CN105431639A - 将叶轮连接于轴的方法、连接布置及旋转机器 - Google Patents

Abstract

连接布置包括具有轴向通孔(12)的轴(3)、位于轴向通孔(12)内的系杆(4)、叶轮(2)，其包括实心毂、多个叶片和从实心毂沿轴向突出的集成的柱；在系杆(4)的端部处，存在具有从系杆(4)沿径向突出的形状的集成的本体(11)；柱具有用于收纳本体(11)的腔(10)和用于将本体(11)插入到腔(10)中的轴向孔；柱的轴向孔具有对应于本体(11)的形状的形状；腔(10)尺寸和形状确定成以便允许本体(11)在腔(10)内旋转，并且一旦旋转就将本体(11)捕集(8)在腔(10)中；轴(3)和叶轮(2)由联接件(6)联接在一起；捕集(8)允许轴向负载在系杆(4)与叶轮(2)之间传递；联接件(6)允许转矩在轴(3)与叶轮(2)之间传递。

Description

将叶轮连接于轴的方法、连接布置及旋转机器

技术领域

本发明涉及一种将叶轮通过系杆连接于轴的方法、连接布置及旋转机器。

背景技术

在许多技术领域中，叶轮和轴连接在一起，以使它们集成地旋转。在一些应用中，需要将转矩(和功率)从叶轮传递至轴；在一些应用中，需要将转矩(和功率)从轴传递至叶轮；在一些应用中，更通常的是，转矩(和功率)取决于机器的操作状态来从叶轮传递或传递至叶轮。

用于例如在悬垂构造中将叶轮连接于轴的公知的解决方案提供了在轴的一端处的螺纹盲孔、叶轮的毂中的轴向通孔、呈螺栓形式的紧固件；叶轮放置成接近轴，以使叶轮的孔与轴的孔对准，紧固件插入在叶轮的孔中，并且其在轴的孔中上紧来将叶轮牢固地连接于轴。

该公知解决方案的缺点在于叶轮由于轴向通孔而弱化。实际上，任何旋转叶轮由离心力施加应力，该离心力与转速的平方成比例，并且轴向通孔引起该类应力的强度相对于实心叶轮中的应力的强度增大。由于应力增大，故必要的是限制叶轮的转速，以及因此其叶片的末端速度，以及因此其压头(例如，在压缩机叶轮的情况中)。

该缺点完全存在于其中叶轮具有轴向通孔而不管其尺寸的所有解决方案中。

该缺点部分地存在于其中叶轮的毂具有轴向盲孔而不管其尺寸的所有解决方案中。

因此，大体上需要找到用于将叶轮连接于轴的改进的解决方案。

发明内容

本发明人具备的基本构想在于使用包括实心毂、多个叶片和从实心毂沿轴向突出的集成的柱的叶轮；以该方式，如果孔或凹口为必要的，则其可位于柱中，而不弱化叶轮的毂。

本发明人还具备的基本构想在于通过不同部分传递轴向负载和转矩，以使更容易根据对应的要求来设计这些部分中的各个。

根据第一方面，本发明涉及一种将叶轮通过系杆连接于轴的方法，其中卡口联接件将系杆联接于叶轮，并且其中端面齿联接件或花键联接件将轴联接于叶轮；卡口联接件可由能够传递轴向负载的另一类型的联接件等同地替换；端面齿联接件或花键联接件可由能够传递转矩的另一类型的联接件等同地替换。

根据第二方面，本发明涉及一种连接布置，其包括：具有轴向通孔的轴、位于轴向通孔内的系杆，其中在系杆的端部处，存在具有从系杆沿径向突出的形状的集成的本体、包括实心毂、多个叶片和从实心毂沿轴向突出的集成的柱的叶轮；其中柱具有用于收纳本体的腔和用于将本体插入到腔中的轴向孔，柱轴向孔具有对应于本体的形状的形状，腔尺寸和形状确定成以便允许本体在腔内旋转并且一旦旋转就将本体捕集在腔中；其中轴和叶轮由联接件联接在一起；由此捕集允许了在系杆与叶轮之间传递轴向负载；由此联接件允许在轴与叶轮之间传递转矩。

