CN1039473A - 一种旋转体的可分离联接系统 - Google Patents

Abstract

一种将一转子体与一旋转机械，特别是燃气轮机和旋转多臂机的轴作可分离联接的系统，其中，上述轴的联接表面是一圆柱形表面。在联接表面的全长上制有深度很浅的锐边纵向沟槽，它们均匀地等距离分布，形成一有槽的圆柱形轴头。轴头的内部有一截头锥形孔，与相应的截头锥形塞相配合。此塞和一拉杆的一端是一体的。此拉杆将轴的圆柱形表面与上述转子体的圆柱形联接表面，靠径向过盈锁紧在一起。

Description

本发明涉及一种用来将一转子体与一旋转轴相联接的系统。这种系统是经济的、能发挥作用的並且制造和检验並不麻烦。它可以相当可靠地传递大的扭矩，它不需在两个要联接的物体之间作任何相对的轴向位移，它使两个相联接的物体之间获得並保持精确和最优的中心对准，以致不再需要进行两相结合物体的最终平衡，这使得分别进行平衡的可旋转物体的互换成为一件简单的事，並且从一个容易接近的区域来操纵，可简便和迅速地将联接系统接合和分离无限的次数，因此，它特别适用于旋转机械的领域，尤其是燃气轮机和旋转多臂机（rotary    dobby）的领域。

就目前的工艺水平来说，当将一要被旋转的物体，例如一个接头、一个叶轮或者特别是一台燃气轮机的盘状转子，安装到一旋转轴上去，以使得能从一预定的可方便接近的区域进行操作，将联轴节方便地分离，並使联轴节完全是同心的，以免产生不平衡的情况，並且可以传递大扭矩时，如果由于显而易见的理由，把已知的使用键或者沟槽的塞入系统排除在外的话-这些系统使轴的强度降低並引入不平衡度，唯一可行的方法是使用一强制接合的截头锥体联接系统，如由本申请人于1982年4月8日提出申请、于1985年5月14日发布的前美国4，516，906号专利中所描述的那种系统。

在此已知的系统中，扭矩从旋转轴传递给转子体，是通过两个要相联接的物体的两个截头锥形表面之间的径向过盈来传递的。这种径向过盈之获得，是靠将上述两个截头锥形表面作相对的轴向移动。更明确地来说，旋转轴的一个截头锥形端头被插入到转子体中相对应的一个截头锥形的轴向空腔之中，旋转轴被一根装在空心轴中的拉杆锁紧在转子体上。此拉杆将两个要相联接的物体拉紧在一起，以致两个截头锥形表面紧密配合並且互相渗入，直至它们之间产生足够的径向过盈，借摩擦力来传递所需的扭矩。

然而，这样一种联接系统具有一系列的缺点。这些缺点常常引起一些问题，以致人们不愿意采用。

其主要缺点无疑是：转子体的截头锥形空腔和轴的截头锥形端头（后者一般是固定的元件，包括支承轴承和止推轴承），相互之间总会发生靠拢或移开的相对轴向移动。当联接系统尺寸大时（例如，在地面燃气轮机的轴与转子之间的动力传递中），这种轴向移动可大至若干毫米。这会引起严重的问题，因为诸如叶片之类的转子脆弱的部分，运转时它们的外端正好在一锥形表面上掠过，会有由摩擦而发生损坏的危险，或者密封件会断裂。虽然不能否认，这种联接系统具有使装用的涡轮机维护十分简单的优点，因为它可以从机器的外面进行拆卸，但由于有上述这些危险，在某些情况下，在燃气轮机中就不宜采用一个截头锥体的联接系统。

上述这种已知的联接系统还有一个缺点，这缺点来自两个要相联接表面的实际截头锥体形状。这种形状的表面难以制造和检验，不可能使转子体和旋转轴之间获得最优的中心对准。如大家所知道的，这会使得在装好的总成中产生相当大的不平衡度，以致如果随后不对相结合的轴和转子体进行平衡的话，这种强制接合的截头锥体联接系统使不能采用。所以，便不可能很快地将与轴分开平衡的一些转子互换。

另外一个缺点是这种联接系统不能传递很大的扭矩。

本发明的目的是提供一种系统，来消除上述缺陷。这种系统使得转子体和空心旋转轴可以作有效和简单的可分离联接，而在上述要联接的物体之间不需要任何相对的轴向运动。这种系统具有相当高的可靠度，因此可以传递大的扭矩，最后，这种系统使轴和转子体之间可以获得最优的中心对准，从而转子体可以方便地和另一转子体互换，而不必重新对联接在一起的总成进行平衡。

