CN102691576B - 一种压气机与涡轮的动力传递机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微型地面燃机的压气机与涡轮的动力传递机构，所述动力传递机构包括压气机叶轮、涡轮背齿传动机构和涡轮轴端锥面螺母锁紧装置；所述压气机叶轮、涡轮背齿传动机构为带直线梯形背齿的涡轮和直线梯形端齿的压气机叶轮互相啮合；所述涡轮轴端锥面螺母锁紧装置为带锥面的锁紧螺母与壳体配合，轴向锁紧啮合齿圈。本发明的机构形式简单，加工成本低，传动可靠，能在实现压气机、涡轮动力传递功能的前提下，有效缩短燃机轴向尺寸，提高机构紧凑性。
Description
技术领域
本发明属于微型燃机中压气机与涡轮的动力传递技术领域,涉及一种微型燃机中压气机与涡轮的动力传递机构，具体地说，是指一种用在微型地面燃机中压气机与涡轮的动力传递机构。
背景技术
微型燃机是我国十几年来重点研发的地面分布式能源动力系统。其主要特点是体积小、功率密度高、供能灵活、可用燃料范围广、节能环保等。目前国内尚不具备整机设计能力，关键技术的突破对整机设计能力的实现具有重要意义。本发明提出一种压气机与涡轮的背齿传动方式，为国内相关技术提供积累。现有技术中，微型旋转动力机械的常用传动方式为分别通过压气机和涡轮与转轴进行过盈配合实现二者之间的动力传递。该方法在单轴旋转动力机械中是常用的动力传动方式，但存在以下缺点：需要足够的预紧力矩；压气机和涡轮存在相对转角位移，从而影响动平衡成果固化；需要轴向尺寸较大；动力传递过程中有损失。本发明所述传递机构能完全避免上述缺点，提高动力装置紧凑型，动力传递效率较前者更高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的压气机与涡轮的传动机构的缺点和不足，提出一种新型的压气机与涡轮的传动机构，该压气机与涡轮的传动机构为背齿传动方式，在涡轮背面设置背齿和压气机叶轮端面设置端齿，通过齿形啮合和在涡轮末端施加轴向预紧实现动力传动。本发明的压气机与涡轮的传动机构尤其适用于2-0-0式支撑下的微型燃机。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种压气机与涡轮的动力传递机构，包括压气机叶轮-涡轮背齿传动机构和涡轮轴端锥面螺母锁紧装置，其特征在于：
所述压气机叶轮-涡轮背齿传动机构包括相互啮合的带直线梯形背齿的涡轮和带直线梯形端齿的压气机叶轮：所述背齿的齿形在涡轮轴向为直线型齿廓，在涡轮径向为梯形形状，齿廓截面从涡轮内圈向外圈逐渐增大，齿形在径向方向为截面渐大的梯形状，齿形截面呈上窄下宽的形状；所述端齿的齿形和所述背齿的齿形相同，但径向长度不同；
所述涡轮轴端锥面螺母锁紧装置包括带有外锥面的锁紧螺母、带有内锥面的壳体和末端带有外螺纹的涡轮轴：所述锁紧螺母的外锥面和所述壳体的内锥面配合，二者锥面角相同；所述锁紧螺母与所述涡轮轴的外螺纹配合，为所述压气机叶轮-涡轮背齿传动机构提供轴向预紧力。
优选地，所述涡轮轴在与压气机叶轮及与内轴套的配合段分别设置定位导向段，定位导向段与对应配合轴段为过渡配合。
优选地，所述锁紧螺母带有内螺纹通孔，与涡轮轴端外螺纹配合；外型面为锥型面，端面带有若干个旋紧工艺盲孔。
优选地，所述旋紧工艺盲孔个数可以为3，4，5…n,其中n为自然数。
优选地，所述壳体为涡轮轴末端壳体，加工出内锥面，与锁紧螺母外锥面配合，二者锥面角相同。
优选地，所述背齿的齿顶面与齿根面的距离约为7.5mm。
优选地，所述端齿的齿顶面到齿根面的距离约为6.5mm。
优选地，所述相互啮合的背齿和端齿的齿形也可以为非直线梯形，啮合时无相对位移，配对齿形面之间为面接触，周向间隙值为零。
优选地，所述压气机与涡轮的动力传递机构适用于2-0-0式转子支撑结构。
