用于微型燃气轮机转子系统的气路系统及微型燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及一种用于微型燃气轮机转子系统的气路系统及微型燃气轮机，属于微型燃气轮机技术领域。


背景技术：

2.微型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一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并可通过连接发电机输出电能。
3.转子高速转动时，转子会受到径向方向的力和轴向方向的力。为了限制旋转轴发生径向和轴向上的移动，转子系统中需要安装径向轴承和推力轴承。传统的径向轴承和推力轴承均为普通的接触式轴承，随着转子转速的提高，尤其是转子转速每分钟超过40000转时，普通的接触式轴承由于存在较大的机械磨损，已不能满足工作转速的需求。因此，研究人员提出了采用非接触性轴承替代原有的机械轴承的方案，其中，最有代表性的是空气轴承。
4.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。压气机以及涡轮都需要通过空气轴承安装在主轴上，所以空气轴承的运转稳定性决定了整个机组的运行稳定性。
5.现有的相关技术中，空气轴承可支持静压工作状态和动压工作状态，其中静压工作状态是指通过外部气源向空气轴承供气，轴承通过节流孔向轴表面吹气，以在轴承与轴表面之间的间隙形成具有一定承载和刚度的润滑气膜，工作过程需要外部气源持续供气。动压工作状态是指当微型燃气轮机运行达到一定转速时，利用空气轴承表面的切向运动而形成气体润滑膜，从而不需要外部气源持续供气，只需要在启动阶段燃机转速达到预定转速前供气即可，从而可延长外部气源设备使用寿命。但是，在执行空气轴承的动静压状态切换瞬间，气膜形态会出现波动，影响稳定性。因此，需要研发一种方案以解决在执行空气轴承的动静压状态切换瞬间“气膜形态”出现波动的问题。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术，本发明提供了一种具有自静压补气功能的用于微型燃气轮机转子系统的气路系统，以及微型燃气轮机，以及控制该气路系统实现自静压补气的控制方法。本发明的技术方案，在响应于转子系统中空气轴承从静压工作模式切换至动压工作模式时，引入压气机作为补充气源，实现自静压补气，可以平衡切换瞬间空气轴承气膜的形态
波动，从而保证切换的平稳进行，保持转子系统工作状态的稳定性。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：
8.一种用于微型燃气轮机转子系统的气路系统，所述转子系统包括同轴设置的压气机、涡轮以及至少一组空气轴承，所述气路系统包括气源气路和自静压补气气路，其中，
9.所述气源气路的输入端与气源连通，气源气路的输出端与空气轴承的进气端口连通，用于在空气轴承处于静压工作模式或者由动压工作模式切换至静压工作模式时，向空气轴承供气；
10.所述自静压补气气路的输入端与压气机的出口连通，自静压补气气路的输出端与空气轴承的进气端口连通，用于在空气轴承由静压工作模式切换至动压工作模式时，向空气轴承供气。
11.进一步地，所述压气机的出口设有扩压器，以进一步提高高温高压气体的压力；自静压补气气路的输入端与扩压器出口连通。
12.进一步地，所述气源气路包括至少一条分支气路，该分支气路的数量与空气轴承的数量相同，并且该分支气路与空气轴承的连通关系为一一对应连通。
13.进一步地，所述自静压补气气路包括至少一条分支气路，该分支气路的数量与空气轴承的数量相同，并且该分支气路与空气轴承的连通关系为一一对应连通。
14.进一步地，所述自静压补气气路中的分支气路上设置有电磁阀，用于控制对应的分支气路的开闭。
15.进一步地，考虑到从压气机排出的气体温度为高温气体(100～200℃)，所述自静压补气气路的分支气路的材料为金属(例如铜)，设置在该分支气路上的电磁阀为耐高温电磁阀。
