薄壁鼓筒叶盘转子的磁悬浮支承系统及其燃气轮机

本发明涉及燃气轮机，尤其涉及一种薄壁鼓筒叶盘转子的磁悬浮支承系统及其燃气轮机。

背景技术：

1、燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械，中空轴的设计是其实现高刚度、低重量和优良运行性能的重要结构形式。在高温环境下工作的叶片薄壁鼓筒转子是燃气轮机的核心部件，燃气轮机在运行过程中，转子周围的环境温度可达到1000℃以上，这可导致薄壁转子发生显著的热变形。磁轴承具有无接触、无磨损、高转速、安全性高等优点，应用于燃气轮机薄壁转子结构上可以有效提高其转速及使用寿命，但燃气轮机转子系统受到高温热交变载荷的作用，产生的热弹耦合振动往往使现有的磁轴承系统的振动难以控制，燃气轮机复杂的盘-片-轴结构、传感器走线排布结构的设计、磁轴承控制转子方式的单一性、温度补偿设计的不完善都会使常规的磁轴承难以应用于燃气轮机转子上，所以针对一种高温热载荷作用下的磁悬浮支承系统的设计就尤为重要。

2、由于旋转机械速度和效率不断提升的趋势，燃气轮机叶片与机匣、密封之间的间隙逐渐减小，转子系统的不平衡、转轴弯曲等都极易引起转子的碰摩故障，从而导致系统失稳及一系列不良后果。因此通过对磁悬浮轴承排布方式的设计、控制系统等部件的设计对提高磁轴承的承载能力、稳定性等都极为重要。发明专利202121991379.9设计了一种磁悬浮燃气轮机转子，采用磁轴承支承转子，将压气机转子采用一体式盘鼓结构，提高整机稳定性。发明专利202121081931.0设计了一种磁轴承支承的燃气轮机空心转子结构，采用磁轴承支承并采用两级涡轮结构用于通流冷却叶片的空气。实用新型202121876726.3设计了一种采用气浮轴承的燃气轮机，舍弃传统固定支承，采用气浮轴承提高整个微型燃气轮机的寿命和性能。发明专利202210422896.7提出了一种变工作点的磁轴承非线性控制系统，仅一组外侧执行器对转子进行控制，其控制精度比内外侧同步设置执行器的控制低。实用新型202220052437.x设计了一种磁悬浮轴承与位移传感器集成一体化结构，其一体化结构在径向方向圆周布置4个径向位移传感器，2个轴向位移传感器，此设计不适用于柔性转子转动过程中整圈位移都在变化的情况。

3、现有技术中，对磁轴承支承的燃气轮机转子、磁轴承结构、磁轴承固定支承结构以及内部传感器走线布线结构公开不足；常用的单向执行器控制只能在一个方向上产生吸力，这很可能会使需要提供吸力侧的执行器同时受热变形明显的情况，此时在吸力与热变形的作用下，薄壁转子的变形愈发明显，这时就会产生碰摩；同样如果没有温度补偿环节，单一的磁轴承控制在燃气轮机高温热交变影响下也可能会产生控制失调的影响，一但出现此类情况，将导致叶片与机匣的碰摩故障。

4、综上所述，尚缺少一种面向高温环境下薄壁鼓筒叶盘转子的磁悬浮支承系统及其燃气轮机。

5、下面对现有技术中常见的三种磁轴承模型进行原理分析，并通过分析，给出了本发明选取的磁轴承模型的工作原理与优势。三种磁轴承原理分析如下：

6、磁轴承模型a设计原理图如图1所示，磁轴承模型a由位移传感器和执行器组成，薄壁转子内部的执行器及位移传感器沿圆周均匀分布；当转子发生内凹变形时，执行器靠近转子，电磁吸引力增加；转子系统需要减小电磁吸引力，只能通过减小执行器的控制电流来实现，但很难获得适当的电磁力。该薄壁转子磁轴承模型适用于不易变形的刚性转子，不适用于热弹性耦合柔性转子系统。

7、磁轴承模型b设计原理图如图2所示，磁轴承的两个执行器是差动的，以产生电磁力，其中一个执行器由电流ix与控制电流io之和驱动，另一个相位角为180°处的执行器，由电流ix与控制电流io之差驱动，执行器只能在一个方向上产生吸引力。当转子顶部的变形接近顶部执行器时，需要底部执行器产生吸引力。但是，如果此时底部一侧的变形也靠近底部执行器，则转子底部施加的吸引力很容易引起摩擦现象。忽略外部载荷，无约束薄壁转子在热载荷作用下的振动形状是不规则的(见下面结果讨论)，转子与执行器之间可发生上述摩擦现象。这种差动控制模型可适用于不变形的刚性转子，不适用于热弹性耦合柔性转子。

8、磁轴承模型c设计原理图如图3所示，磁轴承的控制单元由一对执行器和一个传感器组成，沿薄壁鼓筒圆周方向均匀分布多个控制单元。在受电磁力作用的每个位置，由模型b所述的差动控制操作一对执行器，以调控热变形的影响。这种磁轴承模型更适合具有热变形的柔性薄壁转子。

