一种动力系统及其控制方法
阅读：353发布：2021-07-18
专利汇可以提供一种动力系统及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种动 力 系统及其控制方法，其中动力系统包括：燃气 涡轮 发 电机 组、 电动机 、推进系统和控制系统；其中，所述燃气涡轮 发电机组 包括燃气涡轮 发动机 和第一电机，所述 燃气涡轮发动机 包括 压气机 和第一透平，所述压气机、所述第一透平和所述第一电机通过第一 转轴 连接；所述第一电机与所述电动机电连接，所述电动机与所述推进系统连接；所述控制系统与所述第一电机电连接，所述控制系统用于控制所述第一电机的发电功率。本发明能够减少对燃气涡轮发动机的损耗，同时能够提高动力系统的整体效率。，下面是一种动力系统及其控制方法专利的具体信息内容。
1.一种动力系统，其特征在于，包括：
燃气涡轮发电机组、电动机、推进系统和控制系统；其中，
所述燃气涡轮发电机组包括燃气涡轮发动机和第一电机，所述燃气涡轮发动机包括压气机和第一透平，所述压气机、所述第一透平和所述第一电机通过第一转轴连接；
所述第一电机与所述电动机电连接，所述电动机与所述推进系统连接；
所述控制系统与所述第一电机电连接，所述控制系统用于控制所述第一电机的发电功率。
2.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，
所述动力系统还包括储能系统，所述储能系统与所述第一电机电连接；
所述控制系统还与所述电动机电连接，所述控制系统还用于控制所述电动机的输出功率。
3.根据权利要求2所述的动力系统，其特征在于，
所述动力系统还包括余热发电系统，所述余热发电系统与所述燃气涡轮发动机的排气端连接，所述余热发电系统能够将所述燃气涡轮发动机排气中的热量转化为电能，所述余热发电系统与所述电动机和/或所述储能系统电连接。
4.根据权利要求3所述的动力系统，其特征在于，
所述余热发电系统为有机朗肯循环ORC系统，所述ORC系统包括蒸发器、第二透平、冷凝器和增压泵，所述蒸发器、所述第二透平、所述冷凝器和所述增压泵通过流体管道依次循环连接，所述流体管道内填充有有机工质；
所述蒸发器与所述燃气涡轮发动机的排气端连接；
所述第二透平与所述第一透平同轴连接。
5.根据权利要求3所述的动力系统，其特征在于，
所述余热发电系统为ORC系统，所述ORC系统包括蒸发器、第二透平、冷凝器、增压泵和第二电机，所述蒸发器、所述第二透平、所述冷凝器和所述增压泵通过流体管道依次循环连接，所述流体管道内填充有有机工质；
所述蒸发器与所述燃气涡轮发动机的排气端连接；
所述第二透平与所述第二电机通过第二转轴连接，所述第二电机与所述电动机和/或所述储能系统电连接。
6.根据权利要求4或5所述的动力系统，其特征在于，
所述动力系统还包括换热器，所述蒸发器通过所述换热器与所述燃气涡轮发动机的排气端连接。
7.根据权利要求4或5所述的动力系统，其特征在于，
所述动力系统还包括冷却系统，所述冷却系统与所述冷凝器连接。
8.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，
所述推进系统包括螺旋桨和扭矩转换机构，所述扭矩转换机构与所述螺旋桨连接，所述扭矩转换机构与所述电动机柔性连接。
9.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，
所述第一透平的叶轮采用陶瓷材料。
10.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，
所述第一转轴、所述第一电机、所述压气机和所述第一透平形成所述燃气涡轮发电机组的转子系统；
所述第一转轴的轴体为一体结构，所述第一转轴水平设置或竖向设置；
所述第一转轴上还设置有推力轴承和至少两个径向轴承，所述推力轴承和所述至少两个径向轴承均为非接触式的轴承；
其中，所述推力轴承设置于所述第一透平的靠近所述压气机的一侧的预设位置上，所述预设位置为能够使所述转子系统的重心位于所述至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间的位置。
11.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，
所述第一转轴、所述第一电机、所述压气机和所述第一透平形成所述燃气涡轮发电机组的转子系统；
所述第一转轴的轴体为一体结构，所述第一转轴水平设置或竖向设置；
所述第一转轴上还设置有推力轴承和两个径向轴承，所述推力轴承和所述两个径向轴承均为非接触式的轴承；
所述转子系统还包括第一机匣和第二机匣，所述第一机匣与所述第二机匣连接；
其中，所述第一电机、所述推力轴承和所述两个径向轴承均设置于所述第一机匣内，所述压气机和所述第一透平均设置于所述第二机匣内，所述压气机的叶轮与所述第一透平的叶轮在所述第二机匣内相靠设置。
12.根据权利要求5所述的动力系统，其特征在于，
所述ORC系统的第二转轴上还设置有非接触式的推力轴承和非接触式的径向轴承。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的动力系统，其特征在于，
所述推力轴承为气磁混合推力轴承；
所述径向轴承为气磁混合径向轴承或者气体动静压混合径向轴承。
14.一种动力系统的控制方法，用于如权利要求1至13中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述方法包括：
飞行器在启动阶段时，启动燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机驱动所述飞行器启动，所述燃气涡轮发动机的多余的轴功驱动第一电机发电；
所述飞行器在爬行阶段时，控制所述燃气涡轮发动机驱动所述第一电机空转；
所述飞行器在低空巡航阶段时，控制所述第一电机提高发电功率，并控制所述第一电机向所述电动机输入电能，以使所述电动机驱动推进系统运动；
所述飞行器在高空飞行阶段时，控制所述燃气涡轮发动机驱动所述第一电机空转；
所述飞行器停机时，关闭所述燃气涡轮发动机。
15.根据权利要求14所述的方法，用于如权利要求2所述的动力系统，其特征在于，所述动力系统还包括交直流转换器，所述第一电机为启发一体式电机，所述第一电机通过所述交直流转换器与所述电动机和储能系统电连接；
所述启动燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机驱动所述飞行器启动，所述燃气涡轮发动机的多余的轴功驱动第一电机发电的步骤，包括：
控制储能系统通过交直流转换器向所述第一电机供电，所述第一电机作为电动机驱动所述燃气涡轮发动机启动；
当所述燃气涡轮发动机运行稳定之后，控制所述储能系统停止向所述第一电机供电；
所述燃气涡轮发动机驱动所述飞行器启动，所述燃气涡轮发动机的多余的轴功驱动所述第一电机发电；
控制所述第一电机产生的电能通过所述交直流转换器输入至所述电动机，和/或通过所述交直流转换器输入至所述储能系统储存。
16.根据权利要求14所述的方法，用于如权利要求2所述的动力系统，其特征在于，储能系统包括常规储能装置和应急储能装置；
所述方法还包括：
所述燃气涡轮发动机故障时，启动所述应急储能装置为所述飞行器提供飞行动力；
当所述飞行器完成故障处理或者紧急迫降之后，关闭所述应急储能装置。
17.根据权利要求14所述的方法，用于如权利要求3所述的动力系统，其特征在于，所述方法还包括：
将所述燃气涡轮发动机排气中的热量转化为电能，并控制电能输入至所述电动机，和/或输入至储能系统储存。
18.根据权利要求17所述的方法，用于如权利要求5所述的动力系统，其特征在于，所述将所述燃气涡轮发动机排气中的热量转化为电能，并控制电能输送至所述电动机，和/或输入至所述储能系统储存的步骤，包括：
流体管道中的有机工质吸收所述燃气涡轮发动机排气中的热量后在蒸发器内被等压加热为高压蒸汽；
高压蒸汽进入第二透平等熵膨胀做功，推动所述第二透平旋转；
所述第二透平驱动第二电机旋转发电，所述第二电机产生的电能输入所述电动机，和/或输入所述储能系统储存；
所述第二透平的高压蒸汽做功后变为低压蒸汽，低压蒸汽在冷凝器中放热后变为液态，再经增压泵等熵增压后送入所述蒸发器循环。
一种动力系统及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及动力技术领域，尤其涉及一种动力系统及其控制方法。
背景技术
[0002] 燃气涡轮发动机(或称燃气轮机)因其体积小、重量轻以及燃料适应性强等优势，广泛应用于航天技术领域。燃气涡轮发动机应用于飞行器的动力系统时，飞行器在不同的飞行工况下，对发动机推力和油耗率的要求不同。因此，不仅需要燃气涡轮发动机具有不同的工作状态，而且需要燃气涡轮发动机在最小功率工作状态与最大功率工作状态之间的任意状态均能够稳定工作。
[0003] 现有技术中，一般通过对油门的操作来改变燃气涡轮发动机的工作状态。然而，通过操作油门改变燃气涡轮发动机的工作状态容易引起燃烧不稳定、不充分等现象，不利于提高燃气涡轮发动机的整体热效率。另外，频繁的改变燃气涡轮发动机的工作状态还会对燃气涡轮发动机的寿命产生一定的影响。
发明内容
[0004] 本发明提供一种动力系统及其控制方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
[0005] 一方面，本发明提供一种动力系统，包括：
[0008] 所述第一电机与所述电动机电连接，所述电动机与所述推进系统连接；
[0009] 所述控制系统与所述第一电机电连接，所述控制系统用于控制所述第一电机的发电功率。
[0010] 另一方面，本发明提供一种动力系统的控制方法，用于上述动力系统，所述方法包括：
[0011] 飞行器在启动阶段时，启动燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机驱动所述飞行器启动，所述燃气涡轮发动机的多余的轴功驱动第一电机发电；
[0012] 所述飞行器在爬行阶段时，控制所述燃气涡轮发动机驱动所述第一电机空转；
[0013] 所述飞行器在低空巡航阶段时，控制所述第一电机提高发电功率，并控制所述第一电机向所述电动机输入电能，以使所述电动机驱动推进系统运动；
[0014] 所述飞行器在高空飞行阶段时，控制所述燃气涡轮发动机驱动所述第一电机空转；
[0015] 所述飞行器停机时，关闭所述燃气涡轮发动机。
[0016] 本发明中，由于在动力系统中设置与燃气涡轮发动机同轴连接的电机，从而能够通过调节电机的发电功率来调节燃气涡轮发动机输出的推力，以满足不同工况的要求。这样，在不同工况中，不用改变燃气涡轮发动机的轴功率，燃气涡轮发动机能够始终以稳定的工作状态运行。可见，本发明能够减少对燃气涡轮发动机的损耗，同时能够提高动力系统的整体效率。附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
[0018] 图1是本发明实施例提供的动力系统的整体结构示意图；
[0019] 图2是本发明实施例提供的动力系统中一种ORC系统的结构示意图；
[0020] 图3是本发明实施例提供的动力系统中另一种ORC系统的结构示意图；
[0021] 图4是本发明实施例提供的动力系统的控制方法的流程示意图。
[0023] 图26至图29是本发明实施例提供的箔片式气磁混合推力轴承的结构示意图；
[0024] 图30至图36是本发明实施例提供的槽式气磁混合推力轴承的结构示意图；
[0025] 图37至图44是本发明实施例提供的槽式气磁混合径向轴承的结构示意图。
具体实施方式
[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027] 如图1所示，本发明实施例提供一种动力系统，包括：
[0029] 其中，燃气涡轮发电机组1包括同轴连接的燃气涡轮发动机11和第一电机12，燃气涡轮发动机11包括压气机和第一透平，压气机、第一透平和第一电机12通过第一转轴连接。第一电机12与电动机2电连接，电动机2与推进系统3连接，电动机2用于驱动推进系统3运动。
[0030] 控制系统与第一电机12电连接，在燃气涡轮发动机11启动并稳定后，控制系统用于控制第一电机12的发电功率，通过控制系统的控制，燃气涡轮发动机11产生的轴功率以预定的比例用于提供推力和发电。
[0031] 对于传统的动力系统，推进系统与发动机同轴机械连接，发动机直接驱动推进系统工作。这样，如果发动机停止旋转，则推进系统也将停止旋转，从而引起动力系统发生故障。
[0032] 而本发明实施例的动力系统，推进系统3由电动机2电驱动，推进系统3与燃气涡轮发动机11之间的连接不再是机械连接。这样，燃气涡轮发动机11的故障不会对推进系统3产生上述影响。
[0033] 另外，对于传统的动力系统，发动机设置为在不同的工况下工作。由于发动机是机械地连接到推进系统，发动机以与推进系统相同的速度旋转。因此，对于不同的工况，发动机的转速需要在一定的范围内变化，以使发动机输出的功率不相同。这样，增加了发动机，例如转子的几何形状、定子的几何形状等的设计难度。
[0034] 而本发明实施例的动力系统，由于设置有第一电机12，可通过调节第一电机12的发电功率来调节燃气涡轮发动机11输出的推力，从而满足不同工况的要求。这样，可以保证燃气涡轮发动机11始终以稳定的工作状态运行，不仅能够减少对燃气涡轮发动机11的损耗，同时能够提高动力系统的整体效率。
[0035] 本发明实施例中，第一电机12与电动机2电连接的具体实施方式不作限定。若第一电机12为交流电机，电动机2为交流电动机，则第一电机12可以通过电缆直接与电动机2电连接；或者，第一电机12通过变压器与电动机2电连接。若第一电机12为交流电机，电动机2为直流电动机，则可以在第一电机12和电动机2之间设置整流器，第一电机12通过整流器与电动机2电连接；或者，先将第一电机12的电能输入电瓶等储能装置，通过储能装置向电动机2供给电能。
[0036] 本发明实施例的动力系统可以但不限于应用于飞行器和船舶，为了便于理解和描述，本发明实施例着重以动力系统应用于飞行器进行具体说明。
[0037] 可选的，如图1所示，推进系统3包括螺旋桨32和扭矩转换机构31，扭矩转换机构31与螺旋桨32连接，扭矩转换机构31与电动机2柔性连接。
[0038] 其中，电动机2通过扭矩转换机构31带动螺旋桨32旋转，从而为飞行器提供飞行推力。优选地，扭矩转换机构31设置有控制器，通过控制器能够控制扭矩转换机构31的输出扭矩，从而控制螺旋桨32的旋转速度。该控制器可以是单独于控制系统之外的控制器，也可以是集成于控制系统中的控制器。
[0039] 可选的，如图1所示，动力系统还包括储能系统4，储能系统4与第一电机12电连接；控制系统还与电动机2电连接，控制系统还用于控制电动机2的输出功率，以调节第一电机
12向电动机2和/或储能系统4输入的电能。
12向电动机2和/或储能系统4输入的电能。
[0041] 当燃气涡轮发电机组1故障时，储能系统4储存的电能能够为推进系统3提供足够的应急用电，从而保证飞行器在故障处理期间的安全运行或者完成飞行器的紧急迫降等。
[0042] 进一步的，动力系统还包括交直流转换器5，第一电机12通过交直流转换器5与电动机2和储能系统4电连接。
[0043] 进一步的，第一电机12为启发一体式电机，交直流转换器5具体包括逆变器51和整流器52，第一电机12通过逆变器51和整流器52与储能系统4电连接。
[0044] 其中，第一电机12为启发一体式电机，第一电机12既可以用作发电机，也可以用作电动机。