16.进一步地，所述自静压补气气路中包括至少一个换热器，换热器设置在该自静压补气气路的分支气路上，且位于该分支气路上的电磁阀与输入端之间。设置换热器的作用是：利用换热器对从压气机引出的高温气体进行热交换，一方面可以实现热量回收，另一方面可以降低气体温度，延长电磁阀的使用寿命。此种情况下，相应的电磁阀可采用常规电磁阀，以节约成本。
17.进一步地，所述气源气路的分支气路上设置有电磁阀，用于控制对应的分支气路的开闭。
18.进一步地，所述气源气路还包括气泵，气泵的输入端与气源连通，所述气泵的输出端与所述气源气路中的分支气路的输入端连通。
19.进一步地，所述气泵选自螺杆泵、活塞泵或离心泵中的任意一种。
20.进一步地，所述气路系统还包括三通，所述三通的数量与所述空气轴承的数量相同；所述三通的输出端与所述空气轴承的进气端口连通，所述三通的第二输入端与向该空气轴承供气的自静压补气气路的分支气路的输出端连通，所述三通的第一输入端与向该空气轴承供气的气源气路的分支气路的输出端连通。
21.进一步地，所述空气轴承中包括第一径向轴承、第二径向轴承和第一推力轴承。
22.一种微型燃气轮机，包括上述结构的气路系统。
23.上述用于微型燃气轮机转子系统的气路系统的控制方法，包括以下步骤：
24.在转子系统中空气轴承从静压工作模式切换至动压工作模式时，先控制自静压补
气气路开启，利用压气机作为气源对空气轴承供气以实现自静压补气，再控制气源气路关闭，停止气源气路向空气轴承供气。
25.本技术的发明人经过反复研究、试验发现，在执行空气轴承的动静压状态切换瞬间出现“气膜形态”波动问题的原因在于：空气轴承静压工作状态时，外部气源(气泵)提供几倍于标准大气压的高压气体，所以气膜具有一定压力；切换瞬间，外部气源气路电磁阀关闭，气路压力降低，气膜的气体会向气路流动，从而形成气路从气膜抽气的现象，导致气膜的形态波动，进而扰动转子工作状态稳定性。基于该原因，发明人考虑：可以在切换时，利用其他气源对气膜进行补充，从而平衡气路抽气造成的波动。并基于这样的想法，研发出了上述技术方案。
26.本发明的用于微型燃气轮机转子系统的气路系统及微型燃气轮机，通过在压气机上增设自静压补气气路的方式，当需要转子系统中空气轴承从静压工作模式切换至动压工作模式(适用的空气轴承为动压轴承或动静压混合空气轴承)时，引入压气机提供的高压气体作为补充气源，实现了在执行空气轴承的动静压状态切换瞬间进行自静压补充气膜的效果，平衡了空气轴承的气膜因停止外接气源供气而引起的形态波动，从而实现空气轴承从“静压工作状态”到“动压工作状态”的平稳切换，保证了转子工作稳定性，解决了在执行空气轴承的动静压状态切换瞬间“气膜形态”出现波动的问题。而且，由于气源只在开机、停机阶段工作，因此可延长空气轴承的使用寿命。
27.本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。
附图说明
28.图1：实施例1的转子系统的结构示意图(图中虚线所框出部分为转子系统的结构)。
29.图2：实施例1的空气轴承的结构示意图。
30.图3：本发明的气路系统的控制方法示意图。
31.其中，1、轴承套；2、轴承本体；3、转轴；4、环形槽；5、定位装置；6、节流孔；7、空气槽；8、第一径向轴承；9、第一推力轴承；10、电机；11、压气机；12、第二径向轴承；13、涡轮；14、气泵；15、扩压器出口；16、分支气路ⅰ；17、分支气路ⅱ；18、分支气路ⅲ；19、分支气路a；20、分支气路b；21、分支气路c；22、电磁阀ⅰ；23、电磁阀ⅱ；24、电磁阀ⅲ；25、电磁阀a；26、电磁阀b；27、电磁阀c；28、三通ⅰ；29、三通ⅱ；30、三通ⅲ；31、换热器。
具体实施方式
32.下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
33.实施例1用于微型燃气轮机转子系统的气路系统及微型燃气轮机
34.一种用于微型燃气轮机转子系统的气路系统，转子系统包括转轴3，转轴3上顺次设置第一径向轴承8、第一推力轴承9、电机10、压气机11、第二径向轴承12和涡轮13，如图1所示，第一径向轴承8、第一推力轴承9、第二径向轴承12均为空气轴承(动压轴承或动静压
