CN112211907B - 一种用电磁轴承的透平结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用电磁轴承的透平结构，涉及新能源发电技术领域；其包括透平转子Ⅰ、透平转子Ⅱ、轴承转子、轴承定子、轴承箱以及冷却结构，透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ固定连接，轴承转子的内圆与透平转子Ⅱ的外圆过盈配合，轴承定子固定在轴承箱内侧，轴承转子通过轴承定子提供的电磁力悬浮；冷却结构包括设于轴承箱上的冷却气进口和冷却气收集口，以使冷却气能够从冷却气进口进入于轴承箱腔室内，并经过轴承箱、轴承定子及轴承转子之间的间隙，与轴承定子及轴承转子换热后经冷却气收集口流出；通过实施本技术方案，旨在解决电磁轴承应用于高温透平设备存在使用温度高的技术问题，可有效保证高温透平设备用电磁轴承安全稳定运行。

Description

一种用电磁轴承的透平结构

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，具体地讲，涉及一种用电磁轴承的透平结构。

背景技术

电磁轴承有别于传统滑动轴承或滚动轴承，其依靠附加的电磁线圈产生的磁场力将转子悬浮起来，因而实现了真正的无接触，这也使其具有了振动低、噪音小、无需润滑以及功耗小等多重优点。

目前，电磁轴承已从科学研究走向工业化、商业化，其工业应用包括压缩机、鼓风机、飞轮、透平等。近年来，随着越来越多涡轮机械开始采用电磁轴承支撑技术，人们对电磁轴承运用到透平设备上的研究也日益深入。如果透平设备能采用电磁轴承代替油轴承，不仅减小了透平设备的机械损耗，同时省去了复杂的润滑油***、延长轴承使用寿命、较小机组振动噪声，将极大提高透平设备的经济性、适应性和可靠性。

但根据本申请发明人在实践中发现，在透平设备中应用电磁轴承存在以下技术问题：电磁轴承本身存在使用温度极限，绝缘等级要求高的电磁轴承耐受温度一般较低，这极大限制了绝缘等级要求高的高温透平设备对电磁轴承技术的运用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用电磁轴承的透平结构，其目的在于旨在解决电磁轴承应用于高温透平设备存在使用温度高的技术问题，可有效保证高温透平设备用电磁轴承安全稳定运行。

本发明采用的技术方案如下：

一种用电磁轴承的透平结构，包括透平转子Ⅰ、透平转子Ⅱ和设于透平转子Ⅱ外侧的轴承箱，所述透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ固定连接；以及

轴承转子和轴承定子，所述轴承转子的内圆与透平转子Ⅱ的外圆过盈配合，所述轴承定子固定在轴承箱内侧，轴承转子通过轴承定子提供的电磁力悬浮，以使轴承转子和透平转子Ⅱ悬浮于轴承定子中心；以及

冷却结构，所述冷却结构包括设于轴承箱上的冷却气进口和冷却气收集口，以使冷却气能够从冷却气进口进入于轴承箱腔室内，并经过轴承箱、轴承定子及轴承转子之间的间隙，与所述轴承定子及轴承转子换热后经所述冷却气收集口流出。

作为上述技术方案的优选，所述冷却结构还包括在所述透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ上开设的盲孔，用于减少透平转子Ⅰ向透平转子Ⅱ的热量传递。

作为上述技术方案的优选，所述透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ焊接固定，所述盲孔设于所述透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ的焊接段，且透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ上的盲孔呈对接设置，如此能够较好的阻挡了透平转子高温段向低温段热量的传递。

