CN211474265U - 一种转子系统及微型燃气轮机发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种转子系统，包括:转轴、依次设置于所述转轴上的第一径向轴承、电机、第二径向轴承、压气机以及透平；其中，所述电机包括电机定子和电机转子，所述电机定子安装于所述转轴设置的电机安装部上，所述电机转子安装于所述电机安装部上设置的转子铁芯安装腔内；所述第一径向轴承以及第二径向轴承均为磁悬浮轴承。本系统采用磁轴承对转轴进行支撑，并通对转子系统中部件的合理布局，提高了整个转子系统的稳定性和可靠性，同时又不影响磁轴承的安全性能和使用寿命。

Description

一种转子系统及微型燃气轮机发电机组

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及微型燃气轮机发电机组。

背景技术

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械以及回热循环。微型燃气轮机主要包括压气机、燃烧室及透平三大部件。空气进入压气机后被压缩成高温高压的空气，然后供给燃烧室与燃料混合燃烧，其产生的高温高压燃气在透平中膨胀做功。在微型燃气轮机的转子系统中需要安装径向轴承和推力轴承以在径向方向和轴向方向上稳定地支撑转轴。

现有技术中，通常采用的径向轴承和推力轴承均为普通的接触式轴承，随着转子转速的提高，尤其是转子转速每分钟超过40000转时，普通的接触式轴承由于存在较大的机械磨损，已不能满足工作转速的需求；因此，出现了非接触式轴承。

非接触式轴承一般包括磁悬浮轴承和气悬浮轴承。但是气悬浮轴承存在一定的缺点：承载能力低，可靠性差，制造工艺要求高，造价昂贵，工作条件苛刻，且容易出现气锤振动及涡动不稳定、卡滞、抱轴或咬死等问题；由于气膜薄，对零件制造的精度要求较高，提高了造价，需要较高的清洁度的工作环境。而在微型微型燃气轮机中，磁轴承的使用也受到一定的限制，因为现有的常规结构通常是将轴承安装于压气机和透平之间，但是对于磁轴承来说，压气机和透平之间属于转子系统的热端，温度高，不适合磁轴承的长期运行和工作，且高温环境对磁轴承的性能和安全有很大的影响。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种转子系统及微型燃气轮机发电机组，其采用磁轴承对转轴进行支撑，并通对转子系统中部件的合理布局，提高了整个转子系统的稳定性和可靠性，同时又不影响磁轴承的安全性能和使用寿命。

本实用新型的技术方案如下：

根据本实用新型的一个方面，提供一种转子系统，包括:

转轴、依次设置于所述转轴上的第一径向轴承、电机、第二径向轴承、压气机以及透平；

其中，所述电机包括电机定子和电机转子，所述电机定子安装于所述转轴设置的电机安装部上，所述电机转子安装于所述电机安装部上设置的转子铁芯安装腔内；

所述第一径向轴承以及第二径向轴承均为磁悬浮轴承。

进一步的，所述第一径向轴承包括套设并固定于所述转轴设置的第一安装部上的第一磁性部件、套设于所述第一磁性部件并与所述第一磁性部件保持一定间隙的第一轴承本体，所述第一安装部的直径小于转轴的直径；

和/或，所述第二径向轴承包括套设并固定于所述转轴设置的第二安装部上的第二磁性部件、套设于所述第二磁性部件并与所述第二磁性部件保持一定间隙的第二轴承本体，所述第二安装部的直径小于转轴的直径。

进一步的，所述第一磁性部件和/或所述第二磁性部件由多个环形硅钢片叠置而成。

进一步的，所述转子系统还包括有设置于所述转轴上的磁悬浮推力轴承，所述磁悬浮推力轴承位于所述第一径向轴承的远离所述电机的一端。

进一步的，所述磁悬浮推力轴承包括安装于转轴一端的推力盘以及设置于推力盘两侧并与推力盘保持一定间隙安装的第三磁性部件和第四磁性部件；

其中，所述第三磁性部件与所述推力盘相对安装，所述第四磁性部件套设于所述转轴。

进一步的，所述转子系统还包括有设置于所述转轴上的气体推力轴承，所述气体推力轴承位于所述第一径向轴承的远离所述电机的一端；

所述气体推力轴承包括安装于所述转轴一端的第一轴向支撑件以及安装于所述转轴上的第二轴向支撑件。

所述转子系统停机时，所述第一轴向支撑件与第二轴向支撑件接触，所述转子启动使所述转轴加速到一定转速后，所述第一轴向支撑件与第二轴向支撑件之间形成在轴向上支撑转子系统的压力气膜。

