整体式转子和压缩机轮的制作方法

本发明所公开的主题通常涉及包括整体式转子和压缩机轮的旋转部件，尤其涉及适用于微型涡轮机和/或空气压缩机的旋转部件，以及制造所述包括整体式转子和压缩机轮的旋转部件的方法。


背景技术：

微型涡轮机是一种燃气轮机，最大输出功率可达100千瓦，最大功率条件下每分钟转数在70,000到140,000之间。微型涡轮机可用于分布式能源，并采用压缩机、燃烧室、涡轮机和发电机，从而将燃料转化为当地的电力来源。其占地面积小、转速高、工作温度高的特点给设计带来了巨大挑战。现有技术的微型涡轮机实施方案采用设置在发电机附近的第一磁性转子，设置在压缩机附近的第二动力转子，以及涡轮机；所述第一和第二转子之间具有柔性联轴器，所述柔性联轴器用于在第一和第二转子之间传递扭矩，而非在第一和第二转子之间传递径向偏差或弯矩。这种柔性联轴器很脆弱，容易断裂。柔性联轴器的存在使设计变得复杂，降低了微型涡轮机实施方案的可靠性。然而，特别是在发电领域，可靠性是至关重要的。微型涡轮机利用发电机将燃料转化为电力，在这种情况下，磁性转子构成发电机的一部分；空气压缩机将电力转化为储存在增压空气中的势能，在这种情况下，磁性转子构成电动机的一部分。与现有技术的微型涡轮机实施方案一样，现有技术的空气压缩机实施方案采用设置在磁性转子和压缩机轮之间的联轴器，导致设计复杂化，并由于引发了进一步失效模式而降低了可靠性。因此，需要为微型涡轮机和/或空气压缩机提供一种旋转部件，以解决现有设计中的上述一种或多种缺陷。
附图说明
下面通过示例的方式参照附图对所公开的设置进行描述，其中：图1描述了包含整体式压缩机部件的微型涡轮机旋转部件的示例；图2描述了包含整体式压缩机部件和整体式涡轮机部件的转子轴承系统的第一示例；图3描述了包含整体式压缩机部件和整体式涡轮机部件的转子轴承系统的第二示例；图4描述了包含整体式压缩机部件的转子轴承系统的第三示例。
具体实施方式
图1描述了一种用于围绕定义近端方向和远端方向的转子轴旋转的旋转部件。在本技术的附图中，近端方向向左延伸，远端方向向右延伸。所述旋转部件可以适用于微型涡轮机和/或空气压缩机。所述旋转部件包括整体式压缩机部件100，所述整体式压缩机部件100包括定义转子铁芯130的压缩机轴110和设置在转子铁芯远端的一体成型压缩机轮160，所述转子铁芯130可以是圆柱形的。本发明所用的转子铁芯可以是磁性转子的转子铁芯。本发明所用的整体式部件是由没有不连续接头或接缝的材料形成或组成的连续部件。本发明所公开的整体式部件可以包括一种材料也可以包括多种材料。例如，相同材料的两段或不同材料的两段可以焊接在一起形成连续接头，从而形成整体式部件。或者，可以采用增材或减材制造工艺，以便利用一种材料或多种材料形成整体式部件。转子铁芯130可以是圆柱形的和/或磁性的。转子铁芯130可以构成包含或具有永磁体的磁性转子的一部分。图1所示的示例中提供了包含永磁体的套筒140。然而，可以将其他形式的永磁体植入转子铁芯130来提供磁性转子。例如，可以将一个或多个永磁体嵌入转子130的一个或多个插座中。所述转子铁芯130可以适用于发电机或电动机。因此，所述整体式压缩机可用在微型涡轮机中，用于发电。或者，如下文所讨论的，所述整体式压缩机也可用在电动空气压缩机中。转子铁芯130的半径可以大致在10到18mm之间。压缩机轮的半径可以大致在25到40mm之间。如图1中的示例所示，压缩机轴110可以包括具有不同半径的各段，各段之间呈阶梯式变化或渐进式变化。如图1示例所示，整体式压缩机部件100的近端可以包括由压缩机轴110定义的近端径向轴承转子120。整体式压缩机部件100可包括颈部150，所述颈部150的半径小于转子铁芯130的半径。颈部150可以是圆柱形的。压缩机轴110可以定义通过近端锥形区域连接的圆柱形颈部150，所述近端锥形区域将转子铁芯130与圆柱形颈部150互联；并且/或者压缩机轴110可以定义远端锥形区域，所述远端锥形区域将圆柱形颈部150与压缩机轮160互联。本发明的发明人发现，如图1的具体示例所示，在该位置提供半径变小的颈部150有利于在使用中调整旋转部件的频率响应特性，以及将柔性联轴器替换成本发明中所述的组合转子和压缩机组件的整体式结构。半径轮廓小于磁性转子130半径的颈部150有利于在旋转部件每分钟转数的工作范围外调整旋转部件的固有频率，从而增强旋转稳定性和性能特性。例如，可以对颈部150的半径轮廓进行设置，以使旋转部件的固有频率小于666hz和大于2666hz。有利的是，这样做防止了应用于具有更高稳定性特性的微型涡轮机中时，在旋转部件的工作范围内发生共振。固有频率特性可以通过声学共振测试来测量，如英格尔夫
