CN1087405A - 叶片式压缩机的转子 - Google Patents

Abstract

一种叶片式压缩机的转子，它包括一中心转轴 (1)、与中心转轴(1)同轴安装的工作叶轮(4，5)，它们 的轮毂(6，7)组成转子的转盘，以及沿转子轴线相互 间固定工作叶轮的装置。在工作叶轮(4，5)的端面之 间并联安装有与轴(1)同轴并可滑动环形件(16)及压 缩弹簧(17)。

本发明的转子主要是用于燃气轮机发动机的轴 流式或离心涡流式的叶片压缩机上。

Description

本发明属于机械制造领域，更确切地说，它涉及一种叶片式压缩机的转子。

本发明能被成功地应用在燃气轮机发动机的轴流式的或离心涡流式的压缩机转子上。

现有技术的叶片式压缩机的转子包括一根中心转轴和至少两个同轴地安装到转轴上、并带有紧固在其轮缘上的若干工作叶片的呈圆盘形的工作叶轮。工作叶轮的轮缘相互间沿端面焊接成为刚性连接，构成转子的转盘。（OPЛOBП.И.“设计基础”Ч.1，1977，M.，C.134-137，puc.65，Bap.8，9）。在组合焊接这种转子转盘的加工过程中，会导致转盘的轮缘产生不均匀剩余变形的大的热应力。在一装配好的转子中，这种变形也导致圆环的重心相对其旋转转轴线产生偏移，在生产工艺中，此结构在焊接后保持各个圆盘间的平衡实际上是不可能的。因此在工作时，不论转子整体是否平衡，但在其结构中由于单个工作叶轮不平衡而产生离心力的作用，该结构自身产生较大的负载。这样就造成转子的变形，使其失去平衡;并且高的旋转频率还会造成转子的损坏。此外，这种焊接结构在进行修理时，比较困难，结果是在一个工作叶轮损坏的情况下便造成整个转子报废。

现今的叶片式压缩机的转子在大多数的情况下都有适合在高转速下工作的结构，以使压缩机体积小、质量小而获得较高的频率。在这种情况下重要的是使转子的自振频率与其转动产生的强迫振动频率不相同。通常由于压缩机转子是在较宽的转速范围内工作，因此应选择其自振频率高于最大转速运转时的振动频率的结构。为此转子要有足够刚度，这时转子的刚度取决于其圆筒部位（由叶轮转盘的轮缘部分组成）及中心转轴的总成刚度。此外，工作叶轮张紧力的大小对转子刚度有最重要的影响。因此，不希望以增加中心转轴质量从而增大其刚度的方法来提高转子刚度，因为中心转轴直径的增加导致工作叶轮转盘中部孔径的增大，其结果会引起工作叶轮强度的下降。

此外，在各工作叶轮间张紧情况下，增大中心转轴直径的情况下会显著减小其伸长量，而该伸长量是与温度变化及作用于转子的机械负荷所引起的变形产生的转轴长度的增加量成正比，这样就产生了转子的不平衡度。

因此，通常采用增加转盘的质量以提高转盘刚度及增加工作叶轮间的压紧力的方法来增加转轴刚性。

此外，现有技术的叶片式压缩机转子包括一中心转轴，至少两个同轴地安装于转轴上的工作叶轮，（其轮缘形成转子的转盘），及各工作叶轮间的沿转子轴线相互固定的装置（CM.M.M马斯莱尼考夫等“直升飞机用的燃气轮机发动机”，“机械制造”（M.），1969，C.261-263，puc.7，18）。所述的转子是离心涡流式的，在轴向部分有五级结构及在压缩机出口处有单级离心式结构。在这种结构的压缩机中，叶轮的固定方式是：用一空心的中心轴，其一端制有螺纹并与离心式工作叶轮的轮毂螺纹连结，而在转轴的另一端有一沿孔径圆周均匀凸出的法兰，用螺钉栓接以确保侧边上的轴向工作叶轮的转盘与法兰的刚性连接。

在这种结构中，转盘质量大，因而具有较大的刚度，以及工作叶轮间有较大压紧力，因此转子的刚度是足够的。

在这种压缩机的工作（转子的转动）过程中，较大的离心力作用在质量较大的转盘上，其离心力的大小是与转子的转速、转盘质量及其外缘距转子轴心线的距离成正比例的。巨大的离心力会引起转子的较大的变形，导致转子出现大的不平衡度并可引起压缩机的损坏。

