气体轴承组件及燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及一种气体轴承组件及燃气轮机，属于轴承技术领域。


背景技术：

2.气体轴承(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，气体轴承采用无接触的支承方式，依靠环形气腔中的压力气膜实现转子系统的支撑。由于其具有摩擦系数和摩擦力矩小、运动精度高等特点，在一些高转速的场合使用越来越普遍，例如燃气轮机。
3.气体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气体轴承供气，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刚度的润滑气膜，该工作过程需要外部气源持续供气。动压工作状态是指当设备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，可以不需要外部气源持续供气，只需要在启动阶段设备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。
4.气体轴承通常采用橡胶密封件(例如密封圈)保证气腔的气密效果，以保证气体轴承的供气稳定，使气体轴承稳定运行。然而，当气体轴承应用于高温环境时，例如应用于燃气轮机的热端，动压状态下的气体轴承内部不断蓄热，橡胶密封件在高温环境下容易熔化而丧失密封性，从而导致轴承漏气，进而容易导致设备无法再启动。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术，本发明提供了一种气体轴承组件，以及包括该气体轴承组件的燃气轮机。本发明的气体轴承组件，通过在轴承座上开设导入孔与导出孔，形成冷却气路，实现气体轴承的冷却。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：
7.一种气体轴承组件，用于安装于转轴上，包括轴承座与轴承本体；其中，轴承座套设在转轴外，轴承本体套设于转轴并位于轴承座内，轴承本体与转轴间隙配合并具有第一间隙，轴承本体的径向外侧壁具有环形凹槽，环形凹槽与轴承座的径向内侧壁围成环形气腔；
8.所述轴承本体上开设有连通环形气腔与第一间隙的通孔；
9.所述轴承座上设有静压气孔，静压气孔的一端与环形气腔连通，另一端与外部气源连通；
10.所述轴承座上开设有导入孔与导出孔，导入孔的一端与环形气腔连通，另一端与高压气源连通，工作时高压气源的气压大于动压状态下环形气腔内的气压，且高压气源的温度小于动压状态下环形气腔内的温度；导出孔的一端与环形气腔连通，另一端与预定空间连通，工作时预定空间的气压小于动压状态下环形气腔内的气压。
11.进一步地，所述通孔的数量可以是多个，多个通孔可以环绕转轴设置。
12.进一步地，所述静压气孔通过静压管道与外部气源连通。
13.进一步地，所述外部气源可以是空气压缩机。
14.进一步地，所述导入孔的轴心与导出孔的轴心平行设置，如此设置使得从导入孔流出的高压气体逆时针和顺时针流动到达导出孔的路径相同，从而可延长高压气体在环形气腔内流经的路径，进而提高冷却效果。
15.进一步地，所述导入孔的轴心与导出孔的轴心在转轴的轴心方向上具有一定的距离，该距离为l1,l1大于0。更进一步地，所述环形气腔的轴向长度为l2，l1满足以下条件：l2/2＜l1＜l2，如此设置可延长导入孔与导出孔在转轴轴向上的距离，从而延长冷却气体在环形气腔内经过的路径，进而提高冷却效果。
16.进一步地，所述轴承本体上开设有用于套设转轴的轴承孔，导入孔的直径与轴承孔的直径比值在0.05～0.15的范围内，导出孔的直径与轴承孔的直径比值在0.05～0.15的范围内。
17.进一步地，所述高压气源为空气压缩机。
18.进一步地，所述预定空间为外界大气。
19.进一步地，所述导出孔通过导出管道与预定空间连通，导出管道上设置有第一阀门，用于控制导出管道的开通与封堵。
20.进一步地，所述导出孔与静压气孔可以是同一个贯通孔，该贯通孔的一端与环形气腔连通，另一端通过导出管道与预定空间连通，并通过静压管道与外部气源连通，导出管道上设置有第一阀门，静压管道上设置有第二阀门。更进一步地，所述第一阀门与第二阀门可以是同一个三通阀门，三通阀门分别连通导出孔(静压气孔)、静压管道与导出管道。
21.进一步地，所述导入孔通过导入管道与高压气源连通，导入管道上设置有第三阀门，用于控制导入管道的开通与封堵。
22.一种燃气轮机，包括上述气体轴承组件。
