CN114542190B - 一种防止叶盘转子碰摩的保护装置及其燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止叶盘转子碰摩的保护装置及其燃气轮机，包括保护装置安装座和多个保护装置，所述保护装置安装座与燃气轮机的机匣连接，保护装置安装座内侧安装有叶盘转子，叶盘转子上包括多个带冠叶片，所述多个保护装置固定安装于保护装置安装座内侧并与带冠叶片保持预定间隙y，每个所述保护装置上安装有多个滚动轴承，所述滚动轴承的内圈不动，外圈能够转动，当带冠叶片靠近保护装置时会首先与滚动轴承的外圈接触。本发明可以有效的避免磁悬浮支撑系统与叶冠的碰撞，在保护轴承与叶冠接触的过程中，通过调整磁悬浮支撑系统参数，使得叶冠重新与磁浮系统恢复稳定的悬浮状态。

Description

一种防止叶盘转子碰摩的保护装置及其燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种防止叶盘转子碰摩的保护装置及其燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

当燃气轮机叶盘转子处于高速旋转时，叶片会发生振动，由于叶片与机匣之间的间隙过小，进而可能会与机匣内表面产生碰撞摩擦，叶片和机匣都将会产生磨损，使用寿命会大大缩减。因此防止叶片与机匣的碰撞摩擦尤为重要。发明专利CN201510398969.3设计了一种用于控制压气机振动的阻尼环装置，通过阻尼环控制叶片的振动。实用新型专利CN202023278818.X设计了一种高强度耐高温燃气轮机涡轮叶片，用于防止涡轮叶片由于温度过高或者应力过大发生变形。实用新型专利CN201821531267.3在叶片榫头底部开有用于调节频率的调节盲孔，轮缘底部开有槽口，槽口安装阻尼环，通过调节盲孔和阻尼环来减小叶片的振动，但调节盲孔与阻尼环位置不好控制设计。实用新型专利CN201821559200.0通过在带冠叶片增加带状阻尼拉筋条减振结构，来减少叶片振动，但拉筋条结构容易损坏且不易于加工。实用新型专利CN20100194830.X设计一种带冠叶片，在叶冠篦齿中间设有减重凹槽，凹槽之间有加强筋，通过减少叶片的重量和离心力减少叶片的振动碰摩，但加工过于繁琐，这类方法通过改变叶片结构或增加装置来控制叶片振动，但由于叶片的高速运动，叶片与机匣内表面仍有碰撞摩擦的可能。

现有的保护轴承一般使用滚动轴承，滚动轴承内圈随着轴进行整周回转，外圈由轴承座进行固定，但在燃气轮机磁浮叶冠结构中，叶冠是整周回转的，且叶冠上方已经装有径向磁轴承，径向磁轴承产生电磁力作用在叶冠上，使叶冠稳定悬浮，如果使用现有的滚动轴承作为保护装置，将无法保证保护装置的整周回转。电磁悬浮支撑利用产生的电磁力作用在叶冠上，使高速旋转的叶冠在电磁力的支撑下逐渐恢复到平衡，有效的防止了叶片与机匣的碰摩事故，但这类设计一旦出现失稳的情况，电磁悬浮系统出现损坏故障，将导致叶冠与磁浮结构的碰撞，造成损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防止叶盘转子碰摩的保护装置及其燃气轮机，在碰摩发生的同时，可以有效的避免磁悬浮支撑系统与叶冠的碰撞，在保护轴承与叶冠接触的过程中，通过调整磁悬浮支撑系统参数，使得叶冠重新与磁浮系统恢复稳定的悬浮状态。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种防止叶盘转子碰摩的保护装置，包括保护装置安装座和多个保护装置，所述保护装置安装座与燃气轮机的机匣连接，保护装置安装座内侧安装有叶盘转子，叶盘转子上包括多个带冠叶片，

所述多个保护装置固定安装于保护装置安装座内侧并与带冠叶片保持预定间隙y，每个所述保护装置上安装有多个滚动轴承，所述滚动轴承的内圈不动，外圈能够转动，当带冠叶片靠近保护装置时会首先与滚动轴承的外圈接触。

