CN1268848C - 一种采用电磁轴承的轴流风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用电磁轴承的轴流风机，由进气道、节流装置、轴流压缩机、排气蜗壳和支承系统五部分组成，其中轴流压缩机由五级旋转叶轮组成的压缩机转子、五级整流叶片组成的压缩机机匣、前支承电磁轴承组件、后支承电磁轴承组件和传动轴组件组成，以轴流风机进气道为风机轴的前端，风机转轴的前支承电磁轴承组件依次由径向限制球轴承、径向电磁轴承和径向传感器构成，后支承电磁轴承组件依次由轴向电磁轴承、径向电磁轴承、径向-轴向限制球轴承、轴向传感器和径向传感器构成。本发明优点：具有尺寸小、重量轻、投资少、易操作，设备运行平稳、可靠，运行费用低。

Description

一种采用电磁轴承的轴流风机

技术领域

本发明属于透平机械设备技术领域，特别涉及到一种采用电磁轴承的轴流风机，它既可以用作负荷装置来测试燃气轮机在整个工作区域中的负荷性能。又可以鼓、引风机的形式被广泛用于矿山井巷、地下隧道供通风，地铁送排风，冶金、化工、风洞试验以及热电厂锅炉的供风。

背景技术

对于燃气轮机性能测试，世界各国所采用了各自不同的方法，德国采用水力测功器，美国GE公司采用发电机测功，俄罗斯采用发电机绕电阻丝测功。普遍存在的问题是：试验设备庞大、尺寸大、重量大、投资大、不易掌握和操作。采用轴流风机作为负载进行燃气轮机性能试验是首创，可以克服上述存在的问题。但是现有轴流风机因受其滚动轴承承载能力限制，所能承担的轴向力过小、工作可靠性差、使用寿命短。申请号为0313346.X的中国专利，设计了一种与12800KW燃气轮机匹配的轴流风机，满足了该功率的燃气轮机的负荷测试的要求。但当更大功率的燃气轮机研发提出后，如与功率为10000～20000KW燃气轮机配套的风机的轴向力要高达64200KN，考虑到轴承运行的安全可靠，在安全裕度为1.5时，该轴承要承受96300KN轴向力；若是还采用原有设计采用多于6～7套的并列球轴承，就会出现无法安装、无法润滑的技术难题，甚至使轴流风机无法制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种即能做负荷装置来测试燃气轮机在整个工作区域中的负荷性能，又可以鼓、引风机的形式应用于矿山井巷、地下隧道供通风，冶金、化工、风洞试验以及热电厂锅炉的供风，避免轴承磨损，工作运行可靠性能好，使用寿命长的轴流风机。

本发明电磁轴承的轴流风机由进气道、节流装置、轴流压缩机、排气蜗壳和支承系统五部分组成，其中轴流压缩机由五级旋转叶轮组成的压缩机转子、五级整流叶片组成的压缩机机匣、前支承电磁轴承组件、后支承电磁轴承组件和传动轴组件组成，以轴流风机进气道为风机转轴的前端，轴流风机转轴的前支承轴组件依次由径向限制球轴承、径向电磁轴承和径向传感器构成，后支承电磁轴承组件依次由轴向电磁轴承、径向电磁轴承、径向——轴向限制球轴承、轴向传感器和径向传感器构成。

该电磁轴承的轴流风机的技术特点是：

1、采用了径向电磁轴承和轴向电磁轴承的转轴支承结构

(1)、径向电磁轴承用于承受轴流风机转轴的径向负荷，它由定子和转子组成。径向电磁轴承的定子是由矽钢片经线切割成圆环形的径向定位铁磁芯，在其上安装了线圈绕组；径向电磁轴承转子由固定在风机转轴上的铁磁体构成。当径向轴承的定子电磁铁上的线圈绕组送电时铁芯被磁化，对铁磁体产生吸引力即电磁力，电磁力随着线圈绕组的电流增大而增强。这个电磁铁芯定子与铁磁体的转子间的电磁力使轴流风机的转轴悬浮，形成了一定的间隙；支撑着风机转子的径向负荷，又使定子与转子非接触式地相对运动。

(2)、轴向电磁轴承是来承受轴流风机转轴的轴向负荷，也是由定子和转子组成，轴向电磁轴承的定子，为左右两个环形的电磁铁；在每个环形电磁铁上都有两个同轴的环形槽，其中安装了环形的线圈绕组；在电磁轴承的定子左右两个环形电磁铁外缘上都安装了位移传感元件。轴向电磁轴承的转子为一个铁磁体的推力盘，处于电磁轴承定子的左右两个环形电磁铁的中间，固定在轴流风机转轴上。当电磁铁的线圈绕组通过电流时铁芯被磁化，对铁磁体产生吸引力即电磁力，其大小随电流强度而变化，电流越强，电磁力越大，两个环形电磁铁同时对铁磁体的推盘产生吸引力，改变左右两个环形电磁铁的线圈绕组的电流强度，致使其两边产生大小不同的电磁力，它在固定于轴流风机转轴上的推力盘产生轴向的推力和轴向的位移，在推力盘与两个环形电磁铁之间形成了一定的间隙，以及推力盘与环形电磁铁非接触式地相对运动。