混合轴承)；压气机11可以包括压气机叶轮以及扩压器。
35.所述气路系统包括气泵14、气源气路、自静压补气气路和三通，其中，气泵14的输入端与气源连通，气泵14的输出端与气源气路的输入端连通，气源气路的输出端与空气轴承的进气端口连通，用于在空气轴承处于静压工作模式或者由动压工作模式切换至静压工作模式时，向空气轴承供气。自静压补气气路的输入端与压气机的扩压器出口15连通，自静压补气气路的输出端与空气轴承的进气端口连通，用于在空气轴承由静压工作模式切换至动压工作模式时，向空气轴承供气。
36.具体地，如图1所示，气源气路包括分支气路ⅰ16、分支气路ⅱ17和分支气路ⅲ18；自静压补气气路包括分支气路a19、分支气路b20和分支气路c21；三通包括三通ⅰ28、三通ⅱ29和三通ⅲ30；
37.所述三通ⅰ28的第一输入端与分支气路ⅰ16的输出端连通，三通ⅰ28的第二输入端与分支气路a19的输出端连通，三通ⅰ28的输出端与第一径向轴承8的进气端口连通；
38.所述三通ⅱ29的第一输入端与分支气路ⅱ17的输出端连通，三通ⅱ29的第二输入端与分支气路b20的输出端连通，三通ⅱ29的输出端与第一推力轴承9的进气端口连通；
39.所述三通ⅲ30的第一输入端与分支气路ⅲ18的输出端连通，三通ⅲ30的第二输入端与分支气路c21的输出端连通，三通ⅲ30的输出端与第二径向轴承12的进气端口连通。
40.所述分支气路ⅰ16、分支气路ⅱ17和分支气路ⅲ18上分别设置有电磁阀ⅰ22、电磁阀ⅱ23、电磁阀ⅲ24，用于控制对应的分支气路的开闭。
41.所述分支气路a19、分支气路b20和分支气路c21上分别设置有电磁阀a25、电磁阀b26、电磁阀c27，用于控制对应的分支气路的开闭。
42.所述气泵14，可以为螺杆泵、活塞泵或离心泵中的任意一种。
43.考虑到从压气机排出的气体温度为高温气体(100～200℃)，自静压补气气路的分支气路的材料可以采用金属(例如铜)，设置在该分支气路上的电磁阀可以为耐高温电磁阀。
44.所述自静压补气气路的分支气路a19、分支气路b20和分支气路c21上各设有一个换热器31，换热器位于该分支气路上的电磁阀与输入端之间。设置换热器的作用是：利用换热器对从压气机引出的高温气体进行热交换，一方面可以实现热量回收，另一方面可以降低气体温度，延长电磁阀的使用寿命。此种情况下，相应的电磁阀可采用常规电磁阀，以节约成本。
45.所述空气轴承的具体结构为(本实施例中以径向轴承为例进行说明；推力轴承的结构类似，均为现有技术中已有的技术)：包括由外向内嵌套设置的轴承套1和轴承本体2(轴承套1和轴承本体2通过定位装置5固定连接)，轴承本体2套设在转轴3上(轴承本体2与转轴之间具有预定的径向间隙)，如图2所示；所述轴承本体2大体为环状圆柱体，轴承本体2的外周面设有环形气腔，轴承本体2上径向设置有贯通环形气腔与径向间隙的节流孔6，轴承套1上设有将环形气腔与外接气源连通的气孔；节流孔6可以为变径孔(为便于加工且不影响间隙内的气体压力)，轴承本体2的外壁节流孔6的孔口大于内壁节流孔6的孔口；轴承本体2内壁可周向设置环形槽4，内壁节流孔6的孔口与环形槽4部分或者整体相交；所述转轴上设有空气槽7，在空气轴承处于动压工作状态时，空气槽7可随轴旋转切向运动而形成气体润滑膜。
46.节流孔6可以为多个，沿本体径向均布为一圈或者多圈。
47.节流孔6可以设置在轴向载荷处，使得轴承间隙内沿轴向的气膜压力均匀分布。
48.气路供气至空气轴承后，气体经由节流孔6吹向转轴3表面，形成气膜(例如启动阶段)或对原来的气膜进行补充(例如切换阶段)。
49.一种微型燃气轮机，其具有上述结构的转子系统。
50.实施例2进行自静压补气的控制方法
51.利用实施例1的气路系统进行自静压补气的控制方法，包括步骤：在转子系统中空气轴承从静压工作模式切换至动压工作模式时，先控制自静压补气气路开启，再控制气源气路关闭。这样，在转子系统中空气轴承从静压工作模式切换至动压工作模式时，引入压气机提供的高压气体作为补充气源，实现了在执行空气轴承的动静压状态切换瞬间进行自静压补充气膜的效果，平衡了空气轴承的气膜因停止外接气源供气而引起的形态波动，从而实现空气轴承从“静压工作状态”到“动压工作状态”的平稳切换，保证了转子工作稳定性。