根据第一方面，本发明涉及旋转机器，特别是涡轮膨胀器，其包括如上文限定的至少一个连接布置。

附图说明

本发明将从连同附图考虑的其实施例的以下描述变得更显而易见，在该附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的旋转机器的基本构件的简化侧视图，

图2示出了分成两个局部视图A和B的图1的实施例的纵截面，

图3示出了在四个不同条件下的图2B的细节，

图4示出了图2B的细节，以及

图5示出了图1和2中的基本构件的备选实施例的细节的纵截面。

具体实施方式

示例性实施例的以下描述提到了附图。不同图中的相同附图标记识别相同或相似的元件。以下详细描述并未限制本发明。相反地，本发明的范围由所附权利要求限定。

说明书各处提到的"一个实施例"或"实施例"是指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，在说明书各处各种位置的短语"在一个实施例中"或"在实施例中"的出现不一定是指相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何适合的方式在一个或更多个实施例中组合。

图1示出了对应于根据本发明的旋转机器的实施例的基本构件的布置；该旋转机器为涡轮膨胀器。

图1的布置的内部细节在图2A和图2B中示出(尽管示意性地)；图2A涉及涡轮侧，而图2B涉及压缩机侧。

存在涡轮叶轮1和压缩机叶轮2；它们在其端部处固定地连接于圆柱形轴3，即，成单件。

还存在系杆4；由于其从涡轮叶轮1突出，故图1中仅可看到系杆4的小部分。螺母5拧到系杆4的端部上，即，螺接，并且邻近涡轮叶轮1。系杆4和螺母5将涡轮叶轮1、压缩机叶轮2和轴3保持固定在一起；换言之，系杆4通过叶轮1借助于螺母5装固于轴3。为了实现良好的固定，系杆4在拧上螺母5之前张紧。

为了理解杆4位于何处及其如何联接于压缩机叶轮2，将参照图2A和图2B。

从图1显现的是，压缩机叶轮2包括实心毂、多个叶片，以及从实心毂沿轴向突出的集成的柱9；该柱9邻近轴3，并且它们至少在它们的界面处具有相同的直径。涡轮叶轮1包括毂、多个叶片，以及从毂沿轴向突出的非常短的集成的柱；该非常短的柱邻近轴3，并且它们至少在它们的界面处具有相同的直径。

在下文中，将具体参照图2A和2B。

轴3为成单件的圆柱形元件。其为中空的；具体而言，其具有轴向通孔12；作为优选，孔12为圆柱形的。

当组装图1的布置时，系杆4的大部分位于轴3的孔12内。系杆4的截面略小于孔12的截面。装置13和14保持系杆4定心在孔12内，并且减小振动；出于该原因，它们被称为"抗振阻尼器"；在图2A和2B中，存在接近轴3的第一端的第一抗振阻尼器13和接近轴3的第二端的第二抗振阻尼器14；根据不同实施例，例如，抗振阻尼器可位于轴3的第一端与第二端之间的中间区域中，并且可为轴3的端部处的抗振阻尼器的备选方案或添加物。

当组装图1的布置时，系杆4的第一端部分在轴3的第一侧上从轴3沿轴向突出，并且位于涡轮叶轮1内(见图2A)；系杆4的第二端部分在轴3的第二侧上从轴3沿轴向突出，并且位于压缩机叶轮2内(见图2B)。

在图2A中，轴3和涡轮叶轮1通过端面齿联接件7联接在一起；替代端面齿联接件(即，具有径向齿)，可使用另一类型的联接件，例如，花键联接件(即，具有轴向齿)或具有相对于径向方向和轴向方向两者倾斜的齿的联接件；还有可能组合两个不同联接件。

联接件7位于叶轮1的非常短的柱的外周区域处。

涡轮叶轮1具有轴向通孔(优选圆柱形孔)；具体而言，该轴向通孔在叶轮1的毂中，并且不影响从毂凸出的叶轮1的叶片；系杆4的一部分位于该通孔内。当组装图1的布置时，系杆4的第一端部分也从叶轮1沿轴向突出(见图2A)；该第一端部分有螺纹；螺母5拧到其上，并且邻近涡轮叶轮1。