之所以能做到这一点，主要是因为联接系统不是采用截头锥形表面，而是采用了圆柱形表面。众所周知，圆柱形表面的制造和检验要简单得多。所以，由于所说圆柱形表面可以制造和检验得很完善，这就总可以旋转轴和转子体之间的同心度或者说中心对准度，保持在一个最优的水平上，而不平衡度降到最小程度，其影响可以忽略不计。这创造了条件，允许用另一个与轴分开独立平衡过的转子体，方便地、迅速和经济地来更换转子体，而不需进行最后的平衡，从而解决了成批生产中的一个极端重要的问题，並为旋转机械，尤其是燃气轮机开辟了一个新的境界。

这种可靠度高，所述圆柱形表面不需要轴向位移的可分离联接系统，是这样实现的：即根据本发明，轴的圆柱形表面具有和要联接的转子体中空腔圆柱形表面同样大小的直径和轴向长度，但具有足够的公差，以使能自由地安装。在其表面上制有深度很浅的沟槽，其大小为十分之几毫米。这些沟槽的作用是减轻压力，这在下文中还要加以解释。上述浅槽延伸在要相联接的圆柱形表面的整个长度上，它们具有主要是在制造时由机械加工形成的尖锐的边缘，这些沟槽等距离均匀分布在上述圆柱形表面的圆周上，实际上形成一个有槽的圆柱形轴头，其中沟槽的尺寸大致和将它们隔开的实体部分尺寸相等。

通过试验发现，在圆周上等间距地布置8～12条纵向沟槽，所得结果最佳，因为沟槽数多了，槽就较细，不能保证有效的联接，而沟槽数少了，槽就较宽，就会产生张力，使要联接的转子体承受不正常的和过高的应力。

因为上述沟槽的功用纯粹是减轻压力，其目的是防止接触而产生压力传递，它们的制造公差不必太严，也不必有特殊的表面，所以它们的成形简单，费用不高。由于沟槽很浅，旋转轴的机械强度不会因此降低。

在旋转轴的上述有沟槽的圆柱形轴头中，制有一截头锥形的孔，其长度等于上述轴头的长度，其大直径在轴头的自由端。这个孔和一相对应的截头锥形塞相配合，后者延伸成一根拉杆状，穿过空心旋转轴的整个长度並可在轴的另一端，在一个可方便接近的区域，由一适当的液压缸-活塞装置，用预定的负荷拉紧，然后用一锁紧螺帽将其锁紧在该位置上，而上述液压缸-活塞装置保持拉杆在所需的负荷不张紧。这样，靠所加负荷的作用，在上述塞头和孔的截头锥形表面之间，产生了一个相对的轴向运动，这通过旋转轴的上述有槽的圆柱形轴头中的相互作用，促使上述轴头发生径向膨胀，从而径向压紧要联接的转子体中圆柱形空腔的表面，而不需要轴和转子体之间有任何的轴向运动，这是符合需要的。

然而，在旋转轴圆柱形连接表面中所提供的纵向减压槽的作用下，这种径向弹性压缩只发生在非减压区域。因此形成一种状态，即一个径向压缩层包含有等距分布的非压缩区，这样就产生一种张紧的状态，以致其所引起的弹性变形，与减压区相对应，在转子体圆柱形空腔中产生突起的或者说膨胀的部分，这些部分渗入上述轴的纵向沟槽中。在扭矩的传递中，这些膨胀部分的作用犹如一系列的微形键。试验证明，这些微形键可以传递比用一同样长度和平均直径的普通强制联接的截头锥形联接系统可传递的扭矩大2至3倍。这使得这种系统的应用领域也可以扩展到强制接合的截头锥形体联接所不能使用的一些场合，因为在这些情况下，后者所提供的扭转可靠度不足。

再者，因为转子体的上述膨胀部分和有槽轴头的上述径向膨胀是由弹性变形所产生的，很明显，为了拆卸的目的，将由拉杆施加在截头锥形塞上的负荷除去时，上述弹性变形便消失，转子体可以方便地拆下，而没有丝毫粘住的现象，这使得此系统可以实际上分离无限的次数。

下面借助于附图详细描述本发明。这些附图说明一些最佳实施例，这些实施例作为非限制性的例子而给出，只是说明可以做出的技术或结构方面的一些变型，但並不脱离本发明的范围。

