体上设置进气管经第二推力部上的进气道连通环形气腔。
进一步的，所述第一推力部外端面和盖体之间、第二推力部外端面和壳体之间均设置弹簧阻尼器或胶圈阻尼器；
或/和，所述第一推力部内端面和第二推力部内端面之间设置弹簧阻尼器或胶圈阻尼器。
进一步的，所述第一推力部和第二推力部的外端面设置空气槽；或/和两推力盘上分别与第一推力部和第二推力部的外端面相对的面上设置空气槽。
根据本发明的另一方面，提供一种转子系统，包括上述的压气机。
根据本发明的另一方面，提供一种微型燃气轮机，包括上述的压气机。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明压气机的叶轮、电机、冷却结构设置在同侧，结构紧凑；本发明的主气道环绕定子设置，进一步优化结构，不需要设置单根主进气管道，该环绕式设置使整机质量分布均匀，增强了平衡和稳定性。
2、本发明压气机的主气道气源可起到风冷效果；外接风冷气源可进一步为电机降温散热；多路气体最后均可合为压气机涡轮的进气，节约进气用量；不需要在轴上加装风冷风扇，结构更简单，可靠性强。
3、本发明的推力轴承和径向轴承均采用空气轴承，能够保证压气机的高速稳定运行；设置空气槽能够实现轴承内空气的快速通流，既可传导压气机气体，又可防止空气堵塞、聚积，根据气源状况灵活选择静压或动压模式，使用灵活。
4、本发明的止推槽两侧的推力盘高度低，加工时车削量小、耗材少、工艺相对简单，质量分布相对均匀，转轴高度旋转时稳定性更好。
5、本发明的压气机可用于任一转子系统或微型燃气轮机，用于提供高压气体，其能够解决转子系统或微型燃气轮机结构复杂、体积大、散热难的技术问题。
附图说明
图1是本发明实施例中压气机的结构示意图。
图2是本发明实施例中定子和线圈结构剖视图。
图3是本发明实施例中定子结构示意图。
图4是本发明实施例中推力轴承的结构示意图。
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。
本发明实施例提供一种压气机。
如图1所示，压气机包括：转子1、定子41、线圈42、壳体、叶轮2以及至少一个主气道；其中，所述转子1上套设所述定子41及线圈42，所述定子41及线圈42外罩设所述壳体，所述壳体在压气机末端围拢形成高压腔体，所述叶轮2套设在转子1末端迎向进气设置，所述主气道环绕所述定子41设置，所述主气道末端的出口经所述叶轮2连接高压气腔。
本实施例中，压气机的叶轮2、电机(定子41、线圈42)、冷却结构(主气道)设置在同侧，结构紧凑；本实施例的主气道环绕定子41设置，进一步优化结构，不需要设置单根主进气管道，该环绕式设置使整机质量分布均匀，增强了平衡和稳定性。
在本发明实施例提供的一种压气机具体结构中，主气道包括第一气道P1和第二气道P2。
如图1所示，压气机包括转子1、定子41、线圈42、第一壳体31、第二壳体51、叶轮2、第三壳体6；转子1上套设定子41及线圈42，定子41及线圈42外罩设第一壳体31，且定子41与第一壳体31固定，第一壳体31的前端和末端分别设置第一前端盖32和第一后端盖33；第二壳体51环绕第一壳体31设置，第二壳体51末端设置第二端盖52，第三壳体6设置在压气机末端，和第二端盖52之间围成高压腔体；
第一气道P1包括第一壳体31和第二壳体51之间的腔体、第一后端盖33和第二端盖52之间的腔体，第一气道P1为进气主气道；
第二气道P2包括定子41及线圈42和转子1外壁之间间隙、定子41及线圈42和第一前端盖32的间隙、定子41及线圈42和第一后端盖33的间隙；第二气道P2为风冷气道。第二气道P2入口设置在第一壳体31的前端或者设置在第一前端盖32上，出口设置在第一后端盖33上，冷风经第二气道P2出口汇入第一气道P1；
叶轮2套设在转子1末端，迎向进气设置，叶轮2的叶片与第二端盖52的锥形筒之间留有缝隙，以便随着转子1转动，气体自第一气道P1末端流经叶片之间的间隙经压缩后进入所述高压腔体。
本实施例中，压气机的主气道气源可起到风冷效果；外接风冷气源可进一步为电机降温散热；两路气体最后均可合为压气机涡轮的进气，节约进气用量；不需要在轴上加装风冷风扇，结构更简单，可靠性强。
