CN214577383U

CN214577383U - 一种斜向推力轴承式微型燃气轮机

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Publication number: CN214577383U
Application number: CN202022677158.6U
Authority: CN
Inventors: 靳普
Original assignee: Individual
Current assignee: Liu Muhua
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2030-11-18

Abstract

本实用新型公开了一种斜向推力轴承式微型燃气轮机，包括转子系统、电机机匣、燃气轮机机匣和燃烧室，其中，转子系统包括转轴，转轴上依次设置推力轴承、第一径向轴承、电机、压气机、第二径向轴承和透平，转轴和电机之间设有第三轴承；电机机匣罩设于电机的外周；燃气轮机机匣罩设于压气机和透平的外周，且与电机机匣连接；燃烧室与燃气轮机机匣连接；压气机包括闭式叶轮，闭式叶轮外罩设静子，静子上正对前盖的部分均匀开设一圈或多圈气孔。本实用新型的斜向推力轴承式微型燃气轮机，转轴通过两端的轴承支撑，受力均匀，可以避免因转子轴端悬置导致的重量不平衡，运转平稳性好；采用斜向推力结构，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用。

Description

一种斜向推力轴承式微型燃气轮机

技术领域

本实用新型涉及一种斜向推力轴承式微型燃气轮机，属于微型燃气轮机技术领域。

背景技术

在微型燃气轮机发电技术领域，微型燃气轮机发电机组通常是包括同轴安装的发电机和微型燃气轮机。具体地，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，推动透平转动，进而带动发电机发电。由于发电机中的磁性部件和线圈绕组等不耐高温，所以发电机无法安装于转子系统的热端，即透平一侧；现有技术中一般都是将发电机安装于微型燃气轮机的转轴的进气端，即压气机的进气端。为了支撑转轴，会在转轴和定子之间、位于定子的两端部设置径向轴承作为支点；而燃气轮机尾部(即出气端)还有压气机、透平、燃烧室等组件，重量较大，存在以下问题：转轴不能过长，否则会造成尾部向下倾斜、头部上翘，且转子运行不平稳、震动严重等问题。

另外，目前的压气机普遍采用多个径向轴承和推力轴承组成的轴承组，往往需要足够长的转轴来进行安装，带来的问题是压气机轴向尺寸增加，若将该类型的压气机用在微型燃气轮机发电机组等设备中，会增大设备所占用的空间，同时增加整体重量，不利于集成化设计；且布置多个轴承所带来的加工及装配误差会增大，加工及装配难度高。

发明内容

针对上述现有技术，本实用新型提供了一种斜向推力轴承式微型燃气轮机。本实用新型的斜向推力轴承式微型燃气轮机，将两支点分置于转轴两端，使转轴平衡性更好，转子系统运行稳定性好；采用斜向推力结构，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种斜向推力轴承式微型燃气轮机，包括转子系统、电机机匣、燃气轮机机匣和燃烧室，其中，所述转子系统包括转轴，转轴上依次设置推力轴承、第一径向轴承、电机、压气机、第二径向轴承和透平；所述电机机匣罩设于电机的外周；所述燃气轮机机匣罩设于压气机和透平的外周，且与电机机匣连接；所述燃烧室与燃气轮机机匣连接，且燃烧室的进气口与压气机的排气口连接，燃烧室的排气口与透平的进气口连接；

所述压气机的结构为：包括闭式叶轮，闭式叶轮套设在转轴上；所述闭式叶轮外罩设静子(即第三轴承)，静子上正对前盖的部分均匀开设一圈或多圈气孔，该处进气后可分解为轴向和径向的气流，径向气流将使叶轮悬浮于静子内稳定转动，轴向气流将叶轮向后推，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用；

所述闭式叶轮的具体结构为：包括后盖、叶片、套体和前盖，其中，后盖设置在套体尾端，且后盖与套体中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴上；叶片环绕套体设置且朝同一方向旋转，叶片的一端与套体外壁连接，另一端与后盖端面连接；前盖罩设于叶片上，前盖呈圆台环状；前盖的进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片、后盖和前盖之间形成流道；前盖尾部和后盖之间由叶片隔成间隔的出风口，气体由叶片前部经流道从出风口流出。

