CN108487993B - 一种转子结构及发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子结构及发动机，属于航空发动机设备技术领域。该转子结构，包括压气机和涡轮，还包括传扭轴套、锁紧拉杆；传扭轴套的一端通过第一传动连接部与压气机传动连接，另一端通过第二传动连接部与涡轮传动连接；锁紧拉杆贯穿于传扭轴套中，锁紧拉杆的两端分别与压气机和所述涡轮连接；第一传动连接部和/或第二传动连接部为柔性传动连接部。本发明通过传扭轴套、锁紧拉杆和柔性传动连接部的协同作用，使得涡轮与压气机通过以上三个部件实现柔性连接与传动，在发动机高速转动过程中具有一定的自调整性，可以分别绕自身的轴线旋转，从而降低了对转子各部件的同轴度、装配精度及加工的要求。

Description

一种转子结构及发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机设备技术领域，尤其涉及一种转子结构及发动机。

背景技术

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。而航空发动机的转子结构性能直接影响发动机的性能。

现有技术中，转子结构包括冷端离心式压气机叶轮、转轴和热端涡轮，其中转轴的两端分别连接压气机和涡轮，通过转轴与压气机和涡轮的刚性连接，实现三者的同时转动，即转轴在发动机高速旋转的过程中不仅需要实现与压气机和涡轮连接，还要实现三者的转动，无疑对转轴具有较高的强度要求。

并且，转子结构的两端分别设置有轴承以实现与发动机定子结构的连接。传统转子结构为实现压气机叶轮、转轴和涡轮每分钟10万转以上平稳高速旋转，因此需要压气机与转轴的刚性连接和涡轮与转轴的刚性连接均保持较高的垂直度，即需要保证压气机、转轴和涡轮三者的精准机械加工和装配，才能使得转子结构在高速旋转过程中不会与轴承发生卡死或磨损的现象，这不仅加工时间长、而且对加工设备、操作人员以及加工材料都有较高的要求。尤其转轴较长时，对转轴的强度要求更高，并且转轴的加工难度和加工成本更大。

针对上述问题，亟需设计一种转子结构及发动机，以降低现有技术中转子结构对转子各部件装配精度及加工的要求。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种转子结构，降低了对转子各部件装配精度及加工的要求。

本发明的另一个目的在于提供一种发动机，服役寿命长，加工成本低。

为达上述第一个目的，本发明所采用以下技术方案：

一种转子结构，包括压气机和涡轮，还包括传扭轴套、锁紧拉杆；

所述传扭轴套的一端通过第一传动连接部与所述压气机传动连接，另一端通过第二传动连接部与所述涡轮传动连接；

所述锁紧拉杆贯穿于所述传扭轴套中，所述锁紧拉杆的两端分别与所述压气机和所述涡轮连接；

所述第一传动连接部和/或所述第二传动连接部为柔性传动连接部。

采用这种结构后，通过传扭轴套、锁紧拉杆和柔性传动连接部的协同作用，使得涡轮与压气机通过以上三个部件实现柔性连接与传动，在发动机高速转动过程中具有一定的自调整性，可以分别绕自身的轴线旋转，从而降低了对转子各部件的同轴度、装配精度及加工的要求。

作为上述转子结构的一种优选方案，其特征在于，所述柔性传动连接部包括能够自转的转动体，设置于所述传扭轴套上的第一凹槽，以及设置于所述涡轮或所述压气机的定位孔，所述转动体的一部分置于所述定位孔中，所述转动体未置于所述定位孔的其中一部分位于所述第一凹槽内。

采用这种结构后，涡轮与传扭轴套、以及压气机与传扭轴套之间通过一定数目的转动体传递扭矩，并通过锁紧拉杆张紧。当转子结构高速旋转时，各自轴承支撑的压气机和涡轮在离心力的作用下绕各自轴心旋转，而传扭轴套也在离心力的作用下自动定心旋转，不需要涡轮、压气机和传扭轴套始终保持较高的同轴度，从而避免转子结构由于加工精度或装配精度不满足要求，在高速旋转过程中与轴承卡死的现象发生。