作为优选，本发明实施例提供的一种压气机具体结构中，主气道还包括第三气道P3，第三气道P3沿轴向贯穿定子41，并汇入第一气道P1。第三气道P3也可作为进气主气道，可以增加进气量；由于第三气道P3靠近转子1，具有良好的辅助降温和散热效果。
具体的，如图2、3所示，定子41包括定子铁芯411，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子安装的通孔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，线圈42沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽4114和内线槽4115内，线圈42和相邻的两个第二绕组隔板4113构成第三气道P3。可选地，定子铁芯411可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。
同时，为了便于定子41及转子1的散热以及第三气道P3的进气，可在第一前端盖和第一后端盖上设置网状气孔。
本发明实施例还提供一种径向支撑结构，即在转子1上设置径向轴承7支撑定子41。
如图1所示，具体地，第一前端盖32和第一后端盖33靠近转子1设置一体的支撑环34环绕转子1设置，所述径向轴承7设置在支撑环34和转子1之间。由于支撑环34与定子41固定，所以径向轴承7起到了支撑定子41的作用。
进一步的，径向轴承7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，径向轴承7和转子1在径向上具有预定的径向间隙，径向轴承7的外周与支撑环34之间设有环形气腔，环形气腔的底部设有贯通环形气腔与径向间隙的通孔，同时支撑环34上也设置将环形气腔与外接气源连通的进气孔。
当其设置为动压气体轴承时，径向轴承7和转子1在径向上具有预定的径向间隙，径向轴承7的内径面或者转子1上安装径向轴承7的部位设置动压发生槽。
当其设置为动静压混合气体轴承时，其同时具有静压气体轴承和动压气体轴承的特征。
进一步的，径向轴承7的两头套设环形胶圈阻尼器84，保证径向轴承7的稳定支撑。
本发明实施例还提供一种轴向支撑结构，即在转子1上设置推力轴承8。
如图1、4所示，具体的，转子1进气端设置两个推力盘，分别为第一推力盘11和第二推力盘12，第一推力盘11和第二推力盘12均包括盘部和套筒部，两个推力盘的套筒部对接固定在转子1上，两个推力盘内端面和套筒部外部之间形成止推槽，所述止推槽内设置推力轴承8，推力轴承8顶部凸出于止推槽的部分、两侧分别由盖体9和第一前端盖32卡住，盖体9与第一前端盖32固定。推力轴承8为动静压混合的空气轴承。
本实施例的推力轴承8，结构如图4所示，包括第一推力部81和第二推力部82，第一推力部81和第二推力部82相对设置，第二推力部82的内侧端面开设环形气腔83，该环形气腔83连通外部气体；第一推力盘11内侧端面和第一推力部81外侧端面的间隙S1通过气孔连通环形气腔83，第二推力盘12端内侧端面和第二推力部外侧端面的间隙S2通过气孔连通环形气腔83，第二推力部82的内圈侧壁和止推槽侧壁之间的间隙S3通过气孔连通环形气腔83。第一前端盖32上设置进气管经第二推力部82上的进气道连通环形气腔。
进一步地，第一推力部81外端面和盖体9之间、第二推力部82外端面和第一前端盖32之间均设置弹簧阻尼器85或胶圈阻尼器84，以吸收震动能量，起到阻尼器作用。
第一推力部81内端面和第二推力部82内端面之间设置弹簧阻尼器85或胶圈阻尼器84，起到减震吸能和封闭气体的作用。
进一步地，第一推力部81和第二推力部82的外端面设置空气槽；或/和两推力盘上分别与第一推力部81和第二推力部82的外端面相对的面上设置空气槽。
本实施例中，设置空气槽能够实现轴承内空气的快速通流，既可传导压气机气体，又可防止空气堵塞、聚积。根据气源状况灵活选择静压或动压模式，使用灵活；止推槽两侧的推力盘高度低，加工时车削量小、耗材少、工艺相对简单，质量分布相对均匀，转轴高度旋转时稳定性更好。