进一步地，还包括安装于保护装置安装座内侧的磁悬浮支撑系统，磁悬浮支撑系统包括多个磁悬浮系统磁极和多个磁悬浮系统线圈，所述磁悬浮系统线圈绕在对应的磁悬浮系统磁极上,磁悬浮支撑系统与带冠叶片保持预定间隙x，所述间隙x大于间隙y。

进一步地，所述保护装置安装于两组相邻的磁悬浮系统磁极的中间位置。

进一步地，还包括两个径向位移传感器，径向位移传感器装在保护装置安装座内，并通过螺母固定，用于检测叶盘转子的径向位移。

进一步地，还包括安装于保护装置安装座内的多个加强筋，所述多个加强筋用于加强保护装置安装座的强度。

进一步地，所述保护装置还包括保护装置支座、保护装置前固定板、保护装置后固定板，所述滚动轴承安装在保护装置支座内，滚动轴承外圈和保护装置支座之间为间隙配合，每个保护装置内安装有至少三个滚动轴承，每个保护装置内的滚动轴承的数量能够满足同时与两个以上带冠叶片的叶冠接触，保护装置前固定板和保护装置后固定板通过保护装置固定板下安装柱穿过滚动轴承内圈，下安装柱与滚动轴承内圈为过盈配合，保护装置前、后固定板开有铆钉孔，利用铆钉将保护装置前固定板和保护装置后固定板连接固定为一体，保护装置支座开有通孔，保护装置前固定板和保护装置后固定板通过保护装置固定板上安装柱安装在通孔内，然后通过铆钉孔用铆钉将保护装置前、后固定板连接固定一起。

进一步地，所述保护装置和磁悬浮支撑系统的数量分别为四个，四个保护装置沿周向90°均匀分布，四个磁悬浮支撑系统沿周向90°均匀分布。

根据上述的防止叶盘转子碰摩的保护装置的使用方法，燃气轮机叶盘转子高速旋转时，当碰摩间隙有消失的趋势，磁悬浮支撑系统发挥作用，磁悬浮系统线圈通电产生电磁力使叶盘转子稳定悬浮，避免叶片碰摩的发生；当碰摩间隙有消失的趋势且磁悬浮支撑系统因故障无法提供足够支承力时，保护装置发挥作用，由于保护装置与叶盘转子的间隙要比磁悬浮系统磁极与叶盘转子的间隙小，因此，叶盘转子和保护装置接触并一同回转，在保护装置与叶片叶冠接触回转的过程中，通过调整磁悬浮支撑系统控制参数，使得叶冠重新与磁悬浮支撑系统恢复稳定的悬浮状态。

一种燃气轮机，包括燃气轮机叶盘转子、燃气轮机前机匣、燃气轮机后机匣和铆钉，还包上述的防止叶盘转子碰摩的保护装置，燃气轮机前机匣和燃气轮机后机匣通过铆钉与保护装置安装座连接固定在一起，燃气轮机叶盘转子安装于燃气轮机前机匣和燃气轮机后机匣内部，叶盘转子安装于燃气轮机叶盘转子上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本方案的结构可以有效的防止叶冠与磁浮结构的碰摩，当磁浮系统出现失效时，保护装置与叶冠进行回转，起到一定支撑作用，当磁浮系统恢复作用时，使叶冠恢复到正常工作位置。

2本方案设计的保护装置结构不仅仅用于磁悬浮支撑中，没有磁浮结构，保护装置结构同样起到保护叶冠与机匣之间的碰摩。

3.本方案设计的保护装置与叶冠滚动接触的长度覆盖多组叶片，使叶冠受力均匀，不易应力集中，产生变形。

4.本方案设计的保护装置使用多个滚动轴承与叶冠接触，滚动轴承外圈表面所承受的冲击力减小，减小了滚动轴承外圈接触表面的疲劳，延长了滚动轴承的使用寿命。本方案所使用的滚动轴承是内圈固定，外圈与叶冠接触滚动，与现有的滚动轴承内圈滚动、外圈固定不同。

5.本方案设计的保护装置确保了径向方向位移不变，保证了当磁悬浮系统失效时，带冠叶片先与保护装置滚动接触。

6.本方案设计的保护装置使用多个滚动轴承与叶冠接触，外圈与叶冠接触滚动，确保了整周回转。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为保护装置工作原理图。

