阅读说明：本技术 一种长跨距转子系统及燃气轮机发电机组 (Long-span rotor system and gas turbine generator set ) 是由 靳普 刘慕华 于 2019-12-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种长跨距转子系统及燃气轮机发电机组,其中转子系统包括转轴,所述转轴为一体成型结构；所述转轴上依次设置推力轴承、第一径向轴承、电机、压气机、第二径向轴承以及透平。本发明的转子系统中,将两支点(即第一径向轴承和第二径向轴承)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；可解决转轴尾部尺寸限制,解决转子系统运行不平稳、震动严重的问题。(The invention provides a long-span rotor system and a gas turbine generator set, wherein the rotor system comprises a rotating shaft, and the rotating shaft is of an integrally formed structure; the rotating shaft is sequentially provided with a thrust bearing, a first radial bearing, a motor, a gas compressor, a second radial bearing and a turbine. In the rotor system, two supporting points (namely a first radial bearing and a second radial bearing) are respectively arranged at two ends of the rotating shaft, so that the balance of the rotating shaft is better, and the running stability of the rotor system is good; the size limitation of the tail part of the rotating shaft can be solved, and the problems of unstable operation and serious vibration of a rotor system are solved.)

一种长跨距转子系统及燃气轮机发电机组

技术领域

本发明涉及转子动力学技术领域，尤其涉及一种长跨距转子系统及燃气轮机发电机组。

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，转轴尾部不能过长，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。

同时，现有的凸式推力盘存在的问题是，推力盘与转轴一体制成，加工时，需要在整根轴料上车削加工，由于推力盘高度较大，会产生较大的车削量，浪费材料，且由于车削次数多，需要多次去应力，工艺复杂。此外，由于单个推力盘质量较重，在转轴高速运转时，会产生惯性力，造成转轴偏离轴线转动，在转子系统中即表现为转动平稳性差，震动严重。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种长跨距转子系统及燃气轮机发电机组，本发明中，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；同时，本发明可解决转轴尾部尺寸限制，解决转子系统运行不平稳、震动严重的问题，并解决现有一体式推力轴承结构复杂、易被破坏的技术问题。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种长跨距转子系统，包括：

一种长跨距转子系统，包括：

转轴，所述转轴为一体成型结构；

所述转轴上依次设置推力轴承、第一径向轴承、电机、压气机、第二径向轴承以及透平。

进一步的，所述第一径向轴承、第二径向轴承均为空气轴承，所述空气轴承是动压轴承、静压轴承或者动静压混合轴承中的任意一种。

进一步的，所述推力轴承和第一径向轴承为一体式轴承。

进一步的，所述压气机和透平之间设有加强环，所述第二径向轴承套设于所述加强环上。

进一步的，所述加强环内壁中部设置支撑部抵接于转轴上，所述加强环内壁位于所述支撑部两侧呈拱形；

或者，所述加强环包括圆柱形筒和筒壁外侧设置的径向限位环，所述圆柱型筒两头嵌入所述压气机和透平端面槽内，所述径向限位环卡于所述压气机或透平端面；

或者，所述加强环与所述压气机或透平一体成型。

进一步的，所述推力轴承和电机上设置有第一进气道，所述推力轴承和电机上的第一进气道相对设置并和压气机的进气相通；

所述电机的电机定子和电机壳体之间设置有第二进气道，所述第二进气道与压气机的进气相通。

进一步的，所述转轴设置电机的一端设有两个推力盘，两个推力盘相对设置并和转轴共同形成环形槽，所述推力轴承设置于所述环形槽内；

所述推力轴承为空气轴承，所述推力轴承包括两片相对设置的轴承单元，两片轴承单元之间设置环形气腔，所述环形气腔与所述推力轴承壳体上的进气孔连通。

进一步的，所述两个推力盘中，靠轴端的推力盘设置为可拆卸式结构；

或者，所述两个推力盘与转轴一体成型，所述推力轴承为可沿径向面分离的轴承。

根据本发明的另一方面，提供一种燃气轮机发电机组，包括：电机机匣、燃气轮机机匣、燃烧室以及上述的转子系统；

其中，所述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，并且与电机机匣连接；

所述燃烧室与燃气轮机机匣连接，并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。

进一步的，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。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的转子系统中，将两支点(即第一径向轴承和第二径向轴承)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；可解决转轴尾部尺寸限制，解决转子系统运行不平稳、震动严重的问题。

