一种转动装置及燃气轮机
阅读说明：本技术 一种转动装置及燃气轮机 (Rotating device and gas turbine ) 是由 靳普 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种转动装置,包括转轴、涡轮和壳体,涡轮固定安装于转轴上,转轴和涡轮安装于壳体内；所述涡轮的径向外侧套设有轴承环,轴承环与壳体之间的间隙形成气体轴承的气膜间隙,轴承环、壳体及其间隙形成气体轴承,在涡轮围绕轴线相对于壳体转动时形成气膜,以相对于壳体对涡轮形成支撑,从而改善高速运转时涡轮的径向摆动,增加涡轮转动时的稳定性。本发明还公开了一种包括该转动装置的燃气轮机。(The invention discloses a rotating device which comprises a rotating shaft, a turbine and a shell, wherein the turbine is fixedly arranged on the rotating shaft; the radial outer side of the turbine is sleeved with a bearing ring, a gap between the bearing ring and the shell forms an air film gap of the gas bearing, the bearing ring, the shell and the gap form the gas bearing, and an air film is formed when the turbine rotates around an axis relative to the shell so as to support the turbine relative to the shell, so that the radial swing of the turbine during high-speed operation is improved, and the stability of the turbine during rotation is improved. The invention also discloses a gas turbine comprising the rotating device.)
技术领域
本发明涉及一种转动装置及燃气轮机，属于燃气轮机技术领域。
背景技术
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、燃烧室和涡轮三大部件，其中，压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩使之增压，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一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并可通过连接发电机输出电能。
燃气轮机的转子系统中，涡轮需要进行高速旋转并且工作温度较高，例如，对于小功率燃气轮机，燃气轮机的转子系统的转速可达或超过140000RPM(转/分钟)，涡轮的工作温度可达950～1000℃，涡轮叶轮的工作线速度极高，从而承载的离心力高达100MPa。涡轮往往采用强度高并耐高温的材料(例如镍)，以满足在高转速和高温度的工况下工作，而这样的材料通常密度较高，涡轮质量较大，而且涡轮通常位于转子系统的悬臂端，如此，在转子系统高速转动时，涡轮会出现较大幅度的摆动。
非接触式轴承(例如气体轴承)由于其摩擦系数和摩擦力矩小、运动精度高等特点，在一些高转速的场合使用越来越普遍。气体轴承是依靠轴承间隙中的压力气膜实现转子系统的支撑。
发明内容
针对上述现有技术，为提高涡轮端转动稳定性，本发明提供了一种转动装置，及燃气轮机。本发明通过在转动装置/燃气轮机的涡轮端设置气体轴承，对涡轮端进行支撑，从而有效提高了涡轮端转动稳定性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种转动装置，包括转轴、涡轮和壳体，涡轮固定安装于转轴上，转轴和涡轮安装于壳体内；所述涡轮的径向外侧套设有轴承环，轴承环呈圆环状，轴承环与壳体之间具有间隙，在涡轮围绕轴线相对于壳体转动时，该间隙可形成气膜的气膜间隙，轴承环、壳体及间隙形成气体轴承，以相对于壳体对涡轮形成支撑，从而改善高速运转时涡轮的径向摆动，增加涡轮转动时的稳定性。