图2为燃气轮机磁浮叶冠保护装置总体结构图。

图3为燃气轮机磁浮叶冠保护装置总体结构剖视图。

图4为机匣表面安装示意图。

图5为燃气轮机叶盘转子示意图。

图6为带冠叶片叶冠示意图。

图7为保护装置安装座立体示意图。

图8为保护装置安装座主视图。

图9为径向位移传感器安装示意图。

图10为保护装置第一视角结构图。

图11为保护装置第二视角结构图。

图12为保护装置爆炸图。

图13为滚动轴承结构示意图。

图14为保护轴承前固定板正面图。

图15为保护轴承前固定板背面图。

图16为燃气轮机局部示意图。

图17为图16中A-A向剖视图。

图18为燃气轮机多级叶片转子图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

保护装置功能原理图如图1所示，正常工作状态下，磁悬浮支撑系统产生电磁力使带冠叶片及其转子与外机匣之间保持一定间隙，并稳定运行。但当电磁轴承失效时，无法产生足够的电磁力，叶冠与磁悬浮支撑结构之间的间隙x将逐渐变小，如果没有保护装置，叶冠将和磁悬浮支撑结构发生碰摩。因此需增加保护装置，由于保护装置与叶冠的间隙y小于叶冠与磁悬浮支撑结构之间的间隙x，间隙y优选为间隙x的一半，因此无法产生足够的电磁力时，叶冠将与保护装置滚动接触，在叶盘转子与保护装置接触过程中，通过调整磁悬浮支撑系统控制参数，如加大电流等，可使叶盘转子与磁浮系统恢复稳定的悬浮状态，同时叶冠与保护装置也实现分离。

燃气轮机转子防止磁悬浮叶冠碰摩的保护装置的总体结构如图2-3所示，包括：燃气轮机叶盘转子1、燃气轮机前机匣2、磁悬浮结构保护装置安装座3、燃气轮机后机匣4、铆钉5。燃气轮机叶盘转子1安装在机匣内部，叶片、转轴与机匣之间保持较小的间隙并分开。结合图2-4磁悬浮支撑系统和保护装置在机匣上的装配图可知，燃气轮机前机匣2和后机匣4通过铆钉5与磁悬浮结构保护装置安装座3连接固定在一起。

燃气轮机转子如图5所示，燃气轮机有多级叶盘转子，本方案以前3级叶盘为例进行说明，带有叶冠的叶盘用于防碰摩，将1级叶盘转子6和3级叶盘转子8设置为普通叶片，2级叶盘转子7设置为带冠叶片。带冠叶片的叶冠部分如图6所示，硅钢片104是与磁极产生磁场相互作用的部分，硅钢片的材料为铝铁硼等硅钢材料。

磁悬浮结构保护装置安装座如图7-9所示，安装座3上有磁悬浮系统磁极9、磁悬浮系统线圈10、保护装置11、加强筋12和两个径向位移传感器13。由图8可知，磁悬浮支撑系统共有四个磁极，沿周向90度均匀分布，磁极数目可根据实际结构情况决定，为了能够实现同时在两个正交方向上的差动控制，磁极个数应取为4的倍数，如4、8、16等。径向位移传感器传感器13共有两个，沿周向90度均匀分布。保护装置11安装在磁悬浮系统两个磁极9的中间位置，与磁极的夹角为45度，沿周向90度均匀分布四个。磁悬浮系统磁极9、保护装置11的支座结构与安装座3焊接在一块，线圈10绕在磁极9上，通电后产生电磁力。径向位移传感器13装在安装座3上，并通过螺母131固定，用于检测叶盘转子的位移。加强筋12用于加强安装座3的强度，防止安装座3轴向弯曲断裂。