2、本发明的转子系统中，推力轴承和第一径向轴承采用一体式气体轴承，其能够对转轴同时实现径向和轴向的支撑，加工工艺简单易操作，加工精度高，同时装配过程中不用考虑组合装配的精度，制造成本低，实用性高。

3、本发明的转子系统的进气方式和进气道位置的设置，使得压气机的进气充分且有利于电机的散热，整个转子系统的轴向尺寸可调范围大，转子系统的动力学特性好。

4、本发明的推力轴承结构中，环形槽两侧的推力盘高度低，加工时车削量小、耗材少、工艺相对简单，质量分布相对均匀，转轴高度旋转时稳定性更好。

5、使用本发明转子系统的燃气轮机发电机组，对加工精度和装配精度要求低，成本低，适合工程化批量生产；同时，本发明的燃气轮机发电机组进气充分；由于两支点(即第一径向轴承和第二径向轴承)分别位于转轴的两端，本发明转轴的轴向方向上尺寸可调范围较大，转轴受力均匀，燃气轮机发电机组的运转平稳性好。

附图说明

图1为本发明实施例一的转子系统及燃气轮机发电机组结构示意图。

图2为本发明图1中的A位置局部放大图。

图3为本发明图1中的B位置局部放大图。

图4为本发明实施例二的转子系统及燃气轮机发电机组结构示意图。

图5为本发明图4中的C位置局部放大图。

图6为本发明图4中的D位置局部放大图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本发明作进一步说明。

根据本发明的一个方面，提供一种长跨距转子系统。

实施例一

如图1所示，其包括转轴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；

其中，推力轴承200、第一径向轴承900、电机300依次设置于第一轴段110上，压气机500、第二径向轴承400和透平600依次设置于第二轴段120上，压气机500的一端与台阶面130抵接。

本发明转子系统中，转轴100通过两端的轴承(第一径向轴承900、第二径向轴承400)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。

作为优选，第一径向轴承900和第二径向轴承400为空气轴承，可以是动压轴承、静压轴承或者动静压混合轴承。

作为优选，推力轴承200和电机300上设置有第一进气道P1。推力轴承200上的第一进气道与电机300上的第一进气道P1相对设置，并和压气机500的进气相通。这样既可以使得压气机500的进气更加畅通，同时压气机500的进气可以冷却电机300的定子绕组。

作为优选，电机300的电机定子和电机壳体之间还可以同时设置第二进气道P2。在进气需求量大的情况下，两个进气道(即第一进气道P1和第二进气道P2)可同时进气。这样既可以满足压气机500充足的进气，同时压气机500的进气可进一步地冷却电机的壳体、电机定子及定子绕组。

由于在转子系统中，转轴100的重量越轻越好，而转轴100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100的强度又有很高的要求。为了同时考虑转子动力学特性和转轴100的强度，可将第二轴段120的轴径设置的较细，而同时在压气机500和透平600之间固定安装一加强环700，参见图3，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。第二径向轴承400套设在加强环700上；第二径向轴承400上设置环形气腔，该环形气腔由燃气轮机定子上的进气口供气。

通过上述转子系统的布局，以及在推力轴承200和电机300上设置进气道，使得本发明的转子系统结构紧凑、简单；且轴承及电机的安装不会阻挡压气机500的进气，同时转子系统的轴向尺寸可调范围大，两支撑点设置在轴端，转子系统的运转平稳性好。

作为优选，推力轴承200为集成式空气轴承，其既具有径向支撑作用，同时也有轴向的支撑作用。

具体地，在第一轴段110靠进气端设置两个同轴的推力盘，相对的两推力盘和转子轴壁之间形成与转轴同轴的环形槽140。推力轴承200设置在环形槽140内，推力轴承200包括左右两片相对设置的轴承单元，且两片轴承单元之间设置气腔。具体地，在其中一片轴承单元端面开设环形气腔，轴承壳体上的进气孔持续通气，沿两片轴承单元之间的缝隙进入轴承环形气腔，将两片轴承单元分别向两侧顶向推力盘，起到轴向止推作用。参见图2，推力轴承200内通入的气体从轴承底部向左右两边流出，左边从左侧的推力盘边缘流过、经端盖流出，右边从减压孔310中通入电机300的气腔，融入第一进气道P1通入的气体中。

为满足推力轴承200的装配要求，靠轴端的推力盘可以设置为可拆卸式，以便使推力轴承200能够进入环形槽140内；或，两个推力盘与转轴100一体成型，推力轴承200为可沿径向面分离的轴承，通过扣合后固定的方式套在环形槽140内的轴壁上。

