高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構的製作方法
2024-03-20 08:27:05
本發明涉及高速電機直驅透平機械（包括離心壓縮機、製冷壓縮機、MVR蒸汽壓縮機、餘熱回收膨脹機、化工介質壓縮機等）的轉子結構，尤其涉及一種超高轉速（轉速超過50000RPM）的高速電機直驅透平機械例如離心壓縮機的超高速轉子結構。
背景技術：
高速電機直驅透平機械將電機功能與齒輪增速傳動在結構上融為一體，由高速電機主軸直接帶動透平葉輪，並用電磁懸浮軸承或者空氣懸浮軸承支撐轉子。透平離心壓縮機為了獲得更高壓力的壓縮氣體，須提升葉輪的線速度，也就是轉子的轉速。傳統的齒輪增速離心壓縮機只能通過增大齒輪傳動比提升轉速，但由於結構限制，以及油膜滑動軸承的線速度過大將導致潤滑油失效，因而機組的轉子轉速提升有限。
高速電機直驅離心壓縮機由高速電機直接驅動葉輪轉子，同時用無接觸的電磁懸浮軸承或空氣懸浮軸承支撐轉子，因而轉子轉速的提升空間很大，葉輪的線速度提高對應可獲得更高壓力的壓縮氣體，因此，有效提升高速轉子的轉速決定了高速電機直驅離心壓縮機的性能和排氣壓力，而轉子的剛性決定了轉速提升空間的大小。
目前常用的高速電機直驅離心壓縮機的轉子結構可參見圖1，圖中標記11為電機轉子部分，12為轉子光軸，轉子中間電機部分比較粗，兩端軸承位置的軸徑比較細，整體轉子的剛性比較差。一方面，該類型轉子對應的轉子一階、二階彎曲臨界轉速比較小，對於較高壓力要求的壓縮機，對應的轉子轉速也比較高，這樣轉子設計轉速容易運行在一、二階彎曲臨界之間或者二階彎曲臨界之上，因而轉子升速過程需要跨越一階彎曲臨界或者一、二階彎曲臨界。由於電磁懸浮軸承或者空氣懸浮軸承的剛度和阻尼都不大，導致轉子跨越彎曲臨界的難度加大很多，這樣轉子啟動升速過程存在很多困難，且轉子的振動也比較大。另一方面，如果加粗轉子增大轉子剛性，轉子中間電機部分由於比較粗，對應的線速度就會非常高，對材料、工藝的要求就會更苛刻，甚至無法保證轉子的安全性。
有鑑於此，該領域技術人員致力於研發一種高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構，以解決高速電機直驅透平機械的轉子結構在高轉速要求下的轉子剛性問題，以及解決高轉速下的轉子電機部分線速度過高的問題。
技術實現要素：
本發明的任務是提供一種高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構，通過增大轉子直徑以提高轉子的剛性，並通過減小轉子的電機部分直徑以降低或者減緩對應線速度的增大，解決高轉速下的轉子剛性問題以及高轉速下的轉子電機部分線速度過高的問題。
本發明的技術解決方案如下：
一種高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構，它包括轉子、轉子光軸、定子和支撐軸承，整個高速轉子結構為等直徑的軸，從位於中間的高速電機轉子部分直逕到位於兩側的轉子光軸直徑的尺寸相同，改變現有轉子中間電機部分直徑粗大、兩端軸承位置軸徑細小的結構；
所述高速轉子中間的高速電機轉子部分的外圍設置高速電機定子，位於高速轉子兩側的轉子光軸由支撐軸承支撐，高速轉子兩端分別連接一級透平葉輪和二級透平葉輪；
所述高速轉子的結構通過增大轉子直徑以提高轉子剛性，同時通過減小轉子的電機部分直徑以降低或者減緩對應線速度的增大。
所述高速電機轉子部分由永磁電機的永磁體及表面護套組成。
所述高速電機轉子部分由感應電機的轉子部分組成。
採用本發明的高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構，能夠解決高轉速下的轉子電機部分線速度過高的問題，降低材料要求及工藝要求，降低設計製造成本，並提高轉子運行的安全性。
