转子系统及燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及一种转子系统及燃气轮机，属于热机技术领域。

背景技术：

2.燃气轮机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机，其主要包括压气机、燃烧室、涡轮三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机(和外负荷转子)高速旋转，可实现气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功和热能，并可通过连接发电机输出电能。
3.转子系统是燃气轮机的核心支撑系统。当转轴开始转动时，转轴上会产生推动转轴沿轴向方向移动的轴向推力，因此需要设置推力轴承平衡该轴向推力。采用空气轴承作为推力轴承具有摩擦系数和摩擦力矩小、运动精度高等优点，但在启停阶段，转轴处于不稳定转动状态，推力盘会发生倾斜偏移，与推力空气轴承发生摩擦或碰撞，容易引起转子系统结构的损坏与转子系统寿命的缩短。

技术实现要素：

4.针对上述现有技术，本发明提供了一种转子系统，本发明通过设置磁轴承组件，在转轴处于不稳定的转动状态时，可避免推力盘与推力空气轴承发生摩擦和碰撞。本发明还提供了包括该转子系统的燃气轮机。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.第一方面，本技术提供了一种转子系统，该转子系统包括转轴、推力空气轴承及磁轴承组件。转轴上设有推力盘，转轴的一端设有头锥，推力盘指向头锥的方向与最大工况下转轴的轴向推力方向相同；推力空气轴承套设在推力盘外；磁轴承组件包括第一磁体盘、第二磁体盘和转动永磁体；转动永磁体固定安装在头锥上；第一磁体盘与第二磁体盘固定安装在定子上且分别设置在头锥的两侧，其中，第一磁体盘间隔设置在头锥远离推力空气轴承的一侧，第二磁体盘间隔设置在头锥靠近推力空气轴承的一侧；第一磁体盘与第二磁体盘的其中一个上设置有固定永磁体，另一个上设置有电磁铁。
7.进一步地，所述第一磁体盘上设置有固定永磁体，固定永磁体与转动永磁体之间的作用力为排斥力；或：所述第二磁体盘上设置有固定永磁体，固定永磁体与转动永磁体之间为吸引力。
8.进一步地，所述设置有固定永磁体的第一磁体盘或第二磁体盘包括支撑体，支撑体固定安装在定子上，支撑体上开设有第一安装槽，第一安装槽内安装有固定永磁体。
9.进一步地，电磁铁包括环形的铁心和线圈，铁心固定安装在定子上，铁心的侧面开设有第二安装槽，绝缘骨架安装在第二安装槽内；绝缘骨架的外圈表面开设有环形的第三安装槽，线圈缠绕在第三安装槽内，线圈与电源电连接。
10.进一步地，头锥上开设有第四安装槽，转动永磁体安装在第四安装槽内，第四安装槽的槽口处设置有挡板，挡板通过紧固件固定连接于头锥。
11.进一步地，所述第一磁体盘上设置有气孔，气孔的进气口与气源连通，气孔的出气口与第一磁体盘和头锥之间的间隙连通。
12.进一步地，气孔的进气口与压气机的出气口连通。
13.进一步地，所述气孔的个数是一个、两个或三个以上；当气孔的个数为一个时，气孔开设在第一磁体盘的径向中心区域；当气孔的个数为两个时，两个气孔沿第一磁体盘的轴心对称设置；当气孔的个数为三个以上时，三个以上的气孔沿第一磁体盘的轴心周向阵列设置。
14.进一步地，所述转子系统还包括位移传感器和控制器，位移传感器与控制器电连接，控制器与电源电连接，位移传感器设置在头锥、第一磁体盘或第二磁体盘上，位移传感器用于检测头锥在第一磁体盘与第二磁体盘之间的位置，并将获得的位置信号实时发送至控制器，控制器用于根据收到的位置信号控制调整电源的电流大小和方向，以使头锥移动到预定位置。
15.第二方面，本技术还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括第一方面任一实施例中所述的转子系统。
