CN112502832A - 具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，包括转轴、压气机、涡轮和燃烧室，其中，压气机和涡轮安装在转轴上，压气机通过高压气腔连通燃烧室，燃烧室的排气口正对涡轮；推力轴承及径向轴承通过进气管供气；高压气腔通过一补充进气管连通轴承间隙，螺母与轴承定子之间依靠空气推力和磁力保持轴承间隙。本发明通过在推力轴承中设置轴承间隙和磁轴承，从而使该推力轴承形成气、磁混合推力轴承，气体轴承与磁轴承协同工作，能够改善推力轴承的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了推力轴承的承载能力。

Description

具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机
技术领域
本发明涉及一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，属于微型燃气轮机技术领域。
背景技术
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。燃气轮机在运行过程中，气流会对转子叶片及轮盘产生轴向力作用，从而产生轴向上的力。而为了防止转子发生轴向上的移动，推力轴承会承受来自燃气轮机转子的轴向力。由气体动力学可知：燃气轮机压气机转子上的轴向力是向前的，而涡轮转子上的轴向力是向后的。在最大工况下，燃气轮机发生器上涡轮转子需要承受向后的轴向力，然而压气机转子需要承受更大的向前的轴向力，即便压气机转子和涡轮转子连成一体后转子上的两个方向相反的轴向力相互抵消了一部分，仍是一个数值相当大的向前的轴向力。因此，必须设置减荷装置，以减少转子作用在止推轴承上的轴向负荷。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，包括转轴、压气机、涡轮和燃烧室，其中，压气机和涡轮安装在转轴上，压气机通过高压气腔连通燃烧室，燃烧室的排气口正对涡轮；转轴上设置推力盘，推力盘上套设推力轴承，转轴上还设置有径向轴承；
所述推力轴承，包括对称设置的第一轴承本体和第二轴承本体，第一轴承本体和第二轴承本体与推力盘在轴向上对称安装且具有预定的第一轴向间隙；第一轴承本体的外端壁设置第一空气槽，第二轴承本体的外端壁设置第二空气槽，第一空气槽和第二空气槽底部均设置通透的气孔，该气孔连通对应的空气槽和对应的第一轴向间隙；第一轴承本体和第二轴承本体内圈与转轴之间预设第三径向间隙；第一轴承本体和第二轴承本体围成的推力盘容置槽侧壁与推力盘侧壁之间设置第四径向间隙；
所述径向轴承的内壁和转轴之间具有预定的第二径向间隙；径向轴承的外壁设置第三空气槽，第三空气槽底部设置通透的气孔，该气孔连通第三空气槽和第二径向间隙；
还包括若干条进气管，第一空气槽、第二空气槽和第三空气槽分别与一条进气管连通，由进气管向各空气槽供气；
所述压气机通过其端部的螺母固定在转轴的进气端；所述螺母的端面为平面，且螺母端面外端设置轴承定子，轴承定子与螺母端面之间存在一轴承间隙；所述高压气腔通过一补充进气管连通轴承间隙。
进一步地，所述螺母端面和/或轴承定子靠螺母的一面设置空气槽；当螺母旋转时，存在于轴承间隙的流动气体被压入空气槽内，从而产生压力，以实现螺母沿轴向方向非接触地保持。
进一步地，所述螺母与轴承定子之间还依靠磁力保持轴承间隙(增设磁性部件)。具体地，螺母端面设置有第一磁性部件，轴承定子靠螺母的一面沿周向设置有能够与第一磁性部件之间产生磁力的多个第二磁性部件，螺母能够在第一磁性部件和多个第二磁性部件之间的磁力作用下带动转轴在轴向方向上移动。
再进一步地，第一磁性部件包括多个在螺母端面上沿周向呈辐状均匀分布的磁性材料；第二磁性部件包括多个永磁体，在轴承定子端面上沿周向呈辐状均匀分布；或：第二磁性部件包括多个电磁铁，多个电磁铁在轴承定子端面上沿周向呈辐状均匀分布，多个电磁铁中的每个电磁铁包括设置于轴承定子端面上的磁芯及缠绕于磁芯上的线圈。
进一步地，所述轴承定子可通过连杆等方式支撑于压气机前侧罩设的壳体内。
进一步地，所述补充进气管上设置压力阀，用于控制补充气体的压力大小。
进一步地，所述推力轴承和径向轴承均为空气轴承。
进一步地，轴承数量及位置变化可以根据本发明的技术构思做出各种相应的改变和变形，优选的一种方式是：所述推力盘及推力轴承设置在转轴的中部；所述径向轴承为两个，设置在转轴的两端。
