CN110966096A - 一种燃气轮机用高温磁悬浮轴承冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机用高温磁悬浮轴承冷却系统，包括制冷系统、隔热罩、燃气轮机转轴、设置在燃气轮机转轴一端的第一径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承、设置在转轴另一端的第二径向磁悬浮轴承，且第二径向磁悬浮轴承靠近燃气涡轮转子侧；第一径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承均与燃气轮机外壳体固定；第二径向磁悬浮轴承外部设有隔热罩，隔热罩与燃气轮机外壳体固定；制冷系统包括循环连接的压缩机、散热冷凝器、毛细管、干燥过滤器、制冷管路；燃气轮机转轴内为中空结构；转轴内设有空心轴；空心轴两端通过轴承支撑在转轴内；制冷管路从空心轴穿入，穿出空心轴后正对第二径向磁悬浮轴承；本系统冷却效率高、运行可靠。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，特别是一种燃气轮机用高温磁悬浮轴承冷却系统。
背景技术
高温磁悬浮轴承替代传统滚动轴承可使得轴承靠近高温端，大大缩短发动机轴向尺寸，使发动机结构更为紧凑，此外，磁悬浮轴承具有摩擦磨损小、无需润滑等优点，可有效提高设备运行转速、减低重量、提高效率，成为工业发达国家竞相发展的热点；
但在高温下，由于线圈的电阻等参数变化较大，传感器的灵敏度会发生较大的变化。而且会产生很大的温漂；磁悬浮轴承用的励磁线圈绝缘层高温下易导致破裂、脱落，造成短路事故。因此高温磁悬浮轴承制冷系统22设计对磁轴承至关重要；发明专利201811094843.7设计有储存低温流体的冷却机构，通过释放低温流体对磁轴承冷却，但这类方案需要不断加注低温流体，以此维持冷却机构的正常使用，导致使用繁琐，增加额外人力成本。实用新型专利201621153914.2提供了一种磁悬浮冷媒压缩机的直流永磁电机制冷系统22，该系统制冷效率较高，通过冷媒的循环蒸发吸收热量，但是作为动力装备的燃气轮机，其燃烧位置必然产生高温，无法类似于电机的腔体内全面进行降温处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机用高温磁悬浮轴承冷却系统，采用磁悬浮轴承替代传统滚动轴承，减小摩擦磨损，缩短发动机轴向尺寸，同时保证设备运行可靠。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种燃气轮机用高温磁悬浮轴承冷却系统，包括制冷系统、隔热罩、燃气轮机转轴、设置在燃气轮机转轴一端的第一径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承、设置在转轴另一端的第二径向磁悬浮轴，且第二径向磁悬浮轴承靠近燃气涡轮转子侧；所述第一径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承均与燃气轮机外壳体固定；所述第二径向磁悬浮轴承外部设有隔热罩，所述隔热罩与燃气轮机外壳体固定；所述制冷系统包括循环连接的压缩机、散热冷凝器、毛细管、干燥过滤器、制冷管路；所述转轴内为中空结构；转轴内设有空心轴；空心轴两端通过轴承支撑在转轴内；所述制冷管路从空心轴穿入，并穿出空心轴后正对第二径向磁悬浮轴承。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明通过磁悬浮轴承替代传统滚动轴承可使得轴承靠近高温端，大大缩短发动机轴向尺寸，使发动机结构更为紧凑，可有效提高设备运行转速、减低重量、提高效率。
(2)本发明通过制冷系统，避免了在高温下线圈的电阻等参数变化较大，传感器的灵敏度会发生较大的变化，且会产生很大的温漂；同时避免了磁悬浮轴承用的励磁线圈绝缘层高温下易导致破裂、脱落，造成短路事故，提高了系统的可靠性。
(3)制冷管路设置于第二径向磁悬浮轴承所处的转轴腔体内，同时设有隔热材料制成的隔热罩包裹第二径向磁悬浮轴承，形成隔热空间，制冷管路通过热传导向第二径向磁悬浮轴承输送冷量，降低第二径向磁悬浮轴承温度，由隔热罩限制冷量散失，提高了制冷效果。
(4)与第二径向磁悬浮轴承对应的转轴段，设有多个导气孔，中空转轴腔体内的冷气可以通过导气孔进入第二径向磁悬浮轴承所在的隔热空间内，进一步提高了第二径向磁悬浮轴承的冷却效果。
附图说明
图1为本发明的系统设置在燃气机转轴上的总体结构示意图。
图2为制冷系统的总体结构示意图。
图3为转轴设有导气孔的局部放大图。
图4为制冷管路与空心轴的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种燃气轮机用高温磁悬浮轴承冷媒制冷系统，包括制冷系统22、隔热罩12、燃气机转轴10、设置在燃气机转轴10一端的第一径向磁悬浮轴承9和轴向磁悬浮轴承7、设置在转轴10另一端的第二径向磁悬浮轴21，且第二径向磁悬浮轴承21靠近燃气涡轮转子1侧(高温侧)；所述第一径向磁悬浮轴承9、轴向磁悬浮轴承7、第二径向磁悬浮轴承21均与燃气机外壳体固定；通过一个轴向磁悬浮轴承和两个径向磁悬浮轴承，分别控制转轴10的轴向位移和径向位移，保证燃气轮机转轴的固定。相比于普通轴承，磁悬浮轴承具有摩擦磨损小、无需润滑、低振动、低噪声、低功耗等优点。所述第二径向磁悬浮轴承21外部设有隔热罩12，所述隔热罩12与燃气轮机外壳体固定，通过隔热罩12，对转轴10尾部的第二径向磁悬浮轴承21进行密封处理，避免高温燃气和第二径向磁悬浮轴承21的直接接触，可以有效降低第二径向磁悬浮轴承21的温度，减少尾部高温燃气对第二径向磁悬浮轴承21的影响。