23.进一步地，所述燃气轮机包括转轴、压气机、涡轮、燃烧室和气体轴承组件，其中，压气机、涡轮安装于转轴，气体轴承组件的轴承本体套设于转轴且与转轴间隙配合；气体轴承组件位于燃气轮机的热端。
24.进一步地，所述燃气轮机还可以包括二级转轴和自由涡轮，自由涡轮套设在二级转轴上，二级转轴与转轴同轴，燃烧室内的高温高压气体吹向涡轮做功后，继续吹向自由涡轮做功。
25.本发明的气体轴承组件处于静压状态时，来自于外部气源的高压气体通过静压气孔注入到环形气腔内，再通过通孔分配注入到轴承本体与转轴之间的第一间隙内，在第一间隙内形成气膜，在转轴相对于轴承本体转动时，气膜在转轴与轴承本体之间形成支撑。该气体轴承组件处于动压状态时，高压气源通过导入孔向环形气腔内通入小流量的高压气体，在压差的作用下，气体在环形气腔周向流动一段距离后，到达导出孔所在位置，通过导出孔排出环形气腔，流向低压的预定空间，形成冷却气路，从而可将环形气腔内的热量以及轴承座与轴承本体上的热量排出，进而降低气体轴承的温度，保护密封圈。
26.本发明的气体轴承组件及燃气轮机，在轴承座上开设导入孔与导出孔，导入孔连通气体轴承的环形气腔并与高压气源(例如压气机的出口)连通，导出孔连通气体轴承的环形气腔并与外界大气或其他低压空间连通。气体轴承在动压状态时，高压气源内的高压气
通过导入孔持续通入气体轴承的环形气腔内，流经环形气腔，然后再通过导出孔排出，从而将气体轴承上的热量以及环形气腔内的热量排出，可有效降低气体轴承的温度，延长密封件的有效密封时间以及气体轴承的寿命。与导入孔连通的导入管道上可以设置第三阀门，以降低冷却气路对气体轴承的静压工作状态造成的影响。
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：气体轴承组件的结构示意图1。
29.图2：气体轴承组件的结构示意图2。
30.图3：气体轴承组件的截面示意图，图中箭头所示方向为气流方向。
31.图4：燃气轮机的结构示意图1，图中箭头所示是冷却气路的流动路径与方向。
32.图5：燃气轮机的结构示意图2，图中箭头所示是冷却气路的流动路径与方向。
33.其中，100、转轴；210、轴承座；220、轴承本体；230、密封圈；240、第一间隙；250、环形气腔；222、通孔；211、静压气孔；260、外部气源；212、导入孔；213、导出孔；270、导出管道；271、第一阀门；280、静压管道；281、第二阀门；290、导入管道；291、第三阀门；300、高压气源；400、压气机；500、涡轮；600、燃烧室；700、自由涡轮；800、二级转轴。
具体实施方式
34.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。本领域技术人员能够理解，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。
35.实施例1气体轴承组件
36.一种气体轴承组件，用于安装于转轴100上，包括轴承座210和轴承本体220，如图1、图2所示，其中，轴承座210套设在转轴100外，轴承本体220套设于转轴100并位于轴承座210内，轴承本体220与转轴100间隙配合并具有第一间隙240，轴承本体220的径向外侧壁具有环形凹槽，该环形凹槽与轴承座210的径向内侧壁围成环形气腔250。
37.所述轴承本体220与轴承座210之间、环形气腔250轴向两侧设置有密封圈230，以对环形气腔250进行密封。
38.所述轴承本体220上开设有连通环形气腔250与第一间隙240的通孔222，通孔222的数量可以是多个，多个通孔222可以环绕转轴100设置。
39.所述轴承座210上开设有静压气孔211，静压气孔211的一端与环形气腔250连通，另一端通过静压管道280与外部气源260(例如空气压缩机)连通。
40.所述轴承座210上还开设有导入孔212与导出孔213，导入孔212的一端与环形气腔250连通，另一端与高压气源300连通，工作时高压气源300的气压大于动压状态下环形气腔250内的气压，且高压气源300的温度小于动压状态下环形气腔250内的温度；导出孔213的一端与环形气腔250连通，另一端与预定空间连通，工作时预定空间的气压小于动压状态下环形气腔250内的气压。
41.当气体轴承处于静压状态时，来自于外部气源260的高压气体通过静压气孔211注
