CN113623071A - 一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机。该电机包括电机轴和轮机外转子；电机轴外壁固定套设有电机定子、径向磁轴承和轴向磁轴承，并且多个径向磁轴承分别设置在电机轴两端；轮机外转子设置有外转子内孔，外转子内孔内壁固定嵌设有电机转子、径向轴承转子和推力盘；轮机外转子包括压缩段、燃烧段和膨胀段，压缩段外壁固定设置有多个压缩叶轮，燃烧段用于容纳燃气轮机的燃料，膨胀段外壁固定设置有多个膨胀叶轮；燃烧段两端分别与压缩段和膨胀段相连通，并且压缩段与外部空气连通。该电机使得燃气轮机结构紧凑，减少占用空间，保证燃气轮机做到免维护。

Description

一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机。
背景技术
燃气轮机发电机组由微型燃气轮机驱动发电机，发电机发电并输出电功率。燃气轮机发电机组含发电机转子与燃气轮机转子，机组转子长，相互关联的结构件多，并且，转子以每分钟数万转高速运转，其临界转速多、振型复杂。
中国发明专利申请（公开号CN110645097B，公开日：20201009）公开了一种燃气轮机发电机组转子组件和燃气轮机发电机组，包括发电机转子、燃气轮机转子和用于支撑发电机转子和燃气轮机转子的支撑结构，燃气轮机转子包括离心叶轮和向心涡轮，发电机转子与燃气轮机转子之间布设有用于仅进行扭矩传递的浮动鼓形花键联轴器；燃气轮机转子还包括用于连接离心叶轮和向心涡轮并传递扭矩的主轴，离心叶轮、主轴和向心涡轮同轴依次排布；支撑结构包括第一支撑件、第二支撑件、第三支撑件和第四支撑件，第一支撑件和第二支撑件分别设置在发电机转子的第一轴颈和第二轴颈上，第三支撑件和第四支撑件设置在主轴上。本发明的燃气轮机发电机组转子组件采用四支点支承方案，避免了现有转子的大悬臂结构。
现有技术存在以下不足：传统燃气轮机用的电机置于压缩段前端，需要联轴器连接燃气轮机轴系与电机轴系；即燃气轮机轴系与电机轴系是分开的两个部分，从而造成燃气轮机结构复杂，浪费空间，也增加了将两个部分的组装至一起的步骤。同时，电机轴系的轴承采用滑动轴承，会产生机械磨损并且需要油进行润滑，不利于燃气轮机做到免维护。
发明内容
本发明的目的是：针对上述问题，提出将电机轴系与轮机外转子合二为一，使得燃气轮机结构紧凑，减少占用空间；同时，采用磁轴承支撑轮机外转子，避免出现机械磨损并且不需要油进行润滑，保证燃气轮机做到免维护的一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，该电机包括电机轴和轮机外转子；电机轴外壁固定套设有电机定子、径向磁轴承和轴向磁轴承，并且多个径向磁轴承分别设置在电机轴两端；轮机外转子设置有外转子内孔，外转子内孔内壁固定嵌设有电机转子、径向轴承转子和推力盘；电机转子和径向轴承转子分别与电机定子和径向磁轴承的位置相对应，轴向磁轴承的限位部分别位于推力盘轴向两侧；轮机外转子包括压缩段、燃烧段和膨胀段，压缩段外壁固定设置有多个压缩叶轮，燃烧段用于容纳燃气轮机的燃料，膨胀段外壁固定设置有多个膨胀叶轮；燃烧段两端分别与压缩段和膨胀段相连通，并且压缩段与外部空气连通。
作为优选，燃烧段在径向为内凹形状。
作为优选，外转子内孔内壁还固定嵌设有保护轴承座，电机轴外壁还固定套设有保护轴承；保护轴承内圈与电机轴外壁过盈配合，保护轴承外圈与保护轴承座之间存在间隙。
作为优选，电机转子包括多个轴向相互堆叠的硅钢片和多个磁钢；硅钢片设置有磁钢内孔，多个磁钢在圆周方向固定嵌设在磁钢内孔中，并且多个磁钢与电机定子的位置相对应。
作为优选，位于轮机外转子一端固定设置有入口整流罩，位于轮机外转子一端的电机轴上固定设置有导叶整流罩，位于轮机外转子的另一端上固定设置有出口整流罩；导叶整流罩和入口整流罩用于对电机入口的气流进行整流，出口整流罩用于对电机出口的气流进行整流。
作为优选，导叶整流罩固定设置有轴向传感器，轴向传感器感应端与轮机外转子的端面相对齐；轴向传感器用于检测轮机外转子的轴向位置；电机轴上固定设置有径向传感器，径向传感器感应端与保护轴承座径向内表面相对齐；径向传感器用于检测轮机外转子的径向位置。
作为优选，导叶整流罩还固定设置有入口导叶，多个入口导叶沿着圆周方向分布。