[0045] 储能系统4中预先储存有预定的电量。在燃气涡轮发电机组1启动阶段，储能系统4的电能通过逆变器51为第一电机12提供电能，此时第一电机12作为电动机来驱动燃气涡轮发动机11旋转。待燃气涡轮发动机11启动并稳定后，第一电机12又可作为发电机，在燃气涡轮发动机11的带动下进行发电。第一电机12产生的电能通过整流器52储存到储能系统4，或者为电动机2提供电能。
[0046] 进一步的，储能系统4包括常规储能装置41和应急储能装置42。
[0047] 其中，常规储能装置41可以包括储电设备和控制单元，控制单元用于控制储电设备的充放电以及储电设备所储存电量的预警。常规储能装置41可用于代替现有技术中飞行器的辅助动力单元(Auxiliary Power Unit，简称APU)。
[0048] 飞行器在地面时，可以由常规储能装置41提供电能，保证机舱内的照明和空调。飞行器在起飞前，可以由常规储能装置41供电来启动燃气涡轮发电机组1，从而不需依靠地面电、气源等。飞行器起飞时，燃气涡轮发动机11输出的功率全部用于地面加速和爬升，从而保证飞行器的起飞性能。飞行器降落后，仍可以由常规储能装置41供应电力照明和空调，这样，燃气涡轮发电机组1可以提早关闭，不仅能够节省燃油，还能够降低机场噪声。
[0049] 应急储能装置42同样包括储电设备和控制单元，应急储能装置42相比于常规储能装置41来说，可以具有更大的容量，能够储存更多的电能。在燃气涡轮发电机组1故障的情况下，应急储能装置42提供的电能能够用于飞行器在故障处理期间的安全运行或者飞行器的紧急迫降等。
[0050] 上述常规储能装置41或应急储能装置42中的控制单元可以是单独于控制系统之外的控制单元，也可以是集成于控制系统中的控制单元。
[0051] 这样，燃气涡轮发电机组1产生的能量既可用于飞行器飞行的动力，也可以将其产生的多余轴功用于发电。燃气涡轮发电机组1所产生的电能既可用于驱动推进系统3，进而进一步驱动飞行器前进，多余的电能还可以被储存于储能系统4中。储能系统4储存的电能既可用于飞行器的辅助电源，也可在燃气涡轮发动机11异常的情况下为飞行器提供主动力。
[0052] 燃气涡轮发动机11产生的轴功率在推力和发电之间的分配比例由控制系统根据飞行器的具体飞行工况确定。
[0053] 飞行器在低空巡航时，飞行器所需燃气涡轮发动机11所提供的功率密度比较小，控制系统可以控制第一电机12提高发电功率，第一电机12产生的电能增大，燃气涡轮发动机11输出的推力很小，燃气涡轮发动机11接近于完全发电状态。第一电机12产生的电能可以通过电动机2驱动螺旋桨32旋转，为飞行器提供飞行所需推力，多余的电能可以储存到储能系统4中。
[0054] 飞行器在高空飞行时，飞行速度需要提高，通过控制系统的控制，燃气涡轮发电机组1产生的能量全部用于飞行器的飞行动力。此时，飞行器可以以最高的速度飞行，例如在作战状态下，飞机需要快速离开战区时，只要改变控制系统的控制指令。便可实现飞行工况的改变，操作简单方便。
[0056] 本发明实施例中，燃气涡轮发动机11可以为涡喷发动机，涡喷发动机的函道比为零，发动机结构简单、重量轻、推力大，其推进效率高、高速飞行性能好，加速能力强，可用于战斗机或者军用直升机等。
[0057] 燃气涡轮发动机11也可以为涡扇发动机，涡扇发动机的涵道比不为零，发动机的燃油效率高、噪音低、飞行航程远，可用于客机。
[0058] 燃气涡轮发动机11还可以为变循环发动机，可以通过改变变循环发动机的循环参数来改变涵道比。飞行器在爬升、加速和超声速飞行时，可以减小发动机涵道比，发动机以接近涡喷发动机的状态工作，以增大发动机的推力；飞行器在起飞和亚声速飞行时，可以增大发动机涵道比，发动机以接近涡扇发动机的状态工作，以降低发动机的耗油率和噪声。
[0059] 可选的，如图1所示，动力系统还包括余热发电系统6，余热发电系统6与燃气涡轮发动机11的排气端连接，余热发电系统6能够将燃气涡轮发动机11排气中的热量转化为电能，余热发电系统6与电动机2和/或储能系统4电连接，余热发电系统6产生的电能可以输入至电动机2或储能系统4中。
[0060] 这样，余热发电系统6代替常规飞行器的发动机中的回热器，能够将燃气涡轮发动机11排出的尾气中的余热用于补充发电，并且将电能储存或者有效利用。因此，相比于传统的动力系统，本发明实施例的动力系统具有更高的效率。
[0061] 进一步的，余热发电系统6可以为超临界二氧化碳循环系统或者有机朗肯循环系统。由于超临界二氧化碳循环系统或者有机朗肯循环系统均具有很高的余热利用率，因此提高了整个动力系统的热效率。使用普通回热器的燃气涡轮发动机的效率能够达到25％-29％左右，而使用超临界二氧化碳循环系统或者有机朗肯循环系统的燃气涡轮发动机的热效率可以达到38.4％，甚至更高。
[0062] 具体的，本发明实施例中，余热发电系统6设置为有机朗肯循环系统，有机朗肯循环系统又可简称为ORC系统。
[0063] 如图2所示，ORC系统61包括蒸发器611、第二透平612、冷凝器613、增压泵614和第二电机615，蒸发器611、第二透平612、冷凝器613和增压泵614通过流体管道616依次循环连接，流体管道616内填充有有机工质。
[0064] 其中，蒸发器611与燃气涡轮发动机11的排气端连接；第二透平612与第二电机615通过第二转轴连接，第二电机615与电动机2和/或储能系统4电连接。
[0065] 进一步的，蒸发器611可以设置在燃气涡轮发动机11的排气管内。
[0066] 这样，燃气涡轮发动机11的排气直接被引导从蒸发器611的一侧进入，并从蒸发器611的另一侧排出，即在蒸发器611中完成燃气涡轮发动机11的排气与有机工质的换热。
[0067] 工作状态下，流体管道616中的有机工质吸收燃气涡轮发动机11排气中的热量后在蒸发器611内被等压加热为高压蒸汽，高压蒸汽进入第二透平612等熵膨胀做功，推动第二透平612旋转。第二透平612进而带动同轴连接的第二电机615旋转发电，且通过第二透平612的高压蒸汽做功后变为低压蒸汽，低压蒸汽在冷凝器613中对环境放热后变为液态，再经增压泵614等熵增压后送入蒸发器611循环。第二电机615产生的电能可用于为电动机2提供电能或者存储到储能系统4中。
[0068] 由热力学分析可知，废热的温度越高，即第二透平612的进口温度越高，有机朗肯循环的热效率越高。因此本发明实施例中，燃气涡轮发动机11可以不设置回热器。不设置回热器的燃气涡轮发动机11排气的温度与常规的设置有回热器的发动机相比，其排气的温度较高，大概为600摄氏度到800摄氏度。该高温排气进入ORC系统并做功，使得ORC系统的余热回收效率更高。
[0069] 进一步的，第二电机615为启发一体式电机，第二电机615既可以用作发电机，也可以用作电动机。
[0070] 在上述实施方式中，ORC系统61的第二透平612独立于燃气涡轮发动机11，且设置有独立的第二电机615。但是本发明实施例的设置方式不限于此。也可以将第二透平612设置于燃气涡轮发动机11的转轴上，即第一透平与第二透平612同轴设置。这样，ORC系统61可以与燃气涡轮发动机11共用第一电机12发电，从而可以省去第二电机615。这种设置方式能够使动力系统的结构更加紧凑，且成本相对较低。
[0072] 可选的，如图3所示，动力系统还包括换热器7，蒸发器611通过换热器7与燃气涡轮发动机11的排气端连接。
[0073] 在上述有机朗肯循环过程中，也可以在燃气涡轮发动机11的排气管中设置换热器7，有机工质通过换热器7吸收燃气涡轮发动机11排气中的余热后进入蒸发器611以完成循环。
[0074] 在设置换热器7的情况下，可以通过改变进入换热器7的热气(即燃气涡轮发动机11排气)的流量来调节换热温度。由于不同的有机工质具有不同的热力学性质，设置换热器
7不仅能够提高换热效率，同时能根据不同的有机工质的热力学性质来提供不同的换热温度，从而使得该有机朗肯循环系统能够适用于更多种有机工质。
7不仅能够提高换热效率，同时能根据不同的有机工质的热力学性质来提供不同的换热温度，从而使得该有机朗肯循环系统能够适用于更多种有机工质。
[0075] 本发明实施例中，换热器7可以为管翅式换热器、板翅式换热器或板式换热器等。为了提高换热器7的换热效率，换热器7还可以采用管式换热器。该管式换热器的具体结构可以参见申请号为CN201711012579.3的专利申请文件中的相关说明，且能够达到相同的有益效果，为避免重复，本发明实施例对此不作赘述。
[0076] 进一步的，如图2或图3所示，动力系统还包括冷却系统8，冷却系统8与冷凝器613连接。
[0077] 由于通过第二透平612后的低压蒸汽仍然具有较高的温度，通过冷却系统8能够使低压蒸汽更快地降至有机工质冷凝时的饱和温度。本发明实施例中，冷却系统8可以采用空冷系统、水冷系统、氟利昂冷却系统等，本发明实施例对此不作限定。
[0078] 可选的，燃气涡轮发电机组1的第一转轴、第一电机12、压气机和第一透平形成该燃气涡轮发电机组1的转子系统。且燃气涡轮发电机组1的转子系统中还设置有径向轴承和推力轴承，其径向轴承和推力轴承优选非接触式的轴承。
[0079] 相应的，ORC系统61中也可以设置有径向轴承和推力轴承，其径向轴承和推力轴承优选非接触式的轴承。
[0080] 通过采用非接触式轴承，本发明实施例的动力系统不仅简单轻便，而且能达到很高的转速，能够进一步提高动力系统的效率。
[0081] 如图4所示，本发明实施例提供一种动力系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0082] S11：飞行器在启动阶段时，启动燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机驱动所述飞行器启动，所述燃气涡轮发动机的多余的轴功驱动第一电机发电。
[0083] S12：所述飞行器在爬行阶段时，控制所述燃气涡轮发动机驱动所述第一电机空转。
[0084] 该步骤中，燃气涡轮发动机的轴功率几乎全部用于飞行器的飞行，直到飞行器完成爬行阶段。
[0085] S13：所述飞行器在低空巡航阶段时，控制所述第一电机提高发电功率，并控制所述第一电机向所述电动机输入电能，以使所述电动机驱动推进系统运动。
[0086] 该步骤中，第一电机产生的电能增大，燃气涡轮发动机输出的推力减小，燃气涡轮发动机接近于完全发电状态。
[0087] S14：所述飞行器在高空飞行阶段时，控制所述燃气涡轮发动机驱动所述第一电机空转。
[0088] 该步骤中，燃气涡轮发动机的轴功率几乎全部用于飞行器的飞行动力，直到飞行器完成高空飞行阶段。
[0089] S15：所述飞行器停机时，关闭所述燃气涡轮发动机。
[0090] 需要说明的是，上述S11至S15的执行顺序以及执行次数并不作限定。例如，在S11、S12执行完之后，可能执行S13，也可能执行S14，或者执行S15。在S11和S15之间，可能执行一次S12(或S13，或S14)，也可能执行多次S12(或S13，或S14)。
[0091] 本发明实施例中，通过调节电机的发电功率来调节燃气涡轮发动机输出的推力，以满足不同工况的要求。这样，在不同工况中，不用改变燃气涡轮发动机的轴功率，燃气涡轮发动机能够始终以稳定的工作状态运行。可见，本发明实施例能够减少对燃气涡轮发动机的损耗，同时能够提高动力系统的整体效率。
[0092] 可选的，所述启动燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机驱动所述飞行器启动，所述燃气涡轮发动机的多余的轴功驱动第一电机发电的步骤，包括：
[0093] 控制储能系统通过逆变器向所述第一电机供电，所述第一电机作为电动机驱动所述燃气涡轮发动机启动；
[0094] 当所述燃气涡轮发动机运行稳定之后，控制所述储能系统停止向所述第一电机供电；
[0095] 所述燃气涡轮发动机驱动所述飞行器启动，所述燃气涡轮发动机的多余的轴功驱动所述第一电机发电；
[0096] 控制所述第一电机产生的电能通过所述交直流转换器输入至所述电动机，和/或通过所述交直流转换器输入至所述储能系统储存。
[0097] 可选的，所述方法还包括：
[0098] 所述燃气涡轮发动机故障时，启动应急储能装置为所述飞行器提供飞行动力；
[0099] 当所述飞行器完成故障处理或者紧急迫降之后，关闭所述应急储能装置。
[0100] 可选的，所述方法还包括：
[0101] 将所述燃气涡轮发动机排气中的热量转化为电能，并控制电能输入至所述电动机，和/或输入至所述储能系统储存。
[0102] 可选的，所述将所述燃气涡轮发动机排气中的热量转化为电能，并控制电能输入至所述电动机，和/或输入至所述储能系统储存的步骤，包括：
[0103] 流体管道中的有机工质吸收所述燃气涡轮发动机排气中的热量后在蒸发器内被等压加热为高压蒸汽；
[0104] 高压蒸汽进入第二透平等熵膨胀做功，推动所述第二透平旋转；
[0105] 所述第二透平驱动第二电机旋转发电，所述第二电机产生的电能输入所述电动机，和/或输入所述储能系统储存；
[0106] 所述第二透平的高压蒸汽做功后变为低压蒸汽，低压蒸汽在冷凝器中放热后变为液态，再经增压泵等熵增压后送入所述蒸发器循环。
[0107] 作为优选的实施方式，动力系统的控制方法包括以下步骤：
[0108] 燃气涡轮发动机启动阶段：控制系统控制储能系统通过逆变器向电机供电，第一电机作为电动机驱动燃气涡轮发动机启动，待燃气涡轮发动机稳定后，燃气涡轮发动机为飞行器提供动力，驱动飞行器飞行，同时燃气涡轮发动机的富余的轴功用于驱动第一电机发电，第一电机产生的电能用于驱动推进系统或者储存到储能系统中。
[0109] 飞行器爬行阶段：控制系统控制燃气涡轮发动机带动第一电机空转，使得燃气涡轮发动机的轴功率几乎全部用于飞行器的飞行，直到飞行器完成爬行阶段。
[0110] 低空巡航阶段：控制系统控制第一电机提高发电功率，第一电机产生的电能增大，燃气涡轮发动机输出的推力减小，燃气涡轮发动机接近于完全发电状态，第一电机产生的电能通过电动机驱动螺旋桨旋转，为飞行器提供飞行所需推力，多余的电能储存到储能系统。
[0111] 高空飞行阶段：控制系统控制燃气涡轮发动机带动第一电机空转，燃气涡轮发电机组产生的能量全部用于飞行器的飞行动力，使得飞机以最高的速度飞行。
[0112] 燃气涡轮发动机故障时：控制系统启动应急储能装置为飞行器提供飞行动力，待飞行器完成故障处理或者紧急迫降后，控制系统关闭应急储能装置。
[0113] 余热发电系统利用排气余热补充发电：在上述前四个步骤的运行过程中，余热发电系统吸收燃气涡轮发动机排气中的余热，并将排气余热转化为电能储存到储能系统或者直接用于为驱动电动机提供电能。
[0114] 本发明实施例中，关于燃气涡轮发电机组1的转子系统的具体结构形式，以及在上述动力系统的控制过程中，对于“启动燃气涡轮发动机”的控制方法，均可以参见以下内容。
[0115] 本发明实施例中，燃气涡轮发电机组1的转子系统可以采用水平转子系统：第一转轴的轴体为一体结构，第一转轴水平设置；第一转轴上还设置有推力轴承和至少两个径向轴承，推力轴承和至少两个径向轴承均为非接触式的轴承。其中，推力轴承设置于第一透平的靠近压气机的一侧的预设位置上，该预设位置为能够使转子系统的重心位于至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间的位置。
[0116] 本发明实施例中，推力轴承为用于限制转轴在轴向方向上移动的轴承，径向轴承为用于限制转轴在径向方向上移动的轴承。
[0117] 随着转子转速的提高，普通的接触式轴承已无法满足高转速转子的需要。因此，本发明实施例中，为了适应转子高速转动的发展需求，推力轴承和径向轴承可以采用非接触式轴承。