作为上述转子结构的一种优选方案，所述第一凹槽为设置于所述传扭轴套端部的圆弧状槽，并沿所述传扭轴套的轴线向所述传扭轴套内部延伸。

采用这种结构后，使得传扭轴套可以套设于设置有转动体的涡轮或压气机，从而实现通过转动体在涡轮、传扭轴套和压气机之间传递扭矩。

作为上述转子结构的一种优选方案，所述涡轮靠近所述传扭轴套的一端设置有第一外伸轴，所述压气机靠近所述传扭轴套的一端设置有第二外伸轴，所述第一外伸轴和所述第二外伸轴均设置有所述定位孔。

作为上述转子结构的一种优选方案，多个所述定位孔沿所述第一外伸轴或所述第二外伸轴周向均匀设置，且所述第一凹槽位于所述传扭轴套上与所述定位孔对应的位置。

采用这种结构后，可以使得转子结构在高速转动过程中始终保持动平衡。

作为上述转子结构的一种优选方案，所述第一外伸轴和所述第二外伸轴为空心轴，所述定位孔与所述第一外伸轴内部或所述第二外伸轴内部连通，设置于所述定位孔中的所述转动体能与穿设于所述第一外伸轴或所述第二外伸轴内的所述锁紧拉杆抵接。

采用这种结构后，可以避免传扭轴套与第一外伸轴或第二外伸轴进行连接时对转动体造成的摩擦损害，同时通过锁紧拉杆抵接再将转动体与第一凹槽，即传扭轴套接触，实现转子结构通过转动体传递扭矩。

作为上述转子结构的一种优选方案，所述锁紧拉杆包括第一锁紧拉杆和第二锁紧拉杆，所述第一锁紧拉杆的一端与所述第一外伸轴连接，另一端与所述第二锁紧拉杆连接，所述第二锁紧拉杆连未接所述第一锁紧拉杆的一端贯穿所述压气机并与锁紧螺母连接。

采用这种结构，降低了锁紧拉杆的加工难度。

作为上述转子结构的一种优选方案，所述第二锁紧拉杆与所述第一锁紧拉杆连接的一端设置有压气机抵接部，所述压气机抵接部的外周面抵接置于所述定位孔中的所述转动体，所述压气机抵接部的内周面与所述第一锁紧拉杆连接。

采用这种结构后，不仅可以实现对转动体的抵接，而且还能与第一锁紧拉杆连接，结构简单。

作为上述转子结构的一种优选方案，所述锁紧拉杆与所述第一外伸轴连接的一端设置有卡爪，所述第一外伸轴对应设置有卡合部，所述卡爪与所述卡合部卡接。

采用这种结构后，通过第一锁紧拉杆的一端设置卡爪，且卡爪与卡合部配合，使得转子结构无论正转还是反转均能保持连接。

一种发动机，包括上述的转子结构。

采用这种结构后，可以使得发动机的服役寿命长，加工成本低。

本发明的有益效果：

通过传扭轴套、锁紧拉杆和柔性传动连接部的协同作用，使得涡轮与压气机通过以上三个部件实现柔性连接与传动，在发动机高速转动过程中具有一定的自调整性，可以分别绕自身的轴线旋转，从而降低了对转子各部件的同轴度、装配精度及加工的要求。