本发明的轴向止推结构中，环形槽140两侧的推力盘高度低，加工时车削量小、耗材少、工艺相对简单，质量分布相对均匀，转轴高度旋转时稳定性更好。

本发明的长跨距转子系统可应用于设有或不设有回热器的发电机机组。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种使用上述转子系统的燃气轮机发电机组，该发电机机组包括：

上述转子系统，电机机匣810、燃气轮机机匣820以及燃烧室830；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，并且与电机机匣810连接，燃烧室830与燃气轮机机匣820连接，并且燃烧室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。

作为优选，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。

本发明的燃气轮机发电机组中，所有的轴承全部设置在电机机匣810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，本发明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。同时，本发明的燃气轮机发电机组进气充分；由于两支点(即第一径向轴承900和第二径向轴承400)分别位于转轴100的两端，本发明转轴100的轴向方向上尺寸可调范围较大，转轴受力均匀，燃气轮机发电机组的运转平稳性好。

实施例二

实施例一中的第一径向轴承900和推力轴承200也可设置为一体式轴承，且推力盘设置为一个。一体式轴承为集成式空气轴承，其既具有径向支撑作用，同时也有轴向的支撑作用。

如图4、5所示，本实施例中一体式轴承包括：第一轴承本体、推力盘、第二轴承本体；推力盘与转轴100固定连接或者一体成型；第一轴承本体和第二轴承本体均套设于转轴并位于推力盘的两侧；第一轴承本体具有一体成型的径向轴承部和推力轴承部，径向轴承部与转轴100在径向上具有预定的径向间隙，推力轴承部与推力盘在轴向上对置安装且具有预定的第一轴向间隙；第二轴承本体与推力盘在轴向上对置安装且具有预定的第二轴向间隙。本实施例的一体式轴承还包括轴承壳体以及轴承端盖，轴承壳体罩设于第一轴承本体、推力盘和第二轴承本体的外周，轴承端盖安装于转轴的第二轴承本体的一端，在轴向上固定第二轴承本体，并与轴承壳体过渡配合。

具体的，本实施例的一体式轴承可以是静压气体轴承、动压气体轴承或者动静压混合气体轴承中的任一种。

当本实施例的一体式轴承设置为静压气体轴承时，第一轴承本体的径向轴承部的外周与轴承壳体之间设置有第一环形气腔，第一环形气腔的底部设置有贯通第一环形气腔与径向间隙的第一通孔，第一轴承本体的推力轴承部与轴承壳体之间设置有第二环形气腔，第二环形气腔的底部设置有贯通第二环形气腔与第一轴向间隙的第二通孔，第二轴承本体与轴承端盖之间设置有第三环形气腔，第三环形气腔的底部设置有贯通第三环形气腔与第二轴向间隙的第三通孔。同时轴承壳体上也设置有将第一环形气腔、第二环形气腔与外接气源连通的第一进气孔、第二进气孔，轴承端盖上设置有将第三环形气腔与外接气源连通的第三进气孔。

当本实施例的一体式轴承设置为动压轴承时，在第一轴承本体的径向轴承部的内径面或者转轴的安装径向轴承部的部位设置有动压发生槽；在第一轴承本体的推力轴承部朝向推力盘的端面或者推力盘面向推力轴承部的端面设置有动压发生槽；在第二轴承本体的朝向推力盘的端面或者推力盘朝向第二轴承本体的端面设置有动压发生槽。

当本实施例的一体式轴承设置为动静压混合轴承时，其同时具有静压轴承和动压轴承的特征。

由于在本实施例中，第一轴承本体同时具有径向轴承部和推力轴承部，因此只要在加工过程中，以轴向为基准加工推力轴承部，保证轴向与推力轴承部的作用面之间的垂直度或者以推力轴承部的作用面为基准加工径向轴承部的内径，保证推力轴承部的作用面与轴向的垂直度即可。加工工艺简单易操作，加工精度高，同时装配过程中不用考虑组合装配的精度，装配工艺简单。

在本发明的各实施例中：

进一步地，参见图6，加强环700内壁中部设置支撑部抵在转轴100上，加强环700内壁位于所述支撑部两侧呈拱形，以满足应力需要。

进一步地，参见图3，加强环700包括圆柱形筒和筒壁外侧设置的径向限位环，该圆柱形筒两头嵌入所述压气机500和透平600端面槽内、径向限位环卡住压气机500或透平600端面。

进一步地，加强环与所述压气机500或透平600一体成型。

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，本申请中所涉及的发明范围，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发明构思的情况下，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。