一種超高速渦輪發電機的制作方法

本實用新型是涉及一種超高速渦輪發電機，屬于高精密機械技術領域。

背景技術：

近年來，隨著分布式供電和多電技術的發展，電力系統已經慢慢取代傳統飛行器中的液壓、氣壓等機械系統，使得二次側功率系統均以電的形式進行分配，多電、全電飛行器已經成為當代新的發展方向。以超高速渦輪發電機為主體的電源系統將成為新一代多電飛行器電源系統的重要研究方向，其原理是利用燃氣尾焰和飛行器飛行過程中的高速氣流帶動渦輪機旋轉進行發電。

由于傳統油系軸承存在著極限轉速，當轉軸轉速超過極限轉速時軸承會失效，因此已不能滿足超高速渦輪發電機的使用要求。而氣浮軸承以其摩擦損耗小、高溫穩定性好、可靠性高、振動小、不需要潤滑油、不受轉軸尺寸限制等一系列優點，已經逐漸成為工業界和學術界關注的熱點，例如：中國專利申請CN201310703932.8中公開了一種廢氣渦輪發電機，采用2個徑向空氣箔片軸承和1個空氣箔片止推軸承，以克服傳統軸承在高速高溫下工作容易失效的缺陷，具有摩擦損耗小、能在高溫環境下工作，廢氣能量回收效率高等優點，但由于箔片軸承一般采用的是金屬箔片，不僅材料制造技術和加工工藝技術上還存在一些難題，而且軸承的阻尼值不能很大提高，導致軸承的剛性不夠，軸承的臨界轉速較低，在高速運轉時容易失穩甚至卡死，高速運轉的穩定性不佳，轉速提高有限，使得工業應用受到局限。

技術實現要素：

針對現有技術存在的上述問題，本實用新型的目的是提供一種可穩定運行的超高速渦輪發電機。

為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下：

一種超高速渦輪發電機，包括渦輪機、散熱風扇、電機、2個徑向軸承及1個止推軸承，所述渦輪機包括渦輪、渦輪機殼體、渦輪機導流器及渦輪機導流器殼體，所述散熱風扇包括風扇殼體，所述電機包括轉子、定子、內軸、外軸及電機殼體；其特征在于：所述徑向軸承為槽式動壓氣體徑向軸承，包括軸承外套和軸承內套；所述止推軸承為混合式動壓氣體止推軸承，包括兩個側盤以及夾設在兩個側盤之間的中盤，在每個側盤與中盤之間均設有箔型彈性件；所述轉子套設在內軸的中部，2個徑向軸承分別套設在位于轉子左、右端的外軸上，所述止推軸承套設在右端的外軸上、并位于右端徑向軸承的外端側，所述渦輪機和散熱風扇分別設置在內軸的兩端。

作為一種實施方案，所述渦輪機設置在內軸的左端，所述散熱風扇設置在內軸的右端。

作為進一步實施方案，所述的超高速渦輪發電機還包括左徑向軸承套和左軸承室端蓋，渦輪機殼體與渦輪機導流器殼體固定連接，渦輪機導流器殼體與左軸承室端蓋固定連接，左軸承室端蓋與左徑向軸承套固定連接，左徑向軸承套與電機殼體固定連接。

作為進一步實施方案，所述的超高速渦輪發電機還包括右徑向軸承套和右軸承室端蓋，風扇殼體與右軸承室端蓋固定連接，右軸承室端蓋與右徑向軸承套固定連接，右徑向軸承套與電機殼體固定連接，所述散熱風扇設在位于右軸承室端蓋與風扇殼體之間的內軸上。

作為優選方案，在電機殼體的內壁周側開設有若干開口槽，在電機殼體的端面開設有若干通氣孔，所述開口槽與通氣孔相連通，以利于氣體的導入和導出，一方面實現快速散熱排氣，另一面實現對軸承室內進行空氣補給。