图1是一台燃气轮机的局部纵断面，在断面所通过的部分中，采用了按本发明的制造的可分离联接系统。

图2是图1中所用的可分离联接系统的放大的分解透视图。

图3是通过图2的可分离联接系统的纵断面，该系统处于安装的状态。

图4是按本发明制造的可分离联接系统的高倍放大细节，所表示的是该系统弹性径向膨胀的作用。

图5是通过按本发明的一个变型实施例的局部纵向断面，表示用于一台旋转多臂机的可分离联接系统。

在图中，标号1指的是一台燃气轮机动力级2的定子外壳，其辊子3在图中由两个带叶片的盘组成，用上述转子的毂5支承在动力轴4上，突出在轴外。毂5具有一圆柱形的轴向空腔6（见图2），它构成上述转子的内联接表面。动力轴4上相应的圆柱形联接表面7插入此轴向空腔6之中。上述轴4是空心的並且两头分别有端件8和9，其中端件8还具有上述圆柱形联接表面7。两个端件由一根中心管10连接在一起，用压配合装在其上。轴用两个支承轴承11和12以及一个止推轴承13（见图1）可以旋转地支承着。止推轴承13和轴4的端件8的止推环14相配合。上述这些轴承由燃气轮机外壳16的构架15支承。

上述两个圆柱形联接表面6和7具有同样的轴向长度和大致相等的直径，以使表面6可以简单和自由地套装在表面7之上。在所述的联接表面7上设置有锐边的纵向沟槽17，其深度很浅，沿上述表面7的整个轴向长度上延伸。沟槽17等距离均匀地分布在圆柱形联接表面7的圆周上，实际上形成一有槽的圆柱形轴头18。沟槽的宽度最好与隔开沟槽的实体部分19的宽度相等（见图2）。

根据一最佳实施例，沟槽的尺寸选为：围绕轴头18布置8至12条。贯通上述有槽圆柱形轴头18的轴向孔20是截头锥形的，其大直径是在轴头的自由端21，它与一相应的截头锥形塞22相配合，该塞22和拉杆23的一端是一体的。拉杆23穿过空心轴4的内部，靠在预定负荷下产生的径向干扰将上述圆柱形联接表面6和7锁紧在一起。这预定负荷是由一液压缸-活塞装置用液压产生的。然后用一个作用在拉杆23的另一螺纹端23′上的锁紧螺母24与空心动力轴4的端部9的前边缘25相配合，保持这预定的负荷。于是，由张紧拉杆23所引起的塞22的轴向运动，使轴头18作弹性径向膨胀，结果其联接表面7的实体部分19压缩转子体毂5的圆柱形空腔6的内表面。上述不连续的弹性压缩使得空腔6的上述内表面，以其隆起部分29膨胀进入轴头18的沟槽之中。这些隆起部分29在扭矩的传递中起了微形键的作用（见图4）。

图5所示的改型实施例，特别适用于旋转多臂机的领域。在这种多臂机中所要传递的扭矩要小得多。这里采用一个空心的截头锥形塞26，它使拉杆27得以穿过上述空心截头锥形塞26，並借助一锁紧螺母24，从塞的同一端进行操作，将其张紧。为此目的，拉杆27具有一为上述螺母24而制有螺纹的端头23′，而其另一端28也制有螺纹，所以它可旋入旋转轴4′之中，轴4′就不必再是空心的了。

Claims (4)

1、一种将一转子体与一旋转机械的空心轴作可分离联接的系统，包括一拉杆，它在空心轴中工作，以使轴的联接表面以径向过盈和上述转子体的轴向空腔的内联接表面锁紧，该径向过盈是在由一个液压缸一活塞装置和一个锁紧螺母得到的预定负荷下产生的，其特征在于：上述两联接表面实质上是圆柱形的，具有同样的轴向长度和大致相等的直径，其公差足以让它们中的一个自由地、同轴心地装在另一个之上，在空心轴的圆柱形联接表面上制有纵向、锐边的沟槽，其深度很浅，沿上述联接表面的整个轴向长度延伸，它们围绕上述表面的周向等距离地分布，实际上形成一个有槽的圆柱形轴头，在该轴头的内部制有一截头锥形孔，其长度与上述圆柱形联接表面的长度相等，其大直径在轴头的自由端，上述截头锥形孔与一相应的截头锥形塞相配合，后者与上述拉杆的一端成一体形式。

2、根据权利要求1的系统，其特征在于：上述纵向沟槽的宽度大约和隔开上述沟槽的实体部分宽度相等。

3、根据权利要求1或2的系统，其特征在于：上述纵向沟槽的数目为8至12个，它们绕空心轴的圆柱形联接表面的圆周等距离分布。

4、根据上面任一权利要求的系统，其特征在于：上述纵向沟槽的深度为十分之一毫米左右。

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