CN106015369B - 一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，包括隔振联轴器(1)等；隔振联轴器(1)为管状结构，两端通过法兰分别与齿轮箱输出端(7)、转接螺母(3)端面连接；转接螺母(3)未连接隔振联轴器(1)一端的端面中心处开有变孔径的盲孔；定位块(2)小端卡入涡轮泵转子(4)中心轴处的转子末端定位内孔(5)内，大端卡入转接螺母(3)盲孔内，与孔径小的一段盲孔配合；转接螺母(3)大孔径段盲孔与转子末端定位内孔(5)凸出涡轮泵转子(4)端面的外壁配合。本发明对输出端和驱动端的振动容忍和隔绝振动传递的能力强，可靠性高，解决了传统联轴器无法适应液体火箭发动机涡轮泵转子结构的问题。

Description

一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置

技术领域

本发明涉及一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，特别是液氢液氧火箭发动机涡轮泵。

背景技术

21世纪以来，载人航天和深空探测活动重新受到世界各国重视，运载火箭更新换代加快引领液体推进技术不断向前发展。对氢氧发动机而言，涡轮泵是输送液氢液氧介质的关键组件，其运行状态直接影响发动机的性能和可靠性，氢氧发动机涡轮泵的工作转速普遍较高，常采用工作在一、二阶甚至二、三阶临界转速之间的柔性转子设计。高转速给涡轮泵转子的平稳工作带来了挑战，必须采用高速动平衡工艺对其进行平衡，以使转子在工作转速下运转平稳，振幅处于设计允许范围内。对于工作转速极高的涡轮泵转子来说(>40000r/min)，由于高转速带来的过临界振动问题给高速动平衡机齿轮箱输出轴的安全构成了挑战，同时高速齿轮箱输出主轴自身振动也容易影响高速动平衡的精度。为了保证转子的平衡质量和试验台设施设备的安全，高速动平衡的驱动联接装置必须与涡轮泵转子有较好的同轴度，能够有效传递齿轮箱的输出扭矩，同时能有效隔绝来输出端的振动干扰，保证转子的动平衡精度，又能有效隔离转子的不平衡振动传递给齿轮箱，保证高速动平衡机工作安全。目前高速动平衡驱动装置主要采用联轴器结构直接与转子相连，这种结构形式存在的问题有：1)联轴器材料为钢，自身重量偏大，对转子的平衡精度造成消极影响；2)与转子的定位精度不高；3)高速动平衡时联轴器对其两端的挠度容忍能力差；4)固有频率较低，无法适应现代液体火箭发动机涡轮泵转子高转速的技术特点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，与现有高速动平衡联轴器结构相比，本发明结构简单，自身重量轻，对输出端和驱动端的振动容忍和隔绝振动传递的能力强，可靠性高，采用螺纹直接传扭的转接螺母结构，解决了传统联轴器无法适应液体火箭发动机涡轮泵转子结构的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，包括隔振联轴器、转接螺母、定位块；隔振联轴器为管状结构，两端通过扭转法兰分别与齿轮箱输出端、转接螺母端面连接；转接螺母未连接隔振联轴器一端的端面中心处开有变孔径的盲孔，靠近端面一段的孔径大于内侧一段的孔径；定位块小端卡入涡轮泵转子中心轴处的转子末端定位内孔内，大端卡入转接螺母盲孔内，与孔径小的一段盲孔配合；转接螺母大孔径段盲孔与转子末端定位内孔凸出涡轮泵转子端面的外壁配合，实现与涡轮泵转子的连接。

所述转接螺母为圆柱结构，转接螺母内的盲孔的不同孔径两段间连接处有退刀槽，靠近端面一段的盲孔内壁有螺纹，转接螺母与隔振联轴器的扭转法兰配合的端面中部有凸台，凸台与隔振联轴器端部凹槽配合。

所述隔振联轴器外壁上有去重区，去重区的壁厚为3mm，隔振联轴器上除去重区外的壁厚为2mm。

所述隔振联轴器两端法兰的端面与轴线的垂直度为0.01mm，周向定位面与轴线的同轴度为0.01mm。

所述定位块由两个直径不同的圆柱组成，两段圆柱之间连接处有退刀槽，定位块上有沿轴线的拆卸螺纹通孔。

所述定位块上与涡轮泵转子配合的圆柱面与定位块轴线的同轴度为0.01mm，与转子末端定位内孔为过盈配合，过盈量为0.02～0.04mm。

所述定位块上与转接螺母配合的圆柱面与定位块轴线的同轴度为0.01mm，与转接螺母为间隙配合，间隙量为0.01～0.02mm。

所述隔振联轴器或转接螺母或定位块材料为钛合金。

所述隔振联轴器的长度与管状部位的直径的比值为14。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明结构简单，固有频率高，对输出端和转子端振动干扰的容忍能力强，可隔绝320μm以下的振动位移，使用钛合金材料重量轻，定位精度高；适用于高转速(n>60000r/min)涡轮泵转子的高速动平衡，扭矩传递好，可满足多次升降速的使用需求。固有频率高达1300Hz，最高平衡工作转速可达60000r/min以上。

