基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组的制作方法

本发明涉及布雷顿热电转换领域，具体地，涉及一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组。

背景技术：

1、布雷顿循环是实现热能向电能转换的有效途径，尤其对重量和紧凑度较高的空间应用，相比于朗肯循环和斯特林循环，布雷顿循环兼顾了转换效率和系统质量，因此适合应用于兆瓦级空间大功率电源系统，采用百千瓦级机组多机并联的方式实现兆瓦级电能输出。涡轮压气发电机组作为布雷顿循环的核心设备，同时其高速轴系也是系统唯一运动部件，对于转换效率和使用寿命有着决定性的影响。

2、由于空间应用对使用寿命和紧凑度的要求，空间布雷顿循环必须采用无油悬浮轴承，并且通过提高循环压力体系实现涡轮压气发电机组的小型化。虽然已有基于气浮轴承的百千瓦级微型燃气轮机的应用案例，但是在高压力体系下，压气机和涡轮将产生较大的轴向力，其大小数倍于现有百千瓦级微型燃气轮机转子轴向力，因此需要解决轴向力平衡问题。

3、针对上述问题，需要提供一种能适应大轴向力的涡轮发电系统高速轴系。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组。

2、根据本发明提供的一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系,包括：高速电机转子、联轴器、推力盘轴套、压气机叶轮、连接轴套以及涡轮叶轮，所述涡轮叶轮依次穿过所述连接轴套、所述压气机叶轮以及所述推力盘轴套，所述高速电机转子与所述推力盘轴套通过所述联轴器传动连接，所述高速电机转子、所述推力盘轴套以及所述连接轴套上均设置有气浮径向轴承，所述推力盘轴套上还设置有磁浮轴向轴承。

3、优选地，所述高速电机转子、所述联轴器、所述推力盘轴套、所述压气机叶轮、所述连接轴套、所述涡轮叶轮以及所述气浮径向轴承同轴设置。

4、优选地，所述涡轮叶轮包括拉杆，所述拉杆依次穿过所述连接轴套、所述压气机叶轮以及所述推力盘轴套，且所述拉杆未延伸至所述推力盘轴套的外侧，所述拉杆的端部通过锁紧螺母与所述推力盘轴套紧固连接。

5、优选地，所述推力盘轴套的中部向外延伸形成有推力盘，所述磁浮轴向轴承套设在所述推力盘上，且所述磁浮轴向轴承与所述推力盘之间的间隙在0.1～0.5mm之间。

6、优选地，所述推力盘轴套远离所述压气机叶轮的一端的外侧套设有第三气浮径向轴承，且所述第三气浮径向轴承与所述推力盘轴套之间的间隙在0.1～0.5mm之间，所述推力盘轴套靠近所述压气机叶轮的一端插设在所述压气机叶轮的内侧且二者过盈配合。

7、优选地，所述高速电机转子的两端分别套设有第一气浮径向轴承和第二气浮径向轴承，所述第一气浮径向轴承、所述第二气浮径向轴承二者与所述高速电机转子之间的间隙均在0.1～0.5mm之间。

8、优选地，所述连接轴套的外侧套设有第四气浮径向轴承，所述第四气浮径向轴承与所述连接轴套之间的间隙在0.1～0.5mm之间，所述连接轴套的一端套设在所述涡轮叶轮的外侧且二者过盈配合，所述连接轴套的另一端插设在所述压气机叶轮的内侧且二者过盈配合。

9、优选地，所述联轴器包括柔性膜片联轴器。

10、根据本发明提供的一种涡轮发电机组，包括上述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，还包括机壳，所述机壳套设安装在所述基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系的外侧。

11、优选地，所述气浮径向轴承和所述磁浮轴向轴承均安装在所述机壳上，所述气浮径向轴承与所述磁浮轴向轴承垂直设置。

12、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

13、1、本发明通过涡轮叶轮依次穿过连接轴套、压气机叶轮和推力盘轴套，通过各个部件的止口与锁紧螺母实现定位，形成涡轮压气机转子；涡轮压气机转子和高速电机转子通过止口连接于联轴器两侧；高速电机转子通过气浮径向轴承支撑，涡轮压气机转子通过气浮径向轴承和磁浮轴向轴承支撑；该发电系统高速轴系具有结构简单、能适应大轴向力等优势，适用于高压力体系、大功率的布雷顿发电系统。

