CN112049687B - 用于空间热电转换的耐高温涡轮发电机转子及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于空间热电转换的耐高温涡轮发电机转子及其装配方法，属于空间核电源技术领域。该转子采用气浮轴承支承，工作时由高温高压的氦‑氙混合气或纯质氩气工质气体吹动转子一端的涡轮，带动转子中段的永磁体同步旋转发电，同时驱动转子另一端的压气机叶轮为热力循环系统的工质气体升压。该转子结构紧凑，采用高性能的隔热段设计，可在超高温度梯度下工作的同时，有效保护中段永磁体免于退磁失效。经过反复迭代设计，综合考虑了转子的轴承支承限制、热固耦合效应、热防护要求、高速旋转工况、加工工艺要求，具有重量轻、强度高、耐高温、抗热震、动力学特性优良、高可靠性等特点，适用于高功率密度的闭式热力发电系统。

Description

用于空间热电转换的耐高温涡轮发电机转子及其装配方法

技术领域

本发明涉及用于空间热电转换的涡轮发电机转子及其装配方法，应用各类闭式布雷顿循环发电装置，包括空间飞行器动力、水下潜航器动力、非内燃式的热功转换发动机等，属于空间核电源技术领域。

技术背景

随着航天器应用电推进平台和深空探测任务的需求，我国已开展多种电推进技术研究，并取得了长足的进步，但鉴于我国空间核电源技术仍处于研制阶段，已有空间发电技术较受日照时间、功率水平等因素限制，难以满足深空探测的电源需求。闭式布雷顿循环热电转换技术拟采用核反应堆为热源，适用于长航时、无日照环境，其动力模块的核心部件涡轮发电机转子的设计成为发展空间布雷顿热电转换系统所急需的重要技术。

更先进的闭式布雷顿循环热功转换装置的关键性能指标为：更高的工作转速、更小的转子尺寸及更低重量等。涡轮的工作温度极高，而目前永磁体材料在600K以上温度时会有退磁现象。传统的发电用微型燃气轮机所布置的转子为分体式结构，由单独的涡轮压气机转子和发电机转子串连而成，此种结构虽将发电机永磁体作为独立转子置于常温环境中，但由此也导致轴系结构复杂，动力学性能恶化，运行风险加大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供用于空间热电转换的耐高温涡轮发电机转子及其装配方法，可在超高温度梯度下工作的同时，有效保护中段永磁体免于退磁失效。

本发明的技术方案是：一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，该发电机转子包括涡轮、陶瓷隔热段、高温侧连接段、永磁体、低温侧连接段、止推盘、压气机叶轮；涡轮、陶瓷隔热段、高温侧连接段、永磁体、低温侧连接段、止推盘、压气机叶轮依次沿轴向串联连接，其中，陶瓷隔热段用于减小涡轮向高温侧连接段和永磁体之间的热流传导。

所述陶瓷隔热段径向表面布置有迷宫密封齿，用于与机壳之间形成密封流道。

所述陶瓷隔热段采用ZrO₂陶瓷或Al₂O₃陶瓷制造而成。

所述陶瓷隔热段与涡轮之间采用均布在某一直径分度圆上的螺栓连接；陶瓷隔热段与高温侧连接段之间采用均布在另一直径分度圆上的螺栓连接，且螺栓的朝向与陶瓷隔热段与涡轮之间的螺栓朝向相反。

所述高温侧连接段、低温侧连接段的周向布置为径向气浮轴承的支点，使耐高温涡轮发电机转子由气浮轴承支承。

高温侧连接段、低温侧连接段为半中空结构。

所述陶瓷隔热段的厚度为12mm～16mm。

本发明的另一个技术解决方案是：一种用于空间热电转换的耐高温涡轮发电机转子的装配方法，包括如下步骤：

S1、将陶瓷隔热段、高温侧连接段、涡轮做热处理，对螺栓孔及准备好的螺栓进行标记；

S2、将陶瓷隔热段与高温侧连接段使用螺栓连接，连接过程中对相隔180度相位处的螺栓使用力矩扳手进行同步拧紧，统一所有螺栓的拧紧力矩，并对螺栓、螺栓孔的对应关系及拧紧顺序进行记录；