作為優選方案，在左軸承室端蓋的周側開設有若干排氣孔，在風扇殼體的外端面上開設有若干進氣孔。

作為優選方案，所述軸承內套的外圓周面和兩端面均具有規則形狀的槽式花紋。

作為進一步優選方案，所述軸承內套的一端面的槽式花紋與另一端面的槽式花紋形成鏡像對稱，以及外圓周面的槽式花紋的軸向輪廓線與兩端面的槽式花紋的徑向輪廓線均形成一一對應并相互交接。

作為進一步優選方案，所述軸承內套的外圓周面的槽式花紋中的軸向高位線與兩端面的槽式花紋中的徑向高位線均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋中的軸向中位線與兩端面的槽式花紋中的徑向中位線均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋中的軸向低位線與兩端面的槽式花紋中的徑向低位線均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接。

作為優選方案，所述軸承內套與軸承外套間的配合間隙為0.003～0.008mm。

作為優選方案，在所述軸承外套的兩端設有止環。

作為優選方案，所述中盤的兩端面均設有規則形狀的槽式花紋，且一端面的槽式花紋與另一端面的槽式花紋形成鏡像對稱。

作為優選方案，在所述中盤的外圓周面也設有槽式花紋，且外圓周面的槽式花紋的形狀與兩端面的槽式花紋的形狀相同，以及外圓周面的槽式花紋的軸向輪廓線與兩端面的槽式花紋的徑向輪廓線均形成一一對應并相互交接。

作為進一步優選方案，中盤的外圓周面的槽式花紋中的軸向高位線與兩端面的槽式花紋中的徑向高位線均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋中的軸向中位線與兩端面的槽式花紋中的徑向中位線均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋中的軸向低位線與兩端面的槽式花紋中的徑向低位線均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接。

作為進一步優選方案，在與中盤相配合的箔型彈性件的配合面上設有耐磨涂層。

作為進一步優選方案，所述箔型彈性件與中盤的配合間隙為0.003～0.008mm。

作為進一步優選方案，所述箔型彈性件的至少一端固定在對應側盤的內端面上。

作為進一步優選方案，每個側盤上的箔型彈性件為多個，且沿側盤的內端面均勻分布。

作為進一步優選方案，固定在一個側盤上的箔型彈性件與固定在另一個側盤上的箔型彈性件形成鏡像對稱。

作為進一步優選方案，在側盤的內端面設有用于固定箔型彈性件的卡槽。

作為一種實施方案，所述的箔型彈性件由波箔和平箔組成，所述波箔的弧形凸起頂端與平箔相貼合。

作為另一種實施方案，所述的箔型彈性件由波箔和平箔組成，所述波箔的波拱間過渡底邊與平箔相貼合。

作為又一種實施方案，所述的箔型彈性件由兩個平箔組成。

上述的槽式花紋均為葉輪形狀。

上述的箔型彈性件優選經過表面熱處理。

作為優選方案，所述轉子包括轉子底座、磁鋼和磁鋼保護套，所述轉子底座套設在內軸上，所述磁鋼套設在轉子底座的中心部，所述磁鋼保護套套設在磁鋼上。

作為優選方案，所述定子包括鐵芯和繞組，所述鐵芯固定在位于轉子上方的電機殼體的內壁上，所述繞組設置在鐵芯上。

作為優選方案，所述鐵芯包括由若干沖片上下疊置形成的定子疊片和固定在定子疊片兩側的端壓板。

作為進一步優選方案，所述沖片呈圓環形，在環形部間隔設有多個杯狀穿孔，所述穿孔的杯口部封閉，杯腳的底部開口。

作為優選方案，所述繞組為三相星型連接，中心線不引出，只引出A、B、C三個端頭。

作為進一步優選方案，每相繞組為2個線圈，每個線圈由漆包銅線連續繞制而成。

與現有技術相比，本實用新型具有如下有益效果：

因本實用新型所提供的渦輪發電機，是以氣體作為軸承的潤滑劑，因此不僅具有無污染、摩擦損失低、使用時間長、適用范圍廣、節能環保等諸多優點，而且采用所述結構，散熱效果好，可保證長時間穩定運行；尤其是，因所述結構的空氣軸承能實現在氣浮狀態下的超高速穩定運轉(經測試，可達100,000～450,000rpm的極限轉速)，因此針對相同功率要求，本實用新型可使渦輪發電機的體積顯著減小實現微型化，具有占用空間小、使用便捷等優點，對促進微型化高新技術的發展具有重要價值，相對于現有技術具有顯著性進步。