进一步的，所述后盖、叶片和套体一体成型。

进一步的，所述叶片外缘在轴向上凸出于后盖端面。

进一步的，所述叶片包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置。所述前盖凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置。

进一步的，所述前盖的前沿凸出于叶片前沿，或平于叶片前沿，或短于叶片前沿。

进一步的，所述前盖由碳纤维复合材料制成。

进一步地，所述压气机的排气口与燃烧室的进气口之间设置有扩压器，以进一步提高进入透平做功的高温高压气体的压力。

进一步地，所述压气机和透平之间设置有加强环，第二径向轴承套设在加强环上，加强环依靠气膜支撑于第二径向轴承内。设置加强环的作用是：满足对转子刚度的要求(转子系统高速旋转过程中，对转轴的强度有很高的要求)，同时加强环可作为第二径向轴承的安装轴。

进一步地，所述转轴包括一体成型的第一轴段和第二轴段，第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段和第二轴段的过渡处形成有台阶面。

进一步地，所述推力轴承、第一径向轴承、电机设置于第一轴段上；压气机、第二径向轴承和透平设置于第二轴段上；压气机的一端与台阶面抵接。

进一步地，所述第一轴段靠进气端设置两个同轴的推力盘。

进一步地，所述第二轴段的轴径可以设置的较细(出于转子动力学性能方面的考虑，转轴的重量越轻越好，而转轴的直径越小则重量越轻)。

进一步地，所述第一径向轴承、第二径向轴承和第三轴承为空气轴承。空气轴承为动压轴承、静压轴承或动静压混合轴承。

本实用新型的斜向推力轴承式微型燃气轮机，转轴通过两端的轴承支撑(即第一径向轴承和第二径向轴承)，受力均匀，可以避免因转子轴端悬置导致的重量不平衡，运转平稳性好，且转轴的轴向方向上尺寸可调范围较大。

本实用新型的斜向推力轴承式微型燃气轮机，所有的轴承全部设置在电机机匣内，这样只需保证该机匣内用于设置轴承定子的部位的加工精度即可，在装配时该机匣内用于连接轴承定子的部位通过一次装卡加工即可完成，可见，本实用新型降低了燃气轮机发电机组的加工精度和装配精度，降低了成本，适合工程化批量生产。

本实用新型的压气机，设有斜向推力结构，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用(从气孔内向静子和叶轮之间的间隙内通入气体，使间隙内形成均匀稳定的气膜，使叶轮在静子内稳定旋转，从而起到空气轴承的作用)。静子兼做推力轴承，配合转轴上设置的第一径向轴承、第二径向轴承，相当于有多个径向轴承支撑，整体振动小，运行稳定。本实用新型的压气机，采用闭式叶轮结构，设置可拆卸的前盖，前盖呈圆台环状，进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，工作时摩擦损失小，流动阻力小，效率高；工作时前盖与叶片之间紧密咬合，气体由叶片前部经流道从出风口流出，气体泄露极少。前盖可由碳纤维复合材料制成，叶轮整体质量轻且具有高强度，转动时叶片(金属材质)会膨胀，而前盖不膨胀，因此随着转动的增快、时间的增长，叶片和前盖的凹槽之间的咬合会越来越紧(设置静子作为空气轴承，其进气也会施加在前盖上，进一步防止叶片和前盖的凹槽分离)，适合高速旋转工况。设有分流叶片，既可以减少进口气流的堵塞，又可以提高叶轮出口的滑移系数，不仅使叶轮效率提高，而且由于改善了叶轮出口的流场，从而可以提高压气机的整机效率。

