一种超高速涡轮发电机的制作方法

本实用新型是涉及一种超高速涡轮发电机，属于高精密机械技术领域。

背景技术：

近年来，随着分布式供电和多电技术的发展，电力系统已经慢慢取代传统飞行器中的液压、气压等机械系统，使得二次侧功率系统均以电的形式进行分配，多电、全电飞行器已经成为当代新的发展方向。以超高速涡轮发电机为主体的电源系统将成为新一代多电飞行器电源系统的重要研究方向，其原理是利用燃气尾焰和飞行器飞行过程中的高速气流带动涡轮机旋转进行发电。

由于传统油系轴承存在着极限转速，当转轴转速超过极限转速时轴承会失效，因此已不能满足超高速涡轮发电机的使用要求。而气浮轴承以其摩擦损耗小、高温稳定性好、可靠性高、振动小、不需要润滑油、不受转轴尺寸限制等一系列优点，已经逐渐成为工业界和学术界关注的热点，例如：中国专利申请CN201310703932.8中公开了一种废气涡轮发电机，采用2个径向空气箔片轴承和1个空气箔片止推轴承，以克服传统轴承在高速高温下工作容易失效的缺陷，具有摩擦损耗小、能在高温环境下工作，废气能量回收效率高等优点，但由于箔片轴承一般采用的是金属箔片，不仅材料制造技术和加工工艺技术上还存在一些难题，而且轴承的阻尼值不能很大提高，导致轴承的刚性不够，轴承的临界转速较低，在高速运转时容易失稳甚至卡死，高速运转的稳定性不佳，转速提高有限，使得工业应用受到局限。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种可稳定运行的超高速涡轮发电机。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种超高速涡轮发电机，包括涡轮机、散热风扇、电机、2个径向轴承及1个止推轴承，所述涡轮机包括涡轮、涡轮机壳体、涡轮机导流器及涡轮机导流器壳体，所述散热风扇包括风扇壳体，所述电机包括转子、定子、內轴、外轴及电机壳体；其特征在于：所述径向轴承为槽式动压气体径向轴承，包括轴承外套和轴承内套；所述止推轴承为混合式动压气体止推轴承，包括两个侧盘以及夹设在两个侧盘之间的中盘，在每个侧盘与中盘之间均设有箔型弹性件；所述转子套设在內轴的中部，2个径向轴承分别套设在位于转子左、右端的外轴上，所述止推轴承套设在右端的外轴上、并位于右端径向轴承的外端侧，所述涡轮机和散热风扇分别设置在內轴的两端。

作为一种实施方案，所述涡轮机设置在內轴的左端，所述散热风扇设置在內轴的右端。

作为进一步实施方案，所述的超高速涡轮发电机还包括左径向轴承套和左轴承室端盖，涡轮机壳体与涡轮机导流器壳体固定连接，涡轮机导流器壳体与左轴承室端盖固定连接，左轴承室端盖与左径向轴承套固定连接，左径向轴承套与电机壳体固定连接。

作为进一步实施方案，所述的超高速涡轮发电机还包括右径向轴承套和右轴承室端盖，风扇壳体与右轴承室端盖固定连接，右轴承室端盖与右径向轴承套固定连接，右径向轴承套与电机壳体固定连接，所述散热风扇设在位于右轴承室端盖与风扇壳体之间的內轴上。

作为优选方案，在电机壳体的内壁周侧开设有若干开口槽，在电机壳体的端面开设有若干通气孔，所述开口槽与通气孔相连通，以利于气体的导入和导出，一方面实现快速散热排气，另一面实现对轴承室内进行空气补给。

作为优选方案，在左轴承室端盖的周侧开设有若干排气孔，在风扇壳体的外端面上开设有若干进气孔。

作为优选方案，所述轴承内套的外圆周面和两端面均具有规则形状的槽式花纹。

作为进一步优选方案，所述轴承内套的一端面的槽式花纹与另一端面的槽式花纹形成镜像对称，以及外圆周面的槽式花纹的轴向轮廓线与两端面的槽式花纹的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接。

作为进一步优选方案，所述轴承内套的外圆周面的槽式花纹中的轴向高位线与两端面的槽式花纹中的径向高位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向中位线与两端面的槽式花纹中的径向中位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向低位线与两端面的槽式花纹中的径向低位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接。