16.本发明的转子系统通过在头锥上设置磁轴承组件，在转轴启停时可控制转轴的轴向位置，从而可减少推力盘与推力空气轴承之间摩擦和碰撞情况的发生，进而降低润滑要求，延长转子系统的使用寿命。本发明还在磁轴承组件上开设气孔，一方面可辅助推力空气轴承平衡转轴的轴向力，另一方面还可对磁轴承组件进行冷却。
17.本发明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，以本发明所表述的含义为准。
附图说明
18.图1：转子系统的结构示意图。
19.图2：图1中a处的放大示意图。
20.图3：燃气轮机的结构示意图。
21.其中，1、转轴；2、推力盘；3、推力空气轴承；4、头锥；5、第一磁体盘；6、第二磁体盘；7、电磁铁；8、转动永磁体；9、固定永磁体；10、支撑体；11、第一安装槽；12、固定孔；13、第四安装槽；14、挡板；15、铁心；16、绝缘骨架；17、线圈；18、第三安装槽；19、位移传感器；20、气孔；21、压气机；22、涡轮；23、径向轴承；s：南极；n：北极。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域技术人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
23.如图1、图2与图3所示，本技术提供了一种转子系统，该转子系统包括转轴1、推力空气轴承3及磁轴承组件。转轴1上设有推力盘2，转轴1的一端设有头锥4，推力盘2指向头锥4的方向与最大工况下转轴1的轴向推力方向相同。推力空气轴承3套设在推力盘2外。磁轴
承组件包括第一磁体盘5、第二磁体盘6和转动永磁体8；转动永磁体8固定安装在头锥4上；第一磁体盘5与第二磁体盘6固定安装在定子上且分别设置在头锥4的两侧，其中，第一磁体盘5间隔设置在头锥4远离推力空气轴承3的一侧，第二磁体盘6间隔设置在头锥4靠近推力空气轴承3的一侧；第一磁体盘5与第二磁体盘6的其中一个上设置有固定永磁体9，另一个上设置有电磁铁7。
24.具体地，第一磁体盘5与第二磁体盘6的其中一个上设置有固定永磁体9，另一个上设置有电磁铁7，是指：当固定永磁体9设置在第一磁体盘5上时，电磁铁7设置在第二磁体盘6；当固定永磁体9设置在第二磁体盘6上时，电磁铁7设置在第一磁体盘5上。
25.在上述实现过程中，在转子系统启动之前或同时，将电磁铁7接通电源。通过控制接通的电源的电流方向，使电磁铁7靠近转动永磁体8的磁极与固体永磁体靠近转动永磁体8的磁极相反，一个为南极，另一个则为北极，即可使得电磁铁7与转动永磁体8之间的作用力和固定永磁体9与转动永磁体8之间的作用力相同，即同为吸引力或同为排斥力。通过控制接通的电源的电流大小，使得电磁铁7与转动永磁体8之间的作用力和固定永磁体9与转动永磁体8之间的作用力达到平衡，并将头锥4控制在第一磁体盘5与第二磁体盘6之间的预定位置，从而达到控制转轴1轴向位置的目的，防止推力盘2与推力空气轴承3之间发生碰撞摩擦，保护转子系统的结构，延长其使用寿命。当推力空气轴承3逐渐稳定支撑转轴1后，便可逐渐将电磁铁7的电流调小、或者关闭电磁铁7的电源，或者改变电磁铁7的电流方向，使磁轴承组件对头锥4施加与轴向推力相反的作用力，辅助推力空气轴承3平衡转轴1的轴向力。
26.在一些可能的实施方式中，所述第一磁体盘5上设置有固定永磁体9，固定永磁体9与转动永磁体8之间的作用力为排斥力；或，所述第二磁体盘6上设置有固定永磁体9，固定永磁体9与转动永磁体8之间为吸引力。
27.在上述实施过程中，当固定永磁体9设置在第一磁体盘5上时，设置固定永磁体9与转动永磁体8之间的作用力为排斥力，当固定永磁体9设置在第二磁体盘6上时，设置固定永磁体9与转动永磁体8之间的作用力为吸引力，即可使得固定永磁体9对转动永磁体8之间的作用力的方向为从头锥4指向推力盘2的方向。当电磁铁7断电后，固定永磁体9对转动永磁体8的作用力将头锥4向第二磁体盘6的方向推，进而将转轴1锁定在第二磁体盘6上，在转子系统运转结束后，可保护转子系统的结构，也便于储存和运输。