S3、将陶瓷隔热段与涡轮使用螺栓连接，方法与步骤S2相同；

S4、应先置于陶瓷轴承支承下完成完转子的整装，依次进行冷态工况下及热态工况下的动平衡，以消除热弯曲带来的附加不平衡量。

所述热态工况为涡轮端受热至工作温度的工况；

所述冷态工况为常温工况。

本发明与现有技术相比的有益效果是

(1)、本发明采用一体化单根转子设计，减小了轴系的长度，使动力学特性得到优化，使转子运行时振动幅值在安全范围内。

(2)、本发明中采用的单根转子一体化设计，可实现将支承轴承的数量由传统的四轴承支承减小为双轴承支承，简化了轴系的支承结构，减少安装过程中校中操作的复杂流程；

(3)、本发明与传统微型燃气涡轮发电机相比，省略了传统双转子轴系布置方案中的联轴器部件，提高了运行的可靠性。

(4)、本发明中耐高温转子布置了高性能的陶瓷隔热段，有效减小由高温侧向永磁体的热流传导，使得永磁体工作在适宜的温度范围内，免于退磁危险，保证了发电机的发电性能，维持了发电机的工作寿命。

(5)、本发明中耐高温转子采用了高性能的隔热段连接方式，隔热段与两侧部件采用均布在不同直径分度圆上的螺栓连接，完全避免了高导热率紧固件的贯通式使用，进一步发挥了陶瓷材料隔热能力，同时保证了隔热段连接的强度。

(6)、本发明中耐高温转子由于其结构更加紧凑，具有重量轻、强度高、耐高温、抗热震、动力学特性优良、高可靠性等特点。其工作极限环境的耐受度仍有冗余，涡轮端的工作温度仍有进一步提升空间，可应用于更高功率的闭式布雷顿循环发电系统，不仅可以应用于空间核动力系统的热电转换，空间太阳能热电转换，还可以应用于地面分布式发电系统；若装备于陆上移动载具，则成为分布式电源产品，如车载核电宝。

附图说明

图1为本发明的耐高温涡轮发电机转子布置示意图。

图1中：1为涡轮，2为陶瓷隔热段，3为高温侧连接段，4为永磁体，5为低温侧连接段，6为止推盘，7为压气机叶轮；

图2为本发明的耐高温涡轮发电机转子侧视图；

图3为本发明的耐高温涡轮发电机转子中隔热段的连接方式示意图；

图3中：1为涡轮，2为陶瓷隔热段，3为高温侧连接段，8-1为向涡轮侧紧固螺栓，9为向连接段紧固螺栓；

图4为图3中A-A处的截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和性能进行说明：

本发明提供了一种用于空间热电转换的耐高温涡轮发电机转子，应用于空间、水下等闭式布雷顿循环发电系统，是将热能转化成机械功、进而转化成电能的核心部件。

该涡轮发电机转子采用气浮轴承支承，工作时由高温高压的氦-氙混合气或纯质氩气工质气体吹动转子一端的涡轮，带动转子中段的永磁体同步旋转发电，同时驱动转子另一端的压气机叶轮将热力循环系统的工质气体提升压力。该转子结构紧凑，采用高性能的隔热段设计，可在超高温度梯度下工作的同时，有效保护中段永磁体免于退磁失效。

如图1所示，该涡轮发电机转子包括涡轮1、陶瓷隔热段2、高温侧连接段3、永磁体4、低温侧连接段5、止推盘6、压气机叶轮7。在涡轮和永磁体之间串联有陶瓷隔热段和连接段，在压气机叶轮和永磁体之间串联有低温侧连接段和止推盘。具体结构为：涡轮1、陶瓷隔热段2、高温侧连接段3、永磁体4、低温侧连接段5、止推盘6、压气机叶轮7依次沿轴向串联连接，其中，陶瓷隔热段2用于减小涡轮1向高温侧连接段3和永磁体4之间的热流传导。该转子工作转速为35000±1000r/min。转子全长典型值为338mm，最大处外径为160mm。