此外，本发明通过将转子结构应用于发动机，降低加工成本同时，还可以延长发动机的服役寿命。

附图说明

图1是本发明提供的转子结构的剖面示意图；

图2是本发明提供的传扭轴套的剖面示意图；

图3是本发明提供的压气机的剖面示意图；

图4是本发明提供的涡轮结构示意图

图5是图4中的B处放大示意图；

图6是本发明提供的第一锁紧拉杆的结构示意图；

图7是本发明提供的第二锁紧拉杆的结构示意图；

图8是图3中的A处放大示意图。

图中：

1、压气机；11、第二外伸轴；

2、涡轮；21、第一外伸轴；22、卡合部；221、第一导轨；222、第二导轨；223、卡槽；

3、传扭轴套；31、第一凹槽；

4、锁紧拉杆；41、第一锁紧拉杆；411、涡轮抵接部；4111、卡爪；412、第一连接杆；42、第二锁紧拉杆；421、压气机抵接部；422、第二连接杆；

5、转动体；6、定位孔；61、圆柱孔；62、弧形孔；

7、锁紧螺母。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

本实施例公开了一种转子结构，如图1所示。该转子结构包括压气机1、涡轮2、传扭轴套3和锁紧拉杆4。其中传扭轴套3的一端通过第一传动连接部与压气机1传动连接，另一端通过第二传动连接部与涡轮2传动连接；锁紧拉杆4贯穿于传扭轴套3中，锁紧拉杆4的两端分别与压气机1和涡轮2连接；第一传动连接部和/或第二传动连接部为柔性传动连接部。柔性传动连接部包括能够自转的转动体5，设置于传扭轴套3上的第一凹槽31，以及设置于涡轮2或所述压气机1的定位孔6，转动体5的一部分置于定位孔6中，转动体5未置于定位孔6的其中一部分位于第一凹槽31内。这样，通过传扭轴套3、锁紧拉杆4和柔性传动连接部的协同作用，使得涡轮2与压气机1通过以上三个部件实现柔性连接与传动，在发动机高速转动过程中具有一定的自调整性，可以分别绕自身的轴线旋转，从而降低了对转子各部件的同轴度、装配精度及加工的要求。

具体的，如图2所示，传扭轴套3为空心结构，内部且位于传扭轴套3长度方向的中间部分还可以设置有增压叶片，内部的两端端部均设置有第一凹槽31，多个第一凹槽31沿传扭轴套3的内壁周向均匀分布。其中，第一凹槽31为圆弧状槽，并且第一凹槽31沿传扭轴套3的轴线方向向传扭轴套3内部延伸。

如图3所示，压气机1靠近传扭轴套3的一侧设置有第二外伸轴11，第二外伸轴11周向均匀设置有多个用于放置转动体5的定位孔6。

如图4所示，涡轮2靠近传扭轴套3的一侧设置有第一外伸轴21，第一外伸轴21周向设置有多个用于放置转动体5的定位孔6和用于卡接锁紧拉杆4的卡合部22，且定位孔6沿第一外伸轴21周向均匀设置。多个定位孔6均匀的设置于第一外伸轴21周向和第二外伸轴11周向是为了使第一外伸轴21与传扭轴套3、以及第二外伸轴11与传扭轴套3之间通过转动体5均匀地传动扭矩。具体的，如图5所示，卡合部22包括第一导轨221、第二导轨222和卡槽223，其中第一导轨221设置于第一外伸轴21的端部，并且沿着第一外伸轴21轴线向远离传扭轴套3方向延伸，卡槽223与第一导轨221平行，并沿第一外伸轴21轴线向传扭轴套3方向延伸，且卡槽223延伸的长度小于第一导轨221延伸的长度，第二导轨222沿第一外伸轴21的周向设置，且第二导轨222的两端分别连通第一导轨221和卡槽223。

锁紧拉杆4包括第一锁紧拉杆41和第二锁紧拉杆42，这样可以降低锁紧拉杆4的加工难度。

如图6所示，第一锁紧拉杆41包括涡轮抵接部411和第一连接杆412，涡轮抵接部411伸入第一外伸轴21内，并且在涡轮抵接部411周向设置有多个卡爪4111；第一连接杆412用于伸入传扭轴套3，且第一连接杆412未设置涡轮抵接部411的一端与第二锁紧拉杆42连接。