(2)本发明的隔振能力强；通过优化后的隔振联轴器空心薄壁结构，具有重量轻、抗弯刚度大、固有频率高等显著优点，对两端的振动位移具有强隔绝能力，任一端振动位移小于320μm的情况下均不会对另一端的动态特性造成影响。对高转速的液体火箭发动机涡轮泵转子特别适用。

(3)本发明的定位精度较高；通过定位块与涡轮泵转子末端定位内孔的过盈配合，保证了其与转子的同轴度达到0.02mm的精度要求，在装置的各个联接环节均设置有定位面，保证了装置整体的定位精度。

(4)本发明采用螺纹连接驱动的方式；转接螺母的螺纹与转子末端突出的外螺纹部分拧紧，实现了对涡轮泵转子传递扭矩的作用；有效解决了传统的联轴器结构不适应液体火箭发动机涡轮泵转子，无法与转子进行法兰连接驱动的弊端。

(5)本发明隔振联轴器具有单体动平衡功能。隔振联轴器上设置了动平衡去重区，可对其进行单独的动平衡去重，保证联轴器本身的残余不平衡量小，对转子高速动平衡的干扰可能性进一步降低，提高了转子的动平衡精度。

(6)本发明全部采用钛合金材料，降低了整个联接装置的重量，进一步提高了液体火箭发动机涡轮泵转子的高速动平衡精度。

附图说明

图1为本发明的涡轮泵转子高速动平衡柔性联接装置装配图；

图2为本发明的隔振联轴器结构图；

图3为本发明的定位块结构图；

图4为本发明的转接螺母剖视结构图；

图5为本发明的转接螺母左视图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，从结构上由隔振联轴器1、转接螺母3、定位块2三部分组成，如图1所示。该联接装置与高速动平衡机的齿轮箱输出轴通过扭转法兰13连接并与涡轮泵末端通过转子末端外螺纹6连接实现驱动传扭以及升、降速控制功能，全部零件均采用钛合金材料加工，装置质量轻，对涡轮泵转子4的高速动平衡干扰小，最高驱动转速可达到60000r/min。隔振联轴器1为管状结构，两端通过法兰分别与齿轮箱输出端7、转接螺母3端面连接；转接螺母3为圆柱结构，未连接隔振联轴器1一端的端面中心处开有变孔径的盲孔，靠近端面一段的孔径大于内侧一段的孔径，盲孔的不同孔径两段间连接处有退刀槽，靠近端面一段的盲孔内壁有螺纹，转接螺母3与隔振联轴器1的扭转法兰13配合的端面中部有凸台，凸台与隔振联轴器1端部凹槽配合；定位块2由两个直径不同的圆柱组成，两段圆柱之间连接处有退刀槽，定位块2上有沿轴线的拆卸螺纹通孔23，小端卡入涡轮泵转子4中心轴处的转子末端定位内孔5内，大端卡入转接螺母3盲孔内，与孔径小的一段盲孔配合；转接螺母3大孔径段盲孔与转子末端定位内孔5凸出涡轮泵转子4端面的外壁配合，实现与涡轮泵转子4的连接。

为了充分隔离转子端与齿轮箱输出端的振动，应用有限元方法设计优化隔振联轴器1结构。隔振联轴器1使用钛合金材料，为空心薄壁结构，如图2所示，减轻自身结构重量的同时整个结构保持了较强的抗弯刚度，使固有频率达到了1300Hz，保证在0～60000r/min的涡轮泵转子高速动平衡转速范围内不会发生共振，影响转子的动平衡。通过优化设计将隔振联轴器1结构的壁厚优化至2mm，长径比优化为14，使整个隔振联轴器1结构的一端振动位移量小于320μm时，不会对另一端的振动情况产生影响，仍然能够保持较高的同轴度，起到了隔离来自转子或齿轮箱振动的作用。同时在隔振联轴器1结构上设置了去重区11，可通过动平衡对隔振联轴器1进行平衡，保证隔振联轴器1自身的残余不平衡量最小，对涡轮泵转子4的高速动平衡影响最小。在隔振联轴器1两端传扭法兰13结构上布置有定位面12，包括周向定位面和端面定位面，同轴度和垂直度0.01mm，保证与齿轮箱输出轴和转接螺母的高定位精度。转接螺母3与定位块2一起配合使用实现将涡轮泵转子4与隔振联轴器1连接的作用，保证对涡轮泵转子4的驱动和升降速控制。