14、2、本发明的电机与涡轮压气机两侧转子通过柔性膜片联轴器传动，有利于转子动力学设计，更易满足悬浮轴承的刚性转子设计要求。

15、3、本发明通过在电机侧采用气浮轴承，可简化系统并同时兼顾电机转子冷却；通过涡轮压气机侧的轴向止推轴承采用承载力更强并可主动控制的磁浮轴承，可满足高压体系下大轴向力平衡问题。

技术特征：

1.一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，包括：高速电机转子(1)、联轴器(2)、推力盘轴套(3)、压气机叶轮(4)、连接轴套(5)以及涡轮叶轮(6)，所述涡轮叶轮(6)依次穿过所述连接轴套(5)、所述压气机叶轮(4)以及所述推力盘轴套(3)，所述高速电机转子(1)与所述推力盘轴套(3)通过所述联轴器(2)传动连接，所述高速电机转子(1)、所述推力盘轴套(3)以及所述连接轴套(5)上均设置有气浮径向轴承，所述推力盘轴套(3)上还设置有磁浮轴向轴承(12)。

2.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述高速电机转子(1)、所述联轴器(2)、所述推力盘轴套(3)、所述压气机叶轮(4)、所述连接轴套(5)、所述涡轮叶轮(6)以及所述气浮径向轴承同轴设置。

3.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述涡轮叶轮(6)包括拉杆，所述拉杆依次穿过所述连接轴套(5)、所述压气机叶轮(4)以及所述推力盘轴套(3)，且所述拉杆未延伸至所述推力盘轴套(3)的外侧，所述拉杆的端部通过锁紧螺母(7)与所述推力盘轴套(3)紧固连接。

4.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述推力盘轴套(3)的中部向外延伸形成有推力盘，所述磁浮轴向轴承(12)套设在所述推力盘上，且所述磁浮轴向轴承(12)与所述推力盘之间的间隙在0.1～0.5mm之间。

5.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述推力盘轴套(3)远离所述压气机叶轮(4)的一端的外侧套设有第三气浮径向轴承(10)，且所述第三气浮径向轴承(10)与所述推力盘轴套(3)之间的间隙在0.1～0.5mm之间，所述推力盘轴套(3)靠近所述压气机叶轮(4)的一端插设在所述压气机叶轮(4)的内侧且二者过盈配合。

6.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述高速电机转子(1)的两端分别套设有第一气浮径向轴承(8)和第二气浮径向轴承(9)，所述第一气浮径向轴承(8)、所述第二气浮径向轴承(9)二者与所述高速电机转子(1)之间的间隙均在0.1～0.5mm之间。

7.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述连接轴套(5)的外侧套设有第四气浮径向轴承(11)，所述第四气浮径向轴承(11)与所述连接轴套(5)之间的间隙在0.1～0.5mm之间，所述连接轴套(5)的一端套设在所述涡轮叶轮(6)的外侧且二者过盈配合，所述连接轴套(5)的另一端插设在所述压气机叶轮(4)的内侧且二者过盈配合。

8.如权利要求1所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，其特征在于，所述联轴器(2)包括柔性膜片联轴器。

9.一种涡轮发电机组，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系，还包括机壳，所述机壳套设安装在所述基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系的外侧。

10.如权利要求9所述的涡轮发电机组，其特征在于，所述气浮径向轴承和所述磁浮轴向轴承(12)均安装在所述机壳上，所述气浮径向轴承与所述磁浮轴向轴承(12)垂直设置。

技术总结
本发明提供了一种基于混合轴承的涡轮发电系统高速轴系、涡轮发电机组，包括高速电机转子、联轴器、推力盘轴套、压气机叶轮、连接轴套以及涡轮叶轮，涡轮叶轮依次穿过连接轴套、压气机叶轮以及推力盘轴套，高速电机转子与推力盘轴套通过联轴器传动连接，高速电机转子、推力盘轴套以及连接轴套上均设置有气浮径向轴承，推力盘轴套上还设置有磁浮轴向轴承。本发明通过涡轮叶轮依次穿过连接轴套、压气机叶轮和推力盘轴套形成涡轮压气机转子，高速电机转子通过气浮径向轴承支撑，涡轮压气机转子通过气浮径向轴承和磁浮轴向轴承支撑；该发电系统高速轴系具有结构简单、能适应大轴向力等优势，适用于高压力体系、大功率的布雷顿发电系统。

技术研发人员：陈金利,薛翔,王浩明,杜磊,唐志鹏,王园丁,林庆国
受保护的技术使用者：上海空间推进研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1