如图7所示，第二锁紧拉杆42包括压气机抵接部421和第二连接杆422，压气机抵接部421的伸入第二外伸轴11内，并且压气机抵接部421为中空结构，第一锁紧拉杆41的第一连接杆412与压气机抵接部421螺纹连接，第二连接杆422穿设于压气机1内，且第二连接杆422未设置压气机抵接部421的一端穿过压气机1与锁紧螺母7连接。

通过将锁紧拉杆4设置为第一锁紧拉杆41和第二锁紧拉杆42，并且在第一锁紧拉杆41上设置涡轮抵接部411，及在第二锁紧拉杆42上设置压气机抵接部421，一方面降低了锁紧拉杆4的加工难度，另一方面避免一根锁紧拉杆4的直径整体与需要设置的压气机抵接部421和涡轮抵接部411的直径相同，从而减轻了锁紧拉杆4重量；同时，避免了在同一锁紧拉杆4上设置压气机抵接部411和涡轮抵接部421使得直径较大和直径较小的连接处产生较大的集中应力，以致锁紧拉杆4在转子结构的高速旋转过程中无法满足强度要求的现象发生。

另外，本实施例中转动体5可以为圆柱状、椭圆球状圆环结构等任意结构。本实施例中优选钢球球体结构作为转动体5。钢球球体是成熟的标准件，圆度和硬度都能得到保证，而且成本可控；钢球球体与第一凹槽31的接触很容易达到面接触，避免点接触而产生应力集中，并且定位孔6通过挤压钢球把扭矩传给设置有第一凹槽31的传动轴，并且，第一凹槽31和定位孔6通过转动体5的配合，削弱了传扭轴套3与压气机1，及传扭轴套3与涡轮2接触的刚性，使扭矩的传递更加平稳，受力更加匀称。

如图8所示，定位孔6包括圆柱孔61和弧形孔62，圆柱孔61设置于第一外伸轴21或第二外伸轴11的外壁上，并和弧形孔62相互连通，弧形孔62与第一外伸轴21或第二外伸轴11的内部连通。当球体放置于定位孔6中，涡轮抵接部411伸入第一外伸轴21内，通过涡轮抵接部411抵接球体，使得球体与第一凹槽31接触，同理压气机抵接部421与第二外伸轴11的球体接触，使得传扭轴套3与第二外伸轴11套设。

其中，第一锁紧拉杆41和第一外伸轴21的卡接过程为，第一锁紧拉杆41沿第一外伸轴21轴线靠近涡轮2，涡轮抵接部411先进入第一外伸轴21内，然后设置于涡轮抵接部411上的卡装沿第一导轨221进入，然后沿着第二导轨222的方向转动，直到卡爪4111完全进入卡槽223。这样无论转子结构正转还是反转，锁紧拉杆4始终与第一外伸轴21卡接。当然，本发明对卡爪4111和卡槽223的具体结构不做任何限定，只需满足锁紧拉杆4与涡轮2的刚性连接即可。

本实施例涡轮与传扭轴套、以及压气机与传扭轴套之间通过一定数目的转动体传递扭矩，并通过锁紧拉杆张紧。当转子结构高速旋转时，各自轴承支撑的压气机和涡轮在离心力的作用下绕各自轴心旋转，而传扭轴套也在离心力的作用下自动定心旋转，不需要涡轮、压气机和传扭轴套始终保持较高的同轴度，从而避免转子结构由于加工精度或装配精度不满足要求，在高速旋转过程中与轴承卡死的现象发生。

此外，本实施例还公开了一种发动机，包括上述转子结构。采用这种结构后，可以使得发动机的服役寿命长，加工成本低。

本实施例还公开了一种转子结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、根据发动机的转子结构的功能要求，确定压气机1、涡轮2和传功轴套3的主体尺寸；

