CN103348143B - 用于涡轮机的转子 - Google Patents

Abstract

一种转子包括固定到轴的叶轮。叶轮包括孔和扩孔。该轴与孔形成过盈配合，且被粘接到扩孔。此外，还提供了一种制造转子方法。

Description

用于涡轮机的转子

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮机的转子。

背景技术

涡轮机的转子通常包括固定到轴的叶轮。叶轮可以通过过盈配合固定到轴，其提供有成本效益的固定方式。当转子旋转时，径向应力导致叶轮的孔膨胀。因此，在叶轮和轴之间的过盈配合降低。在相对高的速度下，孔的膨胀可以使得过盈配合不再能够在轴和叶轮之间传递所需的扭矩。为了避免该情况，在静止时在叶轮和轴之间的过盈配合可以被增加。然而，需要在转子的全速度操作范围上确保扭矩传递的所需的过盈配合可能超过叶轮的屈服点。此外，实现所需过盈配合所需的挤压力可能是非常大的。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种转子，包括固定到轴的叶轮，其中叶轮包括孔和扩孔，该轴与孔形成过盈配合，且轴被粘接到扩孔。

通过采用部分过盈配合和部分粘接接合部以将叶轮固定到轴，在叶轮和轴之间的扭矩传递可以被实现，而无需超过叶轮屈服点或需要极大的压力的过盈配合。特别地，在轴和扩孔之间的粘接剂可具有足够强度以确保所需扭矩被传递在叶轮和轴之间。过盈配合于是可以被主要用于保持在叶轮和轴之间的对准。因为过盈配合被主要用于对准而不是传递扭矩，不需要极大的压力和不超过叶轮的屈服点的过盈配合可以被使用。

叶轮可以包括毂、设置在毂上的多个叶片和从毂轴线延伸的凸起部。孔于是可以形成在毂中且扩孔可以形成在凸起部中。当转子旋转时，叶轮径向受力，其导致孔和扩孔的直径膨胀。叶轮的主要质量通常存在于毂和叶片中。因此，径向膨胀将在毂处最大。相反，凸起部通常较轻，且由此经较小的膨胀。通过定位扩孔在凸起部中，对于粘接剂的过大的剥离应力可以被避免。

孔可以从毂延伸到凸起部中。由于凸起部的膨胀通常小于毂，孔延伸到凸起部中的部分可以被用于确保在转子的所有操作条件下的过盈配合。可以想象，扩孔可以从凸起部延伸到毂中。然而，由于径向膨胀往往在毂处最大，得到的剥离应力可能导致粘接剂失效。

毂可以包括凹部，凸起部可以延伸到凹部中。因此，转子是轴向紧凑的。更特别地，凸起部可以被完全容纳在凹部中，使得凸起部被限定在毂的轮廓之内。毂包括上表面，叶片被设置在该上表面上；和下表面，其成形为限定所述凹部。

叶轮可以由塑料形成，其相比于其他材料具有重量和成本的益处。由塑料形成，叶轮的屈服点可相对较低。通过使用部分过盈配合和部分粘接接合部，在叶轮和轴之间的扭矩传递可以被实现，而无需超过叶轮的屈服点的过盈配合（否则将超过）。

在第二方面，本发明提供了一种转子，包括固定到轴的叶轮，叶轮包括毂、设置在毂上的多个叶片，和从毂轴向延伸的凸起部，其中毂包括孔，凸起部包括扩孔，轴与孔形成过盈配合，轴与扩孔形成间隙配合，且粘接剂被定位在轴和扩孔之间的间隙中。

在第三方面，本发明提供了一种制造转子的方法，该方法包括：提供给具有孔和扩孔的叶轮；将轴插入到孔中，该轴与孔形成过盈配合；将粘接剂引入到扩孔中；将轴插入到扩孔中，使得粘接剂被抽吸到形成在轴和扩孔之间的间隙中；以及固化粘接剂。

当轴被插入到扩孔中时，轴和孔之间的过盈配合产生密封，其将粘接剂主动地抽吸到轴和扩孔之间的间隙中。因此，粘接剂可以被引入到轴和扩孔之间，而不管间隙的尺寸。特别地，粘接剂可以被引入到相对小的间隙中，对于这种间隙，使用其它方法将难以输送粘接剂。