入到环形气250腔内，再通过通孔222分配注入到轴承本体220与转轴100之间的第一间隙240内，在第一间隙240内形成气膜，在转轴100相对于轴承本体220转动时，气膜在转轴100与轴承本体220之间形成支撑。当气体轴承切换到动压状态时，外部气源260关闭，高压气源300通过导入孔212向环形气腔250内通入小流量的高压气体，在压差的作用下，气体在环形气腔250周向流动一段距离后，到达导出孔213所在位置，通过导出孔213排出环形气腔250，流向低压的预定空间，形成冷却气路，如图3所示，从而可将环形气腔250内的热量以及轴承座210与轴承本体220上的热量排出，进而降低气体轴承的温度，可保护密封圈230。
42.可选地，所述导入孔212的轴心与导出孔213的轴心平行设置，如此设置使得从导入孔212流出的高压气体逆时针和顺时针流动到达导出孔213的路径相同，从而可延长高压气体在环形气腔内流经的路径，进而提高冷却效果。
43.可选地，所述导入孔212的轴心与导出孔213的轴心在转轴100的轴心方向上具有一定的距离，该距离为l1,l1大于0。进一步可选地，环形气腔的轴向长度为l2，l1满足以下条件：l2/2＜l1＜l2，如此设置可延长导入孔212与导出孔213在转轴100轴向上的距离，从而延长冷却气体在环形气腔250内经过的路径，进而提高冷却效果。
44.可选地，所述轴承本体220上开设有用于套设转轴100的轴承孔，导入孔212的直径与轴承孔的直径比值在0.05～0.15的范围内，导出孔213的直径与轴承孔的直径比值在0.05～0.15的范围内；具体地，导入孔212与导出孔213的尺寸范围选择以不影响气体轴承动压状态正常运行为准。导入孔212的直径与导出孔213的直径可以相同，也可以不同。
45.可选地，所述预定空间为外界大气，高压气源300为空气压缩机。
46.可选地，所述导出孔213通过导出管道270与预定空间连通，导出管道270上设置有第一阀门271，第一阀门271用于控制导出管道270的开通与封堵。当气体轴承为动静压混合轴承时，气体轴承处于静压状态时，可将第一阀门271关闭，避免环形气腔250内的气体从导出孔213外泄，减小对静压状态下气体轴承运行的影响；当气体轴承转变为动压状态时，再将第一阀门271打开形成冷却气路，对气体轴承进行冷却。
47.可选地，所述导出孔213与静压气孔211可以是同一个贯通孔，该贯通孔的一端与环形气腔250连通，另一端通过导出管道270与预定空间连通，并通过静压管道280与外部气源260连通，导出管道270上设置有第一阀门271，静压管道280上设置有第二阀门281。当气体轴承为静压状态时，第二阀门281打开，第一阀门271关闭；当气体轴承由静压状态转变为动压状态时，关闭第二阀门281，停止静压注气，打开第一阀门271，形成冷却气路，进行动压状态的冷却。
48.所述第一阀门271与第二阀门281可以是同一个三通阀门，三通阀门分别连通导出孔213(静压气孔211)、静压管道280与导出管道270。
49.可选地，所述导入孔212通过导入管道290与高压气源300连通，导入管道290上设置有第三阀门291，用于控制导入管道290的开通与封堵，如图2所示。当气体轴承为动静压混合轴承时，且气体轴承处于静压状态时，可将第三阀门291关闭，避免环形气腔250内的气体从导入孔212泄出，进而可降低对静压状态的气体轴承运行的影响。
50.实施例2燃气轮机
51.一种燃气轮机，包括转轴100、压气机400、涡轮500、燃烧室600和实施例1的气体轴承组件，如图4所示，其中，压气机400、涡轮500安装于转轴100，气体轴承组件的轴承本体
220套设于转轴100且与转轴100间隙配合。气体轴承组件位于燃气轮机的热端，具体地可靠近涡轮500设置。
52.所述高压气源300可以为压气机400，导入孔212与压气机400的出口连通。压气机400出口处的温度一般在100～200℃，而位于燃气轮机热端的气体轴承的温度可高达500～600℃，因此压气机400出口的高压气体可对热端的气体轴承实现风冷。
53.所述导入孔212可通过导入管道290与压气机400的出口连通，导入管道290上设置有第三阀门291，用于控制导入管道290的开通与封堵。所述第三阀门291可以设置在燃气轮机的外部，避免燃气轮机内部的高温对第三阀门291的结构与性能造成影响。
54.所述燃气轮机还可以包括二级转轴800和自由涡轮700，如图5所示，自由涡轮700套设在二级转轴800上，二级转轴800与转轴100同轴，燃烧室600内的高温高压气体吹向涡轮500做功后，继续吹向自由涡轮700做功。所述与导出孔213连通的预定空间可以为涡轮500与自由涡轮700之间的空间，也可以为外界大气，压气机400的进口。
55.所述导出孔213可通过导出管道270与预定空间连通，导出管道270的管口可以与自由涡轮相对。
56.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。