一种转子系统、微型燃气轮机发电机组
技术领域
本实用新型涉及轴承技术领域，尤其涉及一种转子系统、微型燃气轮机发电机组。
背景技术
空气轴承(又称为气浮轴承)指的是用气体(通常是空气，但也有可能是其它气体)作为润滑剂的轴承，空气轴承采用无接触的支承方式，通过节流孔向轴承间隙提供径向空气，使其在间隙形成具有一定承载和刚度的润滑气膜，能够减小摩擦力对电机主轴转速的影响。空气轴承主要优点如下：气体润滑介质粘度小，摩擦和磨损小，回转精度高，功耗低；气体轴承工作条件范围宽且污染少；气体轴承在保持精度不变的情况下寿命长。但是较低温度条件下，空气轴承节流孔内的水会结霜甚至直接结冰封口，导致静压气体无法吹入轴承与转子的间隙。静态气浮失效的状态下系统启动会对转子和轴承造成毁灭性且不可修复的伤害。但通常转子系统无法自检气孔的通气状态，只能靠延时启动或缓速启动等消极、低效率的方法解决。事实上在气孔完全冻结的情况下，由于外界低温是持续的，延时启动或缓速启动方法难以奏效。
另外，当空气轴承用于微型燃气轮机时，在燃气轮机工作过程中，压气机排出的高压气体在解压时会吸热，并将空气中的水蒸汽凝结成水附着在轴承上。轴承中有水容易造成轴承和转子生锈，并影响转子和轴承的工作。
发明内容
为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种转子系统、微型燃气轮机发电机组，可解决转子系统及微型燃气轮机发电机组所使用的空气轴承内存在水且其节流孔易结冰的技术问题。
本实用新型的技术方案如下：
根据本实用新型的一个方面，提供一种转子系统，包括：
转轴，所述转轴为一体成型结构；
所述转轴上设置轴承、电机、压气机以及透平；
所述轴承包括由导电体材料制作的空气轴承，所述空气轴承连接电源和开关；
在靠近所述空气轴承进气口的位置设置吸水腔，所述吸水腔内填充吸水剂。
进一步的，所述空气轴承两端分别设置导线，所述导线的末端分别连接电源和开关，所述电源和开关通过导线连接。
进一步的，所述吸水剂为超吸水性纤维制成的织物或超吸水性树脂或干燥剂颗粒网包。
进一步的，所述导电体材料为铝或铜；所述电源为12V外接电源。
进一步的，所述转轴包括一体成型的第一轴段和第二轴段，第一轴段直径大于第二轴段直径，第一轴段和第二轴段的过渡处形成有台阶面；
所述空气轴承包括推力轴承、第一径向轴承、第二径向轴承，所述推力轴承、第一径向轴承以及电机设置于第一轴段上，所述压气机、第二径向轴承以及透平设置于第二轴段上，压气机的一端与所述台阶面抵接；
或者，所述空气轴承包括一体式轴承、第二径向轴承，所述一体式轴承以及电机设置于第一轴段上，所述压气机、第二径向轴承以及透平设置于第二轴段上，压气机的一端与所述台阶面抵接。
进一步的，所述压气机和透平之间设有加强环。
进一步的，所述加强环内壁中部设置支撑部抵接于转轴上，所述加强环内壁位于所述支撑部两侧呈拱形；
进一步的，所述加强环包括圆柱形筒和筒壁外侧设置的径向限位环，所述圆柱型筒两头嵌入所述压气机和透平端面槽内，所述径向限位环卡于所述压气机或透平端面。
进一步的，所述加强环与所述压气机或透平一体成型。
根据本实用新型的另一方面，提供一种微型燃气轮机发电机组，包括电机机匣、燃气轮机机匣、燃烧室以及上述的转子系统；
其中，所述电机机匣罩设于电机的外周、燃气轮机机匣罩设于压气机和透平的外周，并且与电机机匣连接；
所述燃烧室与燃气轮机机匣连接，并且燃烧室的进气口与压气机的排气口连接，燃烧室的排气口与透平的进气口连接。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
1、本实用新型的转子系统中，所使用的空气轴承设置有相应的防水、除冰结构，其能够避免空气轴承中有水且节流孔容易结冰等现象造成的轴承寿命降低、难以正常工作的现象。
2、本实用新型的燃气轮机发电机组结构使用具有防水、除冰结构的空气中轴承，可解决轴承内存在水且其节流孔易结冰的技术问题，从而提高燃气轮机发电机组的使用寿命，保证燃气轮机发电机组的稳定运行。
附图说明
图1为本实用新型实施例所提供的转子系统及微型燃气轮机发电机组结构示意图。