粘接剂可以被引入到扩孔中，使得粘接剂产生绕轴的湿密封。因此，当轴插入到扩孔中时，空气吸收将被避免，且粘接剂的连续层形成在轴和扩孔之间。相对强的粘接剂结合于是形成在轴和叶轮之间。

扩孔的端部可以被倒角。当轴被插入到扩孔中时，多余的粘接剂于是可以被自由收集在倒角区域中。因此，预定量的粘接剂可以被引入到扩孔中，其确保在轴和扩孔之间的相对好的覆盖，而不会担心粘接剂溢出扩孔且流到叶轮的其他区域。此外，倒角部分提供了相对较大的区域，在其上粘接剂可以被开始固化，例如通过UV光。

附图说明

为了本发明可被更容易地理解，现在将要参考附图通过实例描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的转子的截面视图；

图2是在转子的叶轮和轴之间的接合部的分解截面视图；

图3示出了当转子静止时以及当转子高速旋转时，在轴和叶轮之间的配合的变化；以及

图4示出了制造该转子的方法。

具体实施方式

图1和2的转子1包括固定到轴3的叶轮2。

叶轮2包括毂4，多个叶片5、凸起部6、孔7和扩孔8。

毂4具有空气动力学上表面9（其上设置有叶片5）和下表面10，所述下表面在毂4的下侧中限定了凹部11。

凸起部6为圆柱形形状且从毂4的中心轴向地延伸。更特别地，凸起部6从毂4的下表面10向下延伸并进入凹部9中。

孔7穿过毂4的中心轴向延伸并进入凸起部6的上部部分。扩孔8穿过凸起部6的下部部分轴向地延伸。孔7和扩孔8由此提供穿过叶轮2的轴向通道。

轴3被接收在孔7和扩孔8中。孔7和扩孔8的尺寸被设置为使得轴3与孔7形成过盈配合，与扩孔8形成间隙配合。轴3通过位于轴3和扩孔8之间的间隙中的粘接剂12被固定到扩孔8。

孔7与叶轮2的外直径同心。在轴3和孔7之间的过盈配合由此确保叶轮2和轴3同心地对准。因此，转子1被良好地平衡。转子平衡的进一步精细的调整可以通过向叶轮2增加或移除材料来实现。

当转子1旋转时，叶轮2径向受力，其导致孔7的直径膨胀。当转子速度增加时，孔7的直径也增加。因此，在孔7和轴3之间的过盈配合对转子速度敏感。过盈配合还对转子温度敏感。由于在轴3和叶轮2之间热膨胀性的差异，转子1的温度的改变可导致轴3和孔7之间的过盈配合的改变。孔7和轴3之间的过盈配合由此对转子速度和转子温度敏感。

在转子1静止且处于环境温度时，轴3和孔7之间形成的过盈配合为确保在转子1的所有操作条件下（例如速度和温度）存在过盈配合的大小。因此，阻止叶轮2相对于轴3径向运动，且由此转子1的平衡在所有操作条件下被保持。

尽管间隙配合在所有操作条件下被保持在轴3和孔7之间，但在极端速度或温度下，过盈配合的大小可能不足以在轴3和叶轮2之间传递所需的扭矩。在轴3和扩孔8之间的粘接接合部12具有足够的强度以在轴3和叶轮2之间传递所需的扭矩。

图3示出了当转子1静止时以及当转子1高速旋转时，在轴3和叶轮2之间的配合。轴3和孔7之间的配合的正值表示间隙配合，而负值表示过盈配合。

叶轮2的质量主要存在于毂4和叶片5中。因此，叶轮2的径向应力和膨胀在毂4中最大。相反，凸起部6相对较轻，且由此经受小得多的径向应力和膨胀。孔7的膨胀由此大于扩孔8的膨胀。