附圖說明

圖1是實施例1提供的一種超高速渦輪發電機的剖面結構示意圖；

圖2是實施例1提供的槽式動壓氣體徑向軸承的局部分割的左視立體結構示意圖；

圖3是圖2中的A局部放大圖；

圖4是實施例1提供的槽式動壓氣體徑向軸承的局部分割的右視立體結構示意圖；

圖5是圖4中的B局部放大圖；

圖6是實施例1提供的混合式動壓氣體止推軸承的剖面結構示意圖；

圖7a是實施例1中所述中盤的左視圖；

圖7b是實施例1中所述中盤的右視圖；

圖8a是實施例1中所述的固定有箔型彈性件的左側盤的右視圖；

圖8b是實施例1中所述的固定有箔型彈性件的右側盤的左視圖；

圖9是實施例1提供的箔型彈性件的截面結構示意圖；

圖10是實施例1提供的箔型彈性件的立體結構示意圖；

圖11a是實施例2提供的一種混合式動壓氣體止推軸承的左視立體結構示意圖；

圖11b是實施例2提供的混合式動壓氣體止推軸承的右視立體結構示意圖；

圖12是實施例2提供的混合式動壓氣體止推軸承的局部分割立體結構示意圖；

圖13是實施例2中所述中盤的左視立體結構示意圖；

圖14是圖13中的C局部放大圖；

圖15是實施例2中所述中盤的右視立體結構示意圖；

圖16是圖15中的D局部放大圖；

圖17是實施例3所提供的轉子結構示意圖；

圖18是實施例4所提供的鐵芯結構示意圖；

圖19是實施例4所述沖片的結構示意圖；

圖20是實施例4所提供的繞組結構示意圖；

圖21是實施例5所提供的電機殼體的立體結構示意圖；

圖22是圖21中的E局部放大圖；

圖23是實施例5提供的一種超高速渦輪發電機的右視立體結構示意圖。

圖中標號示意如下：

1、渦輪機；11、渦輪；12、渦輪機殼體；13、渦輪機導流器；14、渦輪機導流器殼體；2、散熱風扇；21、風扇殼體；22、進氣孔；3、電機；31、轉子；311、轉子底座；312、磁鋼；313、磁鋼保護套；32、定子；321、鐵芯；3211、沖片；32111、杯狀穿孔；32111a、杯口部；32111b、杯腳；3212、定子疊片；3213、端壓板；322、繞組；33、內軸；34、外軸；35、電機殼體；351、開口槽；352、通氣孔；4、槽式動壓氣體徑向軸承；4a、左端徑向軸承；4b、右端徑向軸承；41、軸承外套；42、軸承內套；43、槽式花紋；431、外圓周面的槽式花紋；4311、軸向高位線；4312、軸向中位線；4313、軸向低位線；432、左端面的槽式花紋；4321、徑向高位線；4322、徑向中位線；4323、徑向低位線；433、右端面的槽式花紋；4331、徑向高位線；4332、徑向中位線；4333、徑向低位線；44、止環；5、混合式動壓氣體止推軸承；51、側盤；511、左側盤；512、右側盤；513、卡槽；52、中盤；521、左端面的槽式花紋；5211、徑向高位線；5212、徑向中位線；5213、徑向低位線；522、右端面的槽式花紋；5221、徑向高位線；5222、徑向中位線；5223、徑向低位線；523、外圓周面的槽式花紋；5231、軸向高位線；5232、軸向中位線；5233、軸向低位線；53、箔型彈性件；53a、固定在左側盤上的箔型彈性件；53b、固定在右側盤上的箔型彈性件；531、波箔；5311、弧形凸起；5312、波拱間過渡底邊；532、平箔；6a、左徑向軸承套；6b、右徑向軸承套；7a、左軸承室端蓋；7a1、排氣孔；7b、右軸承室端蓋。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本實用新型的技術方案做進一步詳細地說明。

