CN208935164U - 一种转子系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种转子系统，包括：转轴；所述转轴上设置有旋转设备、至少一个磁悬浮轴承和至少一个非磁悬浮轴承；在所述转轴处于平稳运转状态时，所述至少一个磁悬浮轴承关闭，所述转轴依靠所述至少一个非磁悬浮轴承支承；在所述转轴处于振动状态时，所述至少一个磁悬浮轴承开启，以使所述转子系统在工况发生变化时保持平稳运转。本实用新型中，利用磁悬浮轴承作为辅助控制轴承，与采用全磁悬浮轴承、全气悬浮轴承或全气磁混合轴承的技术方案相比，不仅可以减小系统的复杂程度，大大节省成本，还能够大大增加系统的稳定性。

Description

一种转子系统

技术领域

本实用新型涉及转子动力学技术领域，尤其涉及一种转子系统。

背景技术

超高速旋转机械设备通常选用非接触式轴承。目前，非接触式轴承一般包括磁悬浮轴承和气悬浮轴承。然而，磁悬浮轴承在长期开启时存在能耗太大以及发热等问题；而气悬浮轴承在表面线速度接近或者超过音速时，会产生激波，从而导致轴承失稳，甚至产生撞轴等灾难性后果。因此，提出将磁悬浮轴承与气悬浮轴承相结合的方案，即采用气磁混合轴承。

现有转子系统一般需要设置多个轴承，如果均采用气磁混合轴承，则由于整个系统增加了多路测量的传感器和反馈控制器等，大大增加了系统的复杂度，增加了设备成本。

并且，对于气磁混合轴承，一般在磁悬浮的气隙内增加动压气悬浮的结构设计，从而能够利在转轴高速旋转的时候在气隙内形成动压气悬浮的效果，辅助磁轴承稳定。由于磁悬浮轴承本身造价比较高，工艺比较复杂，加上动压轴承的加工装配精度要求也很高，因此两者的结合大大增加了系统的复杂度，增加了设备成本。

可见，目前亟需提供一种新的转子系统，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种转子系统，以解决上述问题。

本实用新型提供一种转子系统，包括：

转轴；

所述转轴上设置有旋转设备、至少一个磁悬浮轴承和至少一个非磁悬浮轴承；

在所述转轴处于平稳运转状态时，所述至少一个磁悬浮轴承关闭，所述转轴依靠所述至少一个非磁悬浮轴承支承；

在所述转轴处于振动状态时，所述至少一个磁悬浮轴承开启，以使所述转子系统在工况发生变化时保持平稳运转。

可选的，所述至少一个磁悬浮轴承包括至少一个磁悬浮轴向轴承，所述至少一个磁悬浮轴向轴承用于控制处于轴向振动状态下的所述转轴；

所述至少一个非磁悬浮轴承包括至少一个非磁悬浮轴向轴承和至少两个非磁悬浮径向轴承。

可选的，所述磁悬浮轴向轴承为单向的磁悬浮轴向轴承，所述磁悬浮轴向轴承的止推盘的一侧设置有磁轴承。

可选的，所述至少一个磁悬浮轴向轴承设置于所述转轴的至少一端部。

可选的，所述磁悬浮轴向轴承为双向的磁悬浮轴向轴承，所述磁悬浮轴向轴承的止推盘的两侧分别设置有磁轴承。

可选的，所述至少一个磁悬浮轴承包括一个磁悬浮径向轴承，所述至少一个非磁悬浮轴承包括至少一个非磁悬浮轴向轴承和至少一个非磁悬浮径向轴承；或者，所述至少一个磁悬浮轴承包括两个磁悬浮径向轴承，所述至少一个非磁悬浮轴承包括至少一个非磁悬浮轴向轴承；

所述磁悬浮径向轴承用于控制处于径向振动状态下的所述转轴。

可选的，所述磁悬浮轴承包括控制器、轴承本体和设置于所述轴承本体上的电磁元件和传感器，所述控制器分别与所述磁轴承和所述传感器电连接。

可选的，所述传感器包括位移传感器、力反馈传感器、速度传感器、加速度传感器中的至少一项。

可选的，所述非磁悬浮轴承包括机械轴承、气悬浮轴承、油膜轴承中的至少一项。

可选的，所述旋转设备包括风机、压缩机、透平机、电机中的至少一项。

本实用新型中，通过在转子系统中既设置磁悬浮轴承，也设置非磁悬浮轴承，这样，在转轴处于平稳运行状态时，仅依靠非磁悬浮轴承进行保持；而在转轴处于振动状态时，启用磁悬浮轴承对转轴进行主动控制，从而实现转子系统在任何工况下均能保持稳定。可见，本实用新型中，利用磁悬浮轴承作为辅助控制轴承，与采用全磁悬浮轴承、全气悬浮轴承或全气磁混合轴承的技术方案相比，不仅可以减小系统的复杂程度，大大节省成本，还能够大大增加系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种转子系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供如下的转子系统，该转子系统包括：