进一步的，所述第一轴向支撑件朝向所述第二轴向支撑件的端面或所述第二轴向支撑件朝向所述第一轴向支撑件的端面设置动压发生槽。

进一步的，所述电机定子上设置有轴向贯穿所述电机定子的多个进气道；

其中，所述电机定子包括定子铁芯和定子绕组；

所述定子铁芯呈圆柱体状，且在圆柱体的中心位置形成有供所述转轴安装的通孔；

所述定子铁芯的外径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体的周向均布的多个外线槽，所述定子铁芯的内径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体周向均布的多个内线槽；

所述定子绕组沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽和内线槽内，且在内线槽内形成所述进气道。

进一步的，所述第一径向轴承和第二径向轴承均包括轴承本体和轴承绕组，轴承本体和轴承绕组形成有纵向贯穿所述轴承本体的多个进气道。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种微型燃气轮机发电机组，包括上述的转子系统。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型的转子系统采用磁悬浮轴承进行支撑，转子系统可以达到很高的运转速度，同时具有机械磨损小、能耗低、噪音小、寿命长、无需润滑、无油污的优点。

2、本实用新型的转子系统通过合理的布局轴承、电机、压气机和透平的位置，使得整个人转子系统的重心位于转轴的中间位置，提高了整个转子系统的稳定性。

3、本实用新型的转子系统中磁悬浮轴承和电机的绕线方式采用了背绕线的方式，使得电机、轴承不会阻挡压气机的进气，且进气从磁悬浮轴承和电机的定子和转子之间通过，即简化了转子系统的结构，缩小了转子系统的体积，同时进气能过对磁悬浮轴承和电机的绕组线圈进行冷却，提高了轴承和电机的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的转子系统结构图。

图2为本实用新型的磁悬浮推力轴承结构图。

图3为本实用新型的气体推力轴承结构图。

图4为本实用新型的电机结构图。

图5为本实用新型的电机的半剖图。

图6为本实用新型的电机定子铁芯结构图。

图7为本实用新型的硅钢片结构图。

图8为本实用新型的端面线槽结构图。

图9为本实用新型的径向轴承进气道结构图。

具体实施方式

为了更好的了解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本实用新型作进一步说明。

根据本实用新型的一个方面，本实施例提供一种转子系统。

如图1所示，其包括：

转轴100，转轴100上依次设置有第一轴承安装部110、电机安装部120、第二轴承安装部130、压气机安装部140及透平安装部150，其中第一轴承安装部110、第二轴承安装部130的直径小于转轴100的直径，电机安装部110设置有转子铁芯安装腔160；

第一径向轴承200，其为磁悬浮轴承，安装于所述第一轴承安装部110；

第二径向轴承300，其为磁悬浮轴承，安装于所述第二轴承安装部130；

电机400，其包括电机定子410和电机转子420，所述电机定子410安装于所述电机安装部120上，所述电机转子420安装于所述转子铁芯安装腔160内；

压气机500，其安装于所述压气机安装部140；

透平600，其安装于所述透平安装部150。

上述转子系统通过合理布局，使得整个转子系统的重心落在转轴100的中间位置，有利于提高转子系统的稳定性，而第一径向轴承200和第二径向轴承300设置在转子系统的冷端，有利于提高磁悬浮轴承的性能和使用寿命。

作为本实用新型的一种优选方案，具体地，所述第一径向轴承200包括套设并固定安装于所述第一安装部110的第一磁性部件210和套设于所述第一磁性部件210并与所述第一磁性部件210保持一定间隙的第一轴承本体220；所述第一磁性部件210由多个环形硅钢片叠置而成。

作为本实用新型的一种优选方案，具体地，所述第二径向轴承300包括套设并固定安装于所述第二安装部130的第二磁性部件310和套设于所述第二磁性部件310并与所述第二磁性部件310保持一定间隙的第二轴承本体320；所述第二磁性部件310由多个环形硅钢片叠置而成。

作为本实用新型的一种优选方案，本实用新型的转子系统还可以设置有磁悬浮推力轴承700，其设置于所述转轴100，并位于所述第一径向轴承200的远离所述电机400的一端，即磁悬浮推力轴承700设置于所述转子系统的冷端，以防止磁悬浮推力轴承700受热老化。