本实用新型使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本实用新型所表述的含义为准。

附图说明

图1：为本实用新型的斜向推力轴承式微型燃气轮机的结构示意图。

图2为图1中的A位置局部放大图。

图3为图1中的B位置局部放大图。

图4：静子兼做空气轴承的斜向推力结构示意图。

图5：本发明的闭式叶轮的结构示意图。

图6：后盖、叶片和套体的结构示意图。

图7：图6的主视图。

图8：图6的侧视图。

图9：图8中A-A位置的剖视图。

其中，100-转轴，110-第一轴段，120-第二轴段，130-台阶面，200-推力轴承，300-电机，400-第二径向轴承，500-压气机，600-透平，700-加强环，810-电机机匣，820-燃气轮机机匣，830-燃烧室，840-扩压器，900-第一径向轴承，910-第三轴承，911-阻尼，2-叶轮，201-后盖，202-叶片，203-套体，204-前盖，205-流道，206-出风口，3-气孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的说明。然而，本实用新型的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本实用新型的精神和范围的前提下，可以对本实用新型进行各种变化和修饰。

实施例1斜向推力轴承式微型燃气轮机

一种斜向推力轴承式微型燃气轮机，包括转子系统、电机机匣810、燃气轮机机匣820和燃烧室830，如图1、图2、图3所示。

转子系统包括转轴100，转轴100包括一体成型的第一轴段110和第二轴段120，第一轴段110的直径大于第二轴段120的直径，第一轴段110和第二轴段120的过渡处形成有台阶面130；第一轴段110上依次设置推力轴承200、第一径向轴承900和电机300；第二轴段120上依次设置压气机500、第二径向轴承400和透平600；压气机500的一端与台阶面130抵接。

电机机匣810罩设于电机300的外周。燃气轮机机匣820罩设于压气机500和透平600的外周，且与电机机匣810连接。燃烧室830与燃气轮机机匣820连接，且燃烧室830的进气口与压气机500的排气口连接，燃烧室830的排气口与透平600的进气口连接。

所述压气机的结构为：包括闭式叶轮，闭式叶轮套设在转轴上；所述闭式叶轮外罩设静子(即第三轴承910)，如图4所示，静子上正对前盖204的部分均匀开设一圈或多圈气孔3，该处进气后可分解为轴向和径向的气流，径向气流将使叶轮悬浮于静子内稳定转动，轴向气流将叶轮向后推，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用。

所述闭式叶轮的结构为：包括后盖201、叶片202、套体203和前盖204，如图5～9所示，其中，后盖201设置在套体203尾端，且后盖201与套体203中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴100上；叶片202环绕套体203设置且朝同一方向旋转，叶片202的一端与套体203外壁连接，另一端与后盖201端面连接；前盖204罩设于叶片202上，前盖204呈圆台环状；前盖204的进气面为沿叶片202脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片202端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片202端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片202、后盖201和前盖204之间形成流道205；前盖204尾部和后盖201之间由叶片202隔成间隔的出风口206，气体由叶片202前部经流道205从出风口206流出。

所述后盖201、叶片202和套体203一体成型，如图6～9所示。

所述叶片202外缘在轴向上凸出于后盖201端面。

所述叶片202包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置。所述前盖204凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置。

所述前盖204的前沿凸出于叶片202前沿，或平于叶片202前沿，或短于叶片202前沿。

所述前盖204由碳纤维复合材料制成。

所述压气机500的排气口与燃烧室830的进气口之间设置有扩压器840，以进一步提高进入透平600做功的高温高压气体的压力。

为了同时考虑转子动力学特性和转轴的强度(出于转子动力学性能方面的考虑，转轴的重量越轻越好，而转轴的直径越小则重量越轻；但是在转子系统高速旋转过程中，对转轴的强度又有很高的要求)，可将第二轴段120的轴径设置的较细，同时在压气机500和透平600之间固定安装一加强环700，以满足其对转子刚度的要求，同时加强环700可作为第二径向轴承400的安装轴。

所述第一轴段110靠进气端设置两个同轴的推力盘。

所述第一径向轴承900和第二径向轴承400为空气轴承，空气轴承为动压轴承、静压轴承或动静压混合轴承。

上述斜向推力轴承式微型燃气轮机，转轴通过两端的轴承支撑(即第一径向轴承和第二径向轴承)，受力均匀，可以避免因转子轴端悬置导致的重量不平衡，运转平稳性好，且转轴的轴向方向上尺寸可调范围较大。

