一种转子系统及燃气轮机

技术领域

本申请属于热机领域，具体涉及一种转子系统及燃气轮机。

背景技术

气体轴承指的是用空气作为润滑剂的轴承，气体轴承采用无接触的支承方式，依靠环形气腔中的压力气膜实现转子系统的支撑。由于其具有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，例如燃气轮机。

但总体现有的气体轴承的使用场合依旧有限，对于一些特殊的使用场合，现有的气体轴承存在一些条件限制，因此需要提供更多新型的气体轴承以解决现有气体轴承在使用中存在的问题，扩展气体轴承的使用场景。

发明内容

本申请的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种转子系统及燃气轮机，该转子系统可降低热端轴承的密封要求，扩展气体轴承的使用场景。

本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种转子系统，该转子系统包括转轴、供气体以及至少一个径向轴承体，转轴开设有轴内腔和连通孔，所述轴内腔沿所述转轴的轴向延伸并在转轴的一端具有开口，所述连通孔的一端口与所述轴内腔连通，另一端口开设在所述转轴的外表面上。至少一个径向轴承体对应所述连通孔的位置套设在所述转轴外，并与所述转轴之间具有径向轴承间隙，所述径向轴承间隙与所述连通孔连通。供气体与所述转轴气封配合，所述供气体具有供气通道，所述供气通道分别与所述轴内腔和供气源连通。

进一步地，所述供气体周向上开设有多个气封通道，所述气封通道的一端连通气封气源，另一端朝向所述转轴的外表面或所述轴内腔的内表面。

进一步地，所述供气体包括密封连接的供气部与环形的密封部，所述供气部与所述转轴的端部间隔相对设置，所述供气部上开设有所述供气通道；所述密封部间隔套设在所述转轴的外表面，所述密封部周向上开设有多个所述气封通道，所述气封通道的一端朝向所述转轴的外表面。

进一步地，所述供气体伸入所述轴内腔内，并与所述轴内腔的内表面配合形成气封间隙，各个所述气封通道开设在所述供气体上轴内腔的开口与供气通道的出气口之间的位置，所述气封通道的出气口朝向所述轴内腔的内壁并与所述气封间隙连通。

进一步地，多个所述气封通道在所述供气体的轴向上排列为两排以上。

进一步地，所述供气源与所述气封气源为同一气源。

进一步地，所述气封通道的进气口与所述供气通道连通，所述供气通道与所述供气源连通。

进一步地，所述径向轴承的套设的转轴的部分开设有两个以上沿周向分布的连通孔。

进一步地，该转子系统还包括弹性件，所述弹性件设置在所述径向轴承体和定子之间，以在所述径向轴承体和所述定子之间形成弹性缓冲。

第二方面，本申请还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括压气机、涡轮以及第一方面任一实施例所述的转子系统，所述压气机和所述涡轮分别套设在所述转子系统的转轴上。

本申请提供的转子系统将气体轴承的密封部位转移到转轴的端部，当气体轴承设置在高温环境例如燃气轮机的涡轮端时，可避免高温引起的密封部件变形导致丧失密封效果的情况。因此径向轴承体处无需配置密封部件、仅需要配置耐高温的弹性件实现径向轴承体与定子之间的缓冲即可，有效降低了气体轴承在高温环境下的使用要求。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征，附图并未按照实际的比例绘制。