作为优选方案，所述轴承内套与轴承外套间的配合间隙为0.003～0.008mm。

作为优选方案，在所述轴承外套的两端设有止环。

作为优选方案，所述中盘的两端面均设有规则形状的槽式花纹，且一端面的槽式花纹与另一端面的槽式花纹形成镜像对称。

作为优选方案，在所述中盘的外圆周面也设有槽式花纹，且外圆周面的槽式花纹的形状与两端面的槽式花纹的形状相同，以及外圆周面的槽式花纹的轴向轮廓线与两端面的槽式花纹的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接。

作为进一步优选方案，中盘的外圆周面的槽式花纹中的轴向高位线与两端面的槽式花纹中的径向高位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向中位线与两端面的槽式花纹中的径向中位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向低位线与两端面的槽式花纹中的径向低位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接。

作为进一步优选方案，在与中盘相配合的箔型弹性件的配合面上设有耐磨涂层。

作为进一步优选方案，所述箔型弹性件与中盘的配合间隙为0.003～0.008mm。

作为进一步优选方案，所述箔型弹性件的至少一端固定在对应侧盘的内端面上。

作为进一步优选方案，每个侧盘上的箔型弹性件为多个，且沿侧盘的内端面均匀分布。

作为进一步优选方案，固定在一个侧盘上的箔型弹性件与固定在另一个侧盘上的箔型弹性件形成镜像对称。

作为进一步优选方案，在侧盘的内端面设有用于固定箔型弹性件的卡槽。

作为一种实施方案，所述的箔型弹性件由波箔和平箔组成，所述波箔的弧形凸起顶端与平箔相贴合。

作为另一种实施方案，所述的箔型弹性件由波箔和平箔组成，所述波箔的波拱间过渡底边与平箔相贴合。

作为又一种实施方案，所述的箔型弹性件由两个平箔组成。

上述的槽式花纹均为叶轮形状。

上述的箔型弹性件优选经过表面热处理。

作为优选方案，所述转子包括转子底座、磁钢和磁钢保护套，所述转子底座套设在內轴上，所述磁钢套设在转子底座的中心部，所述磁钢保护套套设在磁钢上。

作为优选方案，所述定子包括铁芯和绕组，所述铁芯固定在位于转子上方的电机壳体的内壁上，所述绕组设置在铁芯上。

作为优选方案，所述铁芯包括由若干冲片上下叠置形成的定子叠片和固定在定子叠片两侧的端压板。

作为进一步优选方案，所述冲片呈圆环形，在环形部间隔设有多个杯状穿孔，所述穿孔的杯口部封闭，杯脚的底部开口。

作为优选方案，所述绕组为三相星型连接，中心线不引出，只引出A、B、C三个端头。

作为进一步优选方案，每相绕组为2个线圈，每个线圈由漆包铜线连续绕制而成。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

因本实用新型所提供的涡轮发电机，是以气体作为轴承的润滑剂，因此不仅具有无污染、摩擦损失低、使用时间长、适用范围广、节能环保等诸多优点，而且采用所述结构，散热效果好，可保证长时间稳定运行；尤其是，因所述结构的空气轴承能实现在气浮状态下的超高速稳定运转(经测试，可达100,000～450,000rpm的极限转速)，因此针对相同功率要求，本实用新型可使涡轮发电机的体积显著减小实现微型化，具有占用空间小、使用便捷等优点，对促进微型化高新技术的发展具有重要价值，相对于现有技术具有显著性进步。