如图2所示，为磁悬浮推力轴承700的具体结构。其包括固定安装于转轴100一端的推力盘710以及设置于推力盘710两侧并与推力盘710保持一定间隙安装的第三磁性部件720和第四磁性部件730，第三磁性部件720与推力盘710相对安装，第四磁性部件730套设于转轴100。

具体地，第三磁性部件720和第四磁性部件730可以为永磁体，或者为电磁元件，其只要满足转子系统轴向力的支撑需求即可。

当所述转子系统工作过程中，所述转轴100在轴向上受到外负载的推力时，所述推力轴承700的设置可以有效地对所述转轴100进行轴向的支撑，提高转子系统的稳定性。

如图3所示，在本实用新型的转子系统中，上述磁悬浮推力轴承700的设置并非必须的，当整个转子系统运转过程中受到的轴向力不大的情况下，可以选用简易的气体轴承来替代磁悬浮轴承，即在转子系统的冷端设置第一轴向支撑件740和第二轴向支撑件750，转子系统停机阶段第一轴向支撑件740与第二轴向支撑件750接触，在转子系统启动后，转轴100启动旋转并逐渐加速，在加速到一定转速后，第一轴向支撑件740和第二轴向支撑件750之间形成压力气膜，压力气膜在轴向上支撑转子系统，形成类似于空气轴承的支撑。优选地，为了提高支撑能力，可以在轴向第一支撑件740朝向轴向第二支撑件750的一端面或者轴向第二支撑件750朝向轴向第一支撑件740的端面设置动压发生槽。动压发生槽的形状可以为现有技术中经常采用的人字槽或者八字槽等。

作为本实用新型的一种优选方案，电机400采用背绕线电机。

如图4所示，电机400包括：电机定子410、电机转子420(该图中未示出)、电机壳体430，电机定子410套设于转轴100，并且与转轴100在径向上保持一定的间隙，电机壳体430罩设于所述电机定子410的外周，所述电机定子410上设置有轴向贯穿所述电机定子410的多个进气道440。

由于设置有进气道440，当本电机用到转子系统及微型燃气轮机发电机组中时，压气机500的进气则可通过所述进气道440进入压气机500，使得压气机500的进气更为充分，同时，通过进气道440的常温空气能过对电机定子410起到一定的冷却作用。

具体地，上述进气道440的形成可通过以下结构和绕线方式来实现。参见图5，为电机的半剖图；及图6，电机定子铁芯411的结构图。

电机定子410包括定子铁芯411和定子绕组412，定子铁芯411呈圆柱体状，且在圆柱体的中心位置形成有供转轴100安装的通孔4111；所述定子铁芯411的外径侧形成有沿圆柱体的轴向和径向外侧延伸、沿圆柱体的周向均布的多个第一绕组隔板4112，所述定子铁芯411的内径侧形成有沿圆柱体的轴向和径向内侧延伸、沿圆柱体的周向均布的多个第二绕组隔板4113，所述第二绕组隔板4113靠近圆柱体圆心的一端形成所述通孔4111。第一绕组隔板4112与第二绕组隔板4113在圆柱体的外径侧和内径侧相对设置，相邻的两个第一绕组隔板4112和圆柱体的外周面形成外线槽4114，相邻的第二绕组隔板4113和圆柱体的内周面形成内线槽4115，定子绕组412沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽4114和内线槽4115内，所述定子绕组412和相邻的两个第二绕组隔板4113构成进气道440。

可选地，所述定子铁芯411由多个形状完全相同的硅钢片4116沿圆柱体的轴向方向叠加压制而成，硅钢片结构如图7所示。

通过上述定子铁芯411结构的设置，使得定子绕组412能够缠绕于定子铁芯411的外线槽4114和内线槽4115内，同时在内线槽4115内布完定子绕组后，仍形成有进气道440。因此，本结构中电机400的定子绕组412大部分位于线槽内，且在定子铁芯411的两端只有很少的定子绕组漏出。而常规的电机采用常规的绕线方式，整个绕组位于定子铁芯的内侧，因定子铁芯内侧的空间有限，很难形成规则的进气道，即便形成进气道，其进气道也很狭窄，不利于气体的通过，并且在定子铁芯的两端会形成有蘑菇状的绕组。两者相比，本结构的电机400在轴向上长度缩短，整体体积减少。因此，本结构的电机400用于转子系统时，可大幅缩短整个转子系统的轴向长度，提高转子系统的运转平稳性。同时，本结构的电机400在电机定子410上形成有供空气或者冷却空气通过的进气道440，这样既有利于电机定子410和转轴100的散热，同时当该电机400用在压气机或者其他需要进气的设备前端时，不会阻挡后端设备的进气，也不会增加转子系统的轴向长度。