保护装置11结构如图10-11所示，由于保护装置11周向与带冠叶盘的周向相对安装，并保持一定的间隙Y(如图1所示)，且当保护装置11与叶冠接触时，保护装置11与整周叶冠中的部分叶冠接触，因此保护轴承结构周向呈圆弧形，圆弧圆心与整圈叶冠的圆心重合。保护装置11由保护装置支座14、保护装置前固定板15、滚动轴承16、保护装置后固定板17组成。结合图12保护装置安装示意图可知，滚动轴承16安装在保护装置支座14内，滚动轴承16和保护装置支座14之间为间隙配合，一个保护装置内安装有至少三个滚动轴承16，当安装更多的滚动轴承16时，可以降低叶冠与保护装置接触时的冲击力，减小了表面接触疲劳破坏风险，延长使用寿命。保护装置前固定板15和保护装置后固定板17通过保护装置固定板下安装柱22穿过滚动轴承内圈20，安装柱与滚动轴承内圈为过盈配合，保护装置前、后固定板开有铆钉孔21，铆钉孔21沿着周向分布三个，利用铆钉将保护装置前固定板15和保护装置后固定板17连接固定为一体。保护装置支座14开有通孔19，沿着周向分布三个，保护装置前固定板15和保护装置后固定板17通过保护装置固定板上安装柱23安装在通孔19内，然后通过铆钉孔18用铆钉将保护装置前、后固定板连接固定一起。滚动轴承内圈20通过保护装置固定板下安装柱22与保护装置前后固定板连接固定在一起，保护装置前后固定板与保护装置14通过铆钉固定在一起，由于保护装置14固定不动，因此滚动轴承内圈20也固定不动，在径向方向的位移也不会发生改变。

保护装置的周向滚动由多个滚动轴承16完成，本方案设计的滚动轴承16如图13所示，由滚动轴承的外圈与叶冠进行滚动接触，由于滚动轴承内圈16与保护装置前后固定板下安装柱22配合固定在一起，保护装置前后固定板固定不动，因此，滚动轴承内圈固定不动，与现有的滚动轴承外圈固定、内圈转动不同。

图14-15为保护装置前固定板图，保护轴承前、后固定板结构相同。由图可知，保护装置开有铆钉孔18、铆钉孔21、铆钉孔24，铆钉孔18铆钉孔24保护装置前、后固定板上安装柱23，铆钉孔21用于安装铆钉来固定保护装置前、后固定板下安装柱22。铆钉孔24用于安装铆钉来固定保护装置前、后固定板和保护装置支座14。

图16-17为燃气轮机A-A方向剖视图，通过图16-17可看出本方案保护装置的具体运作方式。燃气轮机叶盘转子1高速旋转时，当碰摩间隙有消失的趋势，磁悬浮支撑系统发挥作用，磁悬浮系统线圈10通电产生电磁力使2级带冠叶片转子7稳定悬浮，避免了叶片碰摩的发生；当碰摩间隙有消失的趋势且磁悬浮支撑系统因故障的原因无法提供足够支承力时，保护装置7发挥作用，由于保护装置11与2级带冠叶盘转子7的间隙要比磁悬浮系统磁极9与2级带冠叶盘转子7的间隙小，因此，2级叶盘转子7将和保护装置11接触并一同回转，在保护装置11与叶片叶冠接触回转的过程中，通过调整磁悬浮支撑系统控制参数，使得叶冠重新与磁悬浮支撑系统恢复稳定的悬浮状态。

图18为燃气轮机多级叶片转子图，共有七级叶片转子，其中1级叶片转子25、3级叶片转子27、5级叶片转子29、7级叶片转子31为普通叶片，2级叶片转子26、4级叶片转子28、6级叶片转子30为带冠叶片，防碰摩装置32、33、34用于防止转子的碰摩。在多级叶片转子中，可根据实际情况，选取转子的防碰摩装置，当防碰摩装置33采用图17所示的磁悬浮与保护装置结合的结构时，防碰摩装置32、33可采用磁悬浮结构35或保护装置结构36，磁悬浮结构35用于产生电磁力支撑转子的悬浮，保护装置结构36用于防止带冠叶片与磁悬浮结构的碰摩。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种防止叶盘转子碰摩的保护装置，包括保护装置安装座（3）和多个保护装置（11），所述保护装置安装座（3）与燃气轮机的机匣连接，保护装置安装座（3）内侧安装有叶盘转子（7），叶盘转子（7）上包括多个带冠叶片，其特征在于，