所述制冷系统22包括循环连接的压缩机16、散热冷凝器18、毛细管17、干燥过滤器15、制冷管路14；制冷系统22的原理是首先压缩机16将制冷系统22内制冷剂的低压蒸气压缩成高压蒸气，这个时候，整体的制冷剂蒸气是属于一个高温状态，然后排入散热冷凝器18，压缩机16把高压制冷剂蒸气液化凝结为高压液体。高压液体经过干燥过滤器15，截流毛细管17后喷入制冷管路11(制冷管路11作为吸热蒸发器)，并在相应的低压下气化，气化会吸收大量热量，同时低压制冷剂又循环到压缩机16，如此循环工作，实现制冷效果。所述转轴10内为中空结构；转轴10内设有空心轴13；空心轴13两端通过一对轴承20支撑在转轴10内；所述制冷管路11从空心轴13穿入并穿出空心轴13后正对第二径向磁悬浮轴承21。结合图4，为了使转轴10尾部的第二径向磁悬浮轴承21有更好的散热效果，在制冷管路11的尾部作弯曲旋转处理，使制冷管路11在转轴尾部更密集的密布结构，提高冷媒制冷系统的制冷效果。当燃气轮机工作高速转动时，空心轴13避免了制冷管路11跟着转轴10转动，影响制冷管路11的工作。
进一步的，所述转轴10的另一端对应第二径向磁悬浮轴承21的位置，沿径向设有多个导气孔19，导气孔19可以使制冷管路11的冷气直接进入第二径向磁悬浮轴承21和隔热罩12形成的封闭空间内，在满足转轴10强度要求的情况下增加导气孔19比不增加导气孔19能够进一步提高制冷效果，比通过转轴10内壁传导至第二径向磁悬浮轴承21的冷却方式具有更高的效率，导气孔19的数量和排布方式可根据转轴10的强度要求进行调整。
燃气轮机属于现有技术，本发明不对其进行赘述，仅接受其工作原理：转轴10上通过一级轴流压气机转子6和二级轴流压气机转子5连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空气进入燃烧室与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动燃气涡轮转子1带着压气机转子和离心叶轮3一起旋转，最后由燃气轮机外壳上的排气口将高温燃气排出。本发明通过磁悬浮轴承替代传统滚动轴承可使得轴承靠近高温端，大大缩短发动机轴向尺寸，使发动机结构更为紧凑，此外，磁悬浮轴承具有摩擦磨损小、无需润滑等优点，可有效提高设备运行转速、减低重量、提高效率。制冷管路11设置于第二径向磁悬浮轴承21所处的转轴10腔体内，同时设有隔热材料制成的隔热罩12包裹第二径向磁悬浮轴承21，形成隔热空间，制冷管路11通过热传导向第二径向磁悬浮轴承21输送冷量，降低第二径向磁悬浮轴承21温度，由隔热罩12限制冷量散失；在转轴10强度允许的情况下，在与第二径向磁悬浮轴承21对应的转轴10段内，分布多个导气孔19，中空转轴10腔体内的冷气可以通过导气孔19进入第二径向磁悬浮轴承21所在的隔热空间内，以此提高第二径向磁悬浮轴承21冷却效果。将制冷系统的制冷管路11放在空心转轴13中，制冷系统的其他部分放在空心转轴13外。既可以增加散热效率，又可以减少整个装置的体积。本发明针对燃气轮机高温特点，设计的冷媒制冷系统22具有冷却效率高与效果好的优势。通过制冷系统22，避免了在高温下，由于线圈的电阻等参数变化较大，磁悬浮轴承所用传感器的灵敏度会发生较大的变化，且会产生很大的温漂；同时避免了磁悬浮轴承用的励磁线圈绝缘层高温下易导致破裂、脱落，造成短路事故。
Claims (5)
1.一种燃气轮机用高温磁悬浮轴承冷却系统，其特征在于，包括制冷系统(22)、隔热罩(12)、燃气轮机转轴(10)、设置在燃气轮机转轴(10)一端的第一径向磁悬浮轴承(9)和轴向磁悬浮轴承(7)、设置在转轴(10)另一端的第二径向磁悬浮轴(21)，且第二径向磁悬浮轴承(21)靠近燃气涡轮转子(1)侧；所述第一径向磁悬浮轴承(9)、轴向磁悬浮轴承(7)、第二径向磁悬浮轴承(21)均与燃气轮机外壳体固定；所述第二径向磁悬浮轴承(21)外部设有隔热罩(12)，所述隔热罩(12)与燃气轮机外壳体固定；所述制冷系统(22)包括循环连接的压缩机(16)、散热冷凝器(18)、毛细管(17)、干燥过滤器(15)、制冷管路(14)；所述转轴(10)内为中空结构；转轴(10)内设有空心轴(13)；空心轴(13)两端通过轴承(20)支撑在转轴(10)内；所述制冷管路(11)从空心轴(13)穿入，并穿出空心轴(13)后正对第二径向磁悬浮轴承(21)。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述制冷管路(11)的尾部采用密布结构。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述制冷管路(11)的尾部采用弯曲旋转结构。
4.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述转轴(10)的另一端对应第二径向磁悬浮轴承(21)的位置设有多个导气孔(19)。
5.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述隔热罩(12)采用隔热材料制成。
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