作为上述技术方案的优选，所述冷却结构还包括设于透平转子Ⅱ靠近透平转子Ⅰ一端外圆面上的多个气封凸台和与所述气封凸台间隙配合的气封圈，所述气封圈固定在所述轴承箱内壁上设置的环形槽内，以使冷却气能够从气封圈和气封凸台之间的间隙流过，用于对透平转子Ⅱ进行冷却，由此气封圈和气封凸台的间隙构成透平转子Ⅱ外圆面的冷却通道，且由于轴承箱腔室内的压力高于气封圈外侧的压力，部分冷却气能够容易地从气封圈和透平转子Ⅱ气封凸台间的间隙流过，达到对透平转子Ⅱ较好的冷却效果；而轴承转子直接与透平转子Ⅱ套装连接，能够吸收轴承转子传递的热量。

作为上述技术方案的优选，所述冷却结构还包括设于透平转子Ⅱ远离透平转子Ⅰ一端外圆面上的多个轴向通气槽和沿多个轴向通气槽径向设置的径向通气槽，所述径向通气槽与轴向通气槽和冷却气收集口相互贯通，以使进入于轴承箱腔室内的冷却气能够经过多个轴向通气槽进入透平转子Ⅱ，再经与轴向通气槽贯通的径向通气槽后从冷却气收集口流出，用于冷却透平转子Ⅱ以及轴承转子，如此结合轴向通气槽和径向通气槽的设计，能够减少透平转子Ⅱ传递给电磁轴承转子热量的同时又增加了冷却气换热的面积，通过冷却气极大的带走了电磁轴承转子本身的发热，该结构设计巧妙合理。

作为上述技术方案的优选，所述冷却结构还包括沿透平转子Ⅱ轴向设于透平转子Ⅱ内的多个轴向通气孔，多个轴向通气孔与所述径向通气槽相贯通，以使进入轴承箱腔室内的冷却气能够经过多个轴向通气孔进入透平转子Ⅱ，再经与轴向通气孔贯通的径向通气槽后从冷却气收集口流出，用于冷却透平转子Ⅱ，如此透平转子Ⅱ轴向通气孔结合径向通气槽的设计，能够通过冷却气极大的带走透平转子Ⅱ本身的热量，进而冷却套装在透平转子Ⅱ上的轴承转子。

作为上述技术方案的优选，多个所述轴向通气槽沿透平转子Ⅱ外圆面轴向等距离均匀布置；多个所述轴向通气孔在透平转子Ⅱ内以透平转子Ⅱ中心线为中心线且等角度均匀布置。采用上述结构，以使冷却结构充分冷却透平转子Ⅱ及轴承转子，以充分解决电磁轴承应用在高温透平设备中存在温度高的风险。

作为上述技术方案的优选，所述冷却气进口设于轴承箱的壳体远离透平转子Ⅰ一端的端面，所述冷却气收集口设于轴承箱的壳体靠近透平转子Ⅰ一端的下部，如此上述冷却气进口和冷气收集口的位置布局能够有效控制冷却气的流动走向，冷却气从轴承箱端面的冷却气进口进入轴承箱腔室内，保证冷却气分三股分别对透平转子Ⅱ、轴承转子、轴承定子进行冷却，再从轴承箱下部流出，提高对轴承转子的冷却效果。

另一方面，所述冷却结构还包括设于所述轴承箱壳体上的环形冷却腔，且所述环形冷却腔配置有冷却水进口和冷却水出口，以使冷却水能够从冷却水进口进入环形冷却腔内，与所述轴承箱换热后经冷却水出口流出，用于冷却轴承以及轴承定子。采用上述结构，轴承箱上设环形冷却腔，能够充分吸收轴承定子的热量，极大降低轴承定子的工作温度。

作为上述技术方案的优选，所述环形冷却腔设于所述轴承箱壳体外圆面中部，所述冷却水进口和冷却水出口设于所述环形冷却腔下部，如此可有效控制冷却水的流动走向，提高降低轴承定子工作温度的效率。

如上所述，本发明相对于现有技术至少具有如下有益效果：

1.本发明透平结构针对电磁轴承应用对使用温度的限制设置了冷却结构，冷却结构采用在轴承箱上开设冷却气进口和冷却气收集口，针对设于轴承箱内的轴承定子以及悬浮于轴承定子中心的轴承转子和透平转子进行气冷，能够有效解决电磁轴承使用温度高存在的问题，同时无额外结构设计以影响透平设备正常运行，该气冷结构设计简单但巧妙合理。