图1为本申请提供的一种转子系统具有一个径向轴承体的结构图；

图2为本申请提供的一种转子系统具有两个径向轴承体的结构图；

图3为本申请提供的一种供气体伸入轴内腔的转子系统的结构图；

图4为本申请提供的供气体与转轴的一种气封结构图；

图5为本申请提供的一种供气体与转轴的另一种气封结构图；

图6为本申请提供的一种供气体伸入轴内腔的细节结构图；

图7为本申请提供的另一种供气体伸入轴内腔的细节结构图；

图8为本申请提供的又一种供气体伸入轴内腔的细节结构图；

图9为本申请提供的一种转子系统在径向轴承体和定子之间设置弹性件的结构图；

图10为本申请提供的另一种转子系统在径向轴承体和定子之间设置弹性件的结构图；

图11为本申请提供的又一种转子系统在径向轴承体和定子之间设置弹性件的结构图；

图12为本申请的整体结构示意图。

图标：100-转轴；110-轴内腔；120-连通孔；200-径向轴承体；210-径向轴承间隙；300-供气体；310-供气通道；320-气封通道；330-供气部；340-密封部；350-扩口；360-结构环；370-环形气腔；380-内部管道；400-弹性件；220-安装槽；230-环形槽；500-压气机；600-涡轮；700-定子。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请，并不被配置为限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

第一方面，请参考图1-3，本申请提供了一种转子系统，该转子系统包括转轴100、供气体300以及至少一个径向轴承体200，转轴100开设有轴内腔110和连通孔120，轴内腔110沿转轴100的轴向延伸并在转轴100的一端具有开口，连通孔120的一端口与轴内腔110连通，另一端口开设在转轴100的外表面上。每个径向轴承体200对应连通孔120的位置套设在转轴100外，并与转轴100之间具有径向轴承间隙210，径向轴承间隙210与连通孔120连通。供气体300与转轴100气封配合，供气体300具有供气通道310，供气通道310分别与轴内腔110和供气源连通。

在上述实施过程中，由于供气通道310连通轴内腔110与供气源，并且轴内腔110通过连通孔120与转轴100和径向轴承体200之间的径向轴承间隙210连通，因此供气体300和转轴100配合形成了从轴内向径向轴承间隙210通入气体的通道。供气源通过供气体300的供气通道310向转轴100的轴内腔110中通入气体，轴内腔110中的气体通过连通孔120吹向径向轴承间隙210，在径向轴承间隙210内形成气膜，在转轴100相对径向轴承体200转动时，气膜在转轴100与径向轴承体200之间形成支撑。

可见，相比于现有的气体轴承通过径向轴承体200内向径向轴承间隙210通入气体形成气膜支撑，本申请提供的转子系统中的气体轴承的气体是由转轴100的内部通入径向轴承间隙210的，进而可避免或减小由于从径向轴承体200通入气体对气体轴承带来的使用场景上的限制和问题。

具体的，气体轴承通常采用密封圈(氟胶密封圈)来保证气腔的气密效果，以保证气体轴承的供气稳定，使气体轴承稳定运行。当气体轴承应用于燃气轮机的热端时，燃气轮机的燃烧室出口气体温度往往超过900℃以上，涡轮600处的温度达500℃至600℃，邻近涡轮600设置的气体轴承受到燃烧室和涡轮600的热辐射影响，会导致气体轴承中常用的密封圈受高温熔化、失效，影响气腔处的密封效果，导致气腔漏气，使得气体轴承的气膜不稳定、支撑力不足，影响气体轴承稳定运行。

上述方案提供了一种新型的气体轴承，是通过转轴100的内部向径向轴承间隙210内通入气体的，因此可省去径向轴承体200处的密封组件，将密封部340位由径向轴承体200处移动到转轴100与供气体300之间，采用气封的方式进行密封。该气体轴承应用于高温环境例如燃气轮机的涡轮600附近时，可避免高温环境对气体轴承密封性的影响。

在一种可能的实施方式中，径向轴承的套设的转轴100的部分开设有两个以上沿周向分布的连通孔120。

在上述实施方式中，在转轴100上周向开设连通孔120，可提高径向轴承间隙210内的气膜稳定性，进而提高整个转子系统的稳定。

可选地，可参考图2与图3，径向轴承体200的数量为两个，转轴100上开设有两排周向设置的连通孔120，每个径向轴承体200对应一排连通孔120套设在转轴100上。

在一种可能的实施方式中，请参考图4-8所示，供气体300周向上开设有多个气封通道320，气封通道320的一端连通气封气源，另一端朝向转轴100的外表面或轴内腔110的内表面。