转轴；

转轴上设置有旋转设备、至少一个磁悬浮轴承和至少一个非磁悬浮轴承；

在转轴处于平稳运转状态时，至少一个磁悬浮轴承关闭，转轴依靠至少一个非磁悬浮轴承支承；

在转轴处于振动状态时，至少一个磁悬浮轴承开启，以使转子系统在工况发生变化时保持平稳运转。

本实用新型实施例中，通过在转子系统中既设置磁悬浮轴承，也设置非磁悬浮轴承，这样，在转轴处于平稳运行状态时，仅依靠非磁悬浮轴承进行保持；而在转轴处于振动状态时，启用磁悬浮轴承对转轴进行主动控制，从而实现转子系统在任何工况下均能保持稳定。可见，本实用新型实施例中，利用磁悬浮轴承作为辅助控制轴承，与采用全磁悬浮轴承、全气悬浮轴承或全气磁混合轴承的技术方案相比，不仅可以减小系统的复杂程度，大大节省成本，还能够大大增加系统的稳定性。

常规的转子系统中，为了确保转轴在轴向上的稳定和径向上的稳定，一般均设置有轴向轴承和径向轴承。

因此，上述磁悬浮轴承既可以是轴向轴承，也可以是径向轴承。同样的，上述非磁悬浮轴承既可以是轴向轴承，也可以是径向轴承。可以根据转子系统的工况进行具体选择，例如，可以根据转子系统的动载荷、载荷变化方向、动态外扰动或动态阻尼方向等因素进行选择。

本实用新型实施例中，磁悬浮轴承可包括控制器、磁轴承和设置于磁轴承上的电磁元件和传感器，控制器分别与磁轴承和传感器电连接。

其中，传感器可以是位移传感器，也可以是力反馈传感器(例如轴向力传感器、径向力传感器、压力传感器等等)，还可以是速度传感器、加速度传感器等等。

本实用新型实施例中，非磁悬浮轴承可以是气悬浮轴承，也可以是机械轴承，还可以是油膜轴承等等。

本实用新型实施例中，旋转设备可以为风机、压缩机、透平机、电机中的至少一项。

对于设置有压缩机或透平机等旋转设备的转子系统而言，由于压缩机叶轮或透平机叶轮在高速运转时会在叶轮前后两个面上形成较大的气压差，从而对整个转轴产生较大的轴向力，并可能伴随有喘振现象。

可见，该转子系统的轴向载荷较高，且轴向载荷波动较大；而转子系统的径向载荷相对较均匀稳定，在做好动平衡的前提下，径向轴承上的动载荷往往比较小。因此，该转子系统中可以采用磁悬浮轴向轴承对轴向力进行相应的控制，而径向上则无需采用磁悬浮轴承进行控制。

这时，可以采用如图1所示的转子系统，包括：

转轴6；

转轴6上设置有一个磁悬浮轴向轴承(该轴向轴承包括第一止推盘2和设置于第一止推盘2一侧的磁轴承1，磁轴承1上设置有电磁元件和传感器9)、一个非磁悬浮轴向轴承(该轴向轴承包括第二止推盘3和设置于第二止推盘3两侧的定子4)、两个非磁悬浮径向轴承(即第一径向轴承5和第二径向轴承6)和压缩机8。

转轴6上设置的上述磁悬浮轴向轴承安装于转轴6的远离压缩机8的端部，上述磁悬浮轴向轴承与控制器(图中未示出)电连接，具体的，控制器分别与电磁元件10和传感器9电连接，用于控制处于轴向振动状态下的转轴6。

转轴6在平稳旋转时，主要靠两个非磁悬浮径向轴承和一个非磁悬浮轴向轴承支承，上述磁悬浮轴向轴承可以处于关闭状态。由于转轴6上的压缩机8叶轮在高速运转时会在叶轮前后两个面上形成较大的气压差，从而对整个转子系统产生较大的轴向力，此时可开启磁悬浮轴向轴承，该轴向力会通过非磁悬浮轴向轴承的第二止推盘3传递到磁悬浮轴向轴承的第一止推盘2，并通过第一止推盘2与磁轴承之间的磁性作用力，抵消转轴6上的轴向力，以使转轴6保持平稳运转。

图1所示的实施例中，非磁悬浮径向轴承可以是气悬浮径向轴承，非磁悬浮轴向轴承可以是气悬浮轴向轴承。

当压缩机8叶轮上产生了较大的轴向力时，因为气膜刚度较低，因而可以通过传感器9检测到转轴6的轴向位移或轴向力，从而提供给控制器对磁轴承1上的电流进行反馈控制。由于转轴6承受的径向载荷相对均匀稳定，在做好动平衡的前提下，径向轴承上的动载荷往往比较小，单靠气悬浮径向轴承即可满足转子系统的平稳运行。然而轴向力是由压缩机8叶轮前后表面的压差决定的，随着转速的增加会快速的增大，并且容易由于设计中的管路流道形状、阀门开度、气体介质种类、入口压强流量的变化等因素而引起转轴6在轴向上的周期振动，即喘振。通过对磁轴承1的控制，可以有效的增加轴承抵御轴向外载荷的能力，获得主动阻尼的效果，并根据振动的特性进行较大范围内的优化，从而实现转子系统在各种工况下平稳运转。