孔7的径向膨胀并不是均匀的，而是沿着孔7的长度变化。如图3中可见，孔7的膨胀导致在轴3和孔7的一端之间的间隙配合。无论如何，在孔7的另一端处保持过盈配合。

相似地，扩孔8的径向膨胀也不是均匀的，而是沿着扩孔8的长度变化。扩孔8的膨胀的变化施加剥离应力到粘接剂12上。大部分粘接剂具有相对较差的抗剥强度，且如果暴露到过大的剥离应力将失效。通过将扩孔8定位在凸起部6中，扩孔8的膨胀相对较小。因此，剥离应力相对较小，且由此粘接剂12的失效被避免。

轴3和孔7之间的过盈配合确保叶轮1在所有操作条件下被平衡。轴3和扩孔8之间的粘接接合部12确保在所有操作条件下在轴3和叶轮2之间传递所需的扭矩。

有人可能会想到在轴3和叶轮2之间设置单个过盈配合或单个粘接接合部，而不是部分过盈配合和部分粘接接合部。然而，如下所述，这两种选项都有其缺点。

首先考虑提供单个过盈配合。让我们假设，不是具有孔7和扩孔8，而是，叶轮2包括延伸穿过毂4和凸起部6的具有均匀直径的单个孔。让我们进一步假设，轴3与该孔形成过盈配合，且该过盈配合在静止时足以在轴3和叶轮2之间传递所需的扭矩。当叶轮速度增加时，径向应力导致孔的直径膨胀。然而，与图1所示的转子1相反，现在孔穿过凸起部6的整个长度延伸。由于凸起部6的质量相对较小，作用在凸起部6上的径向应力小于作用在毂4上的。因此，有人可能会预期足以传递扭矩的过盈配合被保持在凸起部6的下部部分中。然而并非如此。当叶轮2被压到轴3上时，作为结果的干涉施加圆周应力到孔。由于凸起部6包括相对较薄的壁，如果过盈配合过大，凸起部6将简单地屈服。因此，不能沿凸起部6实现足以传递所需扭矩的过盈配合。凸起部6的壁可能被制造得更厚，使得可以实现更大的过盈配合。然而，当壁的厚度增加时，凸起部6的质量也增加。由于凸起部6的质量增大，作用在凸起部6上的径向应力增加，且由此孔的膨胀增大。因此，通过增加壁厚来增加过盈配合的任何努力将被在旋转期间孔直径的随后增加所阻碍。

现在考虑提供单个粘接接合部。让我们假设，不是具有孔7和扩孔8，而是具有均匀直径的单个孔延伸穿过毂4和凸起部6。轴3与孔形成间隙配合，且粘接剂定位在间隙中。让我们进一步假设粘接剂提供足够的剪切强度以在轴3和叶轮2之间传递所需的扭矩。与图1所示的转子1相反，现在粘接剂在轴3和毂4之间延伸。因此，粘接剂在转子操作期间经受更大的拉伸应力。该拉伸应力的增加可通过提供更厚的粘接接合部来承受，所述更厚的粘接接合部能更好地承受拉伸应力。然而，增加的粘接剂将增加转子的成本。此外，当制造转子时，粘接剂可需要更长时间来固化或可能被证实难以完全固化。此外，粘接剂的体积特性将开始发挥作用。特别地，粘接剂将具有较大的蠕变倾向，由此增加转子不平衡的可能性。除了更大的拉伸应力之外，粘接剂经受更大的剥离应力。在转子运行期间孔的膨胀是不均匀的，且由此施加剥离应力到粘接剂上。孔的膨胀的变化在毂4处比在凸起部6处大得多，如图3。因此，作用在粘接剂上的剥离应力在毂4上比凸起部6上大得多。对于图1中的转子1，粘接剂12仅位于凸起部6处，在该处剥离应力相对较小。相反，粘接剂现在定位在毂4处，在这里剥离应力相对较大。粘接剂由此更可能在毂4处失效。一旦粘接剂已经发生初始失效，则失效很可能会扩散到孔的整个长度。用粘接剂来将轴3固定到叶轮2由此不适用于可能存在相对高的径向应力（例如当采用大叶轮或当操作在相对高的速度下时）的转子。此外，通过仅采用粘接接合部，很可能由于粘接剂蠕变发生随后的转子失衡，特别是在转子需要在升高的温度下操作的情况下。