實施例1

如圖1所示：本實施例提供的一種超高速渦輪發電機，包括渦輪機1、散熱風扇2、電機3、2個徑向軸承4及1個止推軸承5，所述渦輪機1包括渦輪11、渦輪機殼體12、渦輪機導流器13及渦輪機導流器殼體14，所述散熱風扇2包括風扇殼體21，所述電機3包括轉子31、定子32、內軸33、外軸34及電機殼體35；所述徑向軸承4為槽式動壓氣體徑向軸承，包括軸承外套41和軸承內套42；所述止推軸承5為混合式動壓氣體止推軸承，包括兩個側盤51以及夾設在兩個側盤之間的中盤52，在每個側盤51與中盤52之間均設有箔型彈性件53；所述轉子31套設在內軸33的中部，2個徑向軸承4分別套設在位于轉子31左、右端的外軸34上，所述止推軸承5套設在右端的外軸34上、并位于右端徑向軸承4b的外端側，所述渦輪機1和散熱風扇2分別設置在內軸的兩端(本實施例中所述渦輪機1設置在內軸33的左端，所述散熱風扇2設置在內軸33的右端)。

所述的超高速渦輪發電機還包括左徑向軸承套6a、右徑向軸承套6b、左軸承室端蓋7a和右軸承室端蓋7b，渦輪機殼體12與渦輪機導流器殼體14固定連接，渦輪機導流器殼體14與左軸承室端蓋7a固定連接，左軸承室端蓋7a與左徑向軸承套6a固定連接，左徑向軸承套6a與電機殼體35固定連接，風扇殼體21與右軸承室端蓋7b固定連接，右軸承室端蓋7b與右徑向軸承套6b固定連接，右徑向軸承套6b與電機殼體35固定連接，所述散熱風扇2設在位于右軸承室端蓋7b與風扇殼體21之間的內軸33上。

結合圖2至圖5所示：所述軸承內套42的外圓周面和左、右端面均具有規則形狀的槽式花紋43(如圖中的431、432和433，本實施例中的槽式花紋均為葉輪形狀)，且左端面的槽式花紋432與右端面的槽式花紋433形成鏡像對稱。位于軸承內套42的外圓周面的槽式花紋431的軸向輪廓線與左、右端面的槽式花紋(432和433)的徑向輪廓線均形成一一對應并相互交接，即：外圓周面的槽式花紋431中的軸向高位線4311與左、右端面的槽式花紋(432和433)中的徑向高位線(4321和4331)均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋431中的軸向中位線4312與左、右端面的槽式花紋(432和433)中的徑向中位線(4322和4332)均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋431中的軸向低位線4313與左、右端面的槽式花紋(432和433)中的徑向低位線(4323和4333)均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接。

通過使軸承內套42的外圓周面和兩端面均具有規則形狀的槽式花紋(431、432和433)，左端面的槽式花紋432與右端面的槽式花紋433形成鏡像對稱及外圓周面的槽式花紋431的軸向輪廓線與左、右端面的槽式花紋(432和433)的徑向輪廓線均形成一一對應并相互交接，可保證兩端面的葉輪形狀的槽式花紋(432和433)所產生的增壓氣體從軸心沿徑向不斷地往外圓周面的槽式花紋431形成的凹槽通道里輸送，以致形成更強支撐高速運轉軸承所需的氣膜，而氣膜即作為動壓氣體徑向軸承的潤滑劑，因此有利于實現所述槽式動壓氣體徑向軸承4在氣浮狀態下的高速穩定運轉。