28.在一种可能的实施方式中，设置有固定永磁体9的第一磁体盘5或第二磁体盘6包括支撑体10，支撑体10固定安装在定子上，支撑体10上开设有第一安装槽11，第一安装槽11内安装有固定永磁体9。
29.可选地，若固定永磁体9为环形，则第一安装槽11为环形槽；若固定永磁体9包括多个磁体块，则第一安装槽11的数量为多个，多个第一安装槽11沿支撑体10的轴心周向阵列设置，多个磁体块分别对应安装在多个第一安装槽11内。
30.可选地，支撑体10上还开设有多个固定孔12，固定孔12用于配合螺栓、螺钉等紧固件，将支撑体10固定安装在定子上。
31.在一种可能的实施方式中，电磁铁7包括环形的铁心15和线圈17，铁心15固定安装在定子上，铁心15的侧面开设有第二安装槽，绝缘骨架16安装在第二安装槽内；绝缘骨架16的外圈表面开设有环形的第三安装槽18，线圈17缠绕在第三安装槽18内，线圈17与电源电
连接。
32.可选地，若电磁铁7的铁心15直接安装在定子上，则电磁体的整体结构直接形成第一磁体盘5或者第二磁体盘6。
33.在一种可能的实施方式中，头锥4上开设有第四安装槽13，转动永磁体8安装在第四安装槽13内，第四安装槽13的槽口处设置有挡板14，挡板14通过紧固件固定连接于头锥4。
34.可选地，转动永磁体8为环形，第四安装槽13对应为环形。挡板14可以为环形，也可以为圆形等，只要能够覆盖第四安装槽13的槽口，将转动永磁体8固定在第四安装槽13内即可。
35.在一种可能的实施方式中，第一磁体盘5上开设有气孔20，气孔20的进气口与气源连通，气孔20的出气口与第一磁体盘5和头锥4之间的间隙连通。
36.可选地，当第一磁体盘5上设置有固定永磁体9时，气孔20开设在支撑体10上。
37.在上述实施过程中，气源通过气孔20向第一磁体盘5和头锥4之间的间隙内进行供气，进而对头锥4形成推力，辅助推力空气轴承3平衡转轴1的轴向力，同时还可对磁轴承组件进行冷却。
38.可选地，气孔20的进气口可以与气泵连通，通过外部气泵进行补气，其能够提供不同压力和流量的气，适配不同工况。气孔20的进气口也可以与燃气轮机的压气机21出气口连通，利用压气机21的压缩气来产生推力，能够节约额外设置气泵的成本，且可减少燃气轮机的附件，简化其结构。
39.可选地，气孔20的个数可以是一个、两个或三个以上。具体地，当气孔20的个数为一个时，气孔20开设在第一磁体盘5的径向中心区域。当气孔20的个数为两个时，两个气孔20可沿第一磁体盘5的轴心对称设置。当气孔20的个数为三个以上时，三个以上的气孔20可沿第一磁体盘5的轴心周向阵列设置。
40.在一种可能的实施方式中，上述转子系统还包括位移传感器19和控制器，控制器电连接于位移传感器19以及电磁铁7的电源，位移传感器19设置在头锥4、第一磁体盘5或者第二磁体盘6上，位移传感器19用于检测头锥4在第一磁体盘5与第二磁体盘6之间的位置，并将获得的位置信号实时发送至控制器，控制器用于根据收到的位置信号控制调整电源的电流大小和方向，以使头锥4移动到预定位置。
41.在上述实施过程中，设置位移传感器19与控制器可实现对磁轴承组件的自动化控制，进而可提高转子系统的自动化。
42.本技术还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括上述任一实施例中所述的转子系统。
43.具体地，上述燃气轮机还包括压气机21与涡轮22，压气机21与涡轮22套设于转子系统的转轴1上。
44.上述燃气轮机还包括两个径向轴承23，两个径向轴承23套设在转子系统的转轴1上。
45.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。