[0118] 本发明实施例中，转轴的轴体为一体结构，可以理解为，转轴的轴体为一整根轴，或者，转轴的轴体通过多个轴段刚性连接而成。由于转轴的轴体为一体结构，转轴上各处轴体的强度具有一致性，这使得推力轴承在转轴上的设置位置不受限制。
[0119] 进一步的，为了使整个转子系统在高速旋转时也能保持结构稳定，整个转子系统的重心应位于上述至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间。这样，整个转子系统形成纺锤体结构，区别于传统的悬臂式结构，本发明实施例提高了整个转子系统的稳定性。由于推力轴承在转轴的设置位置不受限制，因此，本发明实施例中，可以根据上述至少两个径向轴承的径向轴承的设置数量、每个径向轴承的设置位置以及整个转子系统中各部件的质量(包括推力轴承自身的质量)等参数对推力轴承的设置位置进行灵活地调整，以使整个转子系统的重心位于相距最远的两个径向轴承之间之间，优选的，整个转子系统的重心位于压气机上。
[0120] 本发明实施例中，转轴水平设置，因此，可以理解地，本发明实施例的转子系统为水平转子系统，其可以适用于需要使用水平转子系统的卧式机组，例如下文将要具体说明的卧式燃气涡轮发电机组。
[0121] 为使本发明实施例的转子系统的整体技术方案更好地理解，下面结合各附图，对本发明实施例提供的转子系统进行各实施例的具体说明。
[0122] 如图5至图7所示，转子系统包括：
[0123] 转轴100，转轴100的轴体为一体结构，转轴100水平设置；
[0124] 依次设置于转轴100上的电机200、压气机300和透平400；
[0125] 以及，设置于转轴100上的推力轴承500、第一径向轴承600和第二径向轴承700，第一径向轴承600设置于电机200的远离压气机300的一侧，第二径向轴承700设置于压气机300和透平400之间。
[0126] 推力轴承500设置于第一径向轴承600与电机200之间，如图5所示；或者，推力轴承500设置于第一径向轴承600的远离电机200的一侧，如图6所示；或者，推力轴承500设置于电机200与压气机300之间，如图7所示。
[0127] 其中，当透平400的质量较大时，例如透平400的材质为金属材料，为了使整个转子系统的重心位于第一径向轴承600与第二径向轴承700之间，可以采用图5或图6所示的实施方式。
[0128] 而当透平400的质量较小时，例如透平400的材质为陶瓷材料或陶瓷纤维复合材料等，为了使整个转子系统的重心位于第一径向轴承600与第二径向轴承700之间，可以采用图7所示的实施方式。
[0129] 需要说明的是，对于图7所示的实施方式，由于推力轴承500设置于电机200与压气机300之间，为了避免推力轴承500的推力盘挡住压气机300的进气口，图7所示的实施方式适用于推力盘直径较小的推力轴承500。
[0130] 目前，非接触式轴承一般包括电磁轴承和空气轴承。然而，电磁轴承在长期开启时存在能耗太大以及发热等问题；而空气轴承在表面线速度接近或者超过音速时，会产生激波，从而导致轴承失稳，甚至产生撞轴等灾难性后果。
[0131] 因此，考虑到燃气轮机或者燃气涡轮发电机组高转速的发展需求，为了提高推力轴承和径向轴承的工作性能，本发明实施例中，推力轴承500可以采用气磁混合推力轴承，第一径向轴承600可以采用气磁混合径向轴承或气体动静压混合径向轴承。
[0132] 另外，第二径向轴承700由于靠近透平400，考虑到磁轴承中的磁性部件无法耐受透平400传来的高温，第二径向轴承700可以采用气体动静压混合径向轴承。
[0133] 作为另一种实施方式，第二径向轴承700也可以采用气磁混合径向轴承，该方式下，第二径向轴承700的磁性部件设置于第二径向轴承700上的远离透平400的区域。也就是说，第二径向轴承700上的靠近透平400的区域不设置磁性部件。
[0134] 为保护第二径向轴承700上的磁性部件，可以通过减少透平400辐射至第二径向轴承700上的热能的方式实现。具体的，透平400上靠近第二径向轴承700的一侧设置有隔热层(图中未示出)。这里，隔热层的材料可以是气凝胶或隔热性能良好的其它材料。
[0135] 图8至图10分别示出了图5至图7中第二径向轴承700上的远离透平400的区域设置磁性部件的示意图。
[0136] 压气机300可以为离心压气机300，透平400涡轮可以为离心式涡轮；电机200可以为动压轴承电机，转轴100对应电机200的轴承的部位可以设置有第一动压发生槽201。
[0137] 如图11至图14所示，转子系统包括：
[0138] 转轴100，转轴100的轴体为一体结构，转轴100水平设置；
[0139] 依次设置于转轴100上的电机200、压气机300和透平400；
[0140] 以及，设置于转轴100上的推力轴承500、第一径向轴承600、第二径向轴承700和第三径向轴承800，第一径向轴承600设置于电机200的远离压气机300的一侧，第二径向轴承700设置于压气机300和透平400之间，第三径向轴承800设置于电机200与压气机300之间。
[0141] 推力轴承500设置于第一径向轴承600与电机200之间，如图11所示；或者，推力轴承500设置于第一径向轴承600的远离电机200的一侧，如图12所示；或者，推力轴承500设置于电机200与压气机300之间，如图13或图14所示。
[0142] 由于增加了第三径向轴承800，推力轴承500设置于电机200与压气机300之间时，推力轴承500既可以设置于电机200与第三径向轴承800之间，如图13所示；推力轴承500又可以设置于第三径向轴承800与压气机300之间，如图14所示。
[0143] 通过在电机200与压气机300之间增加了第三径向轴承800，能够进一步提高整个转子系统的稳定性。
[0144] 本发明实施例中，推力轴承500可以采用气磁混合推力轴承，第一径向轴承600可以采用气磁混合径向轴承或气体动静压混合径向轴承；第二径向轴承700由于靠近透平400，考虑到其中磁轴承所包含的磁性部件无法耐受透平400传来的高温，第二径向轴承700可以采用气体动静压混合径向轴承。
[0145] 作为另一种实施方式，第二径向轴承700也可以采用气磁混合径向轴承，该方式下，第二径向轴承700的磁性部件设置于第二径向轴承700上的远离透平400的区域。也就是说，第二径向轴承700上的靠近透平400的区域不设置磁性部件。
[0146] 为保护第二径向轴承700上的磁性部件，可以通过减少透平400辐射至第二径向轴承700上的热能的方式实现。具体的，透平400上靠近第二径向轴承700的一侧设置有隔热层(图中未示出)。这里，隔热层可以是气凝胶或其它材料。
[0147] 图15至图18分别示出了图11至图14中第二径向轴承700上的远离透平400的区域设置磁性部件的示意图。
[0148] 如图19所示，转子系统包括：
[0149] 转轴100，转轴100的轴体为一体结构，转轴100水平设置；
[0150] 依次设置于转轴100上的电机200、压气机300和透平400；
[0151] 以及，设置于转轴100上的推力轴承500、第一径向轴承600、第二径向轴承700和第四径向轴承900，第一径向轴承600设置于电机200的远离压气机300的一侧，第二径向轴承700设置于压气机300和透平400之间，第四径向轴承900设置于透平400的远离压气机300的一侧，推力轴承500设置于压气机300与第二径向轴承700之间。
[0152] 本发明实施例可以适用于电机200质量过大的情况，当电机200的质量过大时，为保持转子系统的稳定性，转子系统的两端均需要设置径向轴承(即第一径向轴承600和第四径向轴承900)，同时推力轴承500需要朝透平400的一侧移动。
[0153] 考虑到透平400的温度较高，当推力轴承500采用气磁混合推力轴承时，由于磁轴承中的磁性部件无法耐受透平400传来的高温，推力轴承500可以设置于压气机300与第二径向轴承700之间。相应的，第二径向轴承700可以采用气体动静压混合径向轴承。
[0154] 一般的，透平400上靠近第四径向轴承900一侧的温度高于透平400上靠近第二径向轴承700一侧的温度，因此，第四径向轴承900优选采用气体动静压混合径向轴承。
[0155] 作为另一种实施方式，第二径向轴承700也可以采用气磁混合径向轴承，该方式下，第二径向轴承700的磁性部件设置于第二径向轴承700上的远离透平400的区域。也就是说，第二径向轴承700上的靠近透平400的区域不设置磁性部件。
[0156] 为保护第二径向轴承700上的磁性部件，可以通过减少透平400辐射至第二径向轴承700上的热能的方式实现。具体的，透平400上靠近第二径向轴承700的一侧设置有隔热层(图中未示出)。这里，隔热层可以是气凝胶或其它材料。
[0157] 图20示出了图19中第二径向轴承700上的远离透平400的区域设置磁性部件的示意图。
[0158] 需要说明的是，当电机200的质量并不太大时，推力轴承500可以设置于第一径向轴承600与电机200之间；或者，推力轴承500可以设置于第一径向轴承600的远离电机200的一侧；或者，推力轴承500可以设置于电机200与压气机300之间。由于容易理解，对此不作具体描述。
[0159] 如图21所示，转子系统包括：
[0160] 转轴100，转轴100的轴体为一体结构，转轴100水平设置；
[0161] 依次设置于转轴100上的电机200、压气机300和透平400；
[0162] 以及，设置于转轴100上的推力轴承500、第一径向轴承600、第二径向轴承700、第三径向轴承800和第四径向轴承900，第一径向轴承600设置于电机200的远离压气机300的一侧，第二径向轴承700设置于压气机300和透平400之间，第三径向轴承800设置于电机200与压气机300之间，第四径向轴承900设置于透平400的远离压气机300的一侧，推力轴承500设置于压气机300与第二径向轴承700之间。
[0163] 在电机200与压气机300之间增加第三径向轴承800，可以进一步提高整个转子系统的稳定性。
[0164] 本发明实施例中，推力轴承500可以采用气磁混合推力轴承，第二径向轴承700和第四径向轴承900均可以采用气体动静压混合径向轴承。
[0165] 作为另一种实施方式，第二径向轴承700也可以采用气磁混合径向轴承，该方式下，第二径向轴承700的磁性部件设置于第二径向轴承700上的远离透平400的区域。也就是说，第二径向轴承700上的靠近透平400的区域不设置磁性部件。
[0166] 为保护第二径向轴承700上的磁性部件，可以通过减少透平400辐射至第二径向轴承700上的热能的方式实现。具体的，透平400上靠近第二径向轴承700的一侧设置有隔热层(图中未示出)。这里，隔热层可以是气凝胶或其它材料。
[0167] 图22示出了图21中第二径向轴承700上的远离透平400的区域设置磁性部件的示意图。
[0168] 燃气涡轮发电机组1的转子系统也可以采用立式转子系统：第一转轴的轴体为一体结构，第一转轴竖向设置；第一转轴上还设置有推力轴承和至少两个径向轴承，推力轴承和至少两个径向轴承均为非接触式的轴承。其中，推力轴承设置于第一透平的靠近压气机的一侧的预设位置上，该预设位置为能够使转子系统的重心位于至少两个径向轴承中相距最远的两个径向轴承之间的位置。
[0169] 将图5至图22中示出的水平转子系统中的转轴竖向设置，即可形成相应的立式转子系统，为避免重复，本发明实施例对此不作赘述。立式转子系统除了能够达到与水平转子系统相同的技术效果，由于转子系统立式设置，所有部件的重心向下，还能够避免因转子系统水平设置而导致的悬臂轴式结构所带来的问题。
[0170] 燃气涡轮发电机组1的转子系统还可以是这样的转子系统：第一转轴的轴体为一体结构，第一转轴水平设置或竖向设置；第一转轴上还设置有推力轴承和两个径向轴承，推力轴承和两个径向轴承均为非接触式的轴承；转子系统还包括第一机匣和第二机匣，第一机匣与第二机匣连接。其中，第一电机、推力轴承和两个径向轴承均设置于第一机匣内，压气机和第一透平均设置于第二机匣内，压气机的叶轮与第一透平的叶轮在第二机匣内相靠设置。
[0171] 本发明实施例中，通过将压气机的叶轮与透平的叶轮相靠设置，使得第一机匣内的轴向长度缩短，从而能够进一步提高整个转子系统的稳定性。
[0172] 本发明实施例中，第一机匣和第二机匣可以通过止口(图中未示出)定位并连接，其中，推力轴承和所有的径向轴承可以全部设置在第一机匣(可以理解为发电机机匣)内，而第二机匣(可以理解为燃气轮机机匣)内无需设置轴承。这样，只需保证第一机匣内用于设置轴承定子的部位的加工精度即可，在装配时第一机匣内用于连接轴承定子的部位通过一次装卡加工即可完成，可见，本发明降低了燃气涡轮发电机组的加工精度和装配精度，降低了成本，适合工程化批量生产。
[0173] 如图23至图25所示，转子系统包括：
[0174] 转轴100，转轴100的轴体为一体结构，转轴100水平设置；
[0175] 设置于转轴100上的电机200、压气机300、透平400、推力轴承500、第一径向轴承600和第二径向轴承700，推力轴承500、第一径向轴承600和第二径向轴承700均为非接触式轴承；
[0176] 以及第一机匣801和第二机匣901，第一机匣801与第二机匣901连接，其中，电机200、推力轴承500、第一径向轴承600和第二径向轴承700均设置于第一机匣801内，压气机
300和透平400均设置于第二机匣901内；压气机300的叶轮与透平400的叶轮在第二机匣901内相靠设置。
300和透平400均设置于第二机匣901内；压气机300的叶轮与透平400的叶轮在第二机匣901内相靠设置。
[0177] 第一径向轴承600设置于电机200的远离第二机匣901的一侧，第二径向轴承700设置于电机200的靠近第二机匣901的一侧。
[0178] 推力轴承500设置于第一径向轴承600与电机200之间，如图23所示；或者，推力轴承500设置于电机200与第二径向轴承700之间，如图24所示；或者，推力轴承500设置于第二径向轴承700的靠近第二机匣901的一侧，如图25所示。
[0179] 需要说明的是，对于图25所示的实施方式，由于推力轴承500设置于第二径向轴承700的靠近第二机匣901的一侧，也就是说，推力轴承500设置于靠近第二机匣901内的压气机的位置，为了避免推力轴承500的推力盘挡住压气机300的进气口，图25所示的实施方式适用于推力盘直径较小的推力轴承500。
[0180] 可选的，第二径向轴承700的承载力大于第一径向轴承600的承载力。
[0181] 本发明实施例中，一般的，电机200和推力轴承500的重量均较大，整个转子系统的重心会偏向于第一径向轴承600一侧。鉴于此，提高第二径向轴承700的承载力有助于提高整个转子系统的稳定性。
[0182] 本发明实施例中，压气机300可以为离心压气机300，透平400的涡轮可以为离心式涡轮；电机200的轴承可以为流体动压轴承，转轴100对应电机200的轴承的部位可以设置有第一动压发生槽201。
[0183] 将图23至图25中示出的转子系统中的转轴竖向设置，即可形成相应的立式转子系统，为避免重复，本发明实施例对此不作赘述。
[0184] 需要说明的是，图1中示出的第一电机12与图5至图25中示出的电机200为同一电机。
[0185] 下面就燃气涡轮发电机组的工作过程进行具体说明。
[0186] 如前所示，转子系统中的推力轴承可以采用气磁混合推力轴承，径向轴承可以采用气磁混合推力轴承或气体动静压混合径向轴承。为了便于描述，我们将不需要转轴100转动就能起到润滑作用的轴承定义为静压轴承，转轴100转动到一定速度时才能工作的轴承定义为动压轴承。依此逻辑，气磁混合推力轴承中的磁轴承和气体静压轴承，以及气体动静压混合径向轴承中的气体静压轴承均可以称为静压轴承；而气磁混合推力轴承中的气体动压轴承，以及气体动静压混合径向轴承中的气体动压轴承均可以称为动压轴承。
