CN117449924A - 基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组 - Google Patents

基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组，包括高速电机转子、联轴器、推力盘轴套、压气机叶轮、连接轴套以及涡轮叶轮，涡轮叶轮依次穿过连接轴套、压气机叶轮以及推力盘轴套，高速电机转子与推力盘轴套通过联轴器传动连接，高速电机转子、推力盘轴套以及连接轴套上均设置有气浮径向轴承，推力盘轴套上还设置有磁浮轴向轴承。本发明通过涡轮叶轮依次穿过连接轴套、压气机叶轮和推力盘轴套形成涡轮压气机转子，高速电机转子通过气浮径向轴承支撑，涡轮压气机转子通过气浮径向轴承和磁浮轴向轴承支撑；该发电系统高速轴系具有结构简单、能适应大轴向力等优势，适用于高压力体系、大功率的布雷顿发电系统。

Description

基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组
技术领域
本发明涉及布雷顿热电转换领域，具体地，涉及一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组。
背景技术
布雷顿循环是实现热能向电能转换的有效途径，尤其对重量和紧凑度较高的空间应用，相比于朗肯循环和斯特林循环，布雷顿循环兼顾了转换效率和系统质量，因此适合应用于兆瓦级空间大功率电源系统，采用百千瓦级机组多机并联的方式实现兆瓦级电能输出。涡轮压气发电机组作为布雷顿循环的核心设备，同时其高速轴系也是系统唯一运动部件，对于转换效率和使用寿命有着决定性的影响。
由于空间应用对使用寿命和紧凑度的要求，空间布雷顿循环必须采用无油悬浮轴承，并且通过提高循环压力体系实现涡轮压气发电机组的小型化。虽然已有基于气浮轴承的百千瓦级微型燃气轮机的应用案例，但是在高压力体系下，压气机和涡轮将产生较大的轴向力，其大小数倍于现有百千瓦级微型燃气轮机转子轴向力，因此需要解决轴向力平衡问题。
针对上述问题，需要提供一种能适应大轴向力的涡轮发电系统高速轴系。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组。
根据本发明提供的一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系,包括：高速电机转子、联轴器、推力盘轴套、压气机叶轮、连接轴套以及涡轮叶轮，所述涡轮叶轮依次穿过所述连接轴套、所述压气机叶轮以及所述推力盘轴套，所述高速电机转子与所述推力盘轴套通过所述联轴器传动连接，所述高速电机转子、所述推力盘轴套以及所述连接轴套上均设置有气浮径向轴承，所述推力盘轴套上还设置有磁浮轴向轴承。
优选地，所述高速电机转子、所述联轴器、所述推力盘轴套、所述压气机叶轮、所述连接轴套、所述涡轮叶轮以及所述气浮径向轴承同轴设置。
优选地，所述涡轮叶轮包括拉杆，所述拉杆依次穿过所述连接轴套、所述压气机叶轮以及所述推力盘轴套，且所述拉杆未延伸至所述推力盘轴套的外侧，所述拉杆的端部通过锁紧螺母与所述推力盘轴套紧固连接。
优选地，所述推力盘轴套的中部向外延伸形成有推力盘，所述磁浮轴向轴承套设在所述推力盘上，且所述磁浮轴向轴承与所述推力盘之间的间隙在0.1～0.5mm之间。
优选地，所述推力盘轴套远离所述压气机叶轮的一端的外侧套设有第三气浮径向轴承，且所述第三气浮径向轴承与所述推力盘轴套之间的间隙在0.1～0.5mm之间，所述推力盘轴套靠近所述压气机叶轮的一端插设在所述压气机叶轮的内侧且二者过盈配合。
优选地，所述高速电机转子的两端分别套设有第一气浮径向轴承和第二气浮径向轴承，所述第一气浮径向轴承、所述第二气浮径向轴承二者与所述高速电机转子之间的间隙均在0.1～0.5mm之间。
优选地，所述连接轴套的外侧套设有第四气浮径向轴承，所述第四气浮径向轴承与所述连接轴套之间的间隙在0.1～0.5mm之间，所述连接轴套的一端套设在所述涡轮叶轮的外侧且二者过盈配合，所述连接轴套的另一端插设在所述压气机叶轮的内侧且二者过盈配合。
优选地，所述联轴器包括柔性膜片联轴器。
根据本发明提供的一种涡轮发电机组，包括上述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，还包括机壳，所述机壳套设安装在所述基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系的外侧。
