CN211598834U - 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，所述转轴为一体式结构；以及，依次设置于所述转轴上的电机、径向轴承、压气机、一体式轴承和透平；其中，所述转轴在所述电机的电机定子、径向轴承、一体式轴承内旋转，所述转轴与透平的涡轮、压气机的压缩轮固定连接；所述一体式轴承设置有推力轴承部和径向轴承部。本实用新型采用一体式转轴连接微型燃气轮机转子与发电机转子，并且转轴的轴向长度短，刚度强、容易加工，制造成本低，且转子系统高速运行的平稳性好。

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、燃烧室及涡轮三大部件。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涡轮中膨胀做功。

对于微型燃气轮机发电机组，通过微型燃气轮机转子的高速旋转带动发电机转子旋转进而发电。但现有技术中的微型燃气轮机发电机组的转子系统存在如下缺陷：

现有技术中，通常采用联轴器将微型燃气轮机转子与发电机转子进行连接,由于存在同轴度偏差导致转子系统稳定性差。同时，联轴器的设置使得推力轴承的设置位置受到限制，这是因为随着转子转速的提高，转子受到的轴向力也会进一步提高，若将推力轴承设置于压气机和涡轮之间，会使得整个转子系统的重心偏向涡轮侧，从而导致转子系统的稳定性差。如果将推力轴承设置于联轴器朝向发电机一侧，则转子的轴向力全部作用到联轴器上，容易导致联轴器损坏。为了解决上述技术问题，现有技术中，也有将微型燃气轮机转子和发电机转子设置为一根刚性轴的转子系统，但是这样转轴的长度就会加长，转轴长度增加后不仅增加转轴的加工成本、加工难度，同时对转子系统高速运行的平稳性也有很大影响。

可见，目前亟需提供一种新的转子系统，以解决现有微型燃气轮机发电机组存在的上述问题。

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，其采用一体式转轴连接微型燃气轮机转子与发电机转子，并且转轴的轴向长度短，刚度强、容易加工，制造成本低，且转子系统高速运行的平稳性好。

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，所述转轴为一体式结构；

以及，依次设置于所述转轴上的电机、径向轴承、压气机、一体式轴承和透平；

其中，所述转轴在所述电机的电机定子、径向轴承、一体式轴承内旋转，所述转轴与透平的涡轮、压气机的压缩轮固定连接；

所述一体式轴承设置有推力轴承部和径向轴承部。

进一步的，所述径向轴承、一体式轴承均采用气体轴承。

进一步的，所述径向轴承、一体式轴承均为静压轴承、动压轴承或动静压混合轴承中的一种。

进一步的，所述径向轴承包括轴承本体、轴承壳体、轴承端盖，轴承壳体罩设于轴承本体的一个轴向端面和外周，轴承端盖套设于转轴上并与轴承壳体的一个端面抵接，轴承壳体和轴承本体之间设有防转构件，所述防转构件用于轴承本体相对于轴承壳体在周向上固定。

进一步的，所述转轴的设置有电机的一侧端部设置有电机转子容纳腔，电机转子铁芯安装于所述电机转子容纳腔内，所述电机转子容纳腔外端不封闭。

进一步的，所述电机转子铁芯通过过盈装配或安装固定构件的方式固定于所述电机转子容纳腔内。

进一步的，所述压气机的压缩轮背面设置为光滑的平面，其作为一体式轴承的推力轴承部的转子；

和/或，所述透平的涡轮背面设置为光滑的平面，其作为一体式轴承的推力轴承部的另一转子。

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，所述涡轮为陶瓷材料。

根据本实用新型另一方面，提供一种微型燃气轮机发电机组，其包括权上述的转子系统。

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结构紧凑简单，轴向尺寸短，临界转速高，转子系统高速运行平稳性好。