在图2B中，轴3和压缩机叶轮2通过端面齿联接件6联接在一起；替代端面齿联接件(即，具有径向齿)，可使用另一类型的联接件，例如，花键联接件(即，具有轴向齿)或具有相对于径向方向和轴向方向两者倾斜的齿的联接件；还有可能组合两个不同联接件。

联接件6位于叶轮2的柱9的外周区域处。

从图2B中清楚的是，压缩机叶轮2包括实心毂、多个叶片，以及从实心毂沿轴向突出的集成的柱(图1中标为9)。

系杆4的第二端部分位于压缩机叶轮2的柱9内；在该第二端处，存在与系杆4集成的本体11；本体11具有从系杆4沿径向突出的形状。

柱9具有用于收纳本体11的腔10；还存在图3中标为15的轴向孔，用于将本体11插入到腔10中；为了允许此类插入，柱的孔具有对应于系杆的本体的形状的形状(作为优选，其具有相同或几乎相同的形状，例如，见图3C)；腔10尺寸和形状确定成以便允许本体11在腔10内旋转，并且一旦旋转就将本体11捕集在腔10中(该特征将在下文中参照图3更好地描述)；腔10不影响压缩机叶轮2的毂和从毂突出的叶轮2的叶片；系杆4的一部分位于该通孔内。

当组装图1的布置时，系杆4的本体11捕集在腔10中(即，其可通过拉系杆来从腔中拔出)，并且本体11的表面邻近腔10的表面(如图2B中所示)；此类本体和此类腔的组合产生了一种"卡口"联接件8。

联接件6允许转矩在轴3与所述叶轮2之间传递；联接件7允许转矩在轴3与所述叶轮1之间传递；联接件8允许轴向负载在系杆4与叶轮2之间传递。

当通过不同部分获得轴向负载的传递和转矩的传递时，更容易根据对应的要求来设计这些部分中的各个，并且因此实现更好的结果。

此外，本解决方案为非常简单且紧凑的；实际上，仅使用了一个系杆，其位于轴内，柱将转矩传递联接件和轴向负载传递联接件两者集成，并且轴向负载传递联接件部分由转矩传递联接件径向地包绕，并且相对于转矩传递联接件部分轴向向前转移。

最后，根据本解决方案，叶轮可沿轴向被拉动，而不弱化其结构，特别是其毂；在压缩机叶轮的情况中，这允许了较高的转速和较高的压头。

图2的实施例的本体11为沿径向定形的盘；具体而言，该盘为厚的并且具有四个相同形状的叶，它们在图3A中标为16A,16B,16C,16D；图2的实施例的腔10为圆柱形的(该形状使得容易制造)；在柱的前侧的孔15(见图3B)具有盘11的相同形状，或切确地，几乎相同的形状，以便便于盘连同系杆的插入(见图3C)和旋转(见图3D)。更通常的是，可提供多个叶，其均具有其自身的径向形状，该径向形状可不同于图3中所示的一个。

在图1的布置组装并且旋转机器旋转时，为了避免本体11和系杆4相对于叶轮2旋转，本体11具有销17，并且柱9具有从腔10开始的用于收纳销17的孔18，图4中所示；销17和孔18的联接仅在本体11适当地旋转时发生。

在图4的实施例中，本体11为沿径向定形的盘，并且销17从盘的两个平行表面中的一个(垂直于轴线)突出；腔10具有其中孔18开始的对应表面(垂直于轴线)；盘的表面的部分邻接在腔的表面的部分上；销17和孔18沿轴向定向，以使插入需要轴向移动。