[0187] 本发明实施例提供一种燃气涡轮发电机组的控制方法，包括：
[0188] S21、开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承，以使转轴移动至预设径向位置，使推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置。
[0189] 其中，开启静压轴承包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体。
[0190] S22、启动燃气涡轮发电机组，空气经压气机压缩后进入燃烧室和燃烧室内的燃料混合燃烧；燃烧室排出的高温高压气体对透平的涡轮进行冲击，使涡轮旋转，涡轮通过转轴带动电机旋转发电。
[0191] 以下以电机为启发一体式电机为例，对燃气涡轮发电机组的启动过程进行具体描述。
[0192] 燃气轮机控制器(Electronic Control Unit，简称ECU)接收到启动信号后，对电机功率控制器(Data Processing Center，简称DPC)发送电机驱动模式指令；DPC切换到电机驱动模式，DPC将燃气轮机内置电池的直流电进行变频，驱动电机工作，电机带动燃气轮机提升转速。
[0193] 待燃气轮机的转速提升至点火转速后，打开燃料阀，进入点火程序。空气由进气道进入压气机进行压缩后进入回热器并被来自涡轮排出的高温气体预热，预热后的压缩空气进入燃烧室与燃料混合并燃烧，燃烧室充分燃烧后的高温高压气体进入透平对涡轮进行冲击，使透平涡轮旋转，涡轮排气进入回热器对进入燃烧室前的冷压缩空气预加热后由尾气管排出，由于透平与压气机和电机通过转轴连接，透平涡轮旋转带动压气机一起旋转至自持速度。
[0194] 燃气轮机到达自持转速后，DPC挂起，电机空转继续增加油门，涡轮继续提升功率，使转速提升至工作转速。ECU对DPC发送发电机模式指令；DPC切换到发电机模式，并将电机输出的交流电通过整流变压后输出用户所需电压电流。
[0195] 其中，压气机为离心式压气机，该离心式压气机包括动叶和沿周向布置的静叶，静叶为扩压器。这样，空气由进气道进入压气机进行压缩的具体过程可以为：空气进入离心式压气机的动叶被压缩后，进入沿周向布置的扩压器(即静叶)继续被压缩。
[0196] 其中，透平涡轮为离心式涡轮，该离心式涡轮设置有动叶。燃烧室出口沿周向布置有静叶，该静叶为喷嘴。这样，燃烧室充分燃烧后的高温高压气体进入透平做功，使透平涡轮旋转的具体过程可以为：燃烧室充分燃烧后的高温高压气体通过在燃烧室出口沿周向布置的喷嘴(即静叶)进行膨胀加速后，对涡轮的动叶进行冲击，使涡轮旋转。
[0197] S23、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0198] 其中，关闭静压轴承包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。
[0199] S24、燃气涡轮发电机组停机时，开启径向轴承中的静压轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0200] S25、转轴的转速减速至零之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0201] 在上述过程中，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承一直开启至转轴的转速达到工作转速。
[0202] 燃气涡轮发电机组停机时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承一直开启至转轴的转速为零。
[0203] 本发明实施例提供另一种燃气涡轮发电机组的控制方法，包括：
[0204] S31、开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承，以使转轴移动至预设径向位置，使推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置。
[0205] 其中，开启静压轴承包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体。
[0206] S32、启动燃气涡轮发电机组，空气经压气机压缩后进入燃烧室和燃烧室内的燃料混合燃烧；燃烧室排出的高温高压气体对透平的涡轮进行冲击，使涡轮旋转，涡轮通过转轴带动电机旋转发电。
[0207] S33、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0208] 其中，第一预设值可以是额定转速的5％至30％。
[0209] 其中，关闭静压轴承，包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。
[0210] S34、转子系统加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0211] S35、转子系统平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0212] S36、燃气涡轮发电机组停机过程中，当转子系统减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0213] S37、转子系统平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0214] S38、转轴的转速减速至第二预设值时，开启径向轴承中的静压轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0215] 其中，第二预设值可以等于第一预设值，也可以不等于第一预设值，第二预设值可以是额定转速的5％至30％。
[0216] S39、转轴的转速减速至零之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0217] 在上述过程中，燃气涡轮发电机组启动之前，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承开启。这样，转轴在径向轴承的静压轴承的作用下，被托起至预设径向位置；推力盘在推力轴承的静压轴承的作用下，被推动至预设轴向位置。
[0218] 燃气涡轮发电机组启动之后，转轴的转速逐渐增大，当转轴的转速达到第一预设值时，例如额定转速的5％至30％时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承停止工作。当转轴的转速达到一阶临界速度或二阶临界速度时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承重新开启。在转轴的转速平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。
[0219] 燃气涡轮发电机组停机过程中，转轴的转速逐渐下降，当转轴的转速达到二阶临界速度或一阶临界速度时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承再次开启。在转轴的转速平稳度过二阶临界速度或一阶临界速度之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。当转轴的转速下降至预定值时，例如额定转速的5％至30％时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承再次开启直至转速降为零之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。
[0220] 下面基于上述燃气涡轮发电机组的控制方法，对转子系统的控制方法进行具体说明。
[0221] 本发明实施例提供一种转子系统的控制方法，包括：
[0222] S101、开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承，以使转轴移动至预设径向位置，使推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置。
[0223] 其中，开启静压轴承包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体。
[0224] S102、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0225] 其中，关闭静压轴承包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。
[0226] S103、转子系统停机时，开启径向轴承中的静压轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0227] S104、转轴的转速减速至零之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0228] 在上述过程中，转子系统启动之前，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承开启。这样，转轴在径向轴承的静压轴承的作用下，被托起至预设径向位置；推力盘在推力轴承的静压轴承的作用下，被推动至预设轴向位置。径向轴承和推力轴承中的静压轴承一直开启至转轴的转速达到工作转速。
[0229] 转子系统停机时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承一直开启至转轴的转速为零。
[0230] 本发明实施例提供另一种转子系统的控制方法，包括：
[0231] S201、开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承，以使转轴移动至预设径向位置，使推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置。
[0232] 其中，开启静压轴承，包括：开启轴承中的磁轴承，和/或，向轴承中的静压进气节流孔输送气体。
[0233] S202、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0234] 其中，第一预设值可以是额定转速的5％至30％。
[0235] 其中，关闭静压轴承，包括：关闭轴承中的磁轴承，和/或，停止向轴承中的静压进气节流孔输送气体。
[0236] S203、转子系统加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0237] S204、转子系统平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0238] S205、转子系统减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0239] S206、转子系统平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0240] S207、转轴的转速减速至第二预设值时，开启径向轴承中的静压轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0241] 其中，第二预设值可以等于第一预设值，也可以不等于第一预设值，第二预设值可以是额定转速的5％至30％。
[0242] S208、转轴的转速减速至零之后，关闭径向轴承和推力轴承中的静压轴承。
[0243] 在上述过程中，转子系统启动之前，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承开启。这样，转轴在径向轴承的静压轴承的作用下，被托起至预设径向位置；推力盘在推力轴承的静压轴承的作用下，被推动至预设轴向位置。
[0244] 转子系统启动之后，转轴的转速逐渐增大，当转轴的转速达到第一预设值时，例如额定转速的5％至30％时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承停止工作。当转轴的转速达到一阶临界速度或二阶临界速度时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承重新开启。在转轴的转速平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。
[0245] 转子系统停机过程中，转轴的转速逐渐下降，当转轴的转速达到二阶临界速度或一阶临界速度时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承再次开启。在转轴的转速平稳度过二阶临界速度或一阶临界速度之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。当转轴的转速下降至预定值时，例如额定转速的5％至30％时，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承的静压轴承再次开启直至转速降为零之后，控制转子系统中的轴承，使径向轴承和推力轴承中的静压轴承再次停止工作。
[0246] 本发明实施例中，燃气涡轮发电机组1的转子系统中的径向轴承优选气磁混合径向轴承，燃气涡轮发电机组1的转子系统中的推力轴承优选气磁混合推力轴承。
[0247] 相应的，ORC系统61中的径向轴承优选气磁混合径向轴承，ORC系统61中的推力轴承优选气磁混合推力轴承。
[0248] 本发明实施例中，气磁混合径向轴承和气磁混合推力轴承的结构形式可以有多种实施方式。
[0249] 其中，气磁混合径向轴承可以采用箔片式气磁混合径向轴承。
[0250] 该箔片式气磁混合径向轴承的其它具体结构可以参见申请号为CN201810030888.1、CN201810030299.3或CN201810031822.4的专利申请文件中的相关说明，且能够达到相同的有益效果，为避免重复，本发明实施例对此不作赘述。
[0251] 其中，气磁混合推力轴承可以采用箔片式气磁混合推力轴承。
[0252] 如图26至图29所示，箔片式气磁混合推力轴承5100包括：
[0253] 第一推力盘5101，第一推力盘5101固定连接于转轴100上；
[0254] 以及，穿设于转轴100上的第一定子5102和第二定子5103，第一定子5102和第二定子5103分别设置于第一推力盘5101的相对两侧；
[0255] 第一定子5102和第二定子5103中，每个定子包括第一磁轴承5104和第一箔片轴承5105，第一磁轴承5104上沿周向设置有多个第一磁性部件，第一箔片轴承5105设置有能够与多个第一磁性部件之间产生磁力的第二磁性部件；
[0256] 其中，第一箔片轴承5105设置于第一磁轴承5104与第一推力盘5101之间，并与第一推力盘5101之间具有第一间隙5106，且第一箔片轴承5105能够在第一磁性部件和第二磁性部件之间的磁力作用下在转轴100的轴向方向上移动。
[0257] 本发明实施例中，通过在推力轴承5100中设置第一间隙5106和第一磁轴承5104，从而使该推力轴承5100形成气、磁混合推力轴承。