通过上述技术方案，整个转子系统中，只需对高速旋转机械设备当中较薄弱的轴向轴承进行加强，气悬浮轴向轴承提供了转子系统轴向支承的刚度，而磁悬浮轴向轴承则提供了抵御外载荷的动态阻尼，利用磁轴承的主动控制特性来抑制喘振。通过气悬浮轴向轴承与磁悬浮轴向轴承的支承方式，可以有效综合两种非接触式轴向轴承的优点，并且只需单路控制磁悬浮轴向轴承。与现有转子系统中采用全磁悬浮轴承或气磁混合轴承的技术方案相比，可以大大节省成本，与现有转子系统中采用全气悬浮轴承的技术方案相比，能够大大增加转子系统的稳定性。

图1中，转轴6上设置的磁悬浮轴向轴承可理解为单向的磁悬浮轴向轴承，即磁悬浮轴向轴承的止推盘的一侧设置磁轴承，该磁悬浮轴向轴承可以控制单向的轴向力。对于单向的磁悬浮轴向轴承，适合设置于转轴6的端部。

除此之外，转轴6上也可以设置双向的磁悬浮轴向轴承，即磁悬浮轴向轴承的止推盘的两侧均设置磁轴承，该磁悬浮轴向轴承可以控制双向的轴向力。转轴6上设置磁悬浮轴向轴承的数量也可以是两个，例如，转轴6的两个端部可以分别设置一个单向的磁悬浮轴向轴承，以实现双向的轴向力控制。

需要说明的是，在某些场合或工况下，径向轴承的动载荷更大，可以考虑采用一个磁悬浮径向轴承，其他轴承采用传统轴承的技术方案。也可以考虑所有的径向轴承都采用磁悬浮轴承，轴向轴承采用气悬浮轴承或机械轴承的情况。重点看哪个方向上的载荷变动更大，更需要进行主动控制。

这样，可以采用以下的转子系统：至少一个磁悬浮轴承包括一个磁悬浮径向轴承，至少一个非磁悬浮轴承包括至少一个非磁悬浮轴向轴承和至少一个非磁悬浮径向轴承。

或者，可以采用以下的转子系统：至少一个磁悬浮轴承包括两个磁悬浮径向轴承，至少一个非磁悬浮轴承包括至少一个非磁悬浮轴向轴承。

上述磁悬浮径向轴承用于控制处于径向振动状态下的转轴。

以上两种转子系统的工作原理与图1示出的转子系统的工作原理相同或相似，并且具有相同或相似的有益效果，为避免重复，对此不作赘述。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种转子系统，其特征在于，包括：

转轴；

所述转轴上设置有旋转设备、至少一个磁悬浮轴承和至少一个非磁悬浮轴承；

在所述转轴处于平稳运转状态时，所述至少一个磁悬浮轴承关闭，所述转轴依靠所述至少一个非磁悬浮轴承支承；

在所述转轴处于振动状态时，所述至少一个磁悬浮轴承开启，以使所述转子系统在工况发生变化时保持平稳运转。

2.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述至少一个磁悬浮轴承包括至少一个磁悬浮轴向轴承，所述至少一个磁悬浮轴向轴承用于控制处于轴向振动状态下的所述转轴；

所述至少一个非磁悬浮轴承包括至少一个非磁悬浮轴向轴承和至少两个非磁悬浮径向轴承。

3.根据权利要求2所述的转子系统，其特征在于，所述磁悬浮轴向轴承为单向的磁悬浮轴向轴承，所述磁悬浮轴向轴承的止推盘的一侧设置有磁轴承。

4.根据权利要求3所述的转子系统，其特征在于，所述至少一个磁悬浮轴向轴承设置于所述转轴的至少一端部。

5.根据权利要求2所述的转子系统，其特征在于，所述磁悬浮轴向轴承为双向的磁悬浮轴向轴承，所述磁悬浮轴向轴承的止推盘的两侧分别设置有磁轴承。

6.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述至少一个磁悬浮轴承包括一个磁悬浮径向轴承，所述至少一个非磁悬浮轴承包括至少一个非磁悬浮轴向轴承和至少一个非磁悬浮径向轴承；或者，所述至少一个磁悬浮轴承包括两个磁悬浮径向轴承，所述至少一个非磁悬浮轴承包括至少一个非磁悬浮轴向轴承；

所述磁悬浮径向轴承用于控制处于径向振动状态下的所述转轴。

7.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述磁悬浮轴承包括控制器、磁轴承和设置于所述磁轴承上的电磁元件和传感器，所述控制器分别与所述电磁元件和所述传感器电连接。

8.根据权利要求7所述的转子系统，其特征在于，所述传感器包括位移传感器、力反馈传感器、速度传感器、加速度传感器中的至少一项。

9.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述非磁悬浮轴承包括机械轴承、气悬浮轴承、油膜轴承中的至少一项。

10.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述旋转设备包括风机、压缩机、透平机、电机中的至少一项。