可选地，如图8所示，上述定子铁芯411的结构还可以进一步优化，即在定子铁芯411的两端对应外线槽4114和内线槽4115的位置设置端面线槽4117，这样可以将整个绕组设置于线槽内，使得电机400的整体布线更加整洁干净。

可选地，定子铁芯411的表面涂有绝缘层或者涂刷有绝缘漆。

可选地，所述第一绕组隔板4112和所述第二绕组隔板4113设置为10个、16个、18个、24个等。

可选地，为了便于电机定子410、以及转轴100的散热以及进气道440的进气，本结构的电机400可以不设置左右端盖，或者设置左右端盖，但是在左右端盖上设置网状气孔。

作为本实用新型的一种优选方案，如图9所示，第一径向轴承200、第二径向轴承300也可以参照电机400的结构采用背绕线的方式绕制其绕组。具体结构和电机的结构类似，以第一径向轴承200为例；其包括轴承本体220、轴承绕组230，轴承本体220和轴承绕组230形成有进气道240，进气道240可用于通过压气机500的进气，由于其结构和电机400类似，在此不在累述；第二径向轴承300也可具有相同的结构。

本实用新型还提供一种使用该转子系统的微型燃气轮机发电机组。本实用新型的微型燃气轮机发电机组转速高，同时其使用寿命长，运转平稳性好，结构紧凑，散热性好。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims (10)

1.一种转子系统，其特征在于，包括:

转轴、依次设置于所述转轴上的第一径向轴承、电机、第二径向轴承、压气机以及透平；

其中，所述电机包括电机定子和电机转子，所述电机定子安装于所述转轴设置的电机安装部上，所述电机转子安装于所述电机安装部上设置的转子铁芯安装腔内；

所述第一径向轴承以及第二径向轴承均为磁悬浮轴承。

2.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述第一径向轴承包括套设并固定于所述转轴设置的第一安装部上的第一磁性部件、套设于所述第一磁性部件并与所述第一磁性部件保持一定间隙的第一轴承本体，所述第一安装部的直径小于转轴的直径；

和/或，所述第二径向轴承包括套设并固定于所述转轴设置的第二安装部上的第二磁性部件、套设于所述第二磁性部件并与所述第二磁性部件保持一定间隙的第二轴承本体，所述第二安装部的直径小于转轴的直径。

3.根据权利要求2所述的转子系统，其特征在于，所述第一磁性部件和/或所述第二磁性部件由多个环形硅钢片叠置而成。

4.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述转子系统还包括有设置于所述转轴上的磁悬浮推力轴承，所述磁悬浮推力轴承位于所述第一径向轴承的远离所述电机的一端。

5.根据权利要求4所述的转子系统，其特征在于，所述磁悬浮推力轴承包括安装于转轴一端的推力盘以及设置于推力盘两侧并与推力盘保持一定间隙安装的第三磁性部件和第四磁性部件；

其中，所述第三磁性部件与所述推力盘相对安装，所述第四磁性部件套设于所述转轴。

6.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述转子系统还包括有设置于所述转轴上的气体推力轴承，所述气体推力轴承位于所述第一径向轴承的远离所述电机的一端；

所述气体推力轴承包括安装于所述转轴一端的第一轴向支撑件以及安装于所述转轴上的第二轴向支撑件。

7.根据权利要求6所述的转子系统，其特征在于，所述第一轴向支撑件朝向所述第二轴向支撑件的端面或所述第二轴向支撑件朝向所述第一轴向支撑件的端面设置动压发生槽。

8.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述电机定子上设置有轴向贯穿所述电机定子的多个进气道；

其中，所述电机定子包括定子铁芯和定子绕组；

所述定子铁芯呈圆柱体状，且在圆柱体的中心位置形成有供所述转轴安装的通孔；

所述定子铁芯的外径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体的周向均布的多个外线槽，所述定子铁芯的内径侧形成有沿圆柱体的轴向延伸、沿圆柱体周向均布的多个内线槽；

所述定子绕组沿圆柱体的轴向缠绕于所述外线槽和内线槽内，且在内线槽内形成所述进气道。

9.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述第一径向轴承和第二径向轴承均包括轴承本体和轴承绕组，轴承本体和轴承绕组形成有纵向贯穿所述轴承本体的多个进气道。

10.一种微型燃气轮机发电机组，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的转子系统。

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