(3)、为了保证轴流风机在试车过程中、电磁轴承断电、电磁轴承有故障、动负荷超过电磁轴承承载能力的特别情况下，轴流风机转轴的径向和轴向支承，本发明在设计轴流风机转轴的前后支承电磁轴承组件时，在前支承电磁轴承组件的最前端安装了径向限制球轴承，而在后支承电磁轴承组件的最末端也安装了径向——轴向限制球轴承。这两件限制轴承在轴流风机平时运转时是不承受转轴的径向或轴向力的，只有在上述特别的情况下，才临时承担转轴的径向力和轴向力，是一种安全运行的双保险设计。

2、对于轴流风机转轴轴向推力的测试调整和对转轴轴向位移的测试调整，本发明是通过传感元件的测取位移信号，经计算机程序处理后调整左右两个环形电磁铁线圈绕组的电流强度来解决的，保证电磁轴承的间隙0.7mm，间隙的调整量为0～0.1，其测试、调整的响应时间在0.1～0.2秒之间，

由于采用上述电磁轴承的轴流风机结构装置，本发明优点是：

a、可以使风机的转轴处于悬浮状态下与固定件间的非接触式相对运动，避免了现有技术轴承磨损，挤压、点蚀等接触式轴承的弊病。由于取消了润滑系统，避免了润滑系统带来了漏油、油压过高、过低和油温过高弊病。

b、由于除了电磁轴承之外还设计了在特别情况下的限制径向轴承和径向——轴向限制轴承，采用安全运行双保险设计，确保设备运行的安全性。

c、采用传感器测试和计算机处理调整电磁轴向轴承的方法，调整响应的时间很短，风机运行工况调整是即时和敏捷的，而且增加设备运行的可靠性。

d、这样的结构设计除了传感元件需要定期更换外，其他的机械零部件寿命都很长。这就为设备稳定可靠的长时间运行提供了保障，减少了设备的维修费用，降低了设备的运行费用。

2、本发明轴流风机可以用作负荷装置，来测试燃气轮机工作区域的全负荷的性能，也可以鼓、引风机的形式广泛用于矿山井巷的供通风、地下隧道供通风、地铁的供通风、冶金化工设备的供风、风洞试验的供风以及热电厂的锅炉供风。作为鼓引风机可以提供的风量是22×10⁴～30×10⁴Nm³/h，全风压为0.2MPa～0.4MPa。用作鼓引风机只要将轴流风机功率输入轴与电机、燃气轮机、柴油机的转轴相连，并把进、出风口与相关的管道相联即可。

为了作负荷装置来测试燃气轮机的整个工作区域的全负荷的性能，本发明在轴流风机进气道的后端安装一个电动调节的节流装置，节流装置由电动执行器、联杆铰接在一起的联动机构、数个平行转动叶片组成；通过电动执行器推动数个平行转动叶片，当电动执行器向前推动时，铰接在一起的联运机构推动数个平行转动叶片，使其转动，转动幅度为0～30°，用于调整进入风机中的风量，风量变化值为0～20％，并根据下述公式：

$N=G_k\frac{K}{K-1}\mathrm{RT}({\mathrm{\ξ}}^{\frac{K-1}{K}}-1)\frac{1}{{\mathrm{\η}}_K}$

式中：N：轴功率                KW

      G_K：空气流量            Kg/s

      K：空气绝热指数          K＝1.4

      T：吸入空气的温度        K

      ξ：增压比或称压缩比 $\mathrm{\ξ}=\frac{P_2}{P1},$ P₂-排气压力，P₁-进气压力

      R：气体常数

      η_K：风机效率        ％

从上式可知在其他技术条件相对固定时，风机的轴功率正比于空气流量。也就是通过测取轴流风机的风量就可以知道当时燃气轮机的功率；改变轴流风机的风量、也可以改变燃气轮机的功率；可以测试不同功率级别的燃气轮机的功率、热效率以及操作性能和保护装置的可靠性，是燃气轮机试验台的重要核心设备。与现有燃气轮机的测试方法相比，具有设备尺寸小、重量轻、投资少易于操作等优点。