·
赫特林的“声学共振检测：即将推出的面向体积的无损检测方法”(2003年)中所描述的，本发明完整引用了该方法的内容。
颈部150可以是圆柱形的，其轴向长度大致在10到25mm之间，更优选为在15.5到17.5mm之间，其半径大致在4到5mm之间。最优选地，轴向长度大致可为16.5mm，半径大致可为4.5mm。经确认，这些几何条件提供了更好的性能和稳定性特征。
23.颈部150的几何尺寸在该范围内时，整体式压缩机部件特别适合用在每分钟转数为40,000到160,000的微型涡轮机中。图2描述了包含上述整体式压缩机部件202和整体式涡轮机部件204的转子轴承系统200的示例。可以确定的是，正如整体式压缩机部件包括压缩机轴和设置在压缩机轴远端的一体成型压缩机轮260一样，涡轮机部件204包括涡轮机轴285和设置在涡轮机轴285远端的一体成型涡轮机轮290。如图2的示例所示，整体式压缩机部件202可以与整体式涡轮机部件204耦接形成刚性旋转部件。具体来说，整体式压缩机部件202的远端可以与整体式涡轮机部件204的近端耦接。整体式压缩机部件202的远端可包括公联轴器构件，整体式涡轮机部件204的近端可包括母联轴器构件，所述公联轴器构件设置为与所述母联轴器构件配合，以提供整体式压缩机部件202和整体式涡轮机部件204之间的刚性连接。所述公联轴器构件包括远端延伸突出部，所述母联轴器构件包括用于接收所述远端延伸突出部的远端延伸空腔。在图2所示的具体示例中，整体式压缩机部件202的远端包括插销，所述插销保持在整体式涡轮机部件204近端的插座内。所述公母联轴器构件可以采用螺纹连接。或者，所述公母联轴器构件可以采用摩擦配合或另一种刚性连接。如图2所示，在整体式压缩机部件202和整体式涡轮机部件204之间采用公母联轴器有利于将推力轴承板276夹持在二者之间。图2中所示的转子轴承系统示例采用近端径向轴承270，由压缩机部件202的轴定义的圆柱形近端径向轴承转子220在近端径向轴承270中延伸。在本示例中，近端径向轴承270设置在圆柱形磁性转子230的近端。近端径向轴承转子220的半径与转子铁芯230的半径大致对应。颈部250显示在转子铁芯230和压缩机轮260之间。图2中还有一个推力轴承275，推力轴承板276可以在推力轴承275中延伸，所述推力轴承板276夹持在整体式转子部件202和整体式涡轮机部件204之间。推力轴承275设置在压缩机轮260和涡轮机轮290之间。推力轴承275和涡轮机轮290之间设置有远端径向轴承280，远端径向轴承转子285在远端径向轴承280中延伸，所述远端径向轴承转子285由整体式涡轮机部件204的轴定义。优选地，近端径向轴承270和远端径向轴承280轴向中心之间的长度(如图2中的l1所示)与近端径向轴承转子220的半径(如图2中的r1所示)之比(即l1/r1)在14到20之间。近端径向轴承转子220的半径与远端径向轴承转子285的半径可以大致相同。优选地，在本示例中，远端径向轴承280中心和整体式涡轮机部件204远端之间的轴向长度(如图2中的l2所示)与远端径向轴承转子285的半径(如图2中的r2所示)之比(即l2/r2)小于等于7。这通过防止径向轴承上的载荷过大来提高稳定性。
35.将近端径向轴承270放置在转子轴承系统200的近端有利于利用半径与远端径向轴承半径大致相同的近端径向轴承转子，从而使所述近端径向轴承可以滑过整体式压缩机