2.本发明冷却结构还包括设于透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ焊接段且对接设置的盲孔，如此能够较好的阻挡了透平转子高温段向低温段热量的传递，同时结合透平转子Ⅱ靠近透平转子一端外圆面上气封凸台结构设计，能够较好的冷却透平高温段转子。

3.本发明冷却结构还包括沿透平转子Ⅱ外圆面开设的多个轴向通气槽及设于透平转子Ⅱ内的多个轴向通气孔，结合径向通气槽的设计，能够减少透平转子Ⅱ传递给电磁轴承转子热量的同时又增加了冷却气换热的面积，能够通过冷却气极大的带走透平转子Ⅱ本身的热量，同时该结构设计也极大的带走了电磁轴承转子本身的发热，提高了轴承转子的冷却效果，进而改善了轴承转子的工作温度，使得电磁轴承能够在透平设备中得到较好应用。

4.本发明冷却结构还包括磁轴承定子水冷结构，即采用在轴承箱壳体上设环形冷却腔，能够充分吸收轴承定子的热量，极大降低轴承定子的工作温度，同时控制冷却水的流动走向，提高降低轴承定子工作温度的效率。

综上所述，本发明透平结构针对电磁轴承应用于透平设备中具有温度高的风险，采用磁轴承定子水冷结构及磁轴承转子气冷结构双重冷却结构，可有效解决电磁轴承使用温度高的问题；同时结合透平转子高温段至低温段盲孔结构设计，以及透平转子气封凸台结构、轴向通气槽、轴向通气孔和径向通气槽的结构设计，能够在轴承箱、轴承定子及轴承转子之间的间隙形成多种冷却通道，减少透平转子传递给电磁轴承转子热量的同时，也极大的带走了电磁轴承转子本身的发热，保证电磁轴承安全稳定运行，进而极大提高透平设备的经济性、适应性和可靠性，在新能源发电技术领域具有很好的应用前景。

附图说明

本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中

图1示出了本发明示例性实施例透平结构的结构示意图；

图2示出了本发明示例性实施例透平结构另一视角的示意图；

图3示出了本发明示例性实施例透平结构中透平转子Ⅱ的结构示意图。

附图标记说明：1-透平转子Ⅰ；2-透平转子Ⅱ；3-气封圈；4-轴承箱；5-轴承定子；6-轴承转子；7-冷却水出口；8-盲孔；9-气封凸台；10-环形冷却腔；11-冷却气收集口；12-冷却水进口；13-冷却气进口；14-径向通气槽；15-轴向通气槽；16-轴向通气孔。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

实施例一基本如图1至图3所示：本实施例提供了一种用电磁轴承的透平结构，能够使得高温透平设备对电磁轴承技术得到较好运用，可有效保证高温透平设备用电磁轴承安全稳定运行；该透平结构包括透平转子Ⅰ1、透平转子Ⅱ2和设于透平转子Ⅱ2外侧的轴承箱4，以及轴承转子6和轴承定子5，轴承箱4为透平结构的静止部件之一，透平转子Ⅰ1和透平转子Ⅱ2固定连接；轴承转子6套装在透平转子Ⅱ2上，且轴承转子6的内圆与透平转子Ⅱ2的外圆过盈配合，轴承定子5固定在轴承箱4内侧腔室的内圆面上并对应于轴承转子6，轴承转子6通过轴承定子5提供的电磁力悬浮，以使轴承转子6和透平转子Ⅱ2悬浮于轴承定子5中心。