通过采用部分过盈配合和部分粘接接合部来固定叶轮2到轴3，转子1的平衡在所有操作条件下被保持，在叶轮2和轴3之间的扭矩传递也是如此。由于间隙配合的主要功能是保持在叶轮2和轴3之间的对准，过盈配合并不是必须提供在叶轮2和轴3之间的扭矩传递。因此，可以采用不需要很高的压力、且没有超过叶轮2的屈服点的过盈配合。此外，通过将扩孔8定位在凸起部6中，由于过高的剥离应力导致的粘接剂12的失效可以被避免。

图1中示出的叶轮2为离心式叶轮。然而，其他类型的叶轮可以根据转子1的预期应用而被等同地采用。叶轮2由塑料形成，尽管其他材料可以被等同地使用。塑料相对于金属替代物具有重量和成本方面的优势。由塑料形成，叶轮2的屈服点可相对较低。无论如何，通过使用部分过盈配合和部分粘接接合部，在叶轮2和轴3之间的扭矩传递可以被实现，而无需在其他情况下将超过叶轮2的屈服点的过盈配合。

毂4的下侧被基本凹入以降低叶轮2的质量。这于是具有降低径向应力以及由此降低孔的膨胀的益处。然而，进一步的益处是叶轮2是轴向紧凑的。这是由于凸起部6延伸到凹部11中，且由此界定在毂4轮廓内。尽管有这些益处，毂4没有被那么好地约束。特别地，毂4的外周边可以在旋转期间向上挠曲。因此，不是被凹入，毂4的下侧可以是平坦的，或可以包括从毂4的外直径向内直径径向延伸的柱。

尽管图1和2的叶轮2的凸起部6在毂4下方延伸，但凸起部6可以等同地在毂4的上方延伸。

现在将参考图4描述制造转子1的方法。

叶轮2由塑料模制而成。由于与大部分模制工艺相关的公差，通常不能模制具有充分严密的公差的孔7来实现所需的过盈配合。因此，在模制之后，在叶轮2中孔7被钻或以其他方式加工。扩孔8于是可以以相同的方式加工。扩孔8中的公差并不如孔7的公差那么严格。因此，扩孔8可以替代地在模制工艺中形成。

孔7的直径被选择以便于实现与轴3的期望的过盈配合。另一方面，扩孔8的直径被选择为使得与轴3的间隙配合被形成。此外，扩孔8的直径被选择为使得随后被引入间隙的粘接剂12是足够厚的，以足够承受在转子1的操作期间所发生的拉伸应变。

在模制和加工叶轮2之后，扩孔8经受等离子处理。这增加了扩孔8的表面极性，由此增加了可湿润性。

轴3然后被安装到压机的底部工具14中，且叶轮2被安装到压机的顶部工具15中，如图4（a）。两个工具14、15被布置为使得轴3与叶轮2中的孔7同心地对准。

压机然后施加第一向下压力到顶部工具15上，使得轴3被插入到叶轮2的孔7中，如图4（b）所示。压机然后缩回且粘接剂12被引入到扩孔8中，如图4（c）所示。粘接剂12被使用分配管16引入，该分配管输送预定量的粘接剂12到扩孔18的底部。分配管16可以穿过顶部工具15中的孔被提供。替代地，顶部工具15可以暂时被从叶轮2提起。

压机然后施加第二向下压力到顶部工具15上，使得轴3被插入到扩孔8中，如图4（d）所示。粘接剂12形成绕轴3的在轴3和扩孔8之间的湿密封。因此，在孔7和轴3之间的过盈配合形成气密密封。因此，当叶轮2被压到轴3上时，粘接剂12被吸入到产生在轴3和扩孔8之间的间隙中。粘接剂12在叶轮2被压到轴3上时保持围绕轴3的湿密封。最终结果是在轴3和扩孔8之间粘接剂12的相对薄的连续层。