进一步地，所述推力轴承还包括第一轴承壳体以及第二轴承壳体；所述第一轴承壳体包括端部和周向部，其端部安装于第一轴承本体的外端，其周向部密封罩设于一径向轴承的外周；所述第二轴承壳体包括阶梯布置的圆筒状的第一周向部和第二周向部，第一周向部罩设于第一轴承本体和第二轴承本体的外周，第二周向部密封罩设于另一径向轴承的外周；第二轴承壳体的第一周向部在轴向上与第一轴承壳体端部固定；第一轴承壳体和/或第二轴承壳体为静止部件。
进一步地，所述第一轴承壳体或/和第二轴承壳体上开设减压孔。
本发明的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，工作时，气体首先进入压气机，经压气机增压、流经高压气腔后进入燃烧室内燃烧，热的燃烧产物即高温气从燃烧室出口喷出，推动涡轮旋转，并带动与其通过转轴同轴连接的压气机旋转，如此，压气机运转就不再需要其他装置驱动，可有效降低设备运行成本；推动涡轮旋转后的高温气可用于余热回收，或者用于发电。用于发电时，可将发电机的涡轮置于燃烧室末端，使其轮缘位于燃烧室的排气口末端，高温气依次推动涡轮转动和发电机的涡轮转动，进而带动发电机的转轴转动从而发电。
平衡轴向力的原理是：启动微型燃气轮机时，先关闭补充进气管，开启其余各进气管，向各空气槽供气并沿进气孔分别进入第一轴向间隙、第二径向间隙内形成气膜；当燃气轮机转子正常运行后，转子所受的前后两个方向作用力抵消后还剩余向前的作用力，此时关闭其余各进气管，使各个轴承维持静压，打开补充进气管，使高压气腔内的部分气体进入轴承间隙S5，从前侧形成气推力轴承(螺母3与轴承定子4之间增加磁力保持轴承间隙S5时，形成气、磁混合推力轴承)，进而减小或抵消作用力(可通过压力阀控制补充气体的压力大小)。
本发明的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，是将高压气腔内气体送至压气机进气端的受力面内，使高压气腔内的气体持续对压气机进气端的端面施压，从而达到平衡轴向力的目的。更进一步地，本发明通过在推力轴承中设置轴承间隙和磁轴承，从而使该推力轴承形成气、磁混合推力轴承。如此，由于气体轴承与磁轴承能够协同工作，能够改善推力轴承(尤其在高速运转状态下)的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了推力轴承的承载能力。本发明的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，可有效降低轴向力，增加机组稳定性，降低功耗，提升效率，且没有易损件，可延长机组寿命。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。
附图说明
图1：微型燃气轮机的结构示意图(图中箭头所示为气体的流动方向)。
图2：螺母端面设置空气槽的结构示意图。
其中，20-压气机；21-涡轮；231-燃烧室；234-高压气腔；24-转轴；241-推力轴承；2411-第一轴承本体；2412-第二轴承本体；242-径向轴承；243-进气管；2431-补充进气管；281-第一轴承壳体；282-第二轴承壳体；S1-第一径向间隙；S2-第二轴向间隙；S3-第三轴向间隙；S4-第四轴向间隙；3-螺母；301-空气槽；4-轴承定子；S5-轴承间隙；2401-第一空气槽；2402-第二空气槽；2403-第三空气槽；244-推力盘容置槽。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
实施例1一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机
包括转轴24、压气机20、涡轮21和燃烧室231，如图1所示，其中，压气机20和涡轮21安装在转轴24上，压气机20通过高压气腔234连通燃烧室231，燃烧室231的排气口正对涡轮21；转轴24中部设置推力盘，推力盘上套设推力轴承241，转轴24两端各设置一个径向轴承242；所述推力轴承241和径向轴承242均为空气轴承。
所述推力轴承241，包括对称设置的第一轴承本体2411和第二轴承本体2412，第一轴承本体2411和第二轴承本体2412与推力盘在轴向上对称安装且具有预定的第一轴向间隙S1；第一轴承本体2411的外端壁设置第一空气槽2401，第二轴承本体2412的外端壁设置第二空气槽2402，第一空气槽2401和第二空气槽2402底部均设置通透的气孔，该气孔连通对应的空气槽和对应的第一轴向间隙S1；第一轴承本体2411和第二轴承本体2412内圈与转轴24之间预设第三径向间隙S3；第一轴承本体2411和第二轴承本体2412围成的推力盘容置槽244侧壁与推力盘侧壁之间设置第四径向间隙S4。