进一步地，由轴承环、壳体及其间隙形成的气体轴承为静压轴承、动压轴承或动静压混合轴承中的任意一种。
进一步地，所述涡轮可以为向心涡轮。
进一步地，所述涡轮具有轴向相对的径向大端和径向小端，轴承环位于涡轮的径向小端。
进一步地，所述轴承环可采用极大过盈的方式装配至涡轮，即可通过轴承环热装或涡轮冷装。
进一步地，所述轴承环与涡轮之间可以采用焊接的方式固定连接，可以是激光焊接，也可以采用合适的焊料焊接。
进一步地，所述轴承环与涡轮之间也可以采用过盈加焊接的方式固定连接，以提高过盈配合的可靠性。
进一步地，所述涡轮具有轴向延伸的多个叶片，轴承环内环面与多个叶片的径向外侧边缘焊接。
进一步地，所述涡轮的径向小端处，至少部分叶片具有轴向向外延伸的突出部，该突出部与轴承环固定连接，突出部的设置可以增加涡轮与轴承环之间的接触面积，既能够增加连接稳定性，也能够增加此处气体轴承的气膜面积，提高气体轴承支撑效果。
进一步地，当部分叶片上具有突出部时，具有突出部的叶片与不具有突出部的叶片可以交替设置。
进一步地，涡轮的所有叶片均具有突出部。
进一步地，所述突出部设在涡轮的径向小端的径向外侧位置处，在提供支撑的同时又尽量不影响涡轮的气动效果。
进一步地，所以涡轮、轴承环可采用耐高温材料制成，所述耐高温材料选自耐高温金属，如铸造镍。
进一步地，所述涡轮与轴承环采用相同的耐高温材料制成，有利于提高激光焊接后的接合强度。
一种燃气轮机，包括上述结构的转动装置和压气机，压气机安装于转轴上。燃气轮机的结构还包括燃烧室、排气段等。
进一步地，所述转轴上还设有第一径向轴承和推力盘；转轴具有轴向相对的轴向第一端和轴向第二端，第一径向轴承和推力盘位于转轴的轴向第一端，涡轮位于或邻近转轴的轴向第二端，推力盘位于第一径向轴承和涡轮之间，压气机位于推力盘和涡轮之间；推力盘一侧或两侧设置有推力轴承。
进一步地，所述壳体可以为燃气轮机壳体、燃烧室壳体、排气段壳体或连接于上述壳体的中间壳体。
进一步地，所述第一径向轴承可以为气体轴承。
进一步地，所述推力轴承可以为气体轴承。
进一步地，所述气体轴承为静压轴承、动压轴承或动静压混合轴承中的任意一种。
进一步地，所述燃气轮机还包括加强环，加强环为环状，加强环固定连接于涡轮和压气机之间。
进一步地，所述加强环的径向外侧设置有第二径向轴承；所述第二径向轴承可以为气体轴承。
进一步地，所述压气机和涡轮相对的表面上设置有用于定位加强环的定位结构；所述定位结构为：在压气机靠近涡轮的表面设置有定位环槽，在涡轮靠近压气机表面设有凸起，凸起构成环形定位止口，加强环一端插入到定位环槽内，另一端插入到环形定位止口内周。
进一步地，所述加强环侧壁上设置有排气孔，排气孔的数量可以为4个。
本发明的转动装置及燃气轮机，在涡轮端设置轴承环，轴承环与壳体之间的间隙形成气体轴承的气膜间隙，轴承环、壳体及其间隙形成气体轴承，在涡轮围绕轴线相对于壳体转动时，该间隙中形成气膜，以相对于壳体对涡轮形成支撑，从而改善高速运转时涡轮的径向摆动，增加涡轮转动时的稳定性。
在一些进一步的方案中，轴承环可设在涡轮的径向小端，其受到的离心力相对较小，从而使得同等材料下能够尽量避免轴承环受离心力出现变形、变性或断裂等问题。
在一些进一步的方案中，涡轮的径向小端处可设置沿轴向向外延伸的突出部，以增加涡轮与轴承环之间的接触面积，既能够增加连接稳定性，也能够增加此处气体轴承的气膜面积，提高气体轴承支撑效果。
当本文中提及的轴承结构为静压轴承时，具有以下结构：包括由外向内嵌套设置的轴承本体和轴承套，轴承套与转轴在径向上具有预定的径向间隙(轴承为径向轴承时)，或轴承套与推力盘在转轴的轴向上对置安装且具有预定的轴向间隙(轴承为推力轴承时)；轴承套的外周面设有环形气腔，轴承套上设有贯通环形气腔与间隙(径向间隙或轴向间隙)的通孔；轴承本体上设有将环形气腔与外接气源连通的气孔；为便于加工且不影响间隙内的气体压力，所述通孔可以为变径孔，即通孔远离间隙一侧的直径大，靠近间隙一侧的直径小。
当本文中提及的轴承结构为动压轴承时，具有以下结构：包括轴承本体，轴承本体与转轴在径向上具有预定的径向间隙(轴承为径向轴承时)，轴承本体的内径面或转轴的安装轴承本体的部位设置有动压发生槽；或：轴承本体与推力盘在转轴的轴向上对置安装且具有预定的轴向间隙(轴承为推力轴承时)，轴承本体朝向推力盘的端面或推力盘朝向轴承本体的端面设置有动压发生槽。
当本文中提及的轴承结构为动静压混合轴承时，其结构同时具有静压轴承和动压轴承的特征。本发明不再做过多的赘述。
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
图1：实施例1的转动装置的结构示意图。
图2：本发明的轴承环的结构示意图。