附图说明

图1是实施例1提供的一种超高速涡轮发电机的剖面结构示意图；

图2是实施例1提供的槽式动压气体径向轴承的局部分割的左视立体结构示意图；

图3是图2中的A局部放大图；

图4是实施例1提供的槽式动压气体径向轴承的局部分割的右视立体结构示意图；

图5是图4中的B局部放大图；

图6是实施例1提供的混合式动压气体止推轴承的剖面结构示意图；

图7a是实施例1中所述中盘的左视图；

图7b是实施例1中所述中盘的右视图；

图8a是实施例1中所述的固定有箔型弹性件的左侧盘的右视图；

图8b是实施例1中所述的固定有箔型弹性件的右侧盘的左视图；

图9是实施例1提供的箔型弹性件的截面结构示意图；

图10是实施例1提供的箔型弹性件的立体结构示意图；

图11a是实施例2提供的一种混合式动压气体止推轴承的左视立体结构示意图；

图11b是实施例2提供的混合式动压气体止推轴承的右视立体结构示意图；

图12是实施例2提供的混合式动压气体止推轴承的局部分割立体结构示意图；

图13是实施例2中所述中盘的左视立体结构示意图；

图14是图13中的C局部放大图；

图15是实施例2中所述中盘的右视立体结构示意图；

图16是图15中的D局部放大图；

图17是实施例3所提供的转子结构示意图；

图18是实施例4所提供的铁芯结构示意图；

图19是实施例4所述冲片的结构示意图；

图20是实施例4所提供的绕组结构示意图；

图21是实施例5所提供的电机壳体的立体结构示意图；

图22是图21中的E局部放大图；

图23是实施例5提供的一种超高速涡轮发电机的右视立体结构示意图。

图中标号示意如下：

1、涡轮机；11、涡轮；12、涡轮机壳体；13、涡轮机导流器；14、涡轮机导流器壳体；2、散热风扇；21、风扇壳体；22、进气孔；3、电机；31、转子；311、转子底座；312、磁钢；313、磁钢保护套；32、定子；321、铁芯；3211、冲片；32111、杯状穿孔；32111a、杯口部；32111b、杯脚；3212、定子叠片；3213、端压板；322、绕组；33、內轴；34、外轴；35、电机壳体；351、开口槽；352、通气孔；4、槽式动压气体径向轴承；4a、左端径向轴承；4b、右端径向轴承；41、轴承外套；42、轴承内套；43、槽式花纹；431、外圆周面的槽式花纹；4311、轴向高位线；4312、轴向中位线；4313、轴向低位线；432、左端面的槽式花纹；4321、径向高位线；4322、径向中位线；4323、径向低位线；433、右端面的槽式花纹；4331、径向高位线；4332、径向中位线；4333、径向低位线；44、止环；5、混合式动压气体止推轴承；51、侧盘；511、左侧盘；512、右侧盘；513、卡槽；52、中盘；521、左端面的槽式花纹；5211、径向高位线；5212、径向中位线；5213、径向低位线；522、右端面的槽式花纹；5221、径向高位线；5222、径向中位线；5223、径向低位线；523、外圆周面的槽式花纹；5231、轴向高位线；5232、轴向中位线；5233、轴向低位线；53、箔型弹性件；53a、固定在左侧盘上的箔型弹性件；53b、固定在右侧盘上的箔型弹性件；531、波箔；5311、弧形凸起；5312、波拱间过渡底边；532、平箔；6a、左径向轴承套；6b、右径向轴承套；7a、左轴承室端盖；7a1、排气孔；7b、右轴承室端盖。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细地说明。

实施例1

如图1所示：本实施例提供的一种超高速涡轮发电机，包括涡轮机1、散热风扇2、电机3、2个径向轴承4及1个止推轴承5，所述涡轮机1包括涡轮11、涡轮机壳体12、涡轮机导流器13及涡轮机导流器壳体14，所述散热风扇2包括风扇壳体21，所述电机3包括转子31、定子32、內轴33、外轴34及电机壳体35；所述径向轴承4为槽式动压气体径向轴承，包括轴承外套41和轴承内套42；所述止推轴承5为混合式动压气体止推轴承，包括两个侧盘51以及夹设在两个侧盘之间的中盘52，在每个侧盘51与中盘52之间均设有箔型弹性件53；所述转子31套设在內轴33的中部，2个径向轴承4分别套设在位于转子31左、右端的外轴34上，所述止推轴承5套设在右端的外轴34上、并位于右端径向轴承4b的外端侧，所述涡轮机1和散热风扇2分别设置在內轴的两端(本实施例中所述涡轮机1设置在內轴33的左端，所述散热风扇2设置在內轴33的右端)。

所述的超高速涡轮发电机还包括左径向轴承套6a、右径向轴承套6b、左轴承室端盖7a和右轴承室端盖7b，涡轮机壳体12与涡轮机导流器壳体14固定连接，涡轮机导流器壳体14与左轴承室端盖7a固定连接，左轴承室端盖7a与左径向轴承套6a固定连接，左径向轴承套6a与电机壳体35固定连接，风扇壳体21与右轴承室端盖7b固定连接，右轴承室端盖7b与右径向轴承套6b固定连接，右径向轴承套6b与电机壳体35固定连接，所述散热风扇2设在位于右轴承室端盖7b与风扇壳体21之间的内轴33上。

