一种转子系统、燃气轮机、空压机以及热泵

技术领域

本发明涉及转子系统设备技术领域，具体为一种转子系统以及设置有该转子系统的燃气轮机、空压机和热泵。

背景技术

具有转轴的转子系统应用十分广泛，转子系统的研发设计往往追求更高的转速，然而在转轴一端处于温度较高环境下时，滚珠轴承等接触式轴承容易受热变形并且润滑油失效。

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、涡轮三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并压缩使之增压，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)高速旋转，可实现气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功和热能，并还可通过连接发电机输出电能。

燃气轮机的转子由于转速高，一般采用空气轴承，并且采用全空气轴承布局形式，然而空气轴承价格较高，尤其是在一次性场景下不具有成本优势。

因此，亟需一种采用组合轴承布局的燃气轮机转子系统，以降低成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种转子系统、燃气轮机、空压机以及热泵。

一种转子系统，包括转轴、滚珠轴承和动力轴承，所述转轴的两端分别为第一安装端和第二安装端，所述第一安装端与第二安装端的轴径比例值范围为1:2至1：40；

所述滚珠轴承安装在转轴的第一安装端处，所述动力轴承安装在转轴的第二安装端。

进一步的，所述动力轴承为箔片轴承、动压滑块轴承、空气动压轴承、空气静压轴承或液体静压轴承中任意一种或两种及以上的任意组合。

进一步的，所述第一安装端与第二安装端的轴径比例值为1：2、1：3、1：4、1：5、1：6、1：7、1：8、1：9、1：10、1：11、1：12、1：13、1：14、1：15、1：16、1：17、1：18、1：19、1：20、1：21、1：22、1：23、1：24、1：25、1：26、1：27、1：28、1：29、1：30、1：31、1：32、1：33、1：34、1：35、1：36、1：37、1：38、1：39或者1：40。

进一步的，还包括轴承套，所述轴承套设置在滚珠轴承上，所述轴承套的内侧壁与滚珠轴承的外侧面接触，所述轴承套远离转轴的一侧设置锥形部，所述轴承套的锥形部与定子点接触。

进一步的，所述轴承套的外周设置有径向阻尼悬挂件。

进一步的，所述径向阻尼悬挂件为胶圈、弹簧、金属橡胶、磁悬浮挂件或挤压油膜阻尼器中的任意一种。

进一步的，进一步的，所述动力轴承设置若干个，若干个动力转轴套设在第二安装端上。

一种燃气轮机，包括上述转子系统，还包括压气机和涡轮，所述压气机和涡轮安装在转轴上。

进一步的，还包括加强环，所述加强环设置在所述压气机与所述涡轮之间，所述加强环的轴心线与转轴的轴心线处于同一直线上，动力轴承套设在加强环上；

或者，所述转轴为阶梯轴，所述压气机与所述涡轮之间部分对应的轴径大于所述压气机和/或所述涡轮对应的轴径，所述压气机与所述涡轮之间设置有动力轴承；

或者，所述压气机或所述涡轮具有轴向伸出的台阶部，动力轴承套设在台阶部上。

一种空压机，包括上述转子系统。

一种热泵，包括上述转子系统。

本发明与现有技术相比的优点在于：

其一：本方案通过在转子系统的热端设置空气轴承，以适应热端的高温工况，而在转子系统冷端通过滚珠轴承来承载，以降低成本，并且通过缩小滚珠轴承处的轴径，以适配转子系统的高转速。

其二：本方案中设置滚珠轴承，例如角接触球轴承，能承载一定的轴向负载，因此该转子系统可以不设置推力盘和推力空气轴承，从而进一步解决成本。

其三：本方案在滚珠轴承处设置轴承套，并提供阻尼悬挂效果，并在轴向与定子点接触支撑，承受推力的同时能够允许转轴摆动，防止转子系统卡住。

附图说明

图1为采用向心式涡轮的燃气轮机的设置方式一；

图2为采用向心式涡轮的燃气轮机的设置方式二；

图3为采用轴流涡轮的燃气轮机；

图4为采用向心式涡轮的燃气轮机的设置方式三；

图5为燃气轮机中的转轴与定子的配合状态示意图；

图6为轴承套与定子的配合部分结构示意图。

附图标记：转轴100，压气机200，涡轮300，空气轴承400，滚珠轴承500，轴承套600，径向阻尼悬挂件700，定子900

具体实施方式

结合附图1-6所示，一种转子系统，包括具有第一安装端与第二安装端的转轴100以及动力轴承和滚珠轴承500，所述动力轴承优选设置为空气轴承400，其中第一安装端为冷端，第二安装端为热端，动力轴承设置于转轴100的热端，滚珠轴承500设置于转子系统的冷端。珠轴承500位置处的转轴100轴径小于动力轴承位置处的转轴100轴径，其轴径比值可以是1:2-1:40，优选地为1:2-1:10；

所述第一安装端与第二安装端的轴径比例值为1：2、1：3、1：4、1：5、1：6、1：7、1：8、1：9、1：10、1：11、1：12、1：13、1：14、1：15、1：16、1：17、1：18、1：19、1：20、1：21、1：22、1：23、1：24、1：25、1：26、1：27、1：28、1：29、1：30、1：31、1：32、1：33、1：34、1：35、1：36、1：37、1：38、1：39或者1：40。

动力轴承可以为空气轴承400，其中空气轴承400可以为箔片轴承、动压滑块轴承、动压轴承、静压轴承或其组合，动力轴承也可以是一体式轴套轴承。

其中，箔片轴承、动压滑块轴承、动压轴承均是不需要外接气源即可启动和运行的动压轴承，当为静压轴承时，由于只在热端设置，因此可以配备体积较小的小功率气源，进一步减少成本。