所述径向轴承242的内壁和转轴24之间具有预定的第二径向间隙S2；径向轴承242的外壁设置第三空气槽2403，第三空气槽2403底部设置通透的气孔，该气孔连通第三空气槽2403和第二径向间隙S2。
还包括4条进气管243，第一空气槽2401、第二空气槽2402和第三空气槽2403(两个)分别与一条进气管243连通，由进气管243向各空气槽供气。
所述压气机20通过其端部的螺母固定在转轴21的进气端；所述螺母3的端面为平面，且螺母3端面外端设置轴承定子4，轴承定子4与螺母3端面之间存在一轴承间隙S5；所述高压气腔234通过一补充进气管2431连通轴承间隙S5。所述补充进气管上可以设置压力阀，用于控制补充气体的压力大小。
所述螺母3端面设置空气槽301，如图2所示；当螺母3旋转时，存在于轴承间隙S5的流动气体被压入空气槽301内，从而产生压力，以实现螺母3沿轴向方向非接触地保持。
所述轴承定子4可通过连杆等方式支撑于压气机20前侧罩设的壳体内。
上述具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，工作时，气体首先进入压气机20，经压气机20增压、流经高压气腔234后进入燃烧室231内燃烧，热的燃烧产物即高温气从燃烧室231出口喷出，推动涡轮21旋转，并带动与其通过转轴24同轴连接的压气机20旋转，如此，压气机20运转就不再需要其他装置驱动，可有效降低设备运行成本；推动涡轮21旋转后的高温气可用于余热回收，或者用于发电。用于发电时，可将发电机的涡轮置于燃烧室末端，使其轮缘位于燃烧室的排气口末端，高温气依次推动涡轮21转动和发电机的涡轮转动，进而带动发电机的转轴转动从而发电。
平衡轴向力的原理是：启动微型燃气轮机时，先关闭补充进气管2431，开启其余各进气管，向各空气槽供气并沿进气孔分别进入第一轴向间隙S1、第二径向间隙S2内形成气膜；当燃气轮机转子正常运行后，转子所受的前后两个方向作用力抵消后还剩余向前的作用力，此时关闭其余各进气管，使各个轴承维持静压，打开补充进气管2431，使高压气腔内的部分气体进入轴承间隙S5，从前侧形成气推力轴承(螺母3与轴承定子4之间增加磁力保持轴承间隙S5时，形成气、磁混合推力轴承)，进而减小或抵消作用力(可通过压力阀控制补充气体的压力大小)。
实施例2一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机
结构同实施例1，不同之处在于：
所述螺母3与轴承定子4之间还依靠磁力保持轴承间隙S5：螺母3端面设置有第一磁性部件，轴承定子4靠螺母3的一面沿周向设置有能够与第一磁性部件之间产生磁力的多个第二磁性部件，螺母3能够在第一磁性部件和多个第二磁性部件之间的磁力作用下带动转轴24在轴向方向上移动。
第一磁性部件包括多个在螺母3端面上沿周向呈辐状均匀分布的磁性材料；第二磁性部件包括多个永磁体，在轴承定子4端面上沿周向呈辐状均匀分布。
实施例3一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机
结构同实施例1，不同之处在于：
所述螺母3与轴承定子4之间还依靠磁力保持轴承间隙S5：螺母3端面设置有第一磁性部件，轴承定子4靠螺母3的一面沿周向设置有能够与第一磁性部件之间产生磁力的多个第二磁性部件，螺母3能够在第一磁性部件和多个第二磁性部件之间的磁力作用下带动转轴24在轴向方向上移动。
第一磁性部件包括多个在螺母3端面上沿周向呈辐状均匀分布的磁性材料；第二磁性部件包括多个电磁铁，多个电磁铁在轴承定子4端面上沿周向呈辐状均匀分布，多个电磁铁中的每个电磁铁包括设置于轴承定子4端面上的磁芯及缠绕于磁芯上的线圈。
实施例4一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机
结构同实施例1、2或3，不同之处在于：