[0258] 工作时，推力轴承5100中的气体轴承与第一磁轴承5104能够协同工作，在推力轴承5100处于稳定的工作状态时，依靠气体轴承实现支承；而在推力轴承5100处于非稳定的工作状态时，依靠第一磁轴承5104及时对推力轴承5100进行控制和响应。
[0259] 可见，本发明实施例能够改善推力轴承，尤其在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了推力轴承的承载能力。本发明实施例的推力轴承能够满足高转速的转子系统，例如，燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组等的需求。
[0260] 本发明实施例中，第一推力盘5101、第一定子5102和第二定子5103的外径可以相等，且第一定子5102和第二定子5103的结构可以完全相同。
[0261] 当本发明实施例的转子系统应用于燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组时，第一定子5102和第二定子5103可以通过连接件与燃气轮机的壳体连接。
[0262] 可选的，多个第一磁性部件包括多个第一永磁体，多个第一永磁体在第一磁轴承5104上沿周向设置；
[0263] 或者，多个第一磁性部件包括多个第一电磁铁，多个第一电磁铁在第一磁轴承5104上沿周向设置，多个第一电磁铁中的每个第一电磁铁包括设置于第一磁轴承5104上的第一磁芯51041及缠绕于第一磁芯上的第一线圈51042。
[0264] 本发明实施例中，当箔片式气磁混合推力轴承5100仅需要磁性部件提供磁力而无需磁控时，第一磁性部件优选第一永磁体；当箔片式气磁混合推力轴承5100同时需要磁力和磁控时，第一磁性部件优选第一电磁铁。
[0265] 当第一磁性部件为第一电磁铁时，往第一线圈51042通入电流，即可以使第一磁芯51041产生磁力。往第一线圈51042通入电流的大小不同，第一磁芯51041产生的磁力大小也不同；往第一线圈51042通入电流的方向不同，第一磁芯51041的磁极也不同。
[0267] 可选的，第一磁轴承5104包括：
[0268] 第一磁轴承座51043，第一磁轴承座51043与第一推力盘5101相对设置，第一磁轴承座51043上沿周向设置有多个第一容纳槽51044，多个第一磁性部件设置于多个第一容纳槽51044内，且多个第一磁性部件的磁极朝向第一箔片轴承5105所在的一侧；
[0269] 第一端盖51045，第一端盖51045设置于第一磁轴承座51043的远离第一箔片轴承5105的一侧，并与第一箔片轴承5105配合，将第一磁性部件固定于第一磁轴承座51043上。
[0270] 其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第一磁轴承座51043由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。第一容纳槽51044的数量可以为但不限于为六个或八个，沿第一磁轴承座51043的周向均匀设置。这样，能够使第一磁轴承座51043与第一箔片轴承5105之间的磁力更加均匀、稳定。需要说明的是，多个第一磁性部件还可以采用其他方式设置于第一磁轴承座51043上，对此不进行限定。第一端盖51045的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。
[0271] 可选的，第一箔片轴承5105包括：
[0272] 与第一磁轴承座51043固定连接的第一箔片轴承座51051；
[0273] 以及，设置于第一箔片轴承座51051上的第一箔片51052和第二箔片51053，第一箔片51052安装于第一箔片轴承座51051上，第二箔片51053叠设于第一箔片51052的靠近第一推力盘5101的一侧；
[0274] 其中，第二箔片51053为平箔片，第二磁性部件设置于第二箔片51053上，以使第二箔片51053能够在第一磁性部件和第二磁性部件的磁力作用下在转轴100的轴向方向上移动；第一箔片51052为能够在第二箔片51053移动时发生弹性变形的弹性变形箔片。
[0275] 其中，第一箔片轴承座51051的材料为非磁性材料，优选硬铝材料。第一箔片51052为弹性变形箔片，考虑到导磁材料的材质较硬且脆，不宜作为弹性变形箔片，因此，第一箔片51052优选不导磁的不锈钢带。
[0276] 本发明实施例中，通过将第二箔片51053设置为平箔片，便于控制第二箔片51053与第一推力盘5101之间的距离，或者说，便于控制第一间隙5106的大小。第一箔片51052采用能够弹性变形的箔片，一方面起到连接第二箔片51053和第一箔片轴承座51051的作用，另一方面可以实现第二箔片51053相对于第一箔片轴承座51051可沿转轴100的轴向移动的目的。
[0277] 可选的，第一箔片51052为呈波浪状的弹性变形箔片，且第一箔片51052为不封闭的环形，其上设有一开口，开口的一端为固定端，固定端固定于第一箔片轴承座51051上，开口的另一端为活动端；
[0278] 其中，第二箔片51053在转轴100的轴向方向上移动时，第一箔片51052上的波浪纹伸展或收缩，活动端沿环形的周向移动。
[0279] 本发明实施例中，通过将第一箔片51052设置为呈波浪状的弹性变形箔片，便于利用波浪纹的伸展或收缩特性，推动第二箔片51053在转轴100的轴向方向上移动。
[0280] 需要说明的是，本发明实施例中的第一箔片51052的形状并不局限于波浪状，其它能够产生弹性变形的形状均可以适用于本发明实施例的第一箔片51052。
[0281] 可选的，第二磁性部件包括设置于第二箔片51053的靠近第一磁轴承5104的一侧表面上的第一磁性材料；
[0282] 其中，第一磁性材料在第二箔片51053上呈条状分布，而形成多个条状磁性部，多个条状磁性部呈辐射状或环状；
[0283] 或者，第一磁性部件在第二箔片51053上呈点状分布。
[0284] 其中，第二箔片51053的材料优选非导磁材料，在第二箔片51053的表面遮喷第一磁性材料后，可以用陶瓷涂层覆盖第一磁性材料。第二箔片51053可以通过使用40％的氧化锆、30％的α氧化铝和30％的铝酸镁尖晶石的陶瓷纳米微粉烧结制成。
[0285] 若第二箔片51053的表面完全覆盖第一磁性材料，则会大幅增加第一磁性材料与第一磁性部件之间产生的磁力，这样容易导致第二箔片51053发生变形。鉴于此，本发明实施例中，通过在第二箔片51053的表面遮喷第一磁性材料，使第一磁性材料在第二箔片51053上呈条状分布或点状分布，可以将第一磁性材料与第一磁性部件之间产生的磁力控制在合理的范围，从而避免第二箔片51053因过大的磁力而发生变形。
[0287] 本发明实施例中，通过设置第一传感器5107，能够实时检测第一间隙5106处的参数，例如第一间隙5106处的气膜压力等。这样，第一磁轴承5104可以根据第一传感器5107的检测结果对推力轴承5100进行主动控制，并能够使控制达到较高的精度。
[0288] 可选的，第一传感器5107包括第一传感器盖51071和第一传感器探头51072，第一传感器探头51072的第一端连接第一传感器盖51071，第一传感器盖51071固定于第一磁轴承5104上，第一磁轴承5104和第一箔片轴承5105上设有用于供第一传感器探头51072穿过的通孔；第一传感器探头51072的第二端穿过第一磁轴承5104和第一箔片轴承5105上的通孔，并伸至第一间隙5106，且第一传感器探头51072的第二端端部与第一箔片轴承5105的靠近第一推力盘5101的一侧平齐。
[0289] 本发明实施例中，通过上述第一传感器5107的结构形式和安装方式，能够使第一传感器5107更稳定地设置于第一磁轴承5104上。将第一传感器探头51072的第二端端部与第一箔片轴承5105的靠近第一推力盘5101的一侧平齐，一方面，能够避免第一传感器探头51072受到第一推力盘5101的碰触，从而有利于保护第一传感器探头51072；另一方面，不会对第一间隙5106内的气膜产生影响，避免第一间隙5106内的气膜发生扰动。
[0290] 可选的，第一传感器5107设置于相邻的两个第一磁性部件之间。
[0291] 本发明实施例中，每个定子上均应当设置至少一个第一传感器5107，优选设置一个第一传感器5107，该第一传感器5107优选设置在相邻两个第一磁性部件之间。
[0292] 可选的，第一传感器5107为以下任意一种或多种的组合：
[0293] 用于检测第一推力盘5101位置的位移传感器；
[0294] 用于检测第一间隙5106处的气膜压力的压力传感器；
[0295] 用于检测第一推力盘5101转速的速度传感器；
[0296] 用于检测第一推力盘5101旋转加速度的加速度传感器。
[0297] 下面以本发明实施例的箔片式气磁混合推力轴承(其中，第一磁轴承中的第一磁性部件为电磁铁)参与转子系统的控制过程时的具体控制方法进行详细地说明。
[0298] 本发明实施例提供一种箔片式气磁混合推力轴承的控制方法，包括：
[0299] S511、开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承，控制第一推力盘在多个第一磁性部件的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙与第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙的差值小于或者等于预定值。
[0300] S512、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。
[0301] S513、转子系统停机时，开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承。
[0302] S514、转轴的转速减速至零之后，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。
[0303] 在上述过程中，第一磁轴承开启后，第一推力盘在第一磁轴承的作用下到达第一定子和第二定子之间的预定位置，第一推力盘与第一定子和第二定子的端面均具有第一间隙。
[0304] 随着转轴的转动，第一推力盘在受第一间隙中气流润滑的情况下相对第一定子和第二定子开始转动，以防止磨损。第一磁轴承开启的具体过程为：向第一线圈输入预定值的电流信号，第一推力盘在第一磁轴承的作用下到达第一定子和第二定子之间的预定位置。
[0305] 随着转轴的转速越来越大，第一推力盘的转速也同步增大，当转轴的转速到达工作转速时，该推力轴承的气体动压轴承(第一推力盘与第一定子和第二定子之间设置第一间隙即形成该推力轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将第一推力盘稳定，届时可以关闭第一磁轴承。
[0306] 在转子系统停机时，第一推力盘随着转轴减速而减速，为了使转轴在整个转子系统停机过程中保持稳定，在转子系统停机时即开启第一磁轴承，直到第一推力盘完全停下后即可关闭第一磁轴承。
[0307] 本发明实施例还提供另一种箔片式气磁混合推力轴承的控制方法，包括：
[0308] S521、开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承，控制第一推力盘在多个第一磁性部件的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙与第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙的差值小于或者等于预定值。
[0309] S522、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。
[0310] S523、转轴的转速减速至第二预设值时，开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承。
[0311] S524、转轴的转速减速至零之后，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。
[0312] 在上述过程中，第一磁轴承开启后，第一推力盘在第一磁轴承的作用下到达第一定子和第二定子之间的预定位置，第一推力盘与第一定子和第二定子的端面均具有第一间隙。
[0313] 随着转轴的转动，第一推力盘在受第一间隙中气流润滑的情况下相对第一定子和第二定子开始转动，以防止磨损。第一磁轴承开启的具体过程为：向第一线圈输入预定值的电流信号，第一推力盘在第一磁轴承的作用下到达第一定子和第二定子之间的预定位置。
[0314] 随着转轴的转速越来越大，第一推力盘的转速也同步增大，当转轴的转速到达第一预设值，例如额定转速的5％至30％时，该推力轴承的气体动压轴承(第一推力盘与第一定子和第二定子之间设置第一间隙即形成该箔片式气磁混合推力轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将第一推力盘稳定，届时可以关闭第一磁轴承。
[0315] 在转子系统停机过程中，第一推力盘随着转轴减速而减速，当转轴的转速低于第二预设值，例如额定转速的5％至30％时，此时，推力轴承的气体动压轴承产生的气膜压力也随第一推力盘减速而减小，因此，需要开启第一磁轴承以使第一推力盘保持稳定，直到第一推力盘完全停下后即可关闭第一磁轴承。
[0316] 可选的，上述方法还包括：
[0317] 当载荷负载在第一推力盘，第一推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙与第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙的差值大于预定值时，开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承；
[0318] 当第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙与第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙的差值小于或者等于预定值时，关闭第一定子和第二定子中的第一磁轴承。
[0319] 当载荷负载在第一推力盘上，使第一推力盘与第一定子或第二定子的第一箔片轴承之间的第一间隙变小而接近该侧的第一箔片轴承时，第一传感器(这里的第一传感器优选压力传感器)获得气压增大的信号，此时第一磁轴承需要介入工作。第一磁轴承并不完全直接将磁力作用于第一推力盘上，使其向另一侧的第一箔片轴承移动，而是使用磁力将另一侧的第一箔片轴承朝远离第一推力盘的方向移动，使第一推力盘与另一侧的第一箔片轴承之间的第一间隙提高，从而提高第一间隙变小侧的压力，适应第一推力盘上负载的重量，自动重新分配两个第一间隙上的气流压力。当第一推力盘达到新的平衡位置时，第一磁轴承停止工作。
[0320] 具体的，若第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙小于第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙，则控制第二定子中的第一箔片轴承在多个第一磁性部件与第二磁性部件之间的磁力作用下，朝远离第一推力盘的方向在转轴的轴向方向上移动。