进一步地，当转轴100自重较大时，动力轴承还可以为液体静压轴承，例如水静压轴承，即在转子系统启动时，通过水膜来提供更强支撑，在稳定运转时，受高温影响，水膜蒸发成水蒸气，并切换到气膜支撑。

进一步地，动力轴承也可以是油膜轴承。

进一步地，如图4所示，空气轴承400的数量可以是多个。

进一步地，如图5和图6所示，还包括轴承套600，轴承套600的轴套部套设于滚珠轴承500的外周面，轴承套600的轴套部的外周侧设置有径向阻尼悬挂件700，以在滚珠轴承500处提供一定的径向阻尼，以便于转轴100的对中操作和径向偏移补偿。

径向阻尼悬挂件700可以是胶圈、弹簧或挤压油膜阻尼器等。

轴承套600的支点部通过点接触支撑于定子900，在能够承载一定的轴向力的同时，能够对转轴100的摆动提供缓冲空间，有助于防止转子系统卡住

一种燃气轮机，包括具有第一安装端与第二安装端的转轴100以及动力轴承和滚珠轴承500，所述动力轴承优选设置为空气轴承400，其中第一安装端为冷端，第二安装端为热端，空气轴承400设置于转轴100的热端，滚珠轴承500设置于转子系统的冷端。珠轴承500位置处的转轴100轴径小于空气轴承400位置处的转轴100轴径，其轴径比值可以是1:2-1:40，优选地为1:2-1:10；

所述第一安装端与第二安装端的轴径比例值为1：2、1：3、1：4、1：5、1：6、1：7、1：8、1：9、1：10、1：11、1：12、1：13、1：14、1：15、1：16、1：17、1：18、1：19、1：20、1：21、1：22、1：23、1：24、1：25、1：26、1：27、1：28、1：29、1：30、1：31、1：32、1：33、1：34、1：35、1：36、1：37、1：38、1：39或者1：40。

包括转轴100及套设安装于转轴100的压气机200和涡轮300(图1示出为向心式涡轮)。转轴100、压气机200和涡轮300可同步转动。

还包括空气轴承400和滚珠轴承500，空气轴承400设置于临近涡轮300的位置处，也就是转子系统的热端，图1中示例地示出空气轴承400设置于压气机200和涡轮300之间。滚珠轴承500设置于远离涡轮300的位置处，也就是转子系统的冷端。滚珠轴承500位置处的转轴100轴径小于空气轴承400位置处的转轴100轴径，其轴径比值可以是1:2-1:40，优选地为1:2-1:10。

本方案中的转子系统可用于燃气轮机中，在应用于燃气轮机的场景下，为提高燃气轮机的效率，燃气轮机的转子系统的转速通常很高，故往往采用空气轴承来提供支撑，并且由于燃气轮机的第二安装端(热端)的温度较高，接触式轴承受热形变后会影响转子系统正常转动，而且高温也会导致轴承的油润滑失效，并且为满足涡轮端在高温下的刚度需求，此处的轴径不宜过小，而滚珠轴承通常不适用于大直径高转速的工况(受轴承极限DN值限制)，因此涡轮端只能采用空气轴承。然而，空气轴承的成本较高，全轴布局往往会增加成本(空气轴承自身成本，静压轴承需要的大气源的成本)，因此在转子系统的冷端设置滚珠轴承以减少成本，并且缩小滚珠轴承处的转轴轴径，以小于轴承极限DN值，满足转子系统的高速转动需求。尤其是在短时间运行工况需求中或者一次性运行工况需求中，既满足了运行需要，也节约了成本。并且，滚珠轴承(例如角接触球轴承)能承载一定的轴向负载，因此该转子系统可以不设置推力盘和推力空气轴承，进一步解决成本。

动力轴承可以为空气轴承400，其中空气轴承400可以为箔片轴承、动压滑块轴承、动压轴承、静压轴承或其组合，动力轴承也可以是一体式轴套轴承。

其中，箔片轴承、动压滑块轴承、动压轴承均是不需要外接气源即可启动和运行的动压轴承，当为静压轴承时，由于只在热端设置，因此可以配备体积较小的小功率气源，进一步减少成本。

进一步地，当转轴100自重较大时，动力轴承还可以为液体静压轴承，例如水静压轴承，即在转子系统启动时，通过水膜来提供更强支撑，在稳定运转时，受高温影响，水膜蒸发成水蒸气，并切换到气膜支撑。

进一步地，动力轴承也可以是油膜轴承。

进一步地，如图2所示，还包括加强环，加强环为环状且固定连接于涡轮300和压气机200之间。空气轴承400可以布置在加强环的外周面，此时空气轴承400所处的内径是强环的直径。

进一步地，如图3所示，涡轮300还可以是轴流涡轮。

进一步地，如图4所示，空气轴承400的数量可以是多个。

进一步地，如图5和图6所示，还包括轴承套600，轴承套600的轴套部套设于滚珠轴承500的外周面，轴承套600的轴套部的外周侧设置有径向阻尼悬挂件700，以在滚珠轴承500处提供一定的径向阻尼，以便于转轴100的对中操作和径向偏移补偿。

径向阻尼悬挂件700可以是胶圈、弹簧或挤压油膜阻尼器等。

轴承套600的支点部通过点接触支撑于定子900，在能够承载一定的轴向力的同时，能够对转轴100的摆动提供缓冲空间，有助于防止转子系统卡住。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

在本发明的描述中，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发明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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。