附图说明

现结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的剖面图；

图2为电磁轴承的轴流风机前支承电磁轴承组件结构示意图；

图3为电磁轴承的轴流风机后支承电磁轴承组件结构示意图；

图4为电磁轴承的轴流风机节流装置结构图；

图5为电磁轴承的轴流风机电磁轴承的工作原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明电磁轴承的轴流风机由进气道1、节流装置5、轴流压缩机2、排气蜗壳6和支承系统五部分组成，其中轴流压缩机2由五级旋转叶轮组成的压缩机转子、五级整流叶片组成的压缩机机匣、前支承电磁轴承组件、后支承电磁轴承组件和传动轴组件7组成，以轴流风机进气道为风机转轴的前端，前支承电磁轴承组件安装位置由图1所示。

如图2所示，前支承电磁轴承组件结构图，前支承电磁轴承组件由径向限制球轴承11，径向电磁轴承定子的径向定位铁磁芯8和安装在电磁轴承定子的定位电磁铁上的线圈绕组9，固定在轴流风机转轴上的径向电磁轴承转子的铁磁体10构成，当电流通过线圈绕组9时，定位铁磁芯8被磁化，对固定在轴承转轴的电磁轴承轴的铁磁体产生吸引力，支撑着风机转子的径向力并使电磁轴承的转子与定子之间悬浮了一定间隙，相互间非接触式相对运动。安装在前支承电磁轴承组件前端的径向限制球轴承11，只是在轴流机试车过程中、电磁轴承断电、电磁轴承有故障、动载荷超过电磁轴承承载能力的非正常时期，临时起保安性质的转轴支承轴承。

如图3所示，以轴流风机进气道风机转轴的前端，转轴的后支承电磁轴承组件位于轴流风机转轴的后部，依次安装了轴向电磁轴承、径向电磁轴承、径向——轴向限制轴承，轴向电磁轴承用于承受轴流风机转轴的轴向负荷，由一个安装在风机转轴上的铁磁材料推力盘14，以及其两侧对称布置的两个电磁轴承定子组成。每个电磁轴承定子是由带有两个同轴心的环形槽的环形铁芯13构成，每个环形槽中都安装了一个环形的线圈绕组12，而且在每个环形铁芯的外缘处却安装了位移传感元件22。当环形铁芯13中的线圈绕组12送上电流，铁芯13就被磁化对铁磁体产生吸引力，其大小随着电流强度而变化，电流越强，吸引力越大。两个环形铁芯13同时对铁磁材料的推力盘14的两个不同侧面产生吸引力，改变左右两个环形电磁铁线圈绕组的电流强度，可以使之产生不同大小的吸引力，使磁性材料的推力盘14两侧面的吸引力和转轴上的轴向推力三种力作用下处于动平衡状态，使推力盘14处于两个环形铁芯13中间，并保留了一定的间隙，处于非接触式地相对运动状态。

在这个电磁轴向轴承的后面还安装了一个径向电磁轴承，它也是由电磁轴承定子定位电磁铁15，安装在该电磁铁上的线圈绕组16，以及固定在轴流风机转轴上的径向电磁轴承铁磁体17组成，其作用与风机转子前支承轴件上的径向电磁轴承相同，支撑着风机转轴的径向力，使转轴悬浮在径向电磁轴承的转子中间，保留了一定的间隙，并使电磁径向轴承的转子与定子非接触式地相对运动。在径向电磁轴承的后面安装了径向——轴向限制轴承18，它在风机正常运转时不承受力的，也与转子前支承电磁轴承组件径向限制球轴承11一样，是在同样特别情况下才工作，才受力，也是一个保证轴流风机安全运行、双保险的转轴支承轴承。

本发明设计了一台功率为19110KW的轴流风机，与功率为10000～20000KW的燃气轮机相配套。轴流风机的转子最大转速为8500rpm，从起动0转速增速到8500rpm平稳运行。断开动力后，运行转速从8500rpm减速直至0转速。风机可以在这个转速中间任意一个转速下平稳运行。由于被压缩的空气推动压缩机转子，使转轴的轴向上产生了一个64200KN朝前的轴向力。按着本发明的设计，配置了安全裕度1.9倍的电磁轴承组，代替了6～7套并列安装的球轴承，承载力可达到122700KN；而且除转轴两端球轴承外，处于中间位置在平常运转时起作用的电磁轴承组不再需要润滑。由于取消了主要工作轴承的润滑系统，避免了润滑系统带来的漏油、油压过高、过低、油温过高等弊病。除了电磁轴承外，在事故状态时还设计了一个支承径向力的径向限制轴承，和一个同时支承径向和轴向力的径向——轴向限制轴承；采用了安全运行的双保险设计，确保风机运行的安全性。