9、图4仿真模拟了三种磁轴承转子模型振动响应，图4(a)为磁轴承模型a左右端磁轴承执行器的位移-电流时间响应，图4(a)的上面板图为左端磁轴承其中一个执行器处位移-电流时间响应，下面板图为右端磁轴承其中一个执行器处位移-电流时间响应；可以发现转子系统在0.03s内，执行器处的位移已经超过了气隙(为0.5mm)，这会使得叶片与磁轴承发生碰摩故障。图4(b)无约束下的薄壁转子的热弹性耦合振型，可以发现转子两端沿圆周方向的热弹性耦合振型是不规则的，选用磁轴承模型b可能会使转子与执行器之间发生摩擦现象；图4(c)为磁轴承模型c左右端磁轴承执行器处位移-电流时间响应，图4(c)的上面板图为左端磁轴承下位移-电流时间响应，下面板图为右端磁轴承下位移-电流时间响应，可以发现电流曲线与执行器处的变形曲线都是反对称的，这可以帮助转子稳定在平衡位置，且热弹耦合振动响应稳定可控，这表明磁轴承模型c适合于具有热弹耦合振动的薄壁鼓筒柔性转子系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种薄壁鼓筒叶盘转子的磁悬浮支承系统，以背景技术中的磁轴承模型c为原理基础，以实现热弹耦合振动的薄壁鼓筒转子系统的支承。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种薄壁鼓筒叶盘转子的磁悬浮支承系统，包括低温端磁轴承系统、机匣、燃气轮机转子、密封结构、高温端磁轴承系统、温度检测和控制系统和耐高温母线；燃气轮机转子设置在机匣内部，燃气轮机转子由低温端磁轴承系统和高温端由高温端磁轴承系统进行支承；密封结构用于连接高温端磁轴承系统和低温端的磁轴承系统与燃气轮机转子之间的密封；高低温端耐高温母线从磁轴承系统引出，接入温度检测和控制系统中的控制终端箱；高温端磁轴承系统和低温端的磁轴承系统内设有执行控制单元，用于产生磁力的支承燃气轮机转子；温度检测和控制系统，用于检测、控制和调节燃气轮机子的稳定运行；控制执行单元包括外圈执行器、内圈执行器和位移传感器。一种燃气轮机，其包含如权利要求1-11中任意一项所述的薄壁鼓筒叶盘转子的磁悬浮支承系统。

3、一种燃气轮机，其特征在于，其包含如权利要求1-11中任意一项所述的薄壁鼓筒叶盘转子的磁悬浮支承系统。

4、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

5、1.本方案针对高温环境引起的热弹性耦合振动设计了一种两端离散分布式的磁悬浮轴承执行器应用在薄壁转子上。磁轴承的一个控制执行单元由一对内外执行器和一个位移传感器组成，在每个受电磁力作用的位置，一对执行器由差动控制产生电磁力以削弱热变形的影响；在薄壁转子两端沿着圆周方向均匀分布多组控制执行单元，这样转子两端任何一个点位的变形都可以通过控制执行单元得到检测，实现热弹耦合振动下的有效控制，并提高转子运行的稳定性。

6、2.本方案针对高温热载荷作用下燃气轮机薄壁转子高温热交变剧烈及轴向温度梯度分布过大的特点设计了一种温度补偿方案(随时间变化)。不同恒定的排气温度，会改变薄壁转子轴向热梯度的大小，当燃气轮机负载突然增加或降低时，都会导致薄壁转子弯曲变形，引发叶片与机匣之间的碰摩。本方案设计的机匣内部的热电偶传感器，进气口、排气口处轴向布置2个，用来检测薄壁转子轴向温度梯度，当检测到转子环境温度发生改变时，通过热电偶传感器采集的信号及时修正控制器参数，离散分布式控制执行器接收信号并调节电磁力的大小来抑制薄壁转子系统的热振动，实现系统的温度补偿。其次还可通过内部执行器支架中的位移传感器检测薄壁转子的唯一信息，若运转过程中转子位置发生偏移，故障预警系统便会作出反应，此时再次调节pd参数对转子系统进行稳定控制。

7、3.本方案针对燃气轮机复杂的盘-片-轴结构结合内部气流流动，设计了一种离散分布式多执行器磁轴承结构，并通过对控制器线路布置设计、密封圈的设计、多执行器安装固定结构的设计、导流叶盘的设计等，实现复杂薄壁转子磁轴承系统的安装，并且结构简单，安装方便。

8、4.提供两种内执行器固定支架安装形式，满足不同的薄壁转子需求。第一种：薄壁转子结构短小且涡轮级数较少的燃气轮机使用内执行器固定支架安装在两端的固定方式。第二种：长跨度薄壁转子且燃气轮机涡轮级数较多，因燃气轮机内部结构复杂，内外圈执行器支架无法设计成为一体式结构，此时设计一内圈执行器连接支架，安装在燃气轮机多级叶盘转子内部；燃气轮转子低温端设计一体式内外圈执行器支架，高温端设计另一内圈执行器支架，二者之间通过内圈执行器连接支架连接。