另外，當在軸承外套41的兩端分別設置止環44時，可實現在高速回轉軸的帶動下，使軸承內套42的兩端面與止環44間產生自密封作用，使槽式花紋連續產生的動壓氣體能完好地密閉保存在軸承的整個配合間隙中，充分保證高速運轉的動壓氣體徑向軸承的潤滑需要。

所述軸承外套41與軸承內套42間的配合間隙優選為0.003～0.008mm，以進一步確保軸承高速運轉的可靠性和穩定性。

如圖6所示：本實施例提供的一種混合式動壓氣體止推軸承5，包括：兩個側盤51，在兩個側盤51之間夾設有中盤52，在每個側盤51與中盤52之間設有箔型彈性件53；所述中盤52的左端面設有規則形狀的槽式花紋521，右端面設有規則形狀的槽式花紋522。

結合圖7a和圖7b可見：所述中盤52的左端面的槽式花紋521與右端面的槽式花紋522之間形成鏡像對稱，左端面的槽式花紋521的徑向輪廓線與右端面的槽式花紋522的徑向輪廓線形成一一對應。

所述的槽式花紋521與522的形狀相同，本實施例中均為葉輪形狀。

進一步結合圖8a和圖8b可見：所述箔型彈性件53固定在對應側盤51的內端面上(例如圖8a所示的固定有箔型彈性件53a的左側盤511和圖8b所示的固定有箔型彈性件53b的右側盤512)，且固定在左側盤511上的箔型彈性件53a與固定在右側盤512上的箔型彈性件53b形成鏡像對稱。在每個側盤上的箔型彈性件可為多個(圖中示出的是4個)，且沿側盤的內端面均勻分布。

通過在側盤51與中盤52之間設置箔型彈性件53，在中盤52的左、右端面設置規則形狀的槽式花紋(521和522)，且使左端面的槽式花紋521與右端面的槽式花紋522形成鏡像對稱，從而得到了既具有槽式動壓氣體止推軸承的高極限轉速的剛性特征、又具有箔片式動壓氣體止推軸承的高抗沖擊能力和載荷能力的柔性特征的混合式動壓氣體止推軸承；因為箔型彈性件53與中盤52間形成了楔形空間，當中盤52轉動時，氣體因其自身的粘性作用被帶動并被壓縮到楔形空間內，從而可使軸向動壓力得到顯著增強，相對于現有的單純箔片式動壓氣體止推軸承，可具有在相同載荷下成倍增加的極限轉速；同時，由于增加了箔型彈性件53，在其彈性作用下，還可使軸承的載荷能力、抗沖擊能力和抑制軸渦動的能力顯著提高，相對于現有的單純槽式動壓氣體止推軸承，可具有在相同轉速下成倍增加的抗沖擊能力和載荷能力。

結合圖6和圖9、圖10所示：所述的箔型彈性件53由波箔531和平箔532組成，所述波箔531的弧形凸起5311的頂端與平箔532相貼合，所述波箔531的波拱間過渡底邊5312與對應側盤51的內端面相貼合。

為進一步降低高速運轉的中盤52對箔型彈性件53的磨損，以延長軸承的使用壽命，最好在與中盤52相配合的箔型彈性件53的配合面上設置耐磨涂層(圖中未示出)。

實施例2

結合圖11a、11b、12至16所示可見，本實施例提供的一種混合式動壓氣體止推軸承與實施例1的區別僅在于：

在所述中盤52的外圓周面也設有槽式花紋523，且外圓周面的槽式花紋523的形狀與左、右端面的槽式花紋(521和522)的形狀相同(本實施例中均為葉輪形狀)，以及外圓周面的槽式花紋523的軸向輪廓線與左、右端面的槽式花紋(521和522)的徑向輪廓線均形成一一對應并相互交接；即：

外圓周面的槽式花紋523中的軸向高位線5231與左端面的槽式花紋521中的徑向高位線5211均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋523中的軸向中位線5232與左端面的槽式花紋521中的徑向中位線5212均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋523中的軸向低位線5233與左端面的槽式花紋521中的徑向低位線5213均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接(如圖14所示)；