叶轮2继续被压入到轴3上，直到轴3的端部基本与凸起部6的端部对齐。如果叶轮2被进一步压入到轴3上，则存在轴3将粘接剂12拉出轴3和扩孔8之间的间隙的可能性。扩孔8的端部为埋头孔或以其它方式被倒角。没有被抽吸轴3和扩孔8之间的间隙中的多余的粘接剂12于是被收集在埋头孔13中。一旦叶轮2已经被完全压到轴3上，压机被缩回且粘接剂12被固化。

当插入轴3到扩孔8中时，如果要实现粘接剂12的连续层，则粘接剂12必须保持绕轴3的湿密封。如果湿密封没有被保持，则空气而非粘接剂12将被抽吸到轴3和扩孔8之间的间隙中。因此，粘接剂层12将具有空气隙，其将削弱在轴3和扩孔8之间的粘接接合部12的强度。引入到扩孔8中的粘接剂12由此具有足够的量以确保在叶轮2被压到轴3上时，湿密封被保持。另一方面，如果过多的粘接剂12被引入到扩孔8中，则埋头孔13将不能够保持多余的粘接剂12。因此，预定量的粘接剂12被引入到扩孔8中。该预定量考虑各公差以确保绕轴3保持湿粘接剂密封，并确保多余的粘接剂12的保持在埋头孔13中。

如果粘接剂12在扩孔8的正上方处被引入，则部分粘接剂12可能在其向下运动到底部时会粘到扩孔8的表面。这将于是降低绕轴3端部的粘接剂12的量。此外，粘接剂12可能聚集在轴3的仅一侧上。在这两种情况下，在叶轮2被压到轴3上时，轴3和扩孔8之间的湿密封可能没有被保持。通过采用分配管16，粘接剂12可以被输送到扩孔8的底部，且绕轴3均匀地分布。为了促使粘接剂12在轴3被插入到叶轮2中时运动离开轴3的端部，轴3的端部呈圆形或呈锥形。

如果轴3被插入到扩孔8的速度太快，则被抽吸到间隙中的粘接剂12可形成空穴。插入的速度由此被控制以便避免空穴现象。产生空穴的具体速度主要取决于粘接剂12的粘度。因此，当采用较高粘度的粘接剂时，使用较慢的插入速度。

利用上述方法，粘接剂12的连续层被形成在轴3和扩孔8之间。因此，强的粘接剂结合部形成在轴3和叶轮2之间，其能够传递所需的扭矩。通过首先在轴3和孔7之间形成过盈配合，在轴3插入到扩孔8中时粘接剂12被主动地抽吸到轴3和扩孔8之间的间隙中。因此，粘接剂12的连续层可以被形成而不论轴3和扩孔8之间的间隙的尺寸如何。特别地，粘接剂12可以被引入到相对小的间隙中，对于这种间隙，使用传统方法（例如喷射）将难以输送粘接剂。

Claims (7)

1.一种转子，包括固定到轴的叶轮，其中叶轮包括孔和扩孔，该轴与孔形成过盈配合，且该轴被粘接到扩孔，其中该叶轮包括毂、设置在毂上的多个叶片和从毂轴向延伸的凸起部，且所述孔轴向地穿过毂和凸起部的一部分，且所述扩孔穿过凸起部的另一部分。

2.如权利要求1所述的转子，其中毂包括凹部，其中凸起部延伸到该凹部中。

3.如权利要求2所述的转子，其中毂包括上表面和下表面，叶片被设置在该上表面上，该下表面成形为限定所述凹部。

4.如前述权利要求中任一项所述的转子，其中叶轮由塑料形成。

5.一种制造转子的方法，该方法包括：

提供具有孔和扩孔的叶轮；

将轴插入到孔中，该轴与孔形成过盈配合；

将粘接剂引入到扩孔中；

将轴插入到扩孔中，使得粘接剂被抽吸到形成在轴和扩孔之间的间隙中；以及

使粘接剂固化。

6.如权利要求5所述的方法，其中粘接剂被引入到扩孔中，使得粘接剂建立绕轴的湿密封。

7.如权利要求5或6所述的方法，其中扩孔的端部被倒角，且轴被插入扩孔中使得粘接剂被收集在倒角部中。