关键地，本实施例透平结构还包括冷却结构，冷却结构包括设于轴承箱4上的冷却气进口13和冷却气收集口11；具体地，冷却气进口13设于轴承箱4的壳体远离透平转子Ⅰ1一端的端面，冷却气收集口11设于轴承箱4的壳体靠近透平转子Ⅰ1一端的下部，如此上述冷却气进口13和冷气收集口的位置布局能够有效控制冷却气的流动走向，以使冷却气能够从冷却气进口13进入于轴承箱4腔室内，并经过轴承箱4、轴承定子5及轴承转子6之间的间隙，与轴承定子5及轴承转子6换热后经冷却气收集口11流出。

为阻挡透平转子高温段向低温段热量的传递，本实施例提供的冷却结构还包括在所述透平转子Ⅰ1和透平转子Ⅱ2上开设的盲孔8；透平转子Ⅰ1和透平转子Ⅱ2采用焊接固定，盲孔8设于透平转子Ⅰ1和透平转子Ⅱ2的焊接段，且透平转子Ⅰ1和透平转子Ⅱ2上的盲孔8呈对接设置，也就是说透平转子Ⅰ1和透平转子Ⅱ2上的盲孔8相互贯通，如此能够较好的阻挡了透平转子高温段向低温段热量的传递。

同时，本实施例提供的冷却结构还包括设于透平转子Ⅱ2靠近透平转子Ⅰ1一端外圆面上的多个气封凸台9和与气封凸台9间隙配合的气封圈3，气封圈3固定在轴承箱4内壁上设置的环形槽内；作为优选，气封圈3的外环采用弹性固定在轴承箱4内壁的环形槽内，由于轴承箱4腔室内的压力高于气封圈3外侧的压力，以使冷却气能够更容易从气封圈3和平转子Ⅱ上气封凸台9之间的间隙流过，由此气封圈3和气封凸台9的间隙构成透平转子Ⅱ2外圆面的弹性冷却通道，极大地增强了对透平转子Ⅱ2进行冷却，达到对透平转子Ⅱ2较好的冷却效果，同时结合上述气封凸台9位置布局和盲孔8结构设计可较好的冷却透平高温段转子。

为更好的冷却透平转子Ⅱ2和轴承转子6，本实施例提供的冷却结构还包括设于透平转子Ⅱ2远离透平转子Ⅰ1一端外圆面上的多个轴向通气槽15和沿多个轴向通气槽15径向设置的径向通气槽14，径向通气槽14与轴向通气槽15和冷却气收集口11相互贯通，以使进入于轴承箱4腔室内的冷却气能够经过多个轴向通气槽15进入透平转子Ⅱ2，再经与轴向通气槽15贯通的径向通气槽14后从冷却气收集口11流出，用于冷却透平转子Ⅱ2以及轴承转子6，如此结合轴向通气槽15和径向通气槽14的设计，能够减少透平转子Ⅱ2传递给电磁轴承转子6热量的同时又增加了冷却气换热的面积，通过冷却气极大的带走了电磁轴承转子6本身的发热，该结构设计巧妙合理。

进一步地，本实施例提供的冷却结构还包括沿透平转子Ⅱ2轴向设于透平转子Ⅱ2内的多个轴向通气孔16，多个轴向通气孔16与所述径向通气槽14相贯通，以使进入轴承箱4腔室内的冷却气能够经过多个轴向通气孔16进入透平转子Ⅱ2，再经与轴向通气孔16贯通的径向通气槽14后从冷却气收集口11流出，用于冷却透平转子Ⅱ2，如此透平转子Ⅱ2轴向通气孔16结合径向通气槽14的设计，能够通过冷却气极大的带走透平转子Ⅱ2本身的热量，进而冷却套装在透平转子Ⅱ2上的轴承转子6。

此外，本实施例提供的轴向通气槽15和轴向通气孔16数量根据轴承转子6的工作温度设计，多个轴向通气槽15沿透平转子Ⅱ2外圆面轴向等距离均匀布置，多个轴向通气孔16在透平转子Ⅱ2内以透平转子Ⅱ2中心线为中心线且等角度均匀布置，采用上述结构，以使冷却结构充分冷却透平转子Ⅱ2及轴承转子6，以充分解决电磁轴承应用在高温透平设备中存在温度高的风险。