作为优选，外转子内孔内壁设置有隔热套，隔热套外壁固定嵌设在外转子内孔内壁，电机转子、径向轴承转子和推力盘都固定嵌设在隔热套内孔。
作为优选，导叶整流罩设置有与外部相连通的第一通道，轴向磁轴承设置有轴向贯穿的第二通道，推力盘与电机轴外壁之间设置有第三通道；径向磁轴承与径向轴承转子之间设置有第四通道，电机转子设置有轴向贯穿的第五通道，出口整流罩设置有轴向贯穿并且与电机外部连通的第六通道；第一通道、保护轴承外圈与保护轴承座之间的间隙、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道和第六通道通过外转子内孔相连通形成散热通道。
作为优选，电机轴设置有轴向贯穿的第一出线孔和多个径向的第二出线孔，第一出线孔通过第二出线孔与电机轴径向外部相连通；导叶整流罩设置有与外部相连通的第三出线孔，第一出线孔通过第三出线孔与电机轴轴向外部相连通。
本发明采用上述技术方案的一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机的优点是：
在工作时：1）电机定子通电带动电机转子转动进而带动轮机外转子转动，此时径向磁轴承通过支撑径向轴承转子对轮机外转子进行径向支撑，轴向磁轴承通过控制推力盘的轴向位置进而对轮机外转子进行轴向限位；2）压缩叶轮连续地从大气中吸入空气并将其压缩；3）压缩后的空气进入燃烧段，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气；4）高温燃气流入膨胀段膨胀做功，推动膨胀叶轮转动，膨胀叶轮转动进而带动压缩叶轮转动完成工作过程。而此种方式中，加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而膨胀叶轮在带动压缩叶轮转动的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。即燃气轮机由静止起动时，需用磁悬浮外转子启发一体电机带着旋转，待加速到能独立运行后，磁悬浮外转子启发一体电机变为发电机持续发电，为系统其他位置供电；即此种方式将将电机轴系与轮机外转子合二为一同时具有启动和发电两个功能并且不需要使用联轴器连接，使得燃气轮机结构紧凑，减少占用空间。同时，轮机外转子在径向和轴向的支撑限位分别采用径向磁轴承和轴向磁轴承控制，而磁轴承不出现机械磨损并且不需要油进行润滑，保证燃气轮机做到免维护。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为轮机外转子的结构示意图。
图3、图4为电机转子的结构示意图。
图5为电机轴的结构示意图。
图6-9为导叶整流罩的结构示意图。
图10、图11为轴向磁轴承的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
实施例1
如图1、图2所示的一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，该电机包括电机轴1和轮机外转子2；电机轴1外壁固定套设有电机定子3、径向磁轴承4和轴向磁轴承5，并且多个径向磁轴承4分别设置在电机轴1两端；轮机外转子2设置有外转子内孔，外转子内孔内壁固定嵌设有电机转子21、径向轴承转子22和推力盘23；电机转子21和径向轴承转子22分别与电机定子3和径向磁轴承4的位置相对应，轴向磁轴承5的限位部分别位于推力盘23轴向两侧；轮机外转子2包括压缩段24、燃烧段25和膨胀段26，压缩段24外壁固定设置有多个压缩叶轮241，燃烧段25用于容纳燃气轮机的燃料，膨胀段26外壁固定设置有多个膨胀叶轮261；燃烧段25两端分别与压缩段24和膨胀段26相连通，并且压缩段24与外部空气连通。在工作时：1）电机定子3通电带动电机转子21转动进而带动轮机外转子2转动，此时径向磁轴承4通过支撑径向轴承转子22对轮机外转子2进行径向支撑，轴向磁轴承5通过控制推力盘23的轴向位置进而对轮机外转子2进行轴向限位；2）压缩叶轮241连续地从大气中吸入空气并将其压缩；3）压缩后的空气进入燃烧段25，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气；4）高温燃气流入膨胀段26膨胀做功，推动膨胀叶轮261转动，膨胀叶轮261转动进而带动压缩叶轮241转动完成工作过程。