本發明的基本思想是通過增大轉子直徑以提高轉子的剛性，並通過減小轉子的電機部分直徑以降低或者減緩對應線速度的增大。轉子剛性增大，對應的轉子臨界轉速也增大，這樣轉子結構在高轉速區域的空間也增大。
本發明的整體轉子結構為等直徑的軸，或者近似等直徑的軸（轉子整體外徑變化比較小），對高轉速要求的轉子可增大轉子直徑，同時轉子電機部分的線速度不會增大過多。
本發明的超高速轉子結構可滿足高轉速離心壓縮機的轉子動力學要求，使轉子設計轉速運行在亞臨界區域（轉速沒有超過一階彎曲臨界），或者儘可能少的超過彎曲臨界，降低高速電機直驅的離心壓縮機轉子啟動升速過程的難度，並減小轉子振動，提升機組運行的安全性。
本發明的超高速轉子結構可用於更高壓縮壓力的高速電機直驅離心壓縮機，因為轉子剛性的提升，對應的轉子轉速可以更高，這樣轉子兩端葉輪的轉速提高，壓縮機的排氣壓力也增大，可實現更高排氣壓力的高速直驅離心壓縮機。
附圖說明
圖1為目前常用的高速電機的轉子結構示意圖。
圖2為本發明的一種高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構的第一實施例示意圖。
圖3為本發明的一種高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構的第二實施例示意圖。
附圖標記：
圖1中：11為電機轉子部分，12為轉子光軸。
1為高速轉子，2為轉子光軸，3為高速電機轉子部分（永磁電機的永磁體及表面護套，或者感應電機的轉子部分），4為高速電機定子，5為支撐軸承，6為一級透平葉輪，7為二級透平葉輪。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。
參看圖2和圖3，本發明的一種高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構是由轉子光軸2、高速電機轉子部分3、高速電機定子4、支撐軸承5、一級透平葉輪6和二級透平葉輪7組成。
整個高速轉子1結構為等直徑的軸，從位於中間的高速電機轉子部分3直逕到位於兩側的轉子光軸2直徑的尺寸相同，改變現有轉子中間電機部分直徑粗大、兩端軸承位置軸徑細小的結構。
如圖2和圖3所示，高速轉子1中間的高速電機轉子部分3的外圍設置高速電機定子4，位於高速轉子1兩側的轉子光軸2由支撐軸承5支撐，高速轉子1兩端分別連接一級透平葉輪6和二級透平葉輪7。
高速轉子1的結構通過增大轉子直徑以提高轉子剛性，同時通過減小轉子的電機部分直徑以降低或者減緩對應線速度的增大。
圖2中，高速電機轉子部分3是由感應電機的轉子部分組成。
圖3中，高速電機轉子部分3是由永磁電機的永磁體及表面護套組成。
本發明的轉子結構要點為軸承處的轉子直徑尺寸與電機轉子部分的外徑尺寸相近，使轉子整體保持相同外徑尺寸或者近似相同外徑尺寸，使轉子整體剛性較好。
本發明的轉子結構設計成相同外徑尺寸或者近似相同外徑尺寸，這樣高速電機直驅離心壓縮機即使需要更高的轉速要求，通過增大轉子外徑仍能保持較好剛性，轉子的剛性臨界轉速與彎曲臨界轉速之間有較大的轉速空間，轉子運行轉速在亞臨界轉速區域，或一彎與二彎臨界轉速之間，解決轉子升速、轉子振動問題及運行安全性，降低轉子材料及工藝要求，提供一種更加穩定可靠的解決方案。
綜上所述，採用本發明的高速電機直驅透平機械的超高速轉子結構，能夠解決高轉速下的轉子電機部分線速度過高的問題，降低材料要求及工藝要求，降低設計製造成本，並提高轉子運行的安全性。
本發明的超高速轉子結構可用於更高壓縮壓力的高速電機直驅離心壓縮機，因為轉子剛性的提升，對應的轉子轉速可以更高，這樣轉子兩端葉輪的轉速提高，壓縮機的排氣壓力也增大，可實現更高排氣壓力的高速直驅離心壓縮機。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明的範圍內。本發明要求的保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。