在上述实施过程中，气封通道320连通气封气源，气封气源启动后向气封通道320内通入气体，多个周向排布的气封通道320的出气口朝向转轴100的外表面或者轴内腔110的内表面，所有气封通道320喷向转轴100的外表面或轴内腔110的内表面的气形成压力气幕，能够阻挡轴内腔110内的气体从供气体300与转轴100之间的间隙流出，进而实现供气体300与转轴100之间的密封。

在一种可能的实施方式中，请参考图4与图5，供气体300包括密封连接的供气部330与环形的密封部340，供气部330与转轴100的端部间隔相对设置，供气部330上开设有供气通道310；密封部340间隔套设在转轴100的外表面，密封部340周向上开设有多个气封通道320，气封通道320的一端朝向转轴100的外表面。

在上述实施过程中，供气部330和转轴100的端面间隔相对设置，密封部340间隔套设在转轴100外，因此供气体300与转轴100的端部之间配合形成一个供气腔。密封部340上的多个气封通道320通入气体即可在密封部340与转轴100的外表面之间形成气封，实现供气腔的相对密封效果，供气腔的存在可减小气封通道320一侧的压力，进而可提高气封效果。

在一种可能的实施方式中，请参考图6-8所示，供气体300伸入轴内腔110内，并与轴内腔110的内表面配合形成气封间隙，各个气封通道320开设在供气体300上轴内腔110的开口与供气通道310的出气口之间的位置，气封通道320的出气口朝向轴内腔110的内壁并与气封间隙连通。

在上述实施方式中，气封通道320的出气口朝向轴内腔110的内壁，在气封间隙中形成压力气幕，进而将供气通道310的出气口与轴内腔110的开口之间形成气封，实现供气体300与转轴100之间的密封。

可选地，请参考图7，供气通道310对应其出气口具有直径增大的扩口350，气封通道320对应扩口350开设。设置相比原供气通道310直径更大的扩口350，便于机械加工工具(例如勾刀)深入扩口350内加工气封通道320的孔径大端，然后可以通过如激光打孔的方式加工出气封通道320的孔径小端。

可选地，请参考图8，供气体300延伸至轴内腔110内的部分包括沿周向设置的结构环360，气封通道320的一部分设置于结构环360。结构环360呈环管状，其可过盈配合地套设于供气体300的本体上。气封通道320的一部分设置于结构环360，即沿结构环360的周向开设气封通道320的一部分，气封通道320的另一部分设置于供气体300的本体上，两部分相连接并共同组成气封通道320。在气封通道320为阶梯孔时，气封通道320的孔径小端设置于结构环360。本实施例的设置方式，能够便于加工气封通道320，尤其是加工为阶梯孔的气封通道320，加工方式例如可以为采用勾刀加工出结构环360的孔径大端，再通过激光加工出孔径小端。

在一种可能的实施方式中，气封气源与供气源为同一气源。

在上述实施方式中，气封气源与供气源为同一气源，即采用一个气源为气封通道320和供气通道310供气，可减少附件、简化整个转子系统结构。

具体地，气封通道320与供气通道310可以分别通过管道与同一气源连通，也可以设置气封通道320与供气通道310连通，气封通道320或供气通道310与气源连通。

在一种可能的实施方式中，请参考图5，气封通道320的进气口与供气通道310连通，供气通道310与供气源连通。

在上述实施方式中，供气源通入供气通道310的一部分气体从供气通道310的出口排出进入轴内腔110，另一部分通过气封通道320形成压力气幕实现气封。可见，设置气封通道320的进气口与供气通道310连通可省去气封通道320与气源之间的连接管道，进而可简化整个转子系统的结构。

具体地，请参考图5，供气体300上开设有环形气腔370与至少一个内部管道380，环形气腔370与多个气封通道320连通，内部管道380分别连通供气通道310与环形气腔370。供气源通入供气通道310内的气体通过内部管道380进入环形气腔370，充满环形气腔370后从多个气封通道320内喷出。