上述斜向推力轴承式微型燃气轮机，所有的轴承全部设置在电机机匣内，这样只需保证该机匣内用于设置轴承定子的部位的加工精度即可，在装配时该机匣内用于连接轴承定子的部位通过一次装卡加工即可完成，降低了燃气轮机发电机组的加工精度和装配精度，降低了成本，适合工程化批量生产。

上述压气机，设有斜向推力结构，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用(从气孔内向静子和叶轮之间的间隙内通入气体，使间隙内形成均匀稳定的气膜，使叶轮在静子内稳定旋转，从而起到空气轴承的作用)。静子兼做推力轴承，相当于有多个径向轴承支撑，整体振动小，运行稳定。

上述闭式叶轮，设置可拆卸的前盖，前盖呈圆台环状，进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，工作时摩擦损失小，流动阻力小，效率高；工作时前盖与叶片之间紧密咬合，气体由叶片前部经流道从出风口流出，气体泄露极少。前盖由碳纤维复合材料制成，叶轮整体质量轻且具有高强度，转动时叶片(金属材质)会膨胀，而前盖不膨胀，因此随着转动的增快、时间的增长，叶片和前盖的凹槽之间的咬合会越来越紧，适合高速旋转工况。设有分流叶片，既可以减少进口气流的堵塞，又可以提高叶轮出口的滑移系数，不仅使叶轮效率提高，而且由于改善了叶轮出口的流场，从而可以提高压气机的整机效率。

给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：包括转子系统、电机机匣、燃气轮机机匣和燃烧室，其中，所述转子系统包括转轴，转轴上依次设置推力轴承、第一径向轴承、电机、压气机、第二径向轴承和透平；所述电机机匣罩设于电机的外周；所述燃气轮机机匣罩设于压气机和透平的外周，且与电机机匣连接；所述燃烧室与燃气轮机机匣连接，且燃烧室的进气口与压气机的排气口连接，燃烧室的排气口与透平的进气口连接；

所述压气机的结构为：包括闭式叶轮，闭式叶轮套设在转轴上；所述闭式叶轮外罩设静子，静子上正对前盖的部分均匀开设一圈或多圈气孔；

所述闭式叶轮的具体结构为：包括后盖、叶片、套体和前盖，其中，后盖设置在套体尾端，且后盖与套体中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴上；叶片环绕套体设置且朝同一方向旋转，叶片的一端与套体外壁连接，另一端与后盖端面连接；前盖罩设于叶片上，前盖呈圆台环状；前盖的进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片、后盖和前盖之间形成流道；前盖尾部和后盖之间由叶片隔成间隔的出风口。

2.根据权利要求1所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述后盖、叶片和套体一体成型；

或/和：所述叶片外缘在轴向上凸出于后盖端面。

3.根据权利要求1所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述叶片包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置；所述前盖凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置。

4.根据权利要求1所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述前盖的前沿凸出于叶片前沿，或平于叶片前沿，或短于叶片前沿。

5.根据权利要求1所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述压气机的排气口与燃烧室的进气口之间设置有扩压器。

6.根据权利要求1所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述压气机和透平之间设置有加强环，第二径向轴承套设在加强环上，加强环依靠气膜支撑于第二径向轴承内。

7.根据权利要求1所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述转轴包括一体成型的第一轴段和第二轴段，第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段和第二轴段的过渡处形成有台阶面。

8.根据权利要求7所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述推力轴承、第一径向轴承、电机设置于第一轴段上；压气机、第二径向轴承和透平设置于第二轴段上；压气机的一端与台阶面抵接。

9.根据权利要求7所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述第一轴段靠进气端设置两个同轴的推力盘。

10.根据权利要求1所述的斜向推力轴承式微型燃气轮机，其特征在于：所述第一径向轴承、第二径向轴承为空气轴承。