本实施例冷却结构的工作原理如下：

冷却气从轴承箱4端面的冷却气进口13进入轴承箱4腔室内，分三股冷却气分别对透平转子Ⅱ2、轴承转子6、轴承定子5进行冷却：

第一股冷却气进入轴承箱4腔室内，经过多个轴向通气孔16进入透平转子Ⅱ2内再从与轴向通气孔16贯通的径向通气槽14流出，与透平转子Ⅱ2换热后从冷却气收集口11流出；

第二股冷却气进入轴承箱4腔室内，经过多个轴向通气槽15进入透平转子Ⅱ2再经与轴向通气槽15贯通的径向通气槽14流出，与透平转子Ⅱ2以及轴承转子6换热后从冷却气收集口11流出；

第三股冷却气进入轴承箱4腔室内，从轴承箱4与轴承定子5及轴承转子6之间的间隙通过，分别和轴承定子5、轴承转子6换热后从冷却气收集口11流出；同时由于轴承箱4腔室内的压力高于气封圈3外侧的压力，在气封圈3受弹性作用力下能够使得部分冷却气能够容易地从气封圈3和透平转子Ⅱ2气封凸台9间的间隙流过，以进一步对透平转子Ⅱ2进行冷却。

综上所述，本实施例透平结构针对电磁轴承应用对使用温度的限制设置了冷却结构，冷却气从轴承箱4端面的冷却气进口13进入轴承箱4腔室内，保证冷却气分三股分别对透平转子Ⅱ2、轴承转子6、轴承定子5进行冷却，能够有效解决电磁轴承使用温度高存在的问题，同时无额外结构设计以影响透平设备正常运行，提高了轴承转子6的冷却效果，进而改善了轴承转子6的工作温度，使得电磁轴承能够在透平设备中得到较好应用。

实施例二

实施例二与实施例一基本相同，其不同之处在于：如图1和图2所示，本实施例提供一种用电磁轴承的透平结构，在实施例一的基础上，本实施例提供的冷却结构还包括磁轴承定子5水冷结构；具体地，磁轴承定子5水冷结构包括设于轴承箱4壳体上的环形冷却腔10，且环形冷却腔10配置有冷却水进口12和冷却水出口7，以使冷却水能够从冷却水进口12进入环形冷却腔10内，与轴承箱4换热后经冷却水出口7流出，用于冷却轴承以及轴承定子5；采用上述结构，轴承箱4上设环形冷却腔10，能够充分吸收轴承定子5的热量，极大降低轴承定子5的工作温度。

较佳地，环形冷却腔10设于轴承箱4壳体外圆面中部，冷却水进口12和冷却水出口7设于环形冷却腔10下部，如此可有效控制冷却水的流动走向，提高降低轴承定子5工作温度的效率。

本实施例冷却结构工作原理如下：

冷却水从冷却水进口12进入环形冷却腔10与轴承箱4外圆面换热，将轴承定子5换热传递给轴承箱4的热量吸收后从冷却水出口7流出，从而对轴承定子5进行有效冷却。

综上所述，本实施例透平结构采用磁轴承定子5水冷结构及磁轴承转子6气冷结构双重冷却结构，可有效解决电磁轴承使用温度高的问题；同时结合实施例一透平转子高温段至低温段盲孔8结构设计，以及透平转子气封凸台结构、轴向通气槽15、轴向通气孔16和径向通气槽14的结构设计，能够在轴承箱4、轴承定子5及轴承转子6之间的间隙形成多种冷却通道，减少透平转子传递给电磁轴承转子6热量的同时，也极大的带走了电磁轴承转子6本身的发热，保证电磁轴承安全稳定运行，进而极大提高透平设备的经济性、适应性和可靠性，在新能源发电技术领域具有很好的应用前景和推广使用价值，适合推广应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用电磁轴承的透平结构，其特征在于：包括透平转子Ⅰ、透平转子Ⅱ和设于透平转子Ⅱ外侧的轴承箱，所述透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ固定连接；以及