52.具体地，利用实施例1的气路系统进行自静压补气的控制方法可以包括步骤s1～s3，如图3所示：
53.步骤s1：在微型燃气轮机的启动阶段，控制气源气路的分支气路上的电磁阀ⅰ、电磁阀ⅱ、电磁阀ⅲ开启，分支气路ⅰ、分支气路ⅱ和分支气路ⅲ分别向第一径向轴承、第一推力轴承和第二径向轴承供气；控制自静压补气气路的分支气路上的电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c关闭。
54.具体地，燃机启动阶段，转子转速不够，空气轴承不能实现动压工作状态，因此这一阶段需要外部气源(气泵)供气，空气轴承处于静压工作状态。
55.步骤s2：在微型燃气轮机的运行阶段，响应于需要转子系统中空气轴承从静压工作模式切换至动压工作模式时，先控制自静压补气气路的分支气路上的电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c开启，分支气路a、分支气路b和分支气路c分别向第一径向轴承、第一推力轴承和第二径向轴承供气，利用压气机作为气源对空气轴承供气以实现自静压补气，然后再控制气源气路的分支气路上的电磁阀ⅰ、电磁阀ⅱ、电磁阀ⅲ关闭，停止气源气路的分支气路ⅰ、分支气路ⅱ和分支气路ⅲ向空气轴承供气。具体地，在此阶段，微型燃气轮机的转子转速达到预设速度，空气轴承利用空气槽7形成的气膜，已经形态稳定且足以支撑转轴。
56.切换时，先打开电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c，利用压气机作为气源对空气轴承供气(自静压补气)，然后关闭电磁阀ⅰ、电磁阀ⅱ、电磁阀ⅲ，停止气泵供气。这一切换过程中，由于引入了压气机提供的高压气体作为补充气源，从而平衡了空气轴承的气膜因停止气泵供气而引起的形态波动，从而实现空气轴承从“静压工作状态”到“动压工作状态”的平稳切换，保证了转子工作稳定性。
57.在一些可选的实施例中，自静压补气气路可以在转子系统中空气轴承进入动压工作模式后关闭，空气轴承利用空气槽7形成的气膜来支撑转轴。在另一些可选的实施例中，在转子系统中空气轴承进入动压工作模式后，压气机此时也能够持续稳定提供高压气体，自静压补气气路继续为空气轴承供气，以对空气槽7形成的气膜进行补气，增强气膜稳定性，以更好地支撑转轴。
58.步骤s3：在微型燃气轮机的停机阶段，先控制气源气路的分支气路上的电磁阀ⅰ、电磁阀ⅱ、电磁阀ⅲ开启，分支气路ⅰ、分支气路ⅱ和分支气路ⅲ分别向第一径向轴承、第一
推力轴承和第二径向轴承供气；然后若在动压工作模式下自静压补气气路持续供气的情况下，再控制自静压补气气路的分支气路上的电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c关闭，停止分支气路a、分支气路b和分支气路c向空气轴承供气。
59.具体地，因为停机阶段转子转速降低，当转速低于所述预设速度时，空气轴承不能达到动压工作状态，既无法形成动压气膜，并且压气机随着转速降低，压缩气体的能力下降，输出的气体压力也逐渐下降；因此需要重新开启气泵提供气体，使得空气轴承处于在静压工作状态。
60.由于先开气泵气路电磁阀ⅰ、电磁阀ⅱ、电磁阀ⅲ，在空气轴承与转轴之间形成了静压气膜，即使随着转速降低，动压气膜以及压气机补充气体逐渐消失，空气轴承的气膜形态也不会因为气源压力变化而明显波动，因此停机时也可保证平稳状态。
61.实施例3用于微型燃气轮机转子系统的气路系统及微型燃气轮机
62.结构同实施例1，不同之处在于：转轴上设有两个径向轴承、两个推力轴承，均为空气轴承(动压轴承或动静压混合空气轴承)，相应地，三通为4个，气源气路和自静压补气气路各包括4条分支气路，向同一空气轴承供气的两条分支气路通过三通会合，然后向对应的空气轴承供气。
63.上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。