优选地，所述气浮径向轴承和所述磁浮轴向轴承均安装在所述机壳上，所述气浮径向轴承与所述磁浮轴向轴承垂直设置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过涡轮叶轮依次穿过连接轴套、压气机叶轮和推力盘轴套，通过各个部件的止口与锁紧螺母实现定位，形成涡轮压气机转子；涡轮压气机转子和高速电机转子通过止口连接于联轴器两侧；高速电机转子通过气浮径向轴承支撑，涡轮压气机转子通过气浮径向轴承和磁浮轴向轴承支撑；该发电系统高速轴系具有结构简单、能适应大轴向力等优势，适用于高压力体系、大功率的布雷顿发电系统。
2、本发明的电机与涡轮压气机两侧转子通过柔性膜片联轴器传动，有利于转子动力学设计，更易满足悬浮轴承的刚性转子设计要求。
3、本发明通过在电机侧采用气浮轴承，可简化系统并同时兼顾电机转子冷却；通过涡轮压气机侧的轴向止推轴承采用承载力更强并可主动控制的磁浮轴承，可满足高压体系下大轴向力平衡问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明主要体现基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系的结构示意图。
图中所示：
高速电机转子1 联轴器2 推力盘轴套3
压气机叶轮4 连接轴套5 涡轮叶轮6
锁紧螺母7 第一气浮径向轴承8 第二气浮径向轴承9
第三气浮径向轴承10 第四气浮径向轴承11 磁浮轴向轴承12
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，根据本发明提供的一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，包括：高速电机转子1、联轴器2、推力盘轴套3、压气机叶轮4、连接轴套5以及涡轮叶轮6，涡轮叶轮6依次穿过连接轴套5、压气机叶轮4以及推力盘轴套3，高速电机转子1与推力盘轴套3通过联轴器2传动连接，高速电机转子1、推力盘轴套3以及连接轴套5上均设置有气浮径向轴承，推力盘轴套3上还设置有磁浮轴向轴承12。
本发明的目的在于提供一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，能够平衡高压力体系下轴系产生的轴向力，提高轴系运行稳定性。
气浮径向轴承为转子的径向轴承，克服转子重力，将转子支撑，转子高速转动。磁浮轴向轴承12为转子的轴向推力轴承，克服转子的轴向力，保持转子的轴向位置。在启动阶段高速电机转子1为驱动端，通过联轴器2带动推力盘轴套3、压气机叶轮4、连接轴套5和涡轮叶轮6高速转动，在发电阶段高速电机转子1为被动端，由涡轮叶轮6带动连接轴套5、压气机叶轮4、推力盘轴套3转动，并通过联轴器2驱动高速电机转子1转动发电。
高速电机转子1、联轴器2、推力盘轴套3、压气机叶轮4、连接轴套5、涡轮叶轮6以及气浮径向轴承同轴设置。
涡轮叶轮6包括拉杆，拉杆依次穿过连接轴套5、压气机叶轮4以及推力盘轴套3，且拉杆未延伸至推力盘轴套3的外侧，拉杆的端部通过锁紧螺母7与推力盘轴套3紧固连接。推力盘轴套3、压气机叶轮4、连接轴套5以及涡轮叶轮6通过各个部件的止口与锁紧螺母7实现定位，形成涡轮压气机转子。本申请中各个部件的止口通过过盈配合紧固连接，能够传递扭矩，也能够保证同轴。
推力盘轴套3的中部向外延伸形成有推力盘，磁浮轴向轴承12布置于推力盘两侧，用于平衡涡轮发电系统高速轴系的轴向力，且磁浮轴向轴承12与推力盘之间的间隙在0.1～0.5mm之间。涡轮压气机侧的轴向止推轴承采用承载力更强并可主动控制的磁浮轴承，可满足高压体系下大轴向力平衡问题。
推力盘轴套3远离压气机叶轮4的一端的外侧套设有第三气浮径向轴承10，且第三气浮径向轴承10与推力盘轴套3之间的间隙在0.1～0.5mm之间，推力盘轴套3靠近压气机叶轮4的一端插设在压气机叶轮4的内侧且二者过盈配合。
高速电机转子1的两端分别套设有第一气浮径向轴承8和第二气浮径向轴承9，第一气浮径向轴承8、第二气浮径向轴承9二者与高速电机转子1之间的间隙均在0.1～0.5mm之间。电机侧采用气浮轴承可简化系统并同时兼顾电机转子冷却。
连接轴套5的外侧套设有第四气浮径向轴承11，第四气浮径向轴承11与连接轴套5之间的间隙在0.1～0.5mm之间，连接轴套5的一端套设在涡轮叶轮6的外侧且二者过盈配合，连接轴套5的另一端插设在压气机叶轮4的内侧且二者过盈配合。
联轴器2包括柔性膜片联轴器，可补偿两侧转子的不对中，实现两侧转子的刚性设计，满足气浮径向轴承对转子刚度的要求。电机与涡轮压气机两侧转子通过柔性膜片联轴器传动，有利于转子动力学设计，更易满足悬浮轴承的刚性转子设计要求。