所述推力轴承241还包括第一轴承壳体281以及第二轴承壳体282，如图1所示；所述第一轴承壳体281包括端部和周向部，其端部安装于第一轴承本体2411的外端，其周向部密封罩设于一径向轴承242的外周；所述第二轴承壳体282包括阶梯布置的圆筒状的第一周向部和第二周向部，第一周向部罩设于第一轴承本体2411和第二轴承本体2412的外周，第二周向部密封罩设于另一径向轴承242的外周；第二轴承壳体282的第一周向部在轴向上与第一轴承壳体281端部固定；第一轴承壳体281和/或第二轴承壳体282为静止部件。所述第一轴承壳体281或/和第二轴承壳体282上可以开设减压孔。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：包括转轴、压气机、涡轮和燃烧室，其中，压气机和涡轮安装在转轴上，压气机通过高压气腔连通燃烧室，燃烧室的排气口正对涡轮；转轴上设置推力盘，推力盘上套设推力轴承，转轴上还设置有径向轴承；
所述推力轴承，包括对称设置的第一轴承本体和第二轴承本体，第一轴承本体和第二轴承本体与推力盘在轴向上对称安装且具有预定的第一轴向间隙；第一轴承本体的外端壁设置第一空气槽，第二轴承本体的外端壁设置第二空气槽，第一空气槽和第二空气槽底部均设置通透的气孔，该气孔连通对应的空气槽和对应的第一轴向间隙；第一轴承本体和第二轴承本体内圈与转轴之间预设第三径向间隙；第一轴承本体和第二轴承本体围成的推力盘容置槽侧壁与推力盘侧壁之间设置第四径向间隙；
所述径向轴承的内壁和转轴之间具有预定的第二径向间隙；径向轴承的外壁设置第三空气槽，第三空气槽底部设置通透的气孔，该气孔连通第三空气槽和第二径向间隙；
还包括若干条进气管，第一空气槽、第二空气槽和第三空气槽分别与一条进气管连通，由进气管向各空气槽供气；
所述压气机通过其端部的螺母固定在转轴的进气端；所述螺母的端面为平面，且螺母端面外端设置轴承定子，轴承定子与螺母端面之间存在一轴承间隙；所述高压气腔通过一补充进气管连通轴承间隙。
2.根据权利要求1所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述螺母端面和/或轴承定子靠螺母的一面设置空气槽。
3.根据权利要求1所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述螺母与轴承定子之间增设磁性部件，使二者之间还依靠磁力保持轴承间隙。
4.根据权利要求3所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述螺母端面设置有第一磁性部件，轴承定子靠螺母的一面沿周向设置有能够与第一磁性部件之间产生磁力的多个第二磁性部件，螺母能够在第一磁性部件和多个第二磁性部件之间的磁力作用下带动转轴在轴向方向上移动。
5.根据权利要求4所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述第一磁性部件包括多个在螺母端面上沿周向呈辐状均匀分布的磁性材料；第二磁性部件包括多个永磁体，在轴承定子端面上沿周向呈辐状均匀分布；或：第二磁性部件包括多个电磁铁，多个电磁铁在轴承定子端面上沿周向呈辐状均匀分布，多个电磁铁中的每个电磁铁包括设置于轴承定子端面上的磁芯及缠绕于磁芯上的线圈。
6.根据权利要求1所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述轴承定子通过连杆支撑于压气机前侧罩设的壳体内。
7.根据权利要求1所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述补充进气管上设置压力阀。
8.根据权利要求1所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述推力盘及推力轴承设置在转轴的中部；所述径向轴承为两个，设置在转轴24的两端。
9.根据权利要求1或8所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述推力轴承还包括第一轴承壳体以及第二轴承壳体；所述第一轴承壳体包括端部和周向部，其端部安装于第一轴承本体的外端，其周向部密封罩设于一径向轴承的外周；所述第二轴承壳体包括阶梯布置的圆筒状的第一周向部和第二周向部，第一周向部罩设于第一轴承本体和第二轴承本体的外周，第二周向部密封罩设于另一径向轴承的外周；第二轴承壳体的第一周向部在轴向上与第一轴承壳体端部固定；第一轴承壳体和/或第二轴承壳体为静止部件。
10.根据权利要求9所述的具有平衡轴向力结构的微型燃气轮机，其特征在于：所述第一轴承壳体或/和第二轴承壳体上开设减压孔。
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