在图4的实施例中，即使销17远短于孔18，孔18仍为通孔；这为了容易制造而这样。

作为图4的备选方案，销可从腔的表面突出，并且孔可从系杆的本体的表面开始；不论如何，并未为了容易制造而这样。

根据实施例的以上描述，将叶轮连接于轴的方法需要系杆，特别是仅一个系杆，并且提供：

用于将系杆联接于叶轮的卡口联接件，

用于将轴联接于叶轮的端面齿联接件或花键联接件。

具体而言，卡口联接件用于在系杆与叶轮之间传递轴向负载，并且端面齿联接件或花键联接件用于在轴与叶轮之间传递转矩。

如果仅使用一个系杆或如果存在主系杆，则该方法提供成将其优先定位在轴的轴向通孔内。

考虑上文所述和图1-3中所示的实施例，连接包括以下步骤：

A)将系杆4的本体11插入到叶轮2的柱9的腔10中(见图3C)，

B)将系杆4旋转预定幅度的角(图3D中标为19)，以便将系杆4约束至叶轮2，特别是将本体11捕集在腔10中，

C)将轴3放置成接近叶轮2，

D)使联接件6的轴联接元件(即，轴3的带齿区域)与联接件6的叶轮联接元件，即，柱9的带齿区域匹配，

E)张紧系杆4，

F)通过拧上螺母5并且将其上紧来将系杆4装固于轴3。

在图3的实施例中，本体11具有四个等距的叶16A和16B和16C和16D，对应地，柱9的轴向孔15具有四个等距的叶，并且旋转角19具有大致45°的理想值(其在图中示为顺时针方向)，以使在旋转之后，本体的叶在孔的叶之间的中部；如果使用图4的解决方案，旋转角19的值如由销17和孔18的位置确定那样精确。

将注意的是，以上的步骤顺序可改变。例如，系杆4和本体11的旋转可紧接步骤B之后，或紧接步骤C之后，或紧接步骤D之后，但需要在步骤E之前完成。例如，系杆4可插入轴3的孔12内，并且系杆4和轴3的组合可放置成接近叶轮2；换言之，步骤C可在步骤A之前执行。无论如何，需要步骤E在步骤B之后，步骤E在步骤D之后，步骤F在步骤E之后。

如果销17和孔18在解决方案中提供，则该方法还包括以下步骤：

G)将本体11的销17插入到柱9的孔18中；

步骤G需要在步骤B之后和步骤E之前执行。

根据本发明的连接布置，特别是如上文所述的连接布置，有利地用于旋转机器中。例如，图1涉及涡轮膨胀器，并且使用了根据本发明的连接布置的仅一个实施例。

在具有连接于轴的两个叶轮或两组叶轮的旋转机器中，根据本发明的两个连接布置可非常有利地使用；例如，第一连接布置可用于位于轴的第一侧上的第一组叶轮，并且第二连接布置可用于位于轴的第二侧上的第二组叶轮。

在该情况下，等同于或类似于图2B中所示的解决方案在轴的两侧上使用，并且与图2A中所示的相反，不存在叶轮附近的螺母。

图5示出了根据以上提到的备选方案的实施例的细节；该细节涉及轴的中心部分；轴分成由螺母和螺栓连接在一起的两个不同的部分501A和501B。

存在不同且对准的两个系杆502A和502B；它们分别位于系杆502A和502B的轴向通孔503A和503B内。

在系杆501A的端部处存在集成的(或作为备选，附接的)凸缘504A；在系杆501B的端部处存在集成的(或作为备选，附接的)凸缘504B；凸缘504A和504B由螺母和螺栓连接在一起；在图5中，例如，存在上螺母和螺栓505，其中其螺母邻近凸缘504B，以及存在下螺母和螺栓506，其中其螺母邻近凸缘504A。

有利地，如图5中所示，止推轴承507A和507B分别与凸缘504A和凸缘504B相关联。

系杆502A通过螺母509A装固于轴部分501A；系杆502A的端部分有螺纹；螺母509A拧到并且上紧到其上；凸缘504A具有在其前侧上的凹口508A，其设计成容纳系杆502A的端部分和螺母509A；凹口508A具有相对于凸缘504A的前表面凹入的表面(垂直于轴线)；当该连接布置组装时(如图5中)，螺母509A邻近该凹口表面。

以相同方式，系杆502B通过螺母509B装固于轴部分501B。

组装过程提供，首先第一叶轮连接于第一轴部分，接着第二叶轮连接于第二轴部分，最后第一轴部分(连同第一叶轮或第一组叶轮)连接于第二轴部分(连同第二叶轮或第二组叶轮)。