结合图2至图5所示：所述轴承内套42的外圆周面和左、右端面均具有规则形状的槽式花纹43(如图中的431、432和433，本实施例中的槽式花纹均为叶轮形状)，且左端面的槽式花纹432与右端面的槽式花纹433形成镜像对称。位于轴承内套42的外圆周面的槽式花纹431的轴向轮廓线与左、右端面的槽式花纹(432和433)的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接，即：外圆周面的槽式花纹431中的轴向高位线4311与左、右端面的槽式花纹(432和433)中的径向高位线(4321和4331)均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹431中的轴向中位线4312与左、右端面的槽式花纹(432和433)中的径向中位线(4322和4332)均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹431中的轴向低位线4313与左、右端面的槽式花纹(432和433)中的径向低位线(4323和4333)均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接。

通过使轴承内套42的外圆周面和两端面均具有规则形状的槽式花纹(431、432和433)，左端面的槽式花纹432与右端面的槽式花纹433形成镜像对称及外圆周面的槽式花纹431的轴向轮廓线与左、右端面的槽式花纹(432和433)的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接，可保证两端面的叶轮形状的槽式花纹(432和433)所产生的增压气体从轴心沿径向不断地往外圆周面的槽式花纹431形成的凹槽通道里输送，以致形成更强支撑高速运转轴承所需的气膜，而气膜即作为动压气体径向轴承的润滑剂，因此有利于实现所述槽式动压气体径向轴承4在气浮状态下的高速稳定运转。

另外，当在轴承外套41的两端分别设置止环44时，可实现在高速回转轴的带动下，使轴承内套42的两端面与止环44间产生自密封作用，使槽式花纹连续产生的动压气体能完好地密闭保存在轴承的整个配合间隙中，充分保证高速运转的动压气体径向轴承的润滑需要。

所述轴承外套41与轴承内套42间的配合间隙优选为0.003～0.008mm，以进一步确保轴承高速运转的可靠性和稳定性。

如图6所示：本实施例提供的一种混合式动压气体止推轴承5，包括：两个侧盘51，在两个侧盘51之间夹设有中盘52，在每个侧盘51与中盘52之间设有箔型弹性件53；所述中盘52的左端面设有规则形状的槽式花纹521，右端面设有规则形状的槽式花纹522。

结合图7a和图7b可见：所述中盘52的左端面的槽式花纹521与右端面的槽式花纹522之间形成镜像对称，左端面的槽式花纹521的径向轮廓线与右端面的槽式花纹522的径向轮廓线形成一一对应。

所述的槽式花纹521与522的形状相同，本实施例中均为叶轮形状。

进一步结合图8a和图8b可见：所述箔型弹性件53固定在对应侧盘51的内端面上(例如图8a所示的固定有箔型弹性件53a的左侧盘511和图8b所示的固定有箔型弹性件53b的右侧盘512)，且固定在左侧盘511上的箔型弹性件53a与固定在右侧盘512上的箔型弹性件53b形成镜像对称。在每个侧盘上的箔型弹性件可为多个(图中示出的是4个)，且沿侧盘的内端面均匀分布。

通过在侧盘51与中盘52之间设置箔型弹性件53，在中盘52的左、右端面设置规则形状的槽式花纹(521和522)，且使左端面的槽式花纹521与右端面的槽式花纹522形成镜像对称，从而得到了既具有槽式动压气体止推轴承的高极限转速的刚性特征、又具有箔片式动压气体止推轴承的高抗冲击能力和载荷能力的柔性特征的混合式动压气体止推轴承；因为箔型弹性件53与中盘52间形成了楔形空间，当中盘52转动时，气体因其自身的粘性作用被带动并被压缩到楔形空间内，从而可使轴向动压力得到显著增强，相对于现有的单纯箔片式动压气体止推轴承，可具有在相同载荷下成倍增加的极限转速；同时，由于增加了箔型弹性件53，在其弹性作用下，还可使轴承的载荷能力、抗冲击能力和抑制轴涡动的能力显著提高，相对于现有的单纯槽式动压气体止推轴承，可具有在相同转速下成倍增加的抗冲击能力和载荷能力。

结合图6和图9、图10所示：所述的箔型弹性件53由波箔531和平箔532组成，所述波箔531的弧形凸起5311的顶端与平箔532相贴合，所述波箔531的波拱间过渡底边5312与对应侧盘51的内端面相贴合。