部件202的近端。对于本发明所公开的整体式涡轮机部件，经确认，在远端径向轴承280远端的涡轮机轴285中设置一个可以从涡轮机轴轴线延伸到涡轮机轴285内半径的内部空腔有利于提高对来自涡轮机轮的近端热传播的抵抗力。内部空腔可以设置在涡轮机轴285和涡轮机轮290之间的接口处。图3描述了转子轴承系统300的另一个示例。根据该示例，将近端径向轴承370设置在整体式压缩机部件302转子铁芯330的远端。优选地，在该示例中，近端轴承转子320的半径(如图3中的r1所示)与远端径向轴承转子385的半径(如图3中的r2所示)之比(即r1/r2)大致在1到1.5之间，例如大致在1.1到1.4之间。在该示例中，近端径向轴承370和远端径向轴承380轴向中心之间的长度(如图3中的l1所示)与远端径向轴承转子385的半径(如图3中的r2所示)之比(即l1/r2)在6到9之间。在该示例中，压缩机部件302远端和远端径向轴承370轴向中心之间的长度(如图3中的l2所示)与远端径向轴承转子385的半径(如图3中的r2所示)之比(即l2/r2)小于等于7。在本示例中，远端径向轴承380中心和整体式涡轮机部件304远端之间的轴向长度(如图3中的l3所示)与远端径向轴承转子385的半径(如图3中的r2所示)之比(即l3/r2)小于等于7。这通过防止径向轴承上的载荷过大来提高稳定性。对于本发明所公开的转子轴承系统，颈部250或350的半径(如图2和图3中的r3所示)与远端径向轴承转子285或385的半径(如图2和图3中的r2所示)之比(即r3/r2)可以大致在0.35到0.45之间。此外，旋转部件的总长度可以在265到285mm之间。总长度与远端径向轴承半径之比(即总长度/r2)可以在25到26之间。经确认，这些几何关系证明了微型涡轮机工作范围内优越的性能和稳定性特征。因此，本发明公开了一种转子轴承系统，包括磁性转子、压缩机轮和涡轮机轮，而不包括柔性联轴器。微型涡轮机或燃气轮机可包括本发明所公开的任何旋转部件或转子轴承系统构型。通过取消对柔性联轴器的要求，可以改善可靠性和性能特性，这对对可靠性特别敏感的发电应用特别有利。本发明还公开了一种空气压缩机，包括本发明所公开的任何一个整体式压缩机部件实施例。根据本示例，所述空气压缩机可包括用于接收所述磁性转子的电机定子、压缩机轮壳、推力轴承以及用于支撑所述压缩机部件的近端和远端径向轴承。在空气压缩机中使用这种整体式压缩机部件有利于大大简化设计并由于失效模式更少而提高可靠性。图4描述了包含近端径向轴承470、远端径向轴承480和推力轴承475的转子轴承系统400。因此，本发明公开了一种转子轴承系统400，包括整体式压缩机部件；所述整体式压缩机部件包括转子铁芯和一体成型压缩机轮；可选地，所述整体式压缩机部件在转子铁芯和一体成型压缩机轮之间进一步包括上述颈部。整体式压缩机部件可包括从压缩机轮向远端延伸的一体成型远端轴。转子铁芯可以是磁性转子的转子铁芯。近端径向轴承470可以设置在整体式压缩机部件的近端，且压缩机部件的近端压缩机轴可以在近端径向轴承470内延伸。推力轴承475可以设置在压缩机轮的远端，且压缩机部件的远端轴可以在推力轴承
475内延伸。远端径向轴承480可以设置在压缩机轮和推力轴承475之间。本示例适用于空气压缩机。根据另一方面，本发明公开了一种制造整体式压缩机部件的方法，包括将近端段和远端段焊接在一起，从而形成包括近端转子和压缩机轮的整体式压缩机部件，所述近端转子可以是磁性的，所述压缩机轮设置在近端转子的远端。所述方法可包括在整体式压缩机部件的颈部将近端段和远端段焊接在一起。这有利于简化制造。本发明公开的每个示例(包括要求保护的示例)可以设置在包括所述旋转部件或转子轴承系统的燃气轮机系统(例如微型涡轮机系统或空气压缩机)中。本发明公开的每个示例(包括要求保护的示例)可以适用于微型涡轮机。因此，要求保护的旋转部件或转子轴承系统可以适用于微型涡轮机。本发明公开的每个示例(包括要求保护的示例)可以适用于空气压缩机。因此，要求保护的旋转部件或转子轴承系统可以适用于空气压缩机。应认识到，本发明所公开的示例不是限制性的，可以进行大量的修改和替换。