此外，在具有较大质量转盘的转子结构中转子的转轴有明显的径向跳动量，迫使在工作叶轮的叶片的端部与压缩机定子内表面之间的间隙增大，从而导致压缩机效率下降。

本发明确定的主要任务是创造一种叶片式压缩机转子，其结构特点是尽可能减小转盘及中心转轴的质量以使转子在高转速下减小离心力的影响，并由此提高压缩机的效率和可靠性。

本发明任务的解决方案是，在叶片式压缩机的转子中包括一中心转轴、至少两个同轴地安装到中心转轴上的叶轮，（其轮缘构成了转子的转盘）和沿着转子轴线将工作叶轮相互固定的装置;根据本发明，至少在一对工作叶轮（4，5）端面之间，并联安装与轴（1）同轴的和可相对转轴滑动的一环形件和一压缩弹簧。

在这种方案中，如果转子有至少三个工作叶轮，可在每对相邻的工作叶轮的端面之间安置一环形件及弹簧。

在本方案中还可将两侧边的工作叶轮刚性地固定在转轴上，在两侧边之间设置一与转轴间隙配合的中间叶轮，通过转轴与中间叶轮的转盘间的这个环形空隙并联安装一环形件及一压缩弹簧，使它们的各端面紧抵在两边的工作叶轮的轮毂侧边上。

为了保证工作叶轮的压力在环形件和转子转盘之间有合理的分布，要合理地选择压缩弹簧的刚度，使在叶轮之间有较小的预压力。

根据本发明完成的叶片式压缩机的转子，由于采用环形件连同压缩弹簧的结构，工作叶轮的部分压力通过它们传递，其特点是转盘质量小而刚度大，相应中心转轴的质量和直径也较小。在本转子结构中，由于采用了环形件和弹簧的结构，因此，除了上述特点外，这可在中心转轴和转子转盘在各种温度下产生膨胀变化的情况下都能保持转子有较高的刚度。

下面结合具体实施例及附图的描述来说明本发明的技术方案。

其中：

图1是本发明的一叶片式压缩机转子的半纵剖面图，它仅部分地表示转子的上半部（其下半部与上半部是对称相同的），该方案带有一轴流式的工作叶轮和一离心式的工作叶轮;

图2与图1基本相同，不过该方案中带有两个轴流式的工作叶轮和一个离心式的工作叶轮。

如图1所示，叶片式转子（离心涡流式压缩机）包括一中央空心转轴1，在其一端有环形的止推凸缘2，而在另一端制成螺纹，有一螺母3与其相配。

如本例中所述，转子还包括至少两个同轴地安装在转轴1上的两个工作叶轮4和5，它们分别为轴流式和离心式的叶轮。在此结构中，轴1通过凸缘2和螺母3使叶轮4，5沿着转子的轴线相互间被固定。轴流式工作叶轮4和离心式工作叶轮5相应分别有轮缘6和7，转盘8和9，轮毂10和11，并通过轮毂10和11被径向固定在转轴1上。此外，离心式叶轮5，通过花键连接，周向固定在转轴1上。在工作叶轮4，5之间安置一中间档圈13，它有一包含轮毂15的加强隔板14，直接与离心式叶轮5的端面接触。档圈13通过其端面分别与轮缘6和7相配合，并与它们一起组成转子的转盘。转子的转盘或者可不用挡圈13而由轮缘6和7延展构成，然而这种普通的叶轮轮缘的制作会使叶轮加工工艺复杂化。

在转子转盘的中间并联配置环形件16和压缩弹簧17与转轴1同轴并有配合的间隙，因此可在轮毂10和15之间产生相对滑动。实际上，环形件16及弹簧17是与叶轮4和5的端面相接触。转子的转轴1支承在轴承18和19内，在此情况下，在轴承18和叶轮4的轮毂10之间装置一密封挡圈20。

弹簧17的自由状态长度与环形件16的长度共同确定了它们沿着转轴1的轴线并压装的轮毂10和15端面间的间距。

如果叶片式压缩机转子包含三个或更多的叶轮，则带有弹簧的环形件可以与转轴同轴地安置在每一对相邻叶轮的端面之间（图上未表示）。

然而图2所示代表的用于多级压缩机的转子实例（工作叶轮的数目是三个或更多）。其结构更加简单。

图2所示的叶片式压缩机转子，其中与图1所示实例的差别是在于中心转轴1安置有三个工作叶轮21，22及23;其中的叶轮21和22是轴流式的，而压缩机的出口级的叶轮23是离心式的。叶轮21、22及23的相应的轮缘24、25及26与安装在它们之间的挡圈一起组成转子的转盘。