图2为本实用新型图1中的C位置局部放大图。
图3为本实用新型图1中的D位置局部放大图。
具体实施方式
为了更好的了解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本实用新型作进一步说明。
根据本实用新型的一个方面，本实用新型实施例提供一种转子系统。
如图1所示，其包括转轴100，转轴100包括一体成型的第一轴段110和第二轴段120，第一轴段110的直径大于第二轴段120的直径，第一轴段110和第二轴段120的过渡处形成有台阶面130；其中，一体式轴承、电机300依次设置于第一轴段110上，压气机500、第二径向轴承400和透平600依次设置于第二轴段120上，压气机500 的一端与台阶面130抵接。本实施例转子系统中，转轴100通过两端的轴承(一体式轴承、第二径向轴承400)支撑，受力均匀，可以避免因转子轴端悬置导致的重量不平衡。
应该理解，本实施例仅为本实用新型所提供的一种转子系统结构示例，其并不构成对本实用新型转子系统的限定。本实施例中的一体式轴承也可以使用分体式轴承，即通过一个推力轴承和一个第一径向轴承代替；同样的，设置在转轴上的轴承、电机300、压气机500和透平也可以采用其它布局方式。
在本实施例中，一体式轴承(或推力轴承及第一径向轴承)和第二径向轴承400均采用空气轴承，空气轴承可以是静压轴承或者动静压混合轴承。为了解决轴承内存在水汽的问题，本实施例在靠近轴承进气口的位置设置一吸水腔850，吸水腔850内填充吸水剂，如超吸水性纤维制成的织物或超吸水性树脂或类似干燥剂颗粒网包，通过所填充的吸水剂过滤进入轴承的空气内的水分，保证供气的干燥。
上述径向轴承为圆环形，参见图3，其外壁设环形气腔，环形气腔底部通过节流孔连通轴承内壁和转轴之间的间隙，设置进气道连接环形气腔的进气口，在轴承周围的安装空间内，靠近环形气腔进气口开设所述吸水腔850。
上述推力轴承参见图2所示的一体式轴承的推力部分，包括相对设置的第一轴承体和第二轴承体，第一轴承体为圆环形、外端面设置第一环形气腔；第二轴承体呈阶梯环状、包括周向壁和端壁，该端壁外端面设置第二环形气腔，该周向壁罩设推力盘的外周和端部，第一轴承体罩设推力盘的另一端部；第二轴承体的周向壁上设置进气口，该进气口通过节流孔分部连通第一环形气腔和第二环形气腔。
在本实施例中，一体式轴承和第二径向轴承400均采用导电体材料制作，通常由铝或铜等导体制成。为了解决节流孔内存在水汽结冰、堵塞节流孔的问题，本实施例将一体式轴承和第二径向轴承400均连接有电源860和开关870，将轴承通入12V外接电源，轴承自身会形成一个接近短路的电阻，在非常短的时间内，将发出大量的热，融化冰霜甚至蒸发残留的水以实现有效且低成本地完成除冰。
作为优选，如图1所示，在一体式轴承的两头分别设置导线，两根导线的末端穿出燃气轮机壳体并分别接电源860和开关870，电源 860和开关870之间设置导线连接。在第二径向轴承400的两头分别设置导线，两根导线的末端穿出燃气轮机壳体并分别接电源860和开关870，电源860和开关870之间设置导线连接。需要除冰时，分别闭合开关870形成短路电路后断开，之后对一体式轴承和第二径向轴承400的进气口通气，吹出融化后的水。
本实施例中，一体式轴承为集成式空气轴承，其既具有实现径向支撑作用，同时也具有轴向支撑作用。
如图1、2所示，一体式轴承包括：第一轴承本体、推力盘、第二轴承本体；推力盘与转轴100固定连接或者一体成型；第一轴承本体和第二轴承本体均套设于转轴并位于推力盘的两侧；第一轴承本体具有一体成型的径向轴承部900和推力轴承部200，径向轴承部900与转轴100在径向上具有预定的径向间隙，推力轴承部200与推力盘在轴向上对置安装且具有预定的第一轴向间隙；第二轴承本体与推力盘在轴向上对置安装且具有预定的第二轴向间隙。本实施例的一体式轴承还包括轴承壳体以及轴承端盖，轴承壳体罩设于第一轴承本体、推力盘和第二轴承本体的外周，轴承端盖安装于转轴100的第二轴承本体的一端，在轴向上固定第二轴承本体，并与轴承壳体过渡配合。