2、本实用新型的转子系统在压气机和透平之间设置一体式轴承，转子系统的径向和轴向安装精度高，运转平稳。

3、本实用新型的转子系统的轴承均采用气体轴承，机械摩擦损失小，传动效率高。

4、本实用新型的转轴采用开式结构，电机的转子铁心散热性好，且旋转轴不用经过焊接，精度高。

5、本实用新型的电机定子的线圈采用外绕线方式绕制，散热性好。

6、本实用新型的轴承采用防转动轴承，高速运转时稳定性好。

附图说明

图1为本实用新型的转子系统结构图。

图2为本实用新型的开式转轴结构图。

图3为本实用新型的实施例一防转动径向轴承的主视图。

图4为本实用新型的实施例一沿图3中A-A线的剖视图。

图5为本实用新型的实施例二防转动径向轴承的主视图。

图6为本实用新型的实施例二沿图5中A-A线的剖视图。

图7为本实用新型的实施例三防转动径向轴承的主视图。

图8为本实用新型的实施例三沿图7中A-A线的剖视图。

图9为本实用新型的实施例四防转动径向轴承的主视图。

图10为本实用新型的实施例四沿图10中A-A线的剖视图。

图11为本实用新型的实施例五防转动径向轴承的主视图。

图12为本实用新型的实施例五沿图11中A-A线的剖视图。

图13为本实用新型的实施例六、七防转动径向轴承的主视图。

图14为本实用新型的实施例六、七沿图13中A-A线的剖视图。

图15为本实用新型的电机结构图。

图16为本实用新型的电机的半剖图。

图17为本实用新型的电机定子铁芯结构图。

图18为本实用新型的硅钢片结构图。

图19为本实用新型的端面线槽结构图。

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，提供一种转子系统。

如图1所述，所述转子系统包括：

转轴100、透平200、压气机300、一体式轴承600、径向轴承500 以及电机400，所述转轴100穿过依次设置的电机400、径向轴承500、压气机300、一体式轴承600和透平200，所述转轴100在所述电机 400的定子、径向轴承500、一体式轴承600内旋转，所述转轴100 与透平200的涡轮、压气机300的压缩轮固定连接；一体式轴承600 设置有推力轴承部610和径向轴承部620。

上述转子系统的结构简单、布局紧凑，转轴100的轴向长度短，转子系统高速运行的平稳性好；同时，在转子系统中，在电机400和压气机300之间以及压气机300和透平200之间设置有径向轴承500 和一体式轴承600，转子系统的轴向重量分布均匀，稳定性好。

作为本实用新型的一种优选方案，径向轴承500、一体式轴承600 均采用气体轴承，即可满足转子系统的高速旋转的需要，同时轴承与转轴100之间又不存在机械磨损，轴承及转子系统的使用寿命长。

具体地，第一径向轴承500、一体式轴承600可以为静压轴承、动压轴承或者动静压混合轴承中的任一种。

作为本实用新型的一种优选方案，一体式轴承600结构可采用公开号为CN201811225753.7中一种推力轴承、转子系统及微型燃气轮机发电机组的具体结构，在此，不在描述。

作为本实用新型的一种优选方案，如图2所示，本实用新型的转子系统中转轴100设置为开式结构。

即在转轴100的设置有电机400的一侧的相对位置设置有电机转子容纳腔110，电机转子铁芯420安装于该容纳腔110内，而容纳腔 110的外端不封闭。

对于传统的电机转轴，因为电机400安装于转轴的中间位置，电机400的两侧需要安装轴承或者其他零部件，因此需要将电机转子铁芯420装配于转子轴的中间位置，然后转轴进行焊接封闭，而焊接封闭容易引起转轴的热变形，影响转轴的直线度、圆度和表面光洁度等。对于本实用新型的转子系统，转轴100不用经过焊接封闭，工艺简单，且转轴不存在热变形，转轴的直线度、圆度和表面光洁度高，而且开式的安装方式有利于电机转子的散热，且便于装配。

电机转子铁芯420的固定可以采用过盈装配或者安装固定构件等方式实现。

作为本实用新型的一种优选方案，压气机300的压缩轮的背面可设置为光滑的平面，并将其作为推力轴承的转子；

作为本实用新型的一种优选方案，将透平200的涡轮的背面设置为光滑的平面，并将其作为推力轴承的另一转子，而上述的一体式轴承600可仅设置推力轴承的定子即可。

这样可以进一步简化转子系统的结构，并缩短转轴100的轴向长度，提高转子系统的稳定性和转轴的刚度。

作为本实用新型的一种优选方案，为降低涡轮热端导热对压气机效率的影响，涡轮可以采用导热系数更低的陶瓷涡轮材料或其他材料制造。

作为本实用新型的一种优选方案，本实用新型的径向轴承500采用防转动径向轴承结构。防转动径向空气轴承500包括轴承本体520、轴承壳体530，轴承端盖540，以及防转构件550，轴承本体520套设于转轴100，并与转轴100之间保持预定的间隙，轴承壳体530罩设于轴承本体520的一个轴向端面和外周，轴承端盖540套设于转轴100 上并与轴承壳体530的一个端面抵接；防转构件550设置于轴承壳体 530与轴承本体520之间，并将两者连接，以在周向上将轴承本体520 固定。

在本结构中，防转构件550的一端与轴承壳体530固定连接或一体成型，防转构件550的另一端与轴承本体520可拆卸连接；

或者，防转构件550的一端与轴承壳体530可拆卸连接，防转构件550的另一端与轴承本体520固定连接或者一体成型。防转构件550 的该连接方式能够使得防转构件550的安装十分方便。