如图2所示，优选地，所述陶瓷隔热段2径向表面布置有迷宫密封齿，用于与机壳之间形成密封流道。

优选地，陶瓷隔热段2与相邻的高温侧连接段3用止口嵌入配合进行精确定位，并采用周向均布的螺栓连接进行紧固。所述陶瓷隔热段2与涡轮1之间采用均布在某一直径分度圆上的螺栓连接；陶瓷隔热段2与高温侧连接段3之间采用均布在另一直径分度圆上的螺栓连接，且螺栓的朝向与陶瓷隔热段与涡轮1之间的螺栓朝向相反。如图4所示，对于涡轮侧，6个M6向涡轮侧紧固螺栓8与之连接，螺栓均布于以轴心为圆心、半径为24mm的分度圆上；对于高温侧连接段侧，采用6个M6向连接段紧固螺栓9与之连接，螺栓均布于以轴心为圆心、半径为13mm的分度圆上。本条所述涉及的螺栓材料为高温镍基合金。

如图3所示，优选地，高温侧连接段3、低温侧连接段5为半中空结构，目的是为了减重。

优选地，所述陶瓷隔热段2的厚度为12mm～16mm。

发明件某一具体实施例结构如下：转子全长典型值为338mm，最短不小于300mm；最大直径位于涡轮1的外径处，涡轮1外径为148mm～160mm，长55mm～60mm；陶瓷隔热段2长18mm～30mm，直径62mm～70mm；永磁体4长的典型值为176mm，直径47mm；高温侧连接段3和低温侧连接段5外径均为37mm，长度60mm，为半中空结构，在面向永磁体4的截面处开有内径为17mm，深38mm的盲孔；止推盘6的厚度为10mm，外径127mm；压气机叶轮7外径为120mm～130mm，轴向长70mm～80mm。

工作原理：图1给出的耐高温涡轮发电机转子布置，所述高温侧连接段3、低温侧连接段5的周向布置为气浮轴承的支点，使耐高温涡轮发电机转子由气浮轴承支承。采用气浮轴承支承，工作时由高温高压的氦-氙混合气或纯质氩气工质气体通过转子一端的涡轮1，转子各部件受涡轮1驱动而同步旋转，使永磁体3发电，同时另一端的压气机叶轮7为热力循环系统提供高压工质气体。耐高温转子布置了高性能的陶瓷隔热段，有效减小涡轮向永磁体的热传导。

性能实现：该耐高温涡轮发电机转子布置了高性能的陶瓷隔热段，陶瓷隔热段采用ZrO₂陶瓷或Al₂O₃陶瓷制造，有效减小涡轮向永磁体的热传导。涡轮采用高温镍基合金GH4169制造；压气机叶轮由铸铝加工；永磁体高性能SmCo30H杉钴制成；止推盘采用钛合金，在保证结构机械性能的同时，可耐受其在发电机本体内所处腔室的工作温度。涡轮重量不超过6.5kg，压气机叶轮重量不超过3.7kg，整个转子重量不超过15kg。转子在气浮轴承支承下，一阶临界转速不高于22000r/min，二阶临界转速在42000r/min。动平衡精度不低于G0.5级。

安装工艺实现要点：

S1、将陶瓷隔热段2、高温侧连接段3、涡轮1做热处理，对螺栓孔及准备好的螺栓进行标记；

S2、将陶瓷隔热段2与高温侧连接段3使用螺栓连接，连接过程中对相隔180度相位处的螺栓使用力矩扳手进行同步拧紧，统一所有螺栓的拧紧力矩，并对螺栓、螺栓孔的对应关系及拧紧顺序进行记录；