本发明的发电系统高速轴系具有结构简单、能适应大轴向力等优势，适用于高压力体系、大功率的布雷顿热电转换系统，尤其是对轴承使用环境、轴向力平衡有极高要求的场合具有显著的应用优势。
实施例2
一种涡轮发电机组，包括实施例1的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，还包括机壳，机壳属于静止件，机壳套设安装在基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系的外侧。气浮径向轴承和磁浮轴向轴承12均安装在机壳上，在发电机组运行时，径向轴承和推力轴承都不与转子轴系接触，气浮径向轴承与磁浮轴向轴承12垂直设置。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，包括：高速电机转子(1)、联轴器(2)、推力盘轴套(3)、压气机叶轮(4)、连接轴套(5)以及涡轮叶轮(6)，所述涡轮叶轮(6)依次穿过所述连接轴套(5)、所述压气机叶轮(4)以及所述推力盘轴套(3)，所述高速电机转子(1)与所述推力盘轴套(3)通过所述联轴器(2)传动连接，所述高速电机转子(1)、所述推力盘轴套(3)以及所述连接轴套(5)上均设置有气浮径向轴承，所述推力盘轴套(3)上还设置有磁浮轴向轴承(12)。
2.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述高速电机转子(1)、所述联轴器(2)、所述推力盘轴套(3)、所述压气机叶轮(4)、所述连接轴套(5)、所述涡轮叶轮(6)以及所述气浮径向轴承同轴设置。
3.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述涡轮叶轮(6)包括拉杆，所述拉杆依次穿过所述连接轴套(5)、所述压气机叶轮(4)以及所述推力盘轴套(3)，且所述拉杆未延伸至所述推力盘轴套(3)的外侧，所述拉杆的端部通过锁紧螺母(7)与所述推力盘轴套(3)紧固连接。
4.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述推力盘轴套(3)的中部向外延伸形成有推力盘，所述磁浮轴向轴承(12)套设在所述推力盘上，且所述磁浮轴向轴承(12)与所述推力盘之间的间隙在0.1～0.5mm之间。
5.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述推力盘轴套(3)远离所述压气机叶轮(4)的一端的外侧套设有第三气浮径向轴承(10)，且所述第三气浮径向轴承(10)与所述推力盘轴套(3)之间的间隙在0.1～0.5mm之间，所述推力盘轴套(3)靠近所述压气机叶轮(4)的一端插设在所述压气机叶轮(4)的内侧且二者过盈配合。
6.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述高速电机转子(1)的两端分别套设有第一气浮径向轴承(8)和第二气浮径向轴承(9)，所述第一气浮径向轴承(8)、所述第二气浮径向轴承(9)二者与所述高速电机转子(1)之间的间隙均在0.1～0.5mm之间。
7.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述连接轴套(5)的外侧套设有第四气浮径向轴承(11)，所述第四气浮径向轴承(11)与所述连接轴套(5)之间的间隙在0.1～0.5mm之间，所述连接轴套(5)的一端套设在所述涡轮叶轮(6)的外侧且二者过盈配合，所述连接轴套(5)的另一端插设在所述压气机叶轮(4)的内侧且二者过盈配合。
8.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述联轴器(2)包括柔性膜片联轴器。
9.一种涡轮发电机组，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，还包括机壳，所述机壳套设安装在所述基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系的外侧。
10.如权利要求9所述的涡轮发电机组，其特征在于，所述气浮径向轴承和所述磁浮轴向轴承(12)均安装在所述机壳上，所述气浮径向轴承与所述磁浮轴向轴承(12)垂直设置。
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