具体地，防转构件550可以设置为一个或者多个。

针对本防转动径向轴承结构，提供如下防转构件550的实施例。

实施例一

如图3、4所示，在本实施例中，防转构件550设置为销，并固定安装于轴承本体520的端面，轴承壳体530上设置有相应的第一容纳孔531，通过销实现轴承本体520的周向定位。

实施例二

如图5、6所示，在本实施例中，防转构件550设置为销，并固定安装于轴承壳体530的朝向轴承本体520的端面，轴承本体520上设置有相应的第二容纳孔521，通过销实现轴承本体520的周向定位。

实施例三

如图7、8所示，在本实施例中，防转构件550设置为销或者销钉，防转构件550从轴承壳体530的外周沿轴承壳体230的径向安装，防转构件550的一端固定于轴承壳体230，另一端插入轴承本体520的外周，轴承本体520的外周设置有相应的第三容纳孔522，通过销或者销钉实现轴承本体520的周向定位。

实施例四

如图9、10所示，在本实施例中，防转构件550设置为键，并固定安装于轴承本体520的端面或者与轴承本体520的一个端面一体成型，轴承壳体530上设置有相应的第一键槽532，通过键实现轴承本体520的周向定位。

实施例五

如图11、12所示，在本实施例中，防转构件550设置为键，并固定安装于轴承壳体530的内径面，或者与轴承壳体530的内径面一体成型，轴承本体520上设置有相应的第二键槽523，通过键实现轴承本体520的周向定位。

实施例六

如图13、14所示，在本实施例中，防转构件550设置为球形体，并固定安装于轴承本体520的端面，轴承壳体530上设置有相应的半球形槽，通过球形体实现轴承本体520的周向定位。

实施例七

如图13、14所示，在本实施例中，防转构件550可以设置球形体，并固定安装于轴承壳体530的朝向轴承本体520的端面，轴承本体520上设置有相应的半球形槽，通过球形体实现轴承本体520的周向定位。

在转子的运行过程中，通过本径向轴承的结构，使得轴承本体工作稳定，不会随着转轴转速的提高而发生转动，性能可靠，使用寿命长，且结构简单。

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15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420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300的进气则可通过所述进气道440进入压气机300，使得压气机300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16，为电机的半剖图；及图17，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18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19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。

本实用新型的转子系统旋转轴100轴向尺寸短，重量轻，转子系统的临界转速高，因此转子系统在高速状态下运行平稳；一体式轴承设置于透平200和压气机300之间，结构紧凑，在旋转轴100安装透平200的涡轮的位置周围产生热膨胀时，一体式轴承(推力轴承)可同时像旋转轴100的两端产生轴向位移，相比于将推力轴承安装于转子系统的最左端，其更不容易产生压气机300的压缩轮和透平200的涡轮与微型燃气轮机壳体相碰撞的状况。

本实用新型还提供一种微型燃气轮机发电机组，本微型燃气轮机发电机组使用本实用新型的转子系统，能够高效、稳定的运行。

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 (9)

1.一种转子系统，其特征在于，包括:

转轴，所述转轴为一体式结构；

以及，依次设置于所述转轴上的电机、径向轴承、压气机、一体式轴承和透平；

其中，所述转轴在所述电机的电机定子、径向轴承、一体式轴承内旋转，所述转轴与透平的涡轮、压气机的压缩轮固定连接；

所述一体式轴承设置有推力轴承部和径向轴承部；

所述转轴上设置有电机的一侧端部设置有电机转子容纳腔，电机转子铁芯安装于所述电机转子容纳腔内，所述电机转子容纳腔外端不封闭。

2.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述径向轴承、一体式轴承均采用气体轴承。

3.根据权利要求2所述的转子系统，其特征在于，所述径向轴承、一体式轴承均为静压轴承、动压轴承或动静压混合轴承中的一种。

4.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述径向轴承包括轴承本体、轴承壳体、轴承端盖，轴承壳体罩设于轴承本体的一个轴向端面和外周，轴承端盖套设于转轴上并与轴承壳体的一个端面抵接，轴承壳体和轴承本体之间设有防转构件，所述防转构件用于轴承本体相对于轴承壳体在周向上固定。

5.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述电机转子铁芯通过过盈装配或安装固定构件的方式固定于所述电机转子容纳腔内。

6.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述压气机的压缩轮背面设置为光滑的平面，其作为一体式轴承的推力轴承部的转子；

和/或，所述透平的涡轮背面设置为光滑的平面，其作为一体式轴承的推力轴承部的另一转子。

7.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。

8.根据权利要求1所述的转子系统，其特征在于，所述涡轮为陶瓷材料。

9.一种微型燃气轮机发电机组，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的转子系统。

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