[0321] 若第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙小于第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙，则控制第一定子中的第一箔片轴承在多个第一磁性部件与第二磁性部件之间的磁力作用下，朝远离第一推力盘的方向在转轴的轴向方向上移动。
[0322] 可选的，当载荷负载在第一推力盘，第一推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙与第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙时，开启第一定子和第二定子中的第一磁轴承的差值大于预定值，包括：
[0323] 当载荷负载在第一推力盘，第一推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙与第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙的差值大于预定值时，控制第一定子和第二定子中的第一磁轴承以最大功率开启；或者，
[0324] 当载荷负载在第一推力盘，第一推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第一推力盘与第一定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙与第一推力盘与第二定子中的第一箔片轴承之间的第一间隙的差值大于预定值时，控制第一定子和第二定子中的第一磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。
[0325] 当有外部冲击扰动发生时，第一推力盘可能快速地接近某侧第一箔片轴承，则有可能导致该侧的第一间隙瞬间过小，使该侧第一间隙处的局部气体流速接近甚至达到音速，从而引发激波产生气锤自激现象。激波的产生会导致局部气体流动发生扰动和混乱，当流体速度在音速到亚音速之间变化时其压力呈阶梯式显著下降。这种情况下，需要该侧第一箔片轴承主动“避让”第一推力盘，从而使该侧的第一间隙增大以使气流速度尽可能维持在亚音速区间，以维护其正常的流体压力。具体的，需要同时控制第一定子和第二定子上的第一磁轴承，使第一磁轴承的磁极以相同的极性励磁，即第一间隙减小的一侧产生吸力，用于回吸该侧第一箔片轴承，第一间隙增大的一侧产生吸力，用于拉回第一推力盘。这样，利用两侧磁力作用距离的差产生磁力差，以此拉动第一推力盘使第一推力盘与两侧第一箔片轴承之间的第一间隙恢复正常，从而使第一推力盘重新回到平衡状态。
[0326] 在上述过程中，利用第一磁轴承方便实时控制的优点，主动平衡第一推力盘的不平衡质量或第一推力盘涡动等导致第一推力盘过度偏移的因素，使第一推力盘在转轴的轴向方向上固定在某一极小范围内。另外，在第一推力盘的加速过程中，可以准确定位产生激波的位置(即线速度超声速部位)，并通过控制第一磁轴承的电流大小和方向等，使第一磁轴承产生相反的力来平衡激波作用。待激波平稳后，再次调整第一磁轴承的控制策略，以最节能的方式将第一推力盘固定在某一极小范围内。
[0327] 综合上述，本发明实施例具有如下有益效果：
[0328] 其一，电磁轴承与气体轴承协同工作，改善了轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了轴承的承载能力。同时，电磁轴承与气体轴承采用并联结构，简化了结构，集成度高，易加工、制造和操作，提高了轴承的综合性能。在转子系统启动或停机时，可以用电磁轴承使轴承的推力盘与定子在轴承间隙内转动，提高了轴承的低速性能，延长了轴承的使用寿命，能够提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。
[0329] 其二，相对于传统的采用气体静压轴承和气体动压轴承结合的气体动静压混合推力轴承，本发明实施例的箔片式气磁混合推力轴承具有响应速度快的优点。
[0330] 其三，通过在箔片上设置磁性材料，通过电磁轴承的磁极的吸引能够使箔片适度变形，提高轴承中润滑气膜一侧的最高压力和防止润滑气流泄漏，提高推力盘抗受扰动偏心撞壁的能力，从而也提高了轴承的承载能力。
[0331] 其四，采用成本较低的压力传感器采集气膜压力变化，通过简单的控制方法控制箔片的变形，可提供较高转子阻尼，从而提高转子稳定性。另外，由于控制方法简单，对轴承的加工精度要求不高。
[0332] 其中，气磁混合推力轴承可以采用槽式气磁混合推力轴承。
[0333] 如图30至图36所示，槽式气磁混合推力轴承5200包括：
[0334] 第二推力盘5201，第二推力盘5201固定连接于转轴100上，第二推力盘5201上设置有第三磁性部件；
[0335] 以及，穿设于转轴100上的第三定子5202和第四定子5203，第三定子5202和第四定子5203分别设置于第二推力盘5201的相对两侧；
[0336] 第三定子5202和第四定子5203中，每个定子包括第二磁轴承5204，第二磁轴承5204上沿周向设置有能够与第三磁性部件之间产生磁力的多个第四磁性部件，第二磁轴承
5204与第二推力盘5201之间具有第二间隙5206，且第二推力盘5201能够在第三磁性部件和多个第四磁性部件之间的磁力作用下在转轴100的轴向方向上移动；
5204与第二推力盘5201之间具有第二间隙5206，且第二推力盘5201能够在第三磁性部件和多个第四磁性部件之间的磁力作用下在转轴100的轴向方向上移动；
[0337] 其中，第二推力盘5201的面向第三定子5202和第四定子5203的端面，或，第三定子5202和第四定子5203的面向第二推力盘5201的端面上设置有第二动压发生槽5205。
[0338] 本发明实施例中，通过在推力轴承5200中设置第二间隙5206和第二磁轴承5204，从而使该推力轴承5200形成气、磁混合推力轴承。
[0339] 工作时，推力轴承5200中的气体轴承与第二磁轴承5204能够协同工作，在推力轴承5200处于稳定的工作状态时，依靠气体轴承实现支承；而在推力轴承5200处于非稳定的工作状态时，依靠第二磁轴承5204及时对推力轴承5200进行控制和响应。
[0340] 可见，本发明实施例能够改善推力轴承，尤其在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了推力轴承的承载能力。本发明实施例的推力轴承能够满足高转速的转子系统，例如，燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组等的需求。
[0341] 本发明实施例中，第二推力盘5201、第三定子5202和第四定子5203的外径可以相等，且第三定子5202和第四定子5203的结构可以完全相同。
[0342] 当本发明实施例的转子系统应用于燃气轮机时，第三定子5202和第四定子5203可以通过连接件与燃气轮机的壳体连接。
[0343] 本发明实施例中，当第二推力盘5201旋转时，存在于第二间隙5206的流动气体被压入第二动压发生槽5205内，从而产生压力，以实现第二推力盘5201沿轴向方向被非接触地保持。其中，第二动压发生槽5205产生压力的大小随第二动压发生槽5205的角度、槽宽、槽长、槽深、槽数以及平面度的不同而变化。此外，第二动压发生槽5205产生压力的大小也和第二推力盘5201的旋转速度以及第二间隙5206有关。可以根据实际工况对第二动压发生槽5205的参数进行设计。第二动压发生槽5205可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压等方式形成于第三定子5202和第四定子5203上，或者，第二动压发生槽5205可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压等方式形成于第二推力盘5201上。
[0344] 可选的，多个第四磁性部件包括多个第二永磁体，多个第二永磁体在第二磁轴承5204上沿周向设置；
[0345] 或者，多个第四磁性部件包括多个第二电磁铁，多个第二电磁铁在第二磁轴承5204上沿周向设置，多个第二电磁铁中的每个第二电磁铁包括设置于第二磁轴承5204上的第二磁芯52041及缠绕于第二磁芯52041上的第二线圈52042。
[0346] 本发明实施例中，当槽式气磁混合推力轴承5200仅需要磁性部件提供磁力而无需磁控时，第四磁性部件优选第二永磁体；当槽式气磁混合推力轴承5200同时需要磁力和磁控时，第四磁性部件优选第二电磁铁。
[0347] 当第四磁性部件为第二电磁铁时，往第二线圈52042通入电流，即可以使第二磁芯52041产生磁力。往第二线圈52042通入电流的大小不同，第二磁芯52041产生的磁力大小也不同；往第二线圈52042通入电流的方向不同，第二磁芯52041的磁极也不同。
[0348] 其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第二磁芯52041可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。
[0349] 可选的，第二磁轴承5204包括：
[0350] 第二磁轴承座52043，第二磁轴承座52043与第二推力盘5201相对设置，第二磁轴承座52043上沿周向设置有多个第二容纳槽52044，多个第四磁性部件设置于多个第二容纳槽52044内，且多个第四磁性部件的磁极朝向第二推力盘5201所在的一侧；
[0351] 第二端盖52045和第一压环52046，第二端盖52045设置于第二磁轴承座52043的远离第二推力盘5201的一侧，第一压环52046设置于第二磁轴承座52043的靠近第二推力盘5201的一侧，第二端盖52045与第一压环52046配合，将多个第四磁性部件固定于第二磁轴承座52043上。
[0352] 其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第二磁轴承座52043可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。第二容纳槽52044的数量可以为但不限于为六个或八个，沿第二磁轴承座52043的周向均匀设置。这样，能够使第二磁轴承5204与第二推力盘5201之间的磁力更加均匀、稳定。需要说明的是，多个第四磁性部件还可以采用其他方式设置于第二磁轴承座52043上，对此不进行限定。第二端盖52045的材料可以为非磁性材料，优选硬铝材料。第一压环52046的材料可以为非磁性材料，优选硬铝材料。
[0354] 可选的，第三磁性部件包括设置于第二推力盘5201的面向第三定子5202和第四定子5203的端面上的第二磁性材料(图中未示出)；
[0355] 其中，第二磁性材料在第二推力盘5201上呈条状分布，而形成多个条状磁性部，多个条状磁性部呈辐射状或环状；
[0356] 或者，第二磁性部件在第二推力盘5201上呈点状分布。
[0357] 本发明实施例中，使第二磁性材料在第二推力盘5201上呈条状分布或点状分布，可以将第二磁性材料与第四磁性部件之间产生的磁力控制在合理的范围。
[0358] 可选的，第二动压发生槽5205呈辐射状或同心圆状排布，这样，有利于使气膜更均匀地分布于第二间隙5206内。
[0359] 可选的，第二动压发生槽5205包括第一螺旋槽52051和第二螺旋槽52052，第一螺旋槽52051环绕于第二螺旋槽52052外，第一螺旋槽52051和第二螺旋槽52052的螺旋走向相反，第一螺旋槽52051的靠近第二螺旋槽52052的一端与第二螺旋槽52052的靠近第一螺旋槽52051的一端连接或断开。
[0360] 其中，第一螺旋槽52051的靠近第二螺旋槽52052的一端至转轴100的轴心的距离等于第一螺旋槽52051的靠近第二螺旋槽52052的一端至第三定子5202或第四定子5203或第二推力盘5201的外周边缘的距离。或者，第二螺旋槽52052的靠近第一螺旋槽52051的一端至转轴100的轴心的距离等于第二螺旋槽52052的靠近第一螺旋槽52051的一端至第三定子5202或第四定子5203或第二推力盘5201的外周边缘的距离。
[0361] 本发明实施例中，通过采用上述第二动压发生槽5205的设置方式，能够在转轴100正向旋转或者反向旋转的情况下，第二推力盘5201都能以期望的方式非接触式地保持，从而使转轴100具有负载能力高及稳定性好的优点。
[0362] 可选的，第三定子5202和第四定子5203中，每个定子上还设置有第一静压进气节流孔5208，第一静压进气节流孔5208的一端与第二间隙5206相通，另一端连接外部气源，用于将外部气源输送至第二间隙5206内。
[0363] 本发明实施例中，通过设置上述第一静压进气节流孔5208，可以形成气体静压轴承，从而该推力轴承5200可以构成气体动静压-磁混合推力轴承。其中，第一静压进气节流孔5208的流通直径可以根据气量需求等实际工况进行调节。
[0364] 可选的，第三定子5202和第四定子5203中，每个定子上设置有多个第一静压进气节流孔5208，且多个第一静压进气节流孔5208沿定子的周向间隔设置。
[0365] 本发明实施例中，多个第一静压进气节流孔5208沿定子的周向间隔设置，优选沿定子的周向均匀间隔设置。这样，有利于使第二间隙5206内的气膜压力更加均匀。
[0366] 可选的，第三定子5202和第四定子5203中，第一静压进气节流孔5208至转轴100的轴心的距离大于或者等于第一静压进气节流孔5208至定子的外周边缘的距离。
[0367] 本发明实施例中，上述第一静压进气节流孔5208的设置方式可以使气体静压轴承更加稳定，如果静压进气节流孔过于靠近转轴100的轴心，则无法及时有效地使气膜布满整个第二推力盘5201的端面，使第二推力盘5201的旋转不够稳定。优选的，第一静压进气节流孔5208至转轴100的轴心的距离等于第一静压进气节流孔5208至定子的外周边缘的距离。
[0368] 可选的，槽式气磁混合推力轴承5200还包括第二传感器5207，第二传感器5207的传感器探头设置于第二间隙5206内。
[0369] 本发明实施例中，通过设置第二传感器5207，能够实时检测第二间隙5206处的参数，例如第二间隙5206处的气膜压力等。这样，第二磁轴承5204可以根据第二传感器5207的检测结果对推力轴承5200进行主动控制，并能够使控制达到较高的精度。
[0370] 可选的，第二传感器5207包括第二传感器盖52071和第二传感器探头52072，第二传感器探头52072的第一端连接第二传感器盖52071，第二传感器盖52071固定于第二磁轴承5204上，第二磁轴承5204上设有用于供第二传感器探头52072穿过的通孔；第二传感器探头52072的第二端穿过第二磁轴承5204上的通孔，并伸至第二间隙5206，且第二传感器探头52072的第二端端部与第二磁轴承5204的靠近第二推力盘5201的一侧平齐。
[0371] 本发明实施例中，通过上述第二传感器5207的结构形式和安装方式，能够使第二传感器5207更稳定地设置于第二磁轴承5204上。此外，将第二传感器探头52072的第二端端部与第二磁轴承5204的靠近第二推力盘5201的一侧平齐，一方面，能够避免第二传感器探头52072受到第二推力盘5201的碰触，从而有利于保护第二传感器探头52072；另一方面，不会对第二间隙5206内的气膜产生影响，避免第二间隙5206内的气膜发生扰动。
[0372] 可选的，第二传感器5207设置于相邻的两个第四磁性部件之间。