所述多个保护装置（11）固定安装于保护装置安装座（3）内侧并与带冠叶片保持预定间隙y，每个所述保护装置（11）上安装有多个滚动轴承（16），所述滚动轴承（16）的内圈（20）不动，外圈能够转动，当带冠叶片靠近保护装置（11）时会首先与滚动轴承（16）的外圈接触；

还包括安装于保护装置安装座（3）内侧的磁悬浮支撑系统，所述磁悬浮支撑系统包括多个磁悬浮系统磁极（9）和多个磁悬浮系统线圈（10），所述磁悬浮系统线圈（10）绕在对应的磁悬浮系统磁极（9）上,磁悬浮支撑系统与带冠叶片保持预定间隙x，所述间隙x大于间隙y；

所述保护装置（11）还包括保护装置支座（14）、保护装置前固定板（15）、保护装置后固定板（17），所述滚动轴承（16）安装在保护装置支座（14）内，滚动轴承（16）的外圈和保护装置支座（14）之间为间隙配合，每个保护装置内安装有至少三个滚动轴承（16），每个保护装置内的滚动轴承（16）的数量能够满足同时与两个以上带冠叶片的叶冠接触，保护装置前固定板（15）和保护装置后固定板（17）通过保护装置固定板下安装柱（22）穿过滚动轴承内圈（20），下安装柱（22）与滚动轴承内圈（20）为过盈配合，保护装置前、后固定板开有铆钉孔（21），利用铆钉将保护装置前固定板（15）和保护装置后固定板（17）连接固定为一体，保护装置支座（14）开有通孔（19），保护装置前固定板（15）和保护装置后固定板（17）通过保护装置固定板上安装柱（23）安装在通孔（19）内，然后通过铆钉孔（18）用铆钉将保护装置前、后固定板连接固定一起。

2.根据权利要求1所述的防止叶盘转子碰摩的保护装置，其特征在于，所述保护装置（11）安装于两个相邻的磁悬浮系统磁极（9）的中间位置。

3.根据权利要求1所述的防止叶盘转子碰摩的保护装置，其特征在于，还包括两个径向位移传感器（13），径向位移传感器（13）装在保护装置安装座（3）内，并通过螺母（131）固定，用于检测叶盘转子（7）的径向位移。

4.根据权利要求1所述的防止叶盘转子碰摩的保护装置，其特征在于，还包括安装于保护装置安装座（3）内的多个加强筋（12），所述多个加强筋（12）用于加强保护装置安装座（3）的强度。

5.根据权利要求1所述的防止叶盘转子碰摩的保护装置，其特征在于，所述保护装置（11）和磁悬浮系统磁极（9）的数量分别为四个，四个保护装置（11）沿周向90°均匀分布，四个磁悬浮系统磁极（9）沿周向90°均匀分布。

6.根据权利要求1-5任一项所述的防止叶盘转子碰摩的保护装置的使用方法，其特征在于，

燃气轮机转子（1）高速旋转时，当碰摩间隙有消失的趋势，磁悬浮支撑系统发挥作用，磁悬浮系统线圈（10）通电产生电磁力使叶盘转子（7）稳定悬浮，避免叶片碰摩的发生；当碰摩间隙有消失的趋势且磁悬浮支撑系统因故障无法提供足够支承力时，保护装置（11）发挥作用，由于保护装置（11）与叶盘转子（7）的间隙要比磁悬浮系统磁极（9）与叶盘转子（7）的间隙小，因此，叶盘转子（7）和保护装置（11）接触并一同回转，在保护装置（11）与叶片叶冠接触回转的过程中，通过调整磁悬浮支撑系统控制参数，使得叶冠重新与磁悬浮支撑系统恢复稳定的悬浮状态。

7.一种燃气轮机，包括燃气轮机转子（1）、燃气轮机前机匣（2）、燃气轮机后机匣（4）和铆钉（5），其特征在于，还包括根据权利要求1-5任一项所述的防止叶盘转子碰摩的保护装置，燃气轮机前机匣（2）和燃气轮机后机匣（4）通过铆钉（5）与保护装置安装座（3）连接固定在一起，燃气轮机转子（1）安装于燃气轮机前机匣（2）和燃气轮机后机匣（4）内部，叶盘转子（7）安装于燃气轮机转子（1）上。