而此种方式中，加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而膨胀叶轮261在带动压缩叶轮241转动的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。即燃气轮机由静止起动时，需用磁悬浮外转子启发一体电机带着旋转，待加速到能独立运行后，磁悬浮外转子启发一体电机变为发电机持续发电，为系统其他位置供电；即此种方式将将电机轴系与轮机外转子合二为一同时具有启动和发电两个功能并且不需要使用联轴器连接，使得燃气轮机结构紧凑，减少占用空间。同时，轮机外转子2在径向和轴向的支撑限位分别采用径向磁轴承4和轴向磁轴承5控制，而磁轴承不出现机械磨损并且不需要油进行润滑，保证燃气轮机做到免维护。
燃烧段25在径向为内凹形状。
外转子内孔内壁还固定嵌设有保护轴承座27，电机轴1外壁还固定套设有保护轴承11；保护轴承11内圈与电机轴1外壁过盈配合，保护轴承11外圈与保护轴承座27之间存在间隙。当设备突然断电或者停机时，径向磁轴承4和轴向磁轴承5失去磁力不能对轮机外转子2进行支撑限位，此时轮机外转子2下落并且与保护轴承11外圈相接触被保护轴承11支撑；从而避免电机突然断电或者停机时轮机外转子2突然下落引起径向磁轴承4和轴向磁轴承5等重要零件的损坏。
如图3、图4所示，电机转子21包括多个轴向相互堆叠的硅钢片211和多个磁钢212；硅钢片211设置有磁钢内孔，多个磁钢212在圆周方向固定嵌设在磁钢内孔中，并且多个磁钢212与电机定子3的位置相对应。电机定子3通过磁力控制磁钢212转动进而带动电机转子21转动。
如图1所示，位于轮机外转子2一端固定设置有入口整流罩14，位于轮机外转子2一端的电机轴1上固定设置有导叶整流罩12，位于轮机外转子2的另一端上固定设置有出口整流罩13；导叶整流罩12和入口整流罩14用于对电机入口的气流进行整流，出口整流罩13用于对电机出口的气流进行整流。
如图1、图5所示，导叶整流罩12固定设置有轴向传感器121，轴向传感器121感应端与轮机外转子2的端面相对齐；轴向传感器121用于检测轮机外转子2的轴向位置；电机轴1上固定设置有径向传感器122，径向传感器122感应端与保护轴承座27径向内表面相对齐；径向传感器122用于检测轮机外转子2的径向位置。导叶整流罩12还固定设置有入口导叶120，多个入口导叶120沿着圆周方向分布。
外转子内孔内壁设置有隔热套6，隔热套6外壁固定嵌设在外转子内孔内壁，电机转子21、径向轴承转子22和推力盘23都固定嵌设在隔热套6内孔。隔热套6采用导热系数极低的高强度复合材料，高温下热变形小、性能稳定、隔热性能优秀，在起到隔热的同时，还能保证机械性能。
如图1所示，导叶整流罩12设置有与外部相连通的第一通道123，轴向磁轴承5设置有轴向贯穿的第二通道51，推力盘23与电机轴1外壁之间设置有第三通道231；径向磁轴承4与径向轴承转子22之间设置有第四通道232，电机转子21设置有轴向贯穿的第五通道213，出口整流罩13设置有轴向贯穿并且与电机外部连通的第六通道131；第一通道123、保护轴承11外圈与保护轴承座27之间的间隙、第二通道51、第三通道231、第四通道232、第五通道213和第六通道131通过外转子内孔相连通形成散热通道以防止燃气轮机因过热而损坏。
如图1、图5所示，电机轴1设置有轴向贯穿的第一出线孔101和多个径向的第二出线孔102，第一出线孔101通过第二出线孔102与电机轴1径向外部相连通；导叶整流罩12设置有与外部相连通的第三出线孔103，第一出线孔101通过第三出线孔103与电机轴1轴向外部相连通。电机定子3、径向磁轴承4和轴向磁轴承5的线路通过第二出线孔102汇集至第一出线孔101，而后通过第三出线孔103导出燃气轮机。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，该电机包括电机轴（1）和轮机外转子（2）；电机轴（1）外壁固定套设有电机定子（3）、径向磁轴承（4）和轴向磁轴承（5），并且多个径向磁轴承（4）分别设置在电机轴（1）两端；轮机外转子（2）设置有外转子内孔，外转子内孔内壁固定嵌设有电机转子（21）、径向轴承转子（22）和推力盘（23）；电机转子（21）和径向轴承转子（22）分别与电机定子（3）和径向磁轴承（4）的位置相对应，轴向磁轴承（5）的限位部分别位于推力盘（23）轴向两侧；轮机外转子（2）包括压缩段（24）、燃烧段（25）和膨胀段（26），压缩段（24）外壁固定设置有多个压缩叶轮（241），燃烧段（25）用于容纳燃气轮机的燃料，膨胀段（26）外壁固定设置有多个膨胀叶轮（261）；燃烧段（25）两端分别与压缩段（24）和膨胀段（26）相连通，并且压缩段（24）与外部空气连通。