由于在本实施例中，第一轴承本体同时具有径向轴承部900和推力轴承部200，因此只要在加工过程中，以轴向为基准加工推力轴承部200，保证轴向与推力轴承部200的作用面之间的垂直度或者以推力轴承部200的作用面为基准加工径向轴承部900的内径，保证推力轴承部200的作用面与轴向的垂直度即可。加工工艺简单易操作，加工精度高，同时装配过程中不用考虑组合装配的精度，装配工艺简单。
作为优选，在推力轴承部200和电机300上设置有第一进气道P1。推力轴承部200上的第一进气道与电机300上的第一进气道P1相对设置，并和压气机500的进气相通。这样既可以使得压气机500的进气更加畅通，同时压气机500的进气可以冷却电机300的定子绕组。
作为优选，电机300的电机定子和电机壳体之间还可以同时设置第二进气道P2。在进气需求量大的情况下，两个进气道(即第一进气道P1和第二进气道P2)可同时进气。这样既可以满足压气机500充足的进气，同时压气机500的进气可进一步地冷却电机的壳体、电机定子及定子绕组。
由于在转子系统中，转轴100的重量越轻越好，而转轴100的直径越小则重量越轻，但是在转子系统高速旋转过程中，对转轴100的强度又有很高的要求。为了同时考虑转子动力学特性和转轴100的强度，可将第二轴段120的轴径设置的较细，而同时在压气机500和透平600之间固定安装一加强环700，参见图3，以满足其对转子刚度的要求，同时加强环700可作为第二径向轴承400的安装轴。第二径向轴承400套设在加强环700上；第二径向轴承400上设置环形气腔，该环形气腔由燃气轮机定子上的进气口供气。进一步地，参见图3，加强环700内壁中部设置支撑部抵在转轴100上，加强环700内壁位于所述支撑部两侧呈拱形，以满足应力需要；或者加强环700包括圆柱形筒和筒壁外侧设置的径向限位环，所述圆柱型筒两头嵌入压气机 500和透平600端面槽内，径向限位环卡于压气机500或透平600端面；或者加强环700与所述压气机500或透平600一体成型。
本实用新型的转子系统可应用于设有或不设有回热器的发电机机组。
根据本实用新型的另一方面，本实用新型实施例还提供一种使用上述转子系统的微型燃气轮机发电机组，该发电机机组包括：
上述转子系统，电机机匣810、燃气轮机机匣820以及燃烧室830；电机机匣810罩设于电机300的外周、燃气轮机机匣820罩设于压气机500和透平600的外周，并且与电机机匣810连接，燃烧室830与燃气轮机机匣820连接，并且燃烧室830的进气口与压气机500的排气口连接，燃烧室830的排气口与透平600的进气口连接。
作为优选，压气机500的排气口与燃烧室830的进气口之间设置有扩压器840，以进一步提高进入透平600做功的高温高压气体的压力。
本实施例的微型燃气轮机发电机组中，轴承设置在电机机匣810 内，这样只需保证该机匣内用于设置轴承定子的部位的加工精度即可，在装配时该机匣内用于连接轴承定子的部位通过一次装卡加工即可完成，可见，本实用新型降低了燃气轮机发电机组的加工精度和装配精度，降低了成本，适合工程化批量生产。同时，本实用新型的燃气轮机发电机组进气充分；由于两支点分别位于转轴100的两端，本实用新型转轴100的轴向方向上尺寸可调范围较大，转轴受力均匀，燃气轮机发电机组的运转平稳性好。再者，本实施例中，所使用的空气轴承均设置有防水、除冰结构，可解决轴承内存在水且其节流孔易结冰的问题。
根据本实用新型的另一方面，本实用新型实施例还提供有用于上述转子系统和微型燃气轮机发电机组中空气轴承的除冰方法。
本实用新型实施例所提供的除冰方法包括如下的步骤：
步骤110、检测空气轴承节流孔是否存在结冰现象。
具体地，可以设置温湿度传感器，测量系统工作环境的温湿度，当温度值和湿度值达到一定限值后，可认为轴承节流孔中存在结冰现象。
步骤120：若确定存在结冰现象，启动除冰装置去除节流孔中的冰。
可选的，除冰方法有两种。