图3：实施例2的转动装置的结构示意图。
图4：实施例3的燃气轮机的结构示意图。
图5：实施例5的燃气轮机的结构示意图。
其中，100、转轴；110、推力盘；200、涡轮；210、突出部；300、壳体；400、轴承环；500、压气机；610、第一径向轴承；620、推力轴承；640、第二径向轴承；700、加强环。
具体实施方式
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。本领域的专业人员能够理解，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。
实施例1一种转动装置
一种转动装置，包括转轴100、涡轮200和壳体300，涡轮200固定安装于转轴100上，转轴100和涡轮200安装于壳体300内，涡轮200为向心涡轮，如图1所示(图1仅示出部分壳体300)；所述涡轮200的径向外侧套设有轴承环400，轴承环400呈圆环状，如图2所示；轴承环400与壳体300之间具有间隙(具体地，轴承环400的外环面称为第一轴承面，壳体300与第一轴承面相对应的面称为第二轴承面，第一轴承面与第二轴承面之间具有间隙)，该间隙可形成气体轴承的气膜间隙，轴承环400、壳体300及间隙形成气体轴承，在涡轮200围绕轴线相对于壳体300转动时，该间隙中形成气膜，以相对于壳体300对涡轮200形成支撑，从而改善高速运转时涡轮200的径向摆动，增加涡轮200转动时的稳定性。
所述由轴承环400、壳体300及间隙形成的气体轴承可以为静压轴承、动压轴承或动静压混合轴承中的任意一种。
所述涡轮200具有轴向相对的径向大端和径向小端，轴承环400位于涡轮200的径向小端；在涡轮200高速转动时，轴承环400会受到较大离心力的作用，由于离心力的大小与轴承环400相对于旋转轴线的直径正相关，故设置于涡轮200的径向小端受到的离心力相对较小，使得同等材料下能够尽量避免轴承环400受离心力出现变形、变性或断裂等问题。
所述轴承环400可采用极大过盈的方式装配至涡轮200，即可通过轴承环400热装或涡轮200冷装的方式进行装配。
所述轴承环400与涡轮200之间也可以采用焊接的方式固定连接，可以是激光焊接，也可以采用合适的焊料焊接。具体地，所述涡轮200具有轴向延伸的多个叶片，轴承环400内环面与多个叶片的径向外侧边缘焊接。
所述轴承环400与涡轮200之间也可以采用过盈加焊接的方式固定连接，以提高过盈配合的可靠性。
由于涡轮200位于燃气轮机的热端(工作温度可达950～1000℃)，所以涡轮200、轴承环400可采用耐高温材料制成，所述耐高温材料选自耐高温金属，如铸造镍。具体地，涡轮200与轴承环400采用相同的耐高温材料制成，有利于提高激光焊接后的接合强度。
实施例2一种转动装置
结构同实施例1，不同之处在于：如图3所示，所述涡轮200的径向小端的径向外侧位置处设有轴向向外延伸的突出部210，该突出部210与轴承环400固定连接。所述突出部210可以位于涡轮200的叶片上，具体地，在一些示例中，涡轮200的所有叶片均具有突出部210。在另一些示例中，涡轮的多个叶片中的至少部分叶片上具有突出部210，具有突出部210的叶片与不具有突出部210的叶片可以交替设置。突出部210的设置可以增加涡轮200与轴承环400之间的接触面积，既能够增加连接稳定性，也能够增加此处气体轴承的气膜面积，提高气体轴承支撑效果，且在提供支撑的同时又尽量不影响涡轮200的气动效果。
实施例3一种燃气轮机
一种燃气轮机，包括转轴100、涡轮200、壳体300和压气机500，涡轮200和压气机500均固定安装于转轴100上，转轴100、涡轮200和压气机500安装于壳体300内，所述涡轮200为向心涡轮，如图4所示；所述涡轮的径向外侧套设有轴承环400，轴承环400呈圆环状；轴承环400与壳体300之间具有间隙(具体地，轴承环400的外环面称为第一轴承面，壳体300与第一轴承面相对应的面称为第二轴承面，第一轴承面与第二轴承面之间具有间隙)，该间隙可形成气体轴承的气膜间隙，轴承环400、壳体300及间隙形成气体轴承。
所述转轴100上还设有第一径向轴承610和推力盘110；转轴100具有轴向相对的轴向第一端和轴向第二端，第一径向轴承610和推力盘110位于转轴100的轴向第一端，涡轮200位于或邻近转轴100的轴向第二端，推力盘110位于第一径向轴承610和涡轮200之间，压气机500位于推力盘110和涡轮200之间；推力盘110两侧设置有推力轴承620。