步骤2、根据传扭轴套3与涡轮2的装配要求，设计第一外伸轴21，以及根据涡轮2与锁紧拉杆4的装配要求，设置卡合部22；

步骤3、根据传扭轴套3与压气机1的装配要求，设计第二外伸轴22；

步骤4、根据传扭要求，设置第一外伸轴21和第二外伸轴11上的定位孔6，以及设置传扭轴套3上的第一凹槽；

步骤5、根据涡轮2、压气机1和传扭轴套3之间的装配要求设置锁紧拉杆4；

步骤6、完成压气机1、涡轮2、传扭轴套3和锁紧拉杆4的设计，根据要求选用标准件钢球完成三维模型设计；

步骤7、在三维模型的理论轮廓上增加增材制造技术的工艺余量后，通过增材制造技术进行生产；

步骤8、经过增材制造获得的锁紧拉杆4通过机加工处理保证装配所需要的螺纹；以及传扭轴套3通过机加工处理保证与轴承装配所需的尺寸精度。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种转子结构，包括压气机(1)和涡轮(2)，其特征在于，还包括传扭轴套(3)、锁紧拉杆(4)；

所述传扭轴套(3)的一端通过第一传动连接部与所述压气机(1)传动连接，另一端通过第二传动连接部与所述涡轮(2)传动连接；

所述锁紧拉杆(4)贯穿于所述传扭轴套(3)中，所述锁紧拉杆(4)的两端分别与所述压气机(1)和所述涡轮(2)连接；

所述第一传动连接部和/或所述第二传动连接部为柔性传动连接部；

所述柔性传动连接部包括能够自转的转动体(5)，设置于所述传扭轴套(3)上的第一凹槽(31)，以及设置于所述涡轮(2)或所述压气机(1)的定位孔(6)，所述转动体(5)的一部分置于所述定位孔(6)中，所述转动体(5)未置于所述定位孔(6)的其中一部分位于所述第一凹槽(31)内。

2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述第一凹槽(31)为设置于所述传扭轴套(3)端部的圆弧状槽，并沿所述传扭轴套(3)的轴线向所述传扭轴套(3)内部延伸。

3.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述涡轮(2)靠近所述传扭轴套(3)的一端设置有第一外伸轴(21)，所述压气机(1)靠近所述传扭轴套(3)的一端设置有第二外伸轴(11)，所述第一外伸轴(21)和所述第二外伸轴(11)均设置有所述定位孔(6)。

4.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，多个所述定位孔(6)沿所述第一外伸轴(21)或所述第二外伸轴(11)周向均匀设置，且所述第一凹槽(31)位于所述传扭轴套(3)上与所述定位孔(6)对应的位置。

5.根据权利要求3或4所述的转子结构，其特征在于，所述第一外伸轴(21)和所述第二外伸轴(11)为空心轴，所述定位孔(6)与所述第一外伸轴(21)内部或所述第二外伸轴(11)内部连通，设置于所述定位孔(6)内的所述转动体(5)能与穿设于所述第一外伸轴(21)或所述第二外伸轴(11)内的所述锁紧拉杆(4)抵接。

6.根据权利要求5所述的转子结构，其特征在于，所述锁紧拉杆(4)包括第一锁紧拉杆(41)和第二锁紧拉杆(42)，所述第一锁紧拉杆(41)的一端与所述第一外伸轴(21)连接，另一端与所述第二锁紧拉杆(42)连接，所述第二锁紧拉杆(42)未连接所述第一锁紧拉杆(41)的一端贯穿所述压气机(1)并与锁紧螺母(7)连接。

7.根据权利要求6所述的转子结构，其特征在于，所述第二锁紧拉杆(42)与所述第一锁紧拉杆(41)连接的一端设置有压气机抵接部(421)，所述压气机抵接部(421)的外周面抵接置于所述定位孔(6)中的所述转动体(5)，所述压气机抵接部(421)的内周面与所述第一锁紧拉杆(41)连接。

8.根据权利要求3所述的转子结构，其特征在于，所述锁紧拉杆(4)与所述第一外伸轴(21)连接的一端设置有卡爪，所述第一外伸轴(21)对应设置有卡合部(22)，所述卡爪与所述卡合部(22)卡接。

9.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的转子结构。

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