以该方式，旋转机器的两个端部叶轮都未弱化。

Claims (17)

1.一种将叶轮(2)通过系杆(4)连接于轴(3)的方法，

其中卡口联接件(8)将所述系杆(4)联接于所述叶轮(2)，

其中端面齿联接件(6)或花键联接件将所述轴(3)联接于所述叶轮(2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

由此所述卡口联接件(8)用于在所述系杆(4)与所述叶轮(2)之间传递轴向负载，

由此所述端面齿联接件(6)或所述花键联接件用于在所述轴(3)与所述叶轮(2)之间传递转矩。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，仅使用一个系杆(4)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系杆(4)位于所述轴(3)的轴向通孔(12)内。

5.根据任何前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A)将所述系杆(4)的第一端(11)插入到所述叶轮(2)的柱(9)的腔(10)中，

B)将所述系杆(4)旋转预定幅度的角(19)，以便将所述系杆(4)约束(8)至所述叶轮(2)，

C)将所述轴(3)放置成接近所述叶轮(2)，

D)使轴联接元件与叶轮联接元件匹配(6)，

E)张紧所述系杆(4)，

F)将所述系杆(4)装固于所述轴(3)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

G)将所述本体(11)的销(17)插入到所述柱(9)的孔(18)中，其在步骤B之后和步骤E之前执行。

7.一种连接布置，包括：

具有轴向通孔(12)的轴(3)，

位于所述轴向通孔(12)内的系杆(4)，其中在所述系杆(4)的端部处，存在集成的本体(11)，其具有从所述系杆(4)沿径向突出的形状，

叶轮(2)，其包括实心毂、多个叶片，以及从所述实心毂沿轴向突出的集成的柱(9)；

其中所述柱(9)具有用于收纳所述本体(11)的腔(10)和用于将所述本体(11)插入到所述腔(10)中的轴向孔(15)，所述柱的轴向孔(15)具有对应于所述本体(11)的形状的形状，所述腔(10)尺寸和形状确定成以便允许所述本体(11)在所述腔(10)内旋转，并且一旦旋转就将所述本体(11)捕集(8)在所述腔(10)中；

其中所述轴(3)和所述叶轮(2)由联接件(6)联接在一起；

由此所述捕集(8)允许轴向负载在所述系杆(4)与所述叶轮(2)之间传递；

由此所述联接件(6)允许转矩在所述轴(3)与所述叶轮(2)之间传递。

8.根据权利要求7所述的连接布置，其特征在于，所述联接件(6)为端面齿联接件或花键联接件。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的布置，其特征在于，所述联接件(6)位于所述柱(9)的外周区域处。

10.根据权利要求7至权利要求9中任一项所述的连接布置，其特征在于，所述本体(11)具有销(17)，并且所述柱(9)具有从所述腔(10)开始用于一旦所述本体(11)旋转就收纳所述销(17)的孔(18)。

11.根据权利要求10所述的连接布置，其特征在于，所述销(17)和所述孔(18)沿轴向定向。

12.根据权利要求7至权利要求11中任一项所述的连接布置，其特征在于，所述连接布置包括螺母(5)，并且其中一旦所述系杆(4)张紧，所述螺母(5)就装固所述系杆(4)。

13.一种包括根据权利要求7至权利要求12中任一项所述的至少一个连接布置的旋转机器，特别是涡轮膨胀器。

14.根据权利要求13所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器包括根据权利要求7至权利要求12中任一项所述的第一布置和第二布置，其中所述第一连接布置的系杆和所述第二连接布置的系杆不同并且对准。

15.根据权利要求14所述的旋转机器，其特征在于，所述第一连接布置的中空轴和所述第二连接布置的中空轴连接在一起。

16.根据权利要求15所述的旋转机器，其特征在于，所述第一连接布置的所述中空轴和所述第二连接布置的所述中空轴借助于第一凸缘和第二凸缘和螺母以及螺栓连接在一起。

17.根据权利要求16所述的旋转机器，其特征在于，止推轴承与所述第一凸缘和/或所述第二凸缘相关联。