[0373] 本发明实施例中，每个定子上均应当设置至少一个第二传感器5207，优选设置一个第二传感器5207，该第二传感器5207优选设置在相邻两个第四磁性部件之间。
[0374] 可选的，第二传感器5207为以下任意一种或多种的组合：
[0375] 用于检测第二推力盘5201位置的位移传感器；
[0376] 用于检测第二间隙5206处的气膜压力的压力传感器；
[0377] 用于检测第二推力盘5201转速的速度传感器；
[0378] 用于检测第二推力盘5201旋转加速度的加速度传感器。
[0379] 下面以本发明实施例的槽式气磁混合推力轴承(其中，第二磁轴承中的第四磁性部件为电磁铁)参与转子系统的控制过程时的具体控制方法进行详细地说明。
[0380] 本发明实施例提供一种槽式气磁混合推力轴承的控制方法，包括：
[0381] S531、开启第三定子和第四定子中的第二磁轴承，控制第二推力盘在第三磁性部件与多个第四磁性部件之间的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值小于或等于预定值。
[0382] S532、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭第三定子和第四定子中的第二磁轴承。
[0383] S533、转子系统停机时，开启第三定子和第四定子中的第二磁轴承。
[0384] S534、转轴的转速减速至零之后，关闭第三定子和第四定子中的第二磁轴承。
[0385] 在上述过程中，第二磁轴承开启后，第二推力盘在第二磁轴承的作用下到达第三定子和第四定子之间的预定位置，第二推力盘与第三定子和第四定子的端面均具有第二间隙。
[0386] 随着转轴的转动，第二推力盘在受第二间隙中气流润滑的情况下相对第三定子和第四定子开始转动，以防止磨损。第二磁轴承开启的具体过程为：向第二线圈输入预定值的电流信号，第二推力盘在第二磁轴承的作用下到达第三定子和第四定子之间的预定位置。
[0387] 随着转轴的转速越来越大，第二推力盘的转速也同步增大，当转轴的转速到达工作转速时，该推力轴承的气体动压轴承(第二推力盘与第三定子和第四定子之间设置第二间隙即形成该推力轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将第二推力盘稳定，届时可以关闭第二磁轴承。
[0388] 在转子系统停机时，第二推力盘随着转轴减速而减速，为了使转轴在整个转子系统停机过程中保持稳定，在转子系统停机时即开启第二磁轴承，直到第二推力盘完全停下后即可关闭第二磁轴承。
[0389] 本发明实施例还提供另一种槽式气磁混合推力轴承的控制方法，包括：
[0390] S541、开启第三定子和第四定子中的第二磁轴承，控制第二推力盘在第三磁性部件与多个第四磁性部件之间的磁力作用下在转轴的轴向方向上移动，以使第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值小于或等于预定值。
[0391] S542、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭第三定子和第四定子中的第二磁轴承。
[0392] S543、转轴的转速减速至第二预设值时，开启第三定子和第四定子中的第二磁轴承。
[0393] S544、转轴的转速减速至零之后，关闭第三定子和第四定子中的第二磁轴承。
[0394] 在上述过程中，第二磁轴承开启后，第二推力盘在第二磁轴承的作用下到达第三定子和第四定子之间的预定位置，第二推力盘与第三定子和第四定子的端面均具有第二间隙。随着转轴的转动，第二推力盘在受第二间隙中气流润滑的情况下相对第三定子和第四定子开始转动，以防止磨损。第二磁轴承开启的具体过程为：向第二线圈输入预定值的电流信号，第二推力盘在第二磁轴承的作用下到达第三定子和第四定子之间的预定位置。
[0395] 随着转轴的转速越来越大，第二推力盘的转速也同步增大，当转轴的转速到达第二预设值，例如额定转速的5％至30％时，该推力轴承的气体动压轴承(第二推力盘与第三定子和第四定子之间设置第二间隙即形成该槽式气磁混合推力轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将第二推力盘稳定，届时可以关闭第二磁轴承。
[0396] 在转子系统停机过程中，第二推力盘随着转轴减速而减速，当转轴的转速低于第二预设值时，例如额定转速的5％至30％时，此时，推力轴承的气体动压轴承产生的气膜压力也随第二推力盘减速而减小，因此，需要开启第二磁轴承以使第二推力盘保持稳定，直到第二推力盘完全停下后即可关闭第二磁轴承。
[0397] 可选的，上述方法还包括：
[0398] 当载荷负载在第二推力盘，第二推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值时，开启所述第三定子或所述第四定子中的第二磁轴承；
[0399] 当第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值小于或者等于预定值，关闭第三定子或第四定子中的第二磁轴承。
[0400] 当载荷负载在第二推力盘上，使第二推力盘与第三定子或第四定子的第二磁轴承之间的第二间隙变小而接近该侧的第二磁轴承时，第二传感器(这里的第二传感器优选压力传感器)获得气压增大的信号，此时第二磁轴承需要介入工作。第二磁轴承将磁力作用于第二推力盘上，使其向另一侧的第二磁轴承移动，当第二推力盘达到新的平衡位置之后，第二磁轴承停止工作。
[0401] 具体的，若第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙小于第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙，且第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值，则控制第四定子中的第二磁轴承，使第二推力盘在第三磁性部件与多个第四磁性部件之间的磁力作用下，朝远离第四定子的方向在转轴的轴向方向上移动。
[0402] 若第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙小于第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙，且第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值，则控制第三定子中的第二磁轴承，使第二推力盘在第三磁性部件与多个第四磁性部件之间的磁力作用下，朝远离第三定子的方向在转轴的轴向方向上移动。
[0403] 可选的，当载荷负载在第二推力盘，第二推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值时，开启第三定子或第四定子中的第二磁轴承，包括：
[0404] 当载荷负载在第二推力盘，第二推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值时，控制第三定子或第四定子中的第二磁轴承以最大功率开启；或者，
[0405] 当载荷负载在第二推力盘，第二推力盘在载荷负载的作用下在转轴的轴向方向上移动，第二推力盘与第三定子中的第二磁轴承之间的第二间隙与第二推力盘与第四定子中的第二磁轴承之间的第二间隙的差值大于预定值时，控制第三定子或第四定子中的第二磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。
[0406] 当有外部冲击扰动发生时，第二推力盘可能快速地接近某侧第二磁轴承，则有可能导致该侧的第二间隙瞬间过小，使该侧第二间隙处的局部气体流速接近甚至达到音速，从而引发激波产生气锤自激现象。激波的产生会导致局部气体流动发生扰动和混乱，当流体速度在音速到亚音速之间变化时其压力呈阶梯式显著下降。这种情况下，需要控制第三定子或第四定子中的第二磁轴承以最大功率开启，或者控制第三定子或第四定子中的第二磁轴承按照预设频率以频闪的方式轮流开启，以提供对扰动的阻尼作用，从而有效抑制外部扰动。当第二推力盘重新回到平衡状态之后，第二磁轴承停止工作。
[0407] 需要说明的是，本发明实施例中，对于同时设置有电磁轴承(第二磁轴承中的第四磁性部件为电磁铁即形成电磁轴承)和气体静压轴承(第三定子和第四定子上设置的第一静压进气节流孔即形成气体静压轴承)的情况下，电磁轴承和气体静压轴承可以相互备用，在其中一方故障、失效或者无法满足开启条件的情况下，另一方可作为备用轴承起到相同的作用。例如，在检测到电磁轴承故障的情况下，控制外部气源开启以替代电磁轴承执行相应的动作，从而提高轴承的安全性和可靠性。
[0408] 本发明实施例中，对于同时设置有电磁轴承和气体静压轴承的情况下，对于“开启所述推力轴承中的静压轴承，以使所述推力轴承的推力盘移动至预设轴向位置”的步骤，可以包括如下实施方式：
[0409] 开启所述第三定子和所述第四定子的第二磁轴承；和/或，启动外部气源，通过所述第一静压进气节流孔向所述第二间隙处输送气体；
[0410] 控制所述第二推力盘在所述第三磁性部件与所述第四磁性部件之间的磁力作用下，和/或所述气体的推动作用下在所述转轴的轴向方向上移动，以使所述第二推力盘与所述第三定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙与所述第二推力盘与所述第四定子中的第二磁轴承之间的所述第二间隙的差值小于或等于所述预定值。
[0411] 在上述过程中，利用第二磁轴承方便实时控制的优点，主动平衡第二推力盘的不平衡质量或第二推力盘涡动等导致第二推力盘过度偏移的因素，使第二推力盘在转轴的轴向方向上固定在某一极小范围内。另外，在第二推力盘的加速过程中，可以准确定位产生激波的位置(即线速度超声速部位)，并通过控制第二磁轴承的电流大小和方向等，使第二磁轴承产生相反的力来平衡激波作用。待激波平稳后，再次调整第二磁轴承的控制策略，以最节能的方式将第二推力盘固定在某一极小范围内。
[0412] 综合上述，本发明实施例具有如下有益效果：
[0413] 其一，电磁轴承与气体轴承协同工作，改善了轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了轴承的承载能力。同时，电磁轴承与气体轴承采用并联结构，简化了结构，集成度高，易加工、制造和操作，提高了轴承的综合性能。在转子系统启动或停机时，可以用电磁轴承使轴承的推力盘与定子在第二间隙内转动，提高了轴承的低速性能，延长了轴承的使用寿命，能够提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。
[0414] 其二，相对于传统的采用气体静压轴承和气体动压轴承结合的气体动静压混合推力轴承，本发明实施例的槽式气磁混合推力轴承具有响应速度快的优点。
[0415] 其三，增加了气体静压轴承，形成槽式动静压-磁混合推力轴承，在同时设置有电磁轴承和气体静压轴承的情况下，轴承的承载力进一步加大，电磁轴承和气体静压轴承可以相互备用，在其中一方故障、失效或者无法满足开启条件的情况下，另一方可作为备用轴承起到相同的作用。例如，在检测到电磁轴承故障的情况，控制系统控制气体静压轴承开启以替代电磁轴承执行相应的动作，从而提高轴承的安全性和可靠性。
[0416] 其中，气磁混合径向轴承可以采用槽式气磁混合径向轴承。
[0417] 如图37至图44所示，槽式气磁混合径向轴承6200包括：
[0418] 套设于转轴100上的第四磁轴承6201，第四磁轴承6201上沿周向设置有多个第七磁性部件；
[0419] 第四磁轴承6201朝向转轴100的侧壁，或转轴100朝向第四磁轴承6201的圆周面上设置有第三动压发生槽6202；
[0420] 其中，第四磁轴承6201与转轴100之间具有第四间隙6203，且转轴100能够在多个第七磁性部件的磁力作用下在转轴100的径向方向上移动。
[0421] 本发明实施例中，通过在径向轴承6200中设置第四间隙6203和第四磁轴承6201，从而使该径向轴承6200形成气、磁混合径向轴承。
[0422] 工作时，径向轴承6200中的气体轴承与第四磁轴承6201能够协同工作，在径向轴承6200处于稳定的工作状态时，依靠气体轴承实现支承；而在径向轴承6200处于非稳定的工作状态时，依靠第四磁轴承6201及时对径向轴承6200进行控制和响应。
[0423] 可见，本发明实施例能够改善径向轴承，尤其在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了径向轴承的承载能力。本发明实施例的径向轴承能够满足高转速的转子系统，例如，燃气轮机或者燃气轮机发电联合机组等的需求。
[0424] 本发明实施例中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，转轴100可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。
[0425] 本发明实施例中，当转轴100旋转时，存在于第四间隙6203的流动气体被压入第三动压发生槽6202内，从而产生压力，使转轴100上浮，以实现转轴100沿径向方向被非接触地保持。其中，第三动压发生槽6202产生压力的大小随第三动压发生槽6202的角度、槽宽、槽长、槽深、槽数以及平面度的不同而变化。此外，第三动压发生槽6202产生压力的大小也和转轴100的旋转速度以及第四间隙6203有关。可以根据实际工况对第三动压发生槽6202的参数进行设计。第三动压发生槽6202可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压等方式形成于第四磁轴承6201或转轴上。
[0426] 可选的，多个第七磁性部件包括多个第四永磁体，多个第四永磁体在第四磁轴承6201上沿周向设置；
[0427] 或者，多个第七磁性部件包括多个第四电磁铁，多个第四电磁铁在第四磁轴承6201上沿周向设置，多个第四电磁铁中的每个第四电磁铁包括设置于第四磁轴承6201上的第四磁芯62011及缠绕于第四磁芯62011上的第四线圈62012。
[0428] 本发明实施例中，当槽式气磁混合径向轴承6200仅需要磁性部件提供磁力而无需磁控时，第七磁性部件优选第四永磁体；当箔片式气磁混合推力轴承同时需要磁力和磁控时，第七磁性部件优选第四电磁铁。
[0429] 当第七磁性部件为第四电磁铁时，往第四线圈62012通入电流，即可以使第四磁芯62011产生磁力。往第四线圈62012通入电流的大小不同，第四磁芯62011产生的磁力大小也不同；往第四线圈62012通入电流的方向不同，第四磁芯62011的磁极也不同。
[0430] 其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第四磁芯62011可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。
[0431] 可选的，第四磁轴承6201包括：
[0432] 第四磁轴承座62013，第四磁轴承座62013套设于转轴100上，第四磁轴承座62013上沿周向设置有多个第四容纳槽62014，多个第七磁性部件设置于多个第四容纳槽62014内，且多个第七磁性部件的磁极朝向转轴100；
[0433] 套设于第四磁轴承座62013外的第二轴承壳62015；
[0434] 套设于第四磁轴承座62013与转轴100之间的第二轴承套62016；
[0435] 以及，分别设置于第二轴承壳62015两端的第五端盖62017和第六端盖62018；