方法一：压缩气体的温度一般非常高，通常在100℃以上。使用气源装置(例如外部的空气压缩机、气泵)输出适量的压缩空气对轴承进行预热，冰会在短时间内融化成水，并在压缩空气的吹动下从节流孔中被排出。当静压空气轴承采用外部气源装置供气时，可以采用该方式除冰。该方式的优势在于无需增加新的除冰装置，解决成本，提升气源装置的利用效率。
方法二：轴承通常由铝或铜等导体制成，将轴承通入12V外接电源860，轴承自身可以形成一个接近短路的电阻，在非常短的时间内，将发出大量的热，融化冰霜甚至蒸发掉残留的水。具体的，需要除冰时，分别闭合空气轴承所连接的开关870形成短路电路后断开，之后对空气轴承的进气口通气，吹出融化后的水。
以上两种方法都能非常有效且低成本地完成除冰，只是速度上略有差异。因此，为了保证除冰效果，可在通电前，通过吹气预热的方式进行预除冰。
步骤130：启动转子系统并开启空气轴承，检测转子(即转轴100) 是否处于悬浮状态。
可选的检测方法有两种。
方法一：当转子系统中的轴承包括推力轴承(磁悬浮轴承或气磁混合轴承)以及待检测径向轴承时，将推力轴承和待测径向轴承串接在一通电回路上。开启磁悬浮轴承吸引转子，将转子移动到推力轴承的一端，使推力轴承-推力盘-转子之间相接触。若此时转子与径向轴承之间相接触(说明转子未能成功悬浮)，通电回路会导通。相反，回路不导通，则说明轴承已形成稳定的静压气膜将转子支撑起来，即转子成功悬浮。可以通过设置检测电路检测通电回路是否导通，本实用新型不对检测电路的形式做具体限制。例如，可以设置检测电路对转子和待测径向轴承的电阻进行测量，通电回路导通即转子和待测径向轴承有接触时，此时检测电路测得的电阻为0或一极小值。再例如，可以设置检测电路对流经转子和待测径向轴承的电流进行测量，通电回路导通即转子和待测径向轴承有接触时，此时检测电路测得的电流不为零。该方法适合用在推力轴承采用了磁悬浮轴承的系统中，用于检测径向轴承。
方法2：设置一伺服器，伺服器用于在需要检测转子悬浮状态时接收控制命令将一导电装置放下与转子接触。如此，通过该导电装置将待测轴承与转子串接在一个通电回路上。启动转子并开启待测轴承，若转子与待测轴承之间有接触(说明转子未能成功悬浮)，通电回路会导通。相反，回路不导通，则说明轴承已形成稳定的静压气膜将转子支撑起来，即转子成功悬浮。可以通过设置检测电路检测通电回路是否导通，本实用新型不对检测电路的形式做具体限制。例如，可以设置检测电路对转子和待测轴承的电阻进行测量，通电回路导通即转子和待测轴承有接触时，此时检测电路测得的电阻为0或一极小值。再例如，可以设置检测电路对流经转子和待测轴承的电流进行测量，通电回路导通即转子和待测径向轴承有接触时，此时检测电路测得的电流不为零。导电装置可以是任何形状的导电材质，例如铜片或导电顶针。该方案既可以用于检测推力轴承，也可以用于检测径向轴承。
需要说明的是，步骤130中的两种检测方法不仅限于应用在轴承防冻方法中的转子悬浮状态检测。在另一些实施例中，步骤130的方法一和二可以用于任何场合下的燃气轮机启动前的转子悬浮状态检测，还可以在燃气轮机运行的过程中检测到由于系统失稳，转子和轴承间产生了接触碰撞。
步骤140：若检测结果显示转子未成功悬浮，进一步确认是否由于除冰残留的水导致的假未成功悬浮。
当冰融化后，会有水残留在轴承和转子之间，此刻容易使轴承和转子形成通路，使得步骤130中错误地认为转子未成功悬浮。即转子事实上已经起浮，但水在转子和轴承之间形成了电连接。通常持续吹气可以将水吹走，但不完全可靠。因此在此基础之上，控制电机以事先标定的极小扭矩驱动转子低速旋转，检测并核对对应的扭矩和转速。如果转速能达到标定扭矩对应的标定值，则说明轴承已实现起浮，即步骤130中检测到的转子未成功悬浮实际上为除冰残留的水导致的假未成功悬浮。如转子未能旋转或转速能达到标定扭矩对应的标定值，说明起浮失败。需要对转子和轴承进行故障排查。
本实用新型实施例所提供的轴承的防水、除冰方法，其不仅能够对空气轴承进行快速的除冰，同时还可在除冰后对转子系统进行检测，以及时排除故障隐患，保证转子系统的稳定运行。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。