技术特征：

1.一种转子系统，其特征在于，包括：转轴，转轴上设有推力盘，转轴的一端设有头锥，推力盘指向头锥的方向与最大工况下转轴的轴向推力方向相同；推力空气轴承，套设在推力盘外；磁轴承组件，包括第一磁体盘、第二磁体盘和转动永磁体；转动永磁体固定安装在头锥上；第一磁体盘与第二磁体盘固定安装在定子上且分别设置在头锥的两侧，其中，第一磁体盘间隔设置在头锥远离推力空气轴承的一侧，第二磁体盘间隔设置在头锥靠近推力空气轴承的一侧；第一磁体盘与第二磁体盘的其中一个上设置有固定永磁体，另一个上设置有电磁铁。2.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述第一磁体盘上设置有固定永磁体，固定永磁体与转动永磁体之间的作用力为排斥力；或：所述第二磁体盘上设置有固定永磁体，固定永磁体与转动永磁体之间为吸引力。3.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述设置有固定永磁体的第一磁体盘或第二磁体盘包括支撑体，支撑体固定安装在定子上，支撑体上开设有第一安装槽，第一安装槽内安装有固定永磁体。4.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，电磁铁包括环形的铁心和线圈，铁心固定安装在定子上，铁心的侧面开设有第二安装槽，绝缘骨架安装在第二安装槽内；绝缘骨架的外圈表面开设有环形的第三安装槽，线圈缠绕在第三安装槽内，线圈与电源电连接。5.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于：头锥上开设有第四安装槽，转动永磁体安装在第四安装槽内，第四安装槽的槽口处设置有挡板，挡板通过紧固件固定连接于头锥。6.根据权利要求1～5中任一项所述的转子系统，其特征在于：所述第一磁体盘上设置有气孔，气孔的进气口与气源连通，气孔的出气口与第一磁体盘和头锥之间的间隙连通。7.根据权利要求6所述的转子系统，其特征在于，气孔的进气口与压气机的出气口连通。8.根据权利要求6所述的转子系统，其特征在于，所述气孔的个数是一个、两个或三个以上；当气孔的个数为一个时，气孔开设在第一磁体盘的径向中心区域；当气孔的个数为两个时，两个气孔沿第一磁体盘的轴心对称设置；当气孔的个数为三个以上时，三个以上的气孔沿第一磁体盘的轴心周向阵列设置。9.根据权利要求1～5中任一项所述的转子系统，其特征在于：所述转子系统还包括位移传感器和控制器，位移传感器与控制器电连接，控制器与电源电连接，位移传感器设置在头锥、第一磁体盘或第二磁体盘上，位移传感器用于检测头锥在第一磁体盘与第二磁体盘之间的位置，并将获得的位置信号实时发送至控制器，控制器用于根据收到的位置信号控制调整电源的电流大小和方向，以使头锥移动到预定位置。10.一种燃气轮机，其特征在于：包括权利要求1～9中任一项所述的转子系统。

技术总结

本发明公开了一种转子系统及燃气轮机，转子系统包括：转轴，转轴上设有推力盘，且一端设有头锥，推力盘指向头锥的方向与最大工况下转轴的轴向推力方向相同；推力空气轴承，套设在推力盘外；磁轴承组件，包括第一磁体盘、第二磁体盘和转动永磁体；转动永磁体固定安装在头锥上；第一磁体盘与第二磁体盘固定安装在定子上且分别设置在头锥的两侧，第一磁体盘间隔设置在头锥远离推力空气轴承的一侧，第二磁体盘间隔设置在头锥靠近推力空气轴承的一侧；第一磁体盘与第二磁体盘的其中一个上设置有固定永磁体，另一个上设置有电磁铁。本发明的转子系统通过设置磁轴承组件可在转轴启停时控制转轴的轴向位置，减少推力盘与推力空气轴承摩擦和碰撞的发生。和碰撞的发生。和碰撞的发生。