定位块2使用钛合金材料，功能上包括转子定位面22、转接定位面21和拆卸螺纹通孔23，如图3所示，与转接螺母3配合的圆柱面定义为转接定位面21，与涡轮泵转子4配合的圆柱面定义为转子定位面22。定位块2上的转子定位面22与其轴线同轴度0.01mm，与涡轮泵转子4的转子末端定位内孔5采用过盈配合，过盈量0.02～0.04mm，充分保证定位精度，转接定位面21同轴度0.01mm，与转接螺母3的转接定位面32一起保证周向定位，配合间隙0.01～0.02mm；由于与涡轮泵转子4采用过盈定位，因此预留了拆卸螺纹通孔23结构，涡轮泵转子4拆卸时，在常温下可使用拔销器将定位块2从转子末端定位内孔5中拔出。

转接螺母3同样使用钛合金材料，功能上包括转接螺纹孔31、转接定位面32、驱动端定位面33、驱动螺纹孔34、螺母拧紧面35，如图4、图5所示，转接螺母3与定位块2配合的盲孔内壁面定义为转接定位面32，与涡轮泵转子4配合的有螺纹的盲孔段定义为转接螺纹孔31、与隔振联轴器1配合的端面定义为驱动定位面23。转接螺纹孔31与涡轮泵转子4的转子末端外螺纹6拧紧力矩为150N·m，实现对涡轮泵转子4的转接与驱动，转接定位面32与定位块2的转接定位面21一起保证转接后的定位精度：同轴度小于0.05mm，驱动端通过定位面与隔振联轴器1输出端进行周向和端面的定位，螺母拧紧面35使用4个螺钉和驱动螺纹孔34与隔振联轴器1的扭转法兰13连接实现传扭。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于，包括隔振联轴器(1)、转接螺母(3)、定位块(2)；隔振联轴器(1)为管状结构，两端通过扭转法兰(13)分别与齿轮箱输出端(7)、转接螺母(3)端面连接；转接螺母(3)未连接隔振联轴器(1)一端的端面中心处开有变孔径的盲孔，靠近端面一段的孔径大于内侧一段的孔径；定位块(2)小端卡入涡轮泵转子(4)中心轴处的转子末端定位内孔(5)内，大端卡入转接螺母(3)盲孔内，与孔径小的一段盲孔配合；转接螺母(3)大孔径段盲孔与转子末端定位内孔(5)凸出涡轮泵转子(4)端面的外壁配合，实现与涡轮泵转子(4)的连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于：所述转接螺母(3)为圆柱结构，转接螺母(3)内的盲孔的不同孔径两段间连接处有退刀槽，靠近端面一段的盲孔内壁有螺纹，转接螺母(3)与隔振联轴器(1)的扭转法兰(13)配合的端面中部有凸台，凸台与隔振联轴器(1)端部凹槽配合。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于：所述隔振联轴器(1)外壁上有去重区(11)，去重区(11)的壁厚为3mm，隔振联轴器(1)上除去重区(11)外的壁厚为2mm。

4.根据权利要求3所述的一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于：所述隔振联轴器(1)两端法兰的端面与轴线的垂直度为0.01mm，周向定位面与轴线的同轴度为0.01mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于：所述定位块(2)由两个直径不同的圆柱组成，两段圆柱之间连接处有退刀槽，定位块(2)上有沿轴线的拆卸螺纹通孔(23)。

6.根据权利要求5所述的一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于：所述定位块(2)上与涡轮泵转子(4)配合的圆柱面与定位块(2)轴线的同轴度为0.01mm，与转子末端定位内孔(5)为过盈配合，过盈量为0.02～0.04mm。

7.根据权利要求6所述的一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于：所述定位块(2)上与转接螺母(3)配合的圆柱面与定位块(2)轴线的同轴度为0.01mm，与转接螺母(3)为间隙配合，间隙量为0.01～0.02mm。

8.根据权利要求1或2所述的一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于：所述隔振联轴器(1)或转接螺母(3)或定位块(2)材料为钛合金。

9.根据权利要求1或2所述的一种用于高转速涡轮泵转子的高速动平衡隔振联接装置，其特征在于：所述隔振联轴器(1)的长度与管状部位的直径的比值为14。