S3、将陶瓷隔热段2与涡轮1使用螺栓连接，方法与步骤S2相同；

S4、应先置于陶瓷轴承支承下完成转子的整装，依次进行冷态工况下及热态工况下的动平衡，以消除热弯曲带来的附加不平衡量。所述热态工况为涡轮端受热至工作温度的工况。所述冷态工况为常温。

上述高温涡轮转子工作时，在闭式循环内，由高温高压工质气体吹动转子涡轮端，带动转子永磁体同步旋转发电，同时其压气机端叶轮为闭式布雷顿循环系统提供高压工质气体。

本发明中的一体化转子设计，抛开了传统微型燃机转子的大量设计经验。转子须满足高温高速工作环境下结构强度及热防护的苛刻要求，压气机叶轮、涡轮、永磁体集成于单根转子的一体化设计尚无成熟方案可供借鉴。在此背景下，该发明实现转子结构紧凑化的同时，还具备了重量轻、强度高、耐高温、抗热震、动力学特性优良、高可靠性等优点，适用于高功率密度的闭式热力发电系统。

本发明提供的发电机转子可以应用于以太阳能、辐射同位素、反应堆、化学反应器等多种热源的闭式布雷顿循环发电装置，构建具有较高的能量转换效率以及较高的能量密度比的热力发电装置，在航天动力、水下动力等领域具有广阔应用前景。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于为一体化单根转子结构，包括涡轮(1)、陶瓷隔热段(2)、高温侧连接段(3)、永磁体(4)、低温侧连接段(5)、止推盘(6)、压气机叶轮(7)；涡轮(1)、陶瓷隔热段(2)、高温侧连接段(3)、永磁体(4)、低温侧连接段(5)、止推盘(6)、压气机叶轮(7)依次沿轴向串联连接，其中，陶瓷隔热段(2)用于减小涡轮(1)向高温侧连接段(3)和永磁体(4)之间的热流传导；

上述用于空间热电转换的涡轮发电机转子采用如下方法装配而成：

S1、将陶瓷隔热段(2)、高温侧连接段(3)、涡轮(1)做热处理，对螺栓孔及准备好的螺栓进行标记；

S2、将陶瓷隔热段(2)与高温侧连接段(3)使用螺栓连接，连接过程中对相隔180度相位处的螺栓使用力矩扳手进行同步拧紧，统一所有螺栓的拧紧力矩，并对螺栓、螺栓孔的对应关系及拧紧顺序进行记录；

S3、将陶瓷隔热段(2)与涡轮(1)使用螺栓连接，方法与步骤S2相同；

S4、应先置于陶瓷轴承支承下完成完转子的整装，依次进行冷态工况下及热态工况下的动平衡，以消除热弯曲带来的附加不平衡量。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于所述陶瓷隔热段(2)径向表面布置有迷宫密封齿，用于与机壳之间形成密封流道。

3.根据权利要求1所述的一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于所述陶瓷隔热段(2)采用ZrO₂陶瓷或Al₂O₃陶瓷制造而成。

4.根据权利要求1所述的一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于所述陶瓷隔热段与涡轮(1)之间采用均布在某一直径分度圆上的螺栓连接；陶瓷隔热段与高温侧连接段(3)之间采用均布在另一直径分度圆上的螺栓连接，且螺栓的朝向与陶瓷隔热段与涡轮(1)之间的螺栓朝向相反。

5.根据权利要求1所述的一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于所述高温侧连接段(3)、低温侧连接段(5)的周向布置为径向气浮轴承的支点，使耐高温涡轮发电机转子由气浮轴承支承。

6.根据权利要求1所述的一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于高温侧连接段(3)、低温侧连接段(5)为半中空结构。

7.根据权利要求1所述的一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于所述陶瓷隔热段(2)的厚度为12mm～16mm。

8.根据权利要求1所述的一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于所述热态工况为涡轮端受热至工作温度的工况。

9.根据权利要求1所述的一种用于空间热电转换的涡轮发电机转子，其特征在于所述冷态工况为常温工况。

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