本发明设计了电磁轴承，使风机转轴在非接触状态下高速转动，除了传感元件要定期测试更换外，基本没有磨损、挤压、点蚀的轴承零部件，可保证风机长时间平稳的运行。为了保证风机安全可靠地运行，本发明还配套设计了一种计算机自动调整轴向轴承的方法，保证电磁轴承的间隙为0.4mm，间隙的调整量为0～0.1，为测试调整的响应时间为0.1～0.2秒之间。

本发明设计的轴流风机如作为鼓引风机用，可以产生22×10⁴～30×10⁴Nm³/h，全风压为0.2～0.4MPa。把它作为测试燃气轮机的负载装置与10000KW～20000KW的燃气轮机配套，并根据国际标准ISO2314-1973(E)、国家标准GB10490-1989《轻型燃气轮机验收试验规范》规定的5个必须检测项和7个选择检测项的要求，完成对燃气轮机的测试。测试表明该机组完全可以满足要求，其主要手段就是自动调整进气道上的节流装置。

如图4所示，节流装置结构，节流装置由电动执行器21、与联杆铰接在一起的联动机构20、和数个平行转动叶片19组成，当电动执行器21向前推动时，铰接在一起的联运机构20推动数个平行转动叶片19，使其转动，转动幅度为0～30°，用于调整进入风机中的风量，风量变化值为0～20％，从而可根据公式 $N=G_k\frac{K}{K-1}\mathrm{RT}({\mathrm{\ξ}}^{\frac{K-1}{K}}-1)\frac{1}{{\mathrm{\η}}_K},$ 测得燃气轮机的功率、热效率、以及操作性能和保护装置的可靠性。

如图5所示，轴流风机的电磁轴承工作原理；电磁轴承系统由转子、静子、传感器、控制器和功率放大器组成，设静子绕组上的电流为I_O，静子对转子产生的吸引力为F和转子重力mg相平衡，转子处于平衡位置，当转子受到向下一个扰动，转子偏离平衡位置，传感器感受偏移量，传给控制器，控制器将位移信号转换成控制信号，功率放大器将控制信号转换成控制电流，由I_O变成I_O+1，静子吸引力扩大，将转子拉回到原来的平衡位置。

本发明的电磁轴承的轴流风机作为燃气轮机的测试设备与现有技术相比，具有尺寸小、重量轻、投资少、易操作的优点，而且设备运行平稳、可靠，运行费用低的优点。

Claims (5)

1、一种采用电磁轴承的轴流风机，由进气道、节流装置、轴流压缩机、排气蜗壳和支承系统五部分组成，其中轴流压缩机由五级旋转叶轮组成的压缩机转子、五级整流叶片组成的压缩机机匣、前支承电磁轴承组件、后支承电磁轴承组件和传动轴组件组成，其特征在于以轴流风机进气道为风机转轴的前端，风机转轴的前支承电磁轴承组件依次由径向限制球轴承、径向电磁轴承和径向传感器构成；后支承电磁轴承组件依次由轴向电磁轴承、径向电磁轴承、径向—轴向限制球轴承、轴向传感器和径向传感器构成。

2、根据权利要求1所述的采用电磁轴承的轴流风机，其特征在于：所述的径向电磁轴承是由定子和转子组成，其径向电磁轴承的定子是由矽钢片经线切割成圆环形的径向定位铁芯，在其上安装了线圈绕组；径向电磁轴承转子由固定在风机转轴上的铁磁体构成。

3、根据权利要求1所述的采用电磁轴承的轴流风机，其特征在于：所述的轴向电磁轴承是由定子和转子组成，其轴向电磁轴承的定子为左右两个环形的电磁铁，在每个环形电磁铁上都有两个同轴的环形槽，其中安装了环形的线圈绕组，在电磁轴承的定子左右两个环形电磁铁外缘上都安装了位移传感元件，轴向电磁轴承的转子为一个铁磁材料的推力盘，处于电磁轴承定子的左右两个环形电磁铁的中间，固定在轴流风机转轴上。

4、根据权利要求1所述的采用电磁轴承的轴流风机，其特征在于：所述轴流风机转轴的前支承电磁轴承组件的最前端安装了径向限制球轴承，而在后支承电磁轴承组件的最末端安装了径向——轴向限制球轴承。

5、根据权利要求1所述的采用电磁轴承的轴流风机，其特征在于：该轴流风机在用作负荷装置，测试燃气轮机性能时，轴流风机进气道的后端安装一个电动调节的节流装置，调整进入风机的风量，电动调节的节流装置由电动执行器、联杆铰接在一起的联动机构、数个平行转动叶片组成，通过电动执行器推动数个平行转动叶片，使其转动，转动幅度为0～30，调整进入风机中的风量为100～80％，测得燃气轮机的功率、热效率、以及操作性能和保护装置的可靠性。

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