本发明中的直线梯形齿形，在轴向上齿形轮廓为直线，非传统的渐开线齿廓，因此加工成本低廉，常规铣削加工即可实现。齿形在径向方向为截面渐大的梯形状，结合锁紧螺母提供的轴向预紧力，使得压气机叶轮和涡轮在背齿啮合过程中产生自定心作用，保证二者的关键位置公差-同轴度，从而保证叶顶间隙的均匀性。齿形截面上窄下宽的形状与轴向预紧力配合，保证压气机叶轮和涡轮轴向间隙为零，避免轴向振动的产生。锁紧螺母和壳体间的锥面配合，一方面配合背齿啮合产生自定心作用；另一方面锥面间由螺旋预紧产生的干摩擦力可产生螺纹自锁效应，防止锁紧螺母工作中松动。涡轮轴上设置的两段定位导向段有两方面作用：一方面安装时提供定位导向作用，同时辅助压气机叶轮与涡轮的自定心过程；另一方面，限制压气机与涡轮径向振动的幅值（指刚性位移），间接提高了轴系的动态径向刚度。
本发明的压气机与涡轮的动力传递机构尤其适用于2-0-0式转子支撑结构，该结构中，压气机和涡轮为外伸悬臂端，工作中容易产生较大振动幅值。锁紧螺母与涡轮轴配合产生的轴向预紧拉力可以直接提高背齿结合面的正压力，从而提高接触面之间的库仑摩擦力，进而使轴系外悬臂端径向刚度提高，既减小其径向振动幅值，又能避免压气机叶轮与涡轮产生异步径向振动。“2-0-0”式转子支撑结构的含义是：左边的短线符号表示压气机；右边的短线符号表示涡轮；三个数字表示轴承的具体数目；数字“2”位于压气机左端，表示压气机左端有两个轴承支承；第一个“0”位于压气机和涡轮之间，表示压气机和涡轮之间没有轴承；第二个“0”位于涡轮右端，表示涡轮右端没有轴承。
相对于传统的单级涡轮、单级压气机转子结构，本发明的背齿传动方式使压气机、涡轮之间直接进行动力传递。区别于传统依靠转轴传递扭矩的方式。避免了转轴扭振对转子系统产生的不利影响。缩短了发动机轴向尺寸，省去了装配过程中分别对压气机、涡轮施加预紧力矩的工序，仅需要对拉杆施加锁紧力矩即可。背齿齿形的自定心作用利于径向定位，梯形齿形利于轴向预紧，保证工作稳定性。拉杆锁紧、梯形齿形配合，是压气机和涡轮之间没有轴向位移。涡轮背齿沿轴向带有锥度，配合背齿的圆周对称结构，使得压气机、涡轮配合后不会产生径向位移。涡轮背齿槽高度，沿径向由低到高线性变换，使得与压气机配合时产生自适应作用消除各种因素引起的周向间隙。保证工作中，动力传递的平顺性、连续性和结构稳定性。
同现有技术相比，本发明的压气机与涡轮的动力传递机构具有以下显著的优点：
（1）本发明提供的动力传递机构具有机构简单、加工成本低、机构紧凑、传动效率高的优点；
（2）本发明的动力传递机构针对性强、传动可靠、适合工程应用。
附图说明
图1动力传递机构横剖示意图；
图2动力传递机构等轴测示图；
图3压气机涡轮背齿啮合细构图；
图4涡轮机构图；
图5压气机叶轮机构图；
图6带内锥面壳体机构图；
图7锁紧螺母机构图；
图8齿形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明提供一种微型燃机中压气机与涡轮的动力传递机构，所述的动力传递机构用于安装在2－0－0支撑上的转子，如图1、图2所示。
所述的动力传递机构包括压气机叶轮-涡轮背齿传动机构和涡轮轴端锥面螺母锁紧装置，压气机叶轮-涡轮背齿传动机构包括相互啮合的带直线梯形背齿201的涡轮1和带直线梯形端齿301的压气机叶轮3，如图3至5所示。所述直线梯形的背齿201、端齿301，其形状是这样的，背齿201、端齿301的齿形投影到经过转子中心轴线的平面上的形状均呈梯形（如图3所示），而在背齿201和端齿301的啮合区，背齿201和端齿301相互啮合的接触面均呈平面，表现在图3中，背齿201和端齿301相互啮合的接触面均呈直线形。从图3中还可以看出，在啮合区，背齿201的齿顶和端齿301的齿槽之间留有间隙，以及端齿301的齿顶和背齿201的齿槽之间也留有间隙，并未接触。更加具体地，如图4、8所示，涡轮1的背齿201的齿形在涡轮轴向为直线型齿廓，在涡轮径向为梯形形状，齿廓截面从涡轮内圈向外圈逐渐增大，齿形在径向方向为截面渐大的梯形状，齿形截面呈上窄下宽的形状。如图5所示，压气机叶轮3的端齿301的齿形和涡轮1的背齿201的齿形相同，但径向长度不同。
如图1、2、6、7所示，涡轮轴端锥面螺母锁紧装置包括带有外锥面的锁紧螺母6、带有内锥面的壳体5和末端带有外螺纹102的涡轮轴。锁紧螺母6的外锥面和壳体5的内锥面配合，二者锥面角相同；锁紧螺母6与涡轮轴的外螺纹102配合，为压气机叶轮-涡轮背齿传动机构提供轴向预紧力；涡轮轴在与压气机叶轮3及与内轴套702的配合段分别设置定位导向段101，定位导向段101与对应配合轴段为过渡配合。