在燃气轮机工作时，转轴100、压气机500、涡轮200围绕轴线相对于壳体300高速旋转，第一径向轴承610在轴向第一端提供支撑，控制转轴100在径向上的摆动或移动，推力轴承620在轴向上提供支撑，控制转轴100在轴向上的摆动或移动；同时，在转轴100、涡轮200高速旋转过程中，轴承环400与壳体300之间的间隙中形成气膜，轴承环400、壳体300及间隙形成气体轴承，在轴向第二端提供支撑，控制转轴100、涡轮200在径向上的摆动或移动；第一径向轴承610、推力轴承620，以及轴承环400、壳体300及间隙形成的气体轴承，三者相互配合，共同起到支撑作用，增加了燃气轮机工作时的稳定性，避免转轴100、压气机500、涡轮200出现较大幅度的摆动或移动。
可以理解的是，图4仅示出本发明实施例的燃气轮机的一个示例。在另一些可选示例中，推力盘110及其对应设置的轴承可以位于压气机500和涡轮200之间，套设于涡轮200径向外侧的轴承环400、壳体300及之间间隙可形成气体轴承，能够相对于壳体300对涡轮200形成支撑，尤其是在涡轮200重量较大时，能够增加涡轮200转动时的稳定性。
所述壳体300可以是燃气轮机壳体、燃烧室(图中未示出)壳体、排气段(图中未示出)壳体或连接于上述壳体的中间壳体。
所述第一径向轴承610、推力轴承620可以为气体轴承。所述气体轴承为静压轴承、动压轴承或动静压混合轴承中的任意一种。
所述涡轮200具有轴向相对的径向大端和径向小端，轴承环400位于涡轮200的径向小端；在涡轮200高速转动时，轴承环400会受到较大离心力的作用，由于离心力的大小与轴承环400相对于旋转轴线的直径正相关，故设置于涡轮200的径向小端受到的离心力相对较小，使得同等材料下能够尽量避免轴承环400受离心力出现变形、变性或断裂等缺陷。
所述轴承环400可采用极大过盈的方式装配至涡轮200，即可通过轴承环400热装或涡轮200冷装。
所述轴承环400与涡轮200之间也可以采用焊接的方式固定连接，可以是激光焊接，也可以采用合适的焊料焊接。具体地，所述涡轮200具有轴向延伸的多个叶片，轴承环400内环面与多个叶片的径向外侧边缘焊接。
所述轴承环400与涡轮200之间也可以采用过盈加焊接的方式固定连接，以提高过盈配合的可靠性。
由于涡轮200位于燃气轮机的热端(工作温度可达950～1000℃)，所以涡轮200、轴承环400可采用耐高温材料制成，所述耐高温材料选自耐高温金属，如铸造镍。具体地，涡轮200与轴承环400采用相同的耐高温材料制成，有利于提高激光焊接后的接合强度。
实施例4一种燃气轮机
结构同实施例3，不同之处在于：所述涡轮200的径向小端处具有轴向向外延伸的突出部210，该突出部210与轴承环400固定连接，所述突出部210可以位于涡轮200的叶片上，具体地，在一些示例中，涡轮200的所有叶片均具有突出部210。在另一些示例中，涡轮的多个叶片中的至少部分叶片上具有突出部210，具有突出部210的叶片与不具有突出部210的叶片可以交替设置。突出部210的设置可以增加涡轮200与轴承环400之间的接触面积，既能够增加连接稳定性，也能够增加此处气体轴承的气膜面积，提高气体轴承支撑效果，增加燃气轮机的稳定性，且在提供支撑的同时又尽量不影响涡轮200的气动效果。
实施例5一种燃气轮机
结构同实施例3，不同之处在于：当压气机500位于推力盘110和涡轮200之间时，还包括加强环700，加强环700为环状，如图5所示，加强环700固定连接于涡轮200和压气机500之间。设置加强环700，可提高压气机500和涡轮200的刚性，也可间接提高压气机700和涡轮200之间转轴100的刚性，提高转子系统的临界转速，以适应正常工作转速，同时降低转轴100的振动，避开共振区域。
所述加强环700的径向外侧设置有第二径向轴承640；所述第二径向轴承640为气体轴承。
所述压气机500和涡轮200相对的表面上还可以设置有用于定位加强环700的定位结构；所述定位结构可以为：在压气机500靠近涡轮200的表面设置有定位环槽，在涡轮200靠近压气机500表面设有凸起，凸起构成环形定位止口，加强环700一端插入到定位环槽内，另一端插入到环形定位止口内周。
所述加强环700侧壁上可以设置有排气孔，排气孔的数量可以为4个。排气孔用于将加强环内的气体排出，以保证加强环内外压力相等，避免压气机500和涡轮200工作时，工作气流产生的热量导致加强环700内的热量增加，环内压力增大，影响加强环700的使用寿命甚至损坏加强环700。
上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
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