为进一步降低高速运转的中盘52对箔型弹性件53的磨损，以延长轴承的使用寿命，最好在与中盘52相配合的箔型弹性件53的配合面上设置耐磨涂层(图中未示出)。

实施例2

结合图11a、11b、12至16所示可见，本实施例提供的一种混合式动压气体止推轴承与实施例1的区别仅在于：

在所述中盘52的外圆周面也设有槽式花纹523，且外圆周面的槽式花纹523的形状与左、右端面的槽式花纹(521和522)的形状相同(本实施例中均为叶轮形状)，以及外圆周面的槽式花纹523的轴向轮廓线与左、右端面的槽式花纹(521和522)的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接；即：

外圆周面的槽式花纹523中的轴向高位线5231与左端面的槽式花纹521中的径向高位线5211均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹523中的轴向中位线5232与左端面的槽式花纹521中的径向中位线5212均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹523中的轴向低位线5233与左端面的槽式花纹521中的径向低位线5213均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接(如图14所示)；

外圆周面的槽式花纹523中的轴向高位线5231与右端面的槽式花纹522中的径向高位线5221均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹523中的轴向中位线5232与右端面的槽式花纹522中的径向中位线5222均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹523中的轴向低位线5233与右端面的槽式花纹522中的径向低位线5223均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接(如图16所示)。

当在所述中盘52的外圆周面也设有槽式花纹，且使外圆周面的槽式花纹523的形状与左、右端面的槽式花纹(521和522)的形状相同，以及外圆周面的槽式花纹523的轴向轮廓线与左、右端面的槽式花纹(521和522)的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接时，可使内盘两端面的槽式花纹(521和522)所产生的增压气体从轴心沿径向不断地往外圆周面的槽式花纹523形成的凹槽通道里输送，以致形成更强支撑高速运转轴承所需的气膜，而气膜即作为动压气体止推轴承的润滑剂，因而可进一步确保所述的混合式动压气体止推轴承在气浮状态下的高速稳定运转，为实现电机的高极限转速提供进一步保证。

在侧盘51的内端面上设有用于固定箔型弹性件53的卡槽513(如图12所示)。

所述的箔型弹性件53与中盘52的配合间隙优选为0.003～0.008mm，以进一步确保轴承高速运转的可靠性和稳定性。

为了更好地满足高速运转的性能要求，所述的箔型弹性件53优选经过表面热处理。

另外需要说明的是：本实用新型所述的箔型弹性件53的组成结构不限于上述实施例中所述，还可以采用波箔和平箔组成，但所述波箔的波拱间过渡底边与平箔相贴合，或者，直接采用两个平箔组成，或采用其它的现有结构。

实施例3

结合图1和图17所示：所述转子31包括转子底座311、磁钢312和磁钢保护套313，所述转子底座311套设在內轴33上，所述磁钢312套设在转子底座311的中心部，所述磁钢保护套313套设在磁钢312上，以更好满足超高速转动。

实施例4

结合图1和图18所示：所述定子32包括铁芯321和绕组322，所述铁芯321固定在位于转子31上方的电机壳体35的内壁上，所述绕组322设置在铁芯321上；所述铁芯321包括由若干冲片3211上下叠置形成的定子叠片3212和固定在定子叠片3212两侧的端压板3213。

如图19所示：所述冲片3211呈圆环形，在环形部间隔设有多个杯状穿孔32111，所述穿孔32111的杯口部32111a封闭，杯脚32111b的底部开口。

如图20所示：所述绕组322采用三相星型连接，中心线不引出，只引出A、B、C三个端头；每相绕组为2个线圈，每个线圈由漆包铜线连续绕制而成。

实施例5

结合图21和图22所示：在电机壳体35的内壁周侧开设有若干开口槽351，在电机壳体的端面开设有若干通气孔352，所述开口槽351与通气孔352相连通，以利于气体的导入和导出，一方面实现快速散热排气，另一面实现对轴承室内进行空气补给。

另外，在左轴承室端盖6a的周侧开设有若干排气孔6a1，在风扇壳体21的外端面上开设有若干进气孔22(如图23所示)，以进一步实现快速散热。

经测试，本实用新型提供的轴承在气浮状态下能达到100,000～450,000rpm的极限转速，因此针对相同功率要求，本实用新型可使涡轮发电机的体积显著减小实现微型化，对促进微型化高新技术的发展具有重要价值。

最后有必要在此指出的是：以上内容只用于对本实用新型所述技术方案做进一步详细说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。