2.根据权利要求1所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，燃烧段（25）在径向为内凹形状。
3.根据权利要求1所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，外转子内孔内壁还固定嵌设有保护轴承座（27），电机轴（1）外壁还固定套设有保护轴承（11）；保护轴承（11）内圈与电机轴（1）外壁过盈配合，保护轴承（11）外圈与保护轴承座（27）之间存在间隙。
4.根据权利要求1所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，电机转子（21）包括多个轴向相互堆叠的硅钢片（211）和多个磁钢（212）；硅钢片（211）设置有磁钢内孔，多个磁钢（212）在圆周方向固定嵌设在磁钢内孔中，并且多个磁钢（212）与电机定子（3）的位置相对应。
5.根据权利要求1所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，位于轮机外转子（2）一端固定设置有入口整流罩（14），位于轮机外转子（2）一端的电机轴（1）上固定设置有导叶整流罩（12），位于轮机外转子（2）的另一端上固定设置有出口整流罩（13）；导叶整流罩（12）和入口整流罩（14）用于对电机入口的气流进行整流，出口整流罩（13）用于对电机出口的气流进行整流。
6.根据权利要求5所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，导叶整流罩（12）固定设置有轴向传感器（121），轴向传感器（121）感应端与轮机外转子（2）的端面相对齐；轴向传感器（121）用于检测轮机外转子（2）的轴向位置；电机轴（1）上固定设置有径向传感器（122），径向传感器（122）感应端与保护轴承座（27）径向内表面相对齐；径向传感器（122）用于检测轮机外转子（2）的径向位置。
7.根据权利要求5所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，导叶整流罩（12）还固定设置有入口导叶（120），多个入口导叶（120）沿着圆周方向分布。
8.根据权利要求1所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，外转子内孔内壁设置有隔热套（6），隔热套（6）外壁固定嵌设在外转子内孔内壁，电机转子（21）、径向轴承转子（22）和推力盘（23）都固定嵌设在隔热套（6）内孔。
9.根据权利要求3或5所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，导叶整流罩（12）设置有与外部相连通的第一通道（123），轴向磁轴承（5）设置有轴向贯穿的第二通道（51），推力盘（23）与电机轴（1）外壁之间设置有第三通道（231）；径向磁轴承（4）与径向轴承转子（22）之间设置有第四通道（232），电机转子（21）设置有轴向贯穿的第五通道（213），出口整流罩（13）设置有轴向贯穿并且与电机外部连通的第六通道（131）；第一通道（123）、保护轴承（11）外圈与保护轴承座（27）之间的间隙、第二通道（51）、第三通道（231）、第四通道（232）、第五通道（213）和第六通道（131）通过外转子内孔相连通形成散热通道。
10.根据权利要求5所述一种用于燃气轮机的磁悬浮外转子启发一体电机，其特征在于，电机轴（1）设置有轴向贯穿的第一出线孔（101）和多个径向的第二出线孔（102），第一出线孔（101）通过第二出线孔（102）与电机轴（1）径向外部相连通；导叶整流罩（12）设置有与外部相连通的第三出线孔（103），第一出线孔（101）通过第三出线孔（103）与电机轴（1）轴向外部相连通。
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