本发明实施例还提供一种转子系统，所述转子系统应用有上述结构的压气机。
本发明实施例还提供一种微型燃气轮机，所述微型燃气轮机应用有上述结构的压气机，压气机用于为微型燃气轮机提供高压气体。
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 (11)

1.一种压气机，其特征在于，包括：转子、定子、线圈、壳体、叶轮以及至少一个主气道；
其中，所述转子上套设所述定子及线圈，所述定子及线圈外罩设所述壳体，所述壳体在压气机末端围拢形成高压腔体，所述叶轮套设在转子末端迎向进气设置，所述主气道环绕所述定子设置，所述主气道末端的出口经所述叶轮连接高压气腔。
2.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述壳体包括第一壳体、第二壳体以及第三壳体，所述主气道包括第一气道或/和第三气道；
所述定子及线圈外罩设所述第一壳体，且定子与第一壳体固定，所述第一壳体的前端和末端分别设置第一前端盖和第一后端盖，所述第二壳体环绕第一壳体设置，第二壳体末端设置第二端盖，所述第三壳体设置在压气机末端，和第二端盖之间围成所述高压腔体；
所述第一壳体和第二壳体之间的腔体、第一后端盖和第二端盖之间的腔体形成所述第一气道；
所述第三气道轴向贯穿所述定子。
3.根据权利要求2所述的压气机，其特征在于，所述压气机还包括第二气道；
所述定子及线圈和转子外壁之前的间隙、定子及线圈和第一前端盖之间的间隙、定子及线圈和第一后端盖之间的间隙形成所述第二气道，所述第二气道入口设置在第一壳体的前端或者设置在第一前端盖上，出口设置在第一后端盖上且与第一气道或/和第三气道连通。
4.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述转子两端设置径向轴承支撑所述定子；
所述径向轴承为静压气体轴承、动压气体轴承或者动静压混合气体轴承中的一种。
5.根据权利要求4所述的压气机，其特征在于，所述径向轴承的两头套设环形胶圈阻尼器。
6.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述转子进气端设置第一推力盘以及第二推力盘，两个推力盘均包括盘部和套筒部，两个推力盘的套筒部对接固定在转子上，两个推力盘内端面和套筒部外部之间形成止推槽，所述止推槽内设置推力轴承；
所述推力轴承顶部凸出于止推槽的部分两侧分别由盖体和壳体卡住，所述盖体和壳体固定连接。
7.根据权利要求6所述的压气机，其特征在于，所述推力轴承为动静压混合的空气轴承；
所述推力轴承包括第一推力部和第二推力部，第一推力部和第二推力部相对设置，第二推力部的内侧端面开设环形气腔，该环形气腔连通外部气体；第一推力盘内侧端面和第一推力部外侧端面的第一间隙通过气孔连通环形气腔，第二推力盘内侧端面和第二推力部外侧端面的第二间隙通过气孔连通环形气腔，第二推力部的内圈侧壁和推力槽侧壁之间的第三间隙通过气孔连通环形气腔，所述壳体上设置进气管经第二推力部上的进气道连通环形气腔。
8.根据权利要求7所述的压气机，其特征在于，所述第一推力部外端面和盖体之间、第二推力部外端面和壳体之间均设置弹簧阻尼器或胶圈阻尼器；
或/和，所述第一推力部内端面和第二推力部内端面之间设置弹簧阻尼器或胶圈阻尼器。
9.根据权利要求7所述的压气机，其特征在于，所述第一推力部和第二推力部的外端面设置空气槽；或/和两推力盘上分别与第一推力部和第二推力部的外端面相对的面上设置空气槽。
10.一种转子系统，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的压气机。
11.一种微型燃气轮机，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的压气机。
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