轴承转子和轴承定子，所述轴承转子的内圆与透平转子Ⅱ的外圆过盈配合，所述轴承定子固定在轴承箱内侧，轴承转子通过轴承定子提供的电磁力悬浮，以使轴承转子和透平转子Ⅱ悬浮于轴承定子中心；以及

冷却结构，所述冷却结构包括设于轴承箱上的冷却气进口和冷却气收集口，以使冷却气能够从冷却气进口进入于轴承箱腔室内，并经过轴承箱、轴承定子及轴承转子之间的间隙，与所述轴承定子及轴承转子换热后经所述冷却气收集口流出；

所述冷却结构还包括设于透平转子Ⅱ靠近透平转子Ⅰ一端外圆面上的多个气封凸台和与所述气封凸台间隙配合的气封圈，所述气封圈固定在所述轴承箱内壁上设置的环形槽内，以使冷却气能够从气封圈和气封凸台之间的间隙流过，用于对透平转子Ⅱ进行冷却。

2.根据权利要求1所述的用电磁轴承的透平结构，其特征在于：所述冷却结构还包括在所述透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ上开设的盲孔，用于减少透平转子Ⅰ向透平转子Ⅱ的热量传递。

3.根据权利要求2所述的用电磁轴承的透平结构，其特征在于：所述透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ焊接固定，所述盲孔设于所述透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ的焊接段，且透平转子Ⅰ和透平转子Ⅱ上的盲孔呈对接设置。

4.根据权利要求1所述的用电磁轴承的透平结构，其特征在于：所述冷却结构还包括设于透平转子Ⅱ远离透平转子Ⅰ一端外圆面上的多个轴向通气槽和沿多个轴向通气槽径向设置的径向通气槽，所述径向通气槽与轴向通气槽和冷却气收集口相互贯通，以使进入于轴承箱腔室内的冷却气能够经过多个轴向通气槽进入透平转子Ⅱ，再经与轴向通气槽贯通的径向通气槽后从冷却气收集口流出，用于冷却透平转子Ⅱ以及轴承转子。

5.根据权利要求4所述的用电磁轴承的透平结构，其特征在于：所述冷却结构还包括沿透平转子Ⅱ轴向设于透平转子Ⅱ内的多个轴向通气孔，多个轴向通气孔与所述径向通气槽相贯通，以使进入轴承箱腔室内的冷却气能够经过多个轴向通气孔进入透平转子Ⅱ，再经与轴向通气孔贯通的径向通气槽后从冷却气收集口流出，用于冷却透平转子Ⅱ。

6.根据权利要求5所述的用电磁轴承的透平结构，其特征在于：多个所述轴向通气槽沿透平转子Ⅱ外圆面轴向等距离均匀布置；多个所述轴向通气孔在透平转子Ⅱ内以透平转子Ⅱ中心线为中心线且等角度均匀布置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的用电磁轴承的透平结构，其特征在于：所述冷却气进口设于轴承箱的壳体远离透平转子Ⅰ一端的端面，所述冷却气收集口设于轴承箱的壳体靠近透平转子Ⅰ一端的下部。

8.根据权利要求1所述的用电磁轴承的透平结构，其特征在于：所述冷却结构还包括设于所述轴承箱壳体上的环形冷却腔，且所述环形冷却腔配置有冷却水进口和冷却水出口，以使冷却水能够从冷却水进口进入环形冷却腔内，与所述轴承箱换热后经冷却水出口流出，用于冷却轴承以及轴承定子。

9.根据权利要求8所述的用电磁轴承的透平结构，其特征在于：所述环形冷却腔设于所述轴承箱壳体外圆面中部，所述冷却水进口和冷却水出口设于所述环形冷却腔下部。

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