在一种可能的实施方式中，多个气封通道320在供气体300的轴向上排列为两排以上。

在上述实施方式中，在供气体300上开设多排周向排列的气封通道320，即可在供气体300和转轴100之间形成多排压力气幕，可有效提高气封效果。

在一些可选的实施例中，请参考图6与图8，气封通道320是阶梯孔，阶梯孔的孔径小端朝向内转轴100的外表面或轴内腔110的内表面，阶梯孔可使进入的气流速度进一步增大，以进一步增强压力气幕的强度。

对于非接触式的径向轴承，其轴承与定子700之间的间隙很狭小，这就要求定子700和轴承均具有很高的加工精度和装配精度，否则很容易产生碰撞、卡死现象，对轴承造成磨损和损坏。在气体轴承刚启动时，轴承和转子之间的空气是被压缩状态，存在压力，当转子不平衡力产生的激振频率与转子及其支承系统的固有频率一致时会引起共振，共振轻则造成系统噪音、振动严重，重则零部件报废。

在一种可能的实施方式中，请参考图9-11，上述转子系统还包括弹性件400，弹性件400设置在径向轴承体200和定子700之间，以在径向轴承体200和定子700之间形成弹性缓冲。

在上述实施方式中，在径向轴承体200和定子700之间设弹性件400形成弹性缓冲，可降低定子700与径向轴承体200之间的加工精度和装配精度，避免定子700与径向轴承体200之间产生碰撞、卡死的现象，同时避免转子和轴承之间共振，保护转子系统的结构，延长其使用寿命。可选地，当上述转子系统应用于高温环境例如燃气轮机的涡轮600附近，弹性件400应选择耐高温材质，例如金属、金属合金等。

可见，现有的气体轴承为了实现正常运行需要在实现轴承的密封和轴承与定子700之间的缓冲，进而需要配置具有密封效果的耐高温弹性部件。本申请提供的转子系统中的气体轴承将密封部340分移动到转轴100的端部，与轴承分开，因此当该气体轴承应用于高温环境时，仅需要配置耐高温的弹性件400实现径向轴承体200与定子700之间的缓冲即可，有效降低了气体轴承在高温环境下的使用要求。

在一种可能的实施方式中，如图9所示，径向轴承体200的外表面开设有安装槽220，弹性件400为弹簧，弹簧的一端伸入安装槽220内且抵接安装槽220的槽底，另一端抵接定子700。

在上述实施方式中，采用弹簧作为弹性件400实现弹性缓冲，结构简单且制造方便容易获得，同时采用安装槽220对弹簧进行固定，结构简单，加工容易。

在一种可能的实施方式中，安装槽220的数量为两个以上，两个以上的安装槽220径向延伸且周向排布在径向轴承体200的外表面，每个安装槽220内设置有一个弹簧。

在上述实施方式中，由于径向轴承体200具有一定的长度，因此在径向轴承体200上设置多排周向排布的安装槽220与弹簧，可提高轴承与定子700之间的稳定性，保证整个转子系统的稳定运转。

在一种可能的实施方式中，如图9与11所示，径向轴承体200的外表面开设有环形槽230，弹性件400为环形，弹性件400套设在环形槽230内，弹性件400的径向截面为V形、U型或X型。

可选地，径向轴承体200的外表面开设有两个以上的环形槽230，每个环形槽230内对应设置一个弹性件400。

可选地，如图11所示，多个环形的X型轴向连接形成弹性件400。

第二方面，本申请还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括压气机500、涡轮600以及第一方面任一实施例中的转子系统，压气机500与涡轮600套设在转子系统的转轴100上。

进一步地，转子系统中的径向轴承体200临近涡轮600设置，以对涡轮600进行支撑。根据本申请提供的转子系统通过从转轴100内向径向轴承体200和转轴100之间通入气体，省去径向轴承体200的密封，将密封部340位转移到转轴100与供气体300之间，可避免涡轮600附近的高温环境损坏密封部340件，且可降低密封部340件的耐热要求。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

依照本申请如上文所述的实施例，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该申请仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本申请的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本申请以及在本申请基础上的修改使用。本申请仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。