两侧的工作叶轮21和23紧嵌在转轴1上并与其共同旋转，另一位于它们之间的中间工作叶轮22是松配在转轴1上，在转轴1周围形成环形间隙29。在所述的例子中所安置的环形件30与弹簧31作为一个整体，与转轴1共轴安装，并形成间隙32，它们贯通间隙29并且其一端面与叶轮21的轮毂相配合，而另一端面与叶轮23的轮毂相配合。

图1所述的叶片式压缩机的转子是以下列方式进行工作的。

在转轴1上拧紧螺母3，就开始压缩弹簧17：在转轴一端通过滚动轴承18的内圈、密封圈20、轮毂10、环形件16的力传递给弹簧;在转子另一端，在轮缘6和轮缘7的端面与转盘13的端面推紧到接触时，止推凸缘2顶住轮毂15和轮毂11。在拧上螺母3后，压缩力就这样传递到弹簧17上，再传递到转子轮毂上。因此，弹簧17的刚度要选择得小于转子工作叶轮总的压力，压力分布是一部分通过轮毂10、环形件16、弹簧17、轮毂15和11;另一部分是通过隔板8及叶轮4的轮缘6、转盘13、轮缘7和叶轮5的隔板9传递。并且弹簧17的刚度要这样选择，要使总的轴向的压力的小部分（5%-45%）通过转子转盘来传递。

压缩弹簧17与转子转盘相比具有变化非常柔和的刚性度的特点。在一定转速下转子会出现相对轴承的横向弯曲振动;这时转子转盘受到周期性的拉伸力和压缩力的作用。在拉伸力作用下，由于转盘的刚性突然变化，就明显地减小由转子工作叶轮压紧连接时产生的压应力，导致转盘刚性的减小。而压缩弹簧却相反，它有刚度变化柔和的特点，在转子受到弯曲的横向振动的情况下，可使转子的刚性保持稳定。

由于在转盘内的部分压力实际上是相对较小部分，而恰好作用在弹簧上那一部分力，却是总压力的大部分，因此在横向弯曲振动时，虽然转子的刚性会明显变化，但在此结构中仍能保持足够大，不使其自振频率与转速频率（激发的频率）产生共振。

在拧紧螺母3后，由于端面上的摩擦力作用，可实现工作叶轮4相对挡圈13和工作叶轮5之间的周向固定。

在转子处于频率高的转速下，离心力作用到转子的转盘上-轮缘6、7和挡圈13上。

在外壳上的部分张紧力的减小可允许其制作得较轻，即由于采用了环形件16及弹簧17可在保证转子具有高刚度的安全条件下减小其质量。减小转盘的质量同样地可减小离心力的有害作用及明显地减小转盘的变形，正是这样就保证在高转速下保持转子的平衡性及提高其工作可靠性。

转子的型式是可带两个或更多的逐个分布在每对相邻工作叶轮间的环形件连同弹簧，以更能保证沿着转子长度对不同段的刚度进行最佳选择。

图2所述的一个叶片式压缩机转子实施例是以类似于图1所示的方式工作。其沿着转子的结构件的压力分布状态及弹簧31参数的选择与上述大体上无甚区别。

相对于转子转盘内不大的应力，转子的稳定的高刚度有助于在转子处于工作状态下维持其平衡，以保证压缩机长期无振动地工作，以及由于减小了叶片和定子壳体间的间隙使之具有高效率。

Claims (4)

1、一种叶片式的压缩机转子，它包括一中心轴(1)，至少两个同轴地安装在轴(1)上的其轮缘(6，7)组成转子转盘的工作叶轮(4，5)，以及沿转子轴线相互地固定工作叶轮的装置；其特征在于至少在一对工作叶轮(4，5)的端面之间，并联安装与轴(1)同轴的和可相对滑动的一环形件(16)及一压缩弹簧(17)。

2、如权利要求1所述的叶片式的压缩机转子，其特征在于，它包括至少三个工作叶轮（21，22，23），在此情况下，每一对相邻工作叶轮的端面之间都安置有一环形件和一压缩弹簧。

3、如权利要求1所述的叶片式的压缩机转子，其特征在于它包括至少三个工作叶轮（21，22，23），其中的侧边叶轮紧固在转轴（1）上，在侧边叶轮之间安置一有环形间隙（29）结构的中间工作叶轮（22）;一环形件（30）及一压缩弹簧（31），其各自的端面压靠在侧边叶轮（21，23）的轮毂上，其中的管形件（30）穿过轴（1）和中间工作叶轮（22）之间的环形间隙（29）。

4、如权利要求1、2及3中任何一项所述叶片式的压缩机转子，其特征在于弹簧刚度是根据工作叶轮（4，5）间的给定的较小压力选定。

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