[0436] 其中，第二轴承套62016、第五端盖62017及第六端盖62018配合，将多个第七磁性部件固定于第四磁轴承座62013上。
[0437] 本发明实施例中，通过设置第二轴承套62016，能够封闭第四磁芯62011以及第四线圈62012之间的间隙，从而在第二轴承套62016和转轴100之间形成稳定、均匀的气膜压力。另外，通过设置不同径向厚度的第二轴承套62016能够方便地调节和控制第四间隙6203的大小。
[0438] 其中，第二轴承套62016与转轴100之间的第四间隙6203的宽度可以为5μm至12μm，优选8μm至10μm。
[0439] 其中，由于硅钢片或矽钢片具有磁导率高、涡流损耗低等物理特性，本发明的优选实施例中，第四磁轴承座62013可以由若干硅钢片或者矽钢片叠压而成。第四容纳槽62014的数量可以为但不限于为六个或八个，沿第四磁轴承座62013的周向均匀设置。这样，能够使第四磁轴承6201与转轴100之间的磁力更加均匀、稳定。需要说明的是，多个第七磁性部件还可以采用其他方式设置于第四磁轴承座62013上，对此不进行限定。第五端盖62017和第六端盖62018的材料均可以是非磁性材料，优选硬铝材料。第二轴承套62016的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。第二轴承壳62015的材料可以是非磁性材料，优选硬铝材料。
[0440] 优选的，第五端盖62017和第六端盖62018均设置有外径与第二轴承壳62015的内径相同的凸台，第五端盖62017和第六端盖62018的凸台用于从两端固定和压紧组成第四磁轴承座62013的硅钢片或者矽钢片。
[0441] 本发明实施例中，可以在第二轴承套62016上设置第三动压发生槽6202，为便于第三动压发生槽6202的加工，第二轴承套62016可以由不锈钢材料制成。具体地，第三动压发生槽6202可以设置在转轴100上对应第二轴承套62016的圆周面的中间部分，也可以设置为对称分布在中间部分的两侧、相互独立的两部分第三动压发生槽6202；第三动压发生槽6202还可以设置在第二轴承套62016内侧壁的中间部分，也可以设置为对称分布在第二轴承套62016内侧壁两端、相互独立的两部分第三动压发生槽6202。
[0442] 可选的，第三动压发生槽6202呈矩阵排布，这样，有利于使气膜更均匀地分布于第四间隙6203内。
[0443] 可选的，第三动压发生槽6202为连续或间隔设置的V形槽。
[0444] 本发明实施例中，通过采用上述第三动压发生槽6202的设置方式，能够在转轴100正向旋转或者反向旋转的情况下，转轴都能以期望的方式非接触式地保持，从而使转轴100具有负载能力高及稳定性好的优点。第三动压发生槽6202除了设置为V形槽，还可以设置为人字形槽或其它形状的槽。
[0445] 可选的，第四磁轴承6201上还设置有第二静压进气节流孔6205，第二静压进气节流孔6205的一端与第四间隙6203相通，另一端连接外部气源，用于将外部气源输送至第四间隙6203内。
[0446] 本发明实施例中，通过设置上述第二静压进气节流孔6205，可以形成气体静压轴承，从而该槽式气磁混合径向轴承6200可以构成槽式气体动静压-磁混合径向轴承。其中，第二静压进气节流孔6205的流通直径可以根据气量需求等实际工况进行调节。
[0447] 可选的，第二静压进气节流孔6205在第四磁轴承6201内分成至少两个支路连通至第四间隙6203内。
[0448] 本发明实施例中，第二静压进气节流孔6205可以依次穿过第五端盖62017或第六端盖62018、第四磁轴承6201以及第二轴承套62016，将外部气源与第四间隙6203连通。进一步地，第二静压进气节流孔6205可以分为两个或者更多个支路连通至第四间隙6203，使得第四间隙6203内的气膜压力更加均匀。进一步的，第五端盖62017或第六端盖62018上可以设置有环形槽，可在第四磁轴承6201与该环形槽对应的环形区域内设置多个第二静压进气节流孔6205，例如，在每个第四磁芯62011中或每两个相邻的第四磁芯62011中设置一个第二静压进气节流孔6205。其中，第二静压进气节流孔6205以及支路的流通直径可以根据气量需求等实际工况进行调节。
[0449] 可选的，槽式气磁混合径向轴承6200还包括沿第四磁轴承6201的周向间隔设置的多个第四传感器6204，其中每个第四传感器6204的传感器探头设置于第四间隙6203内。
[0450] 本发明实施例中，通过设置第四传感器6204，能够实时检测第四间隙6203处的参数，例如第四间隙6203处的气膜压力。这样，第四磁轴承6201可以根据第四传感器6204的检测结果对径向轴承6200进行主动控制，并能够使控制达到较高的精度。
[0451] 可选的，多个第四传感器6204中，每个第四传感器6204包括第四传感器盖62041和第四传感器探头62042，第四传感器探头62042的第一端连接第四传感器盖62041，第四传感器盖62041固定于第四磁轴承6201上，第四磁轴承6201上设有用于供第四传感器探头62042穿过的通孔；第四传感器探头62042的第二端穿过第四磁轴承6201上的通孔，并伸至第四间隙6203，且第四传感器探头62042的第二端端部与第四磁轴承6201的靠近转轴100的一侧平齐。
[0452] 本发明实施例中，通过上述第四传感器6204的结构形式和安装方式，能够使第四传感器6204更稳定地设置于第四磁轴承6201上。此外，将第四传感器探头62042的第二端端部与第四磁轴承6201的靠近转轴100的一侧平齐，一方面，能够避免第四传感器探头62042受到转轴100的碰触，从而有利于保护第四传感器探头62042；另一方面，不会对第四间隙6203内的气膜产生影响，避免第四间隙6203内的气膜发生扰动。
[0453] 本发明实施例中，第四传感器6204的数量可以与第七磁性部件的数量相同。第四传感器6204可以设置于相邻的两个第七磁性部件之间，也可以穿过第七磁性部件设置，本发明实施例对此不作限定。每个第四传感器6204优选设置于第四磁轴承6201的中部。
[0454] 可选的，多个第四传感器6204为以下任意一种或多种的组合：
[0455] 用于检测转轴100位置的位移传感器；
[0456] 用于检测第四间隙6203处的气膜压力的压力传感器；
[0457] 用于检测转轴100转速的速度传感器；
[0458] 用于检测转轴100旋转加速度的加速度传感器。
[0459] 下面以本发明实施例的槽式气磁混合径向轴承(其中，第四磁轴承中的第七磁性部件为电磁铁)参与转子系统的控制过程时的具体控制方法进行详细地说明。
[0460] 本发明实施例提供一种槽式气磁混合径向轴承的控制方法，包括：
[0461] S631、开启第四磁轴承，控制转轴在多个第七磁性部件的磁力作用下在转轴的径向方向上移动，推动转轴至预设径向位置。
[0462] S632、转轴的转速加速至工作转速之后，关闭第四磁轴承。
[0463] S633、转子系统停机时，开启第四磁轴承。
[0464] S634、转轴的转速减速至零之后，关闭第四磁轴承。
[0465] 在上述过程中，第四磁轴承开启后，转轴在第四磁轴承的作用下托起并到达预设径向位置，第四磁轴承与转轴之间具有第四间隙。
[0466] 随着转轴的转动，转轴在受第四间隙中气流润滑的情况下开始转动，以防止磨损。第四磁轴承开启的具体过程为：向第四线圈输入预定值的电流信号，转轴在第四磁轴承的作用下托起并到达预设径向位置。
[0467] 随着转轴的转速越来越大，当转轴的转速到达工作转速时，该径向轴承的气体动压轴承(第四磁轴承与转轴之间设置第四间隙即形成该径向轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将转轴稳定，届时可以关闭第四磁轴承。
[0468] 在转子系统停机时，转轴减速，为了使转轴在整个转子系统停机过程中保持稳定，在转子系统停机时即开启第四磁轴承，直到转轴完全停下后即可关闭第四磁轴承。
[0469] 本发明实施例还提供另一种槽式气磁混合径向轴承的控制方法，包括：
[0470] S641、开启第四磁轴承，控制转轴在多个第七磁性部件的磁力作用下在转轴的径向方向上移动，推动转轴至预设径向位置。
[0471] S642、转轴的转速加速至第一预设值之后，关闭第四磁轴承。
[0472] S643、转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承。
[0473] 具体的，当转轴与第四磁轴承之间的第四间隙处的气体流速达到一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承，直至转轴恢复至平衡径向位置。
[0474] 可选的，转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承，包括：
[0475] 转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，控制第四磁轴承以最大功率开启；或者，
[0476] 转轴的转速加速至一阶临界速度或二阶临界速度时，控制第四磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。
[0477] S644、转子系统平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭第四磁轴承。
[0478] S645、转子系统停机过程中，当转子系统减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承。
[0479] 具体的，当转轴与第四磁轴承之间的第四间隙处的气体流速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承，直至转轴恢复至平衡径向位置。
[0480] 可选的，转轴的转速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，开启第四磁轴承，包括：
[0481] 转轴的转速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，控制第四磁轴承以最大功率开启；或者，
[0482] 转轴的转速减速至一阶临界速度或二阶临界速度时，控制第四磁轴承按照预设频率以频闪的方式开启。
[0483] S646、转子系统平稳度过一阶临界速度或二阶临界速度之后，关闭第四磁轴承。
[0484] S647、转轴的转速减速至第二预设值时，开启第四磁轴承。
[0485] S648、转轴的转速减速至零之后，关闭第四磁轴承。
[0486] 在上述过程中，第四磁轴承开启后，转轴在第四磁轴承的作用下托起并到达预设径向位置，第四磁轴承与转轴之间具有第四间隙。
[0487] 随着转轴的转动，转轴在受第四间隙中气流润滑的情况下开始转动，以防止磨损。第四磁轴承开启的具体过程为：向第四线圈输入预定值的电流信号，转轴在第四磁轴承的作用下托起并到达预设径向位置。
[0488] 随着转轴的转速越来越大，当转轴的转速到达第一预设值，例如额定转速的5％至30％时，该径向轴承的气体动压轴承(第四磁轴承与转轴之间设置第四间隙即形成该径向轴承的气体动压轴承)产生的气膜压力可以将转轴稳定，届时可以关闭第四磁轴承。
[0489] 在转子系统停机过程中，转轴减速，当转轴的转速降至第二预设值，例如额定转速的5％至30％时，开启第四磁轴承，直到转轴完全停下后即可关闭第四磁轴承。
[0490] 可选的，所述方法还包括：
[0491] 当所述转轴与所述第四磁轴承之间的第四间隙发生变化时，开启所述第四磁轴承，使转轴在所述多个第七磁性部件的磁力作用下向远离间隙变小侧的方向移动；
[0492] 所述转轴处于平衡径向位置之后，关闭所述第四磁轴承。
[0493] 当载荷负载在转轴上，使转轴逐渐下降并接近下方的第四磁轴承时，第四传感器(这里的第四传感器优选压力传感器)获得气压增大的信号，此时第四磁轴承需要介入工作。第四磁轴承将磁力作用于转轴上使其向上悬浮，当转轴达到新的平衡位置时，第四磁轴承停止工作。
[0494] 当有外部冲击扰动发生时，转轴可能快速地接近第四磁轴承，则有可能导致转轴与第四磁轴承之间的间隙瞬间过小，使间隙减小处的局部气体流速接近甚至达到音速，从而引发激波产生气锤自激现象。激波的产生会导致局部气体流动发生扰动和混乱，当流体速度在音速到亚音速之间变化时其压力呈阶梯式显著下降。这种情况下，需要控制第四磁轴承的第七磁性部件以预设频率轮流开启，以提供对扰动的阻尼作用，从而有效抑制外部扰动。当转轴恢复至新的平衡径向位置之后，第四磁轴承停止工作。
[0495] 需要说明的是，本发明实施例中，对于同时设置有电磁轴承(第四磁轴承中的第七磁性部件为电磁铁即形成电磁轴承)和气体静压轴承(第四磁轴承上设置的第二静压进气节流孔即形成气体静压轴承)的情况下，电磁轴承和气体静压轴承可以相互备用，在其中一方故障、失效或者无法满足开启条件的情况下，另一方可作为备用轴承起到相同的作用。例如，在检测到电磁轴承故障的情况下，控制外部气源开启以替代电磁轴承执行相应的动作，从而提高轴承的安全性和可靠性。
[0496] 本发明实施例中，对于同时设置有电磁轴承和气体静压轴承的情况下，对于“开启所述径向轴承中的静压轴承，以使所述转轴移动至预设径向位置”的步骤，可以包括如下实施方式：
[0497] 开启所述第四磁轴承；和/或，启动外部气源，通过所述第二静压进气节流孔向所述第四间隙处输送气体；
[0498] 控制所述转轴在所述多个第七磁性部件的磁力作用下，和/或所述气体的推动作用下在所述转轴的径向方向上移动，以使所述转轴移动至预设径向位置。
[0499] 在上述过程中，利用第四磁轴承方便实时控制的优点，主动平衡转轴的不平衡质量或转轴涡动等导致转轴过度偏移的因素，使转轴在径向方向上固定在某一极小范围内。另外，在转轴的加速过程中，可以准确定位产生激波的位置(即线速度超声速部位)，并通过控制第四磁轴承的电流大小和方向等，使第四磁轴承产生相反的力来平衡激波作用。待激波平稳后，再次调整第四磁轴承的控制策略，以最节能的方式将转轴固定在某一极小范围内。
[0500] 综合上述，本发明实施例具有如下有益效果：
[0501] 其一，电磁轴承与气体轴承协同工作，改善了轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性，抗受扰动能力强，进而提高了轴承的承载能力。同时，电磁轴承与气体轴承采用嵌套结构，简化了结构，集成度高，易加工、制造和操作，提高了轴承的综合性能。在转子系统启动或停机时，可以用电磁轴承使轴承的推力盘与定子在第一间隙内转动，提高了轴承的低速性能，延长了轴承的使用寿命，能够提高轴承及整个系统的安全性和可靠性。
[0502] 其二，相对于传统的采用气体静压轴承和气体动压轴承结合的气体动静压混合推力轴承，本发明实施例的槽式气磁混合径向轴承具有响应速度快的优点。
[0503] 其三，增加了气体静压轴承，形成槽式动静压-磁混合推力轴承，在同时设置有电磁轴承和气体静压轴承的情况下，轴承的承载力进一步加大，电磁轴承和气体静压轴承可以相互备用，在其中一方故障、失效或者无法满足开启条件的情况下，另一方可作为备用轴承起到相同的作用。例如，在检测到电磁轴承故障的情况，控制系统控制气体静压轴承开启以替代电磁轴承执行相应的动作，从而提高轴承的安全性和可靠性。
[0504] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
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