外圓周面的槽式花紋523中的軸向高位線5231與右端面的槽式花紋522中的徑向高位線5221均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋523中的軸向中位線5232與右端面的槽式花紋522中的徑向中位線5222均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋523中的軸向低位線5233與右端面的槽式花紋522中的徑向低位線5223均相對應、并在端面圓周倒角前相互交接(如圖16所示)。

當在所述中盤52的外圓周面也設有槽式花紋，且使外圓周面的槽式花紋523的形狀與左、右端面的槽式花紋(521和522)的形狀相同，以及外圓周面的槽式花紋523的軸向輪廓線與左、右端面的槽式花紋(521和522)的徑向輪廓線均形成一一對應并相互交接時，可使內盤兩端面的槽式花紋(521和522)所產生的增壓氣體從軸心沿徑向不斷地往外圓周面的槽式花紋523形成的凹槽通道里輸送，以致形成更強支撐高速運轉軸承所需的氣膜，而氣膜即作為動壓氣體止推軸承的潤滑劑，因而可進一步確保所述的混合式動壓氣體止推軸承在氣浮狀態下的高速穩定運轉，為實現電機的高極限轉速提供進一步保證。

在側盤51的內端面上設有用于固定箔型彈性件53的卡槽513(如圖12所示)。

所述的箔型彈性件53與中盤52的配合間隙優選為0.003～0.008mm，以進一步確保軸承高速運轉的可靠性和穩定性。

為了更好地滿足高速運轉的性能要求，所述的箔型彈性件53優選經過表面熱處理。

另外需要說明的是：本實用新型所述的箔型彈性件53的組成結構不限于上述實施例中所述，還可以采用波箔和平箔組成，但所述波箔的波拱間過渡底邊與平箔相貼合，或者，直接采用兩個平箔組成，或采用其它的現有結構。

實施例3

結合圖1和圖17所示：所述轉子31包括轉子底座311、磁鋼312和磁鋼保護套313，所述轉子底座311套設在內軸33上，所述磁鋼312套設在轉子底座311的中心部，所述磁鋼保護套313套設在磁鋼312上，以更好滿足超高速轉動。

實施例4

結合圖1和圖18所示：所述定子32包括鐵芯321和繞組322，所述鐵芯321固定在位于轉子31上方的電機殼體35的內壁上，所述繞組322設置在鐵芯321上；所述鐵芯321包括由若干沖片3211上下疊置形成的定子疊片3212和固定在定子疊片3212兩側的端壓板3213。

如圖19所示：所述沖片3211呈圓環形，在環形部間隔設有多個杯狀穿孔32111，所述穿孔32111的杯口部32111a封閉，杯腳32111b的底部開口。

如圖20所示：所述繞組322采用三相星型連接，中心線不引出，只引出A、B、C三個端頭；每相繞組為2個線圈，每個線圈由漆包銅線連續繞制而成。

實施例5

結合圖21和圖22所示：在電機殼體35的內壁周側開設有若干開口槽351，在電機殼體的端面開設有若干通氣孔352，所述開口槽351與通氣孔352相連通，以利于氣體的導入和導出，一方面實現快速散熱排氣，另一面實現對軸承室內進行空氣補給。

另外，在左軸承室端蓋6a的周側開設有若干排氣孔6a1，在風扇殼體21的外端面上開設有若干進氣孔22(如圖23所示)，以進一步實現快速散熱。

經測試，本實用新型提供的軸承在氣浮狀態下能達到100,000～450,000rpm的極限轉速，因此針對相同功率要求，本實用新型可使渦輪發電機的體積顯著減小實現微型化，對促進微型化高新技術的發展具有重要價值。

最后有必要在此指出的是：以上內容只用于對本實用新型所述技術方案做進一步詳細說明，不能理解為對本實用新型保護范圍的限制，本領域的技術人員根據本實用新型的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬于本實用新型的保護范圍。