所述涡轮机构如图4所示，包括：涡轮背齿区201，两段定位导向段101，涡轮轴末端外螺纹段102。所述压气机叶轮如图5所示，压气机叶轮端齿如301所示。所述螺母锁紧装置包括带内锥面壳体5和锁紧螺母6和涡轮轴末端外螺纹段102。安装时，涡轮3与压气机叶轮通过背齿区2啮合，并在涡轮轴末端外螺纹102处由锁紧螺母6预紧固定。其中，锁紧螺母6的外锥面601与壳体内锥面501贴合，辅助啮合区2产生自定心作用，保证涡轮3与压气机叶轮2满足同轴度的位置公差要求。同时，锥面之间的库仑摩擦力可以防止锁紧螺母6在工作过程中发生松动。所述带内锥面壳体5，如图6所示，内孔为锥面501，锥面角与锁紧螺母外锥面601一样。所述锁紧螺母6机构如图7所示，其端面加工旋转工艺盲孔602，用以旋紧时配合旋紧工具产生扭矩。旋转孔602的数目可根据需要自行设定，可为3，4，5……n,其中n为自然数。本实施例中设定数目为8。所述涡轮轴上的定位导向段101分别与压气机叶轮3的内孔及内轴套702的内孔进行过渡配合，一方面安装时提供定位导向作用，同时辅助压气机叶轮与涡轮的自定心过程；另一方面限制压气机与涡轮径向振动的幅值（指刚性位移），间接提高了轴系的动态径向刚度。
所述啮合区2的齿形202如图8所示，齿形轮廓两侧为直线203，非传统的渐开线齿廓，因此加工成本低廉，常规铣削加工即可实现。齿形在径向方向为截面渐大的梯形状204，结合锁紧螺母6提供的轴向预紧力，使得压气机叶轮3和涡轮1在背齿啮合过程中产生自定心作用，保证二者的关键位置公差-同轴度，从而保证叶顶间隙的均匀性。齿形截面上窄205下宽206的形状与轴向预紧力配合，保证压气机叶轮和涡轮轴向间隙为零，避免轴向振动的产生。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种压气机与涡轮的动力传递机构，包括压气机叶轮端齿-涡轮背齿传动机构和涡轮轴端锥面螺母锁紧装置，其特征在于：所述压气机叶轮端齿-涡轮背齿传动机构包括相互啮合的带直线梯形背齿的涡轮和带直线梯形端齿的压气机叶轮：所述背齿的齿形在涡轮轴向为直线型齿廓，在涡轮径向为梯形形状，齿廓截面从涡轮内圈向外圈逐渐增大，齿形在径向方向为截面渐大的梯形状，齿形截面呈上窄下宽的形状；所述端齿的齿形和所述背齿的齿形相同，但所述端齿的径向长度小于所述背齿的径向长度；在啮合区，背齿的齿顶和端齿的齿槽之间留有间隙，端齿的齿顶和背齿的齿槽之间也留有间隙；
所述涡轮轴端锥面螺母锁紧装置包括带有外锥面的锁紧螺母、带有内锥面的壳体和末端带有外螺纹的涡轮轴：所述锁紧螺母的外锥面和所述壳体的内锥面配合；所述锁紧螺母与所述涡轮轴的外螺纹配合，为所述压气机叶轮-涡轮背齿传动机构提供轴向预紧力。
2.根据权利要求1所述的压气机与涡轮的动力传递机构，其特征在于：所述涡轮轴在与压气机叶轮及与内轴套的配合段分别设置定位导向段，定位导向段与对应配合轴段为过渡配合。
3.根据权利要求1或2所述的压气机与涡轮的动力传递机构，其特征在于：所述锁紧螺母带有内螺纹通孔，与涡轮轴端外螺纹配合；外型面为锥型面，端面带有若干个旋紧工艺盲孔。
4.根据权利要求3所述的压气机与涡轮的动力传递机构，其特征在于：所述旋紧工艺盲孔个数可以为3，4，5…n,其中n为自然数。
5.根据权利要求1或2所述的压气机与涡轮的动力传递机构，其特征在于：所述壳体为涡轮轴末端壳体，加工出内锥面，与锁紧螺母外锥面配合，二者锥面角相同。
6.根据权利要求1所述的压气机与涡轮的动力传递机构，其特征在于：所述背齿的齿顶面与齿根面的距离约为7.5mm。
7.根据权利要求1所述的压气机与涡轮的动力传递机构，其特征在于：所述端齿的齿顶面到齿根面的距离约为6.5mm。
8.根据权利要求1所述的压气机与涡轮的动力传递机构，其特征在于：所述相互啮合的背齿和端齿的齿形也可以为非直线梯形，啮合时无相对位移，配对齿形面之间为面接触，周向间隙值为零。
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