CN109538302B - 涡轮转子结构和涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮转子结构，包括：涡轮轴，涡轮轴的外周面上设有止口，止口的轴心线与涡轮轴的轴心线重合；叶轮盘，包括中心孔，中心孔的内壁上设有与止口配合的反止口，反止口的轴心线与叶轮盘的轴心线重合；叶轮盘的中心孔套设于涡轮轴上，通过止口与反止口定位并固定连接。本发明涡轮转子结构的涡轮轴和叶轮盘同轴度高，密封性能好，且高转速下不存在弯曲刚度损失，加工装配简单。

Description

涡轮转子结构和涡轮发动机

技术领域

本发明涉及包装技术领域，具体而言，涉及一种涡轮转子结构和涡轮发动机。

背景技术

涡轮转子是涡轮发动机的核心部件，包括涡轮轴、叶片、盘、轴承等零部件。叶轮和涡轮轴必须高精度地设置在同一旋转轴线上，尤其是在将它们连接在一起时更要保证连接精度，即需防止叶轮和涡轮轴的旋转轴线发生偏离。

目前，涡轮转子结构中有很多盘盘、盘轴连接结构，这些连接结构广泛采用圆弧端齿传扭、中心拉杆轴向压紧的形式，其示意图如图1所示，一级叶轮盘与涡轮轴通过第一端齿定心、传扭，一级叶轮盘与二级叶轮盘通过第二端齿定心、传扭，二级叶轮盘与转接轴通过第三端齿定心，然后通过中心拉杆将它们拉紧。

端齿具有良好的定心效果，但是端齿间的封严较为困难，端齿间气体泄漏会造成性能损失。另一方面，圆弧端齿传扭、中心拉杆轴向压紧的连接结构为典型非连续结构，同轴度难达到较高标准，而且在高转速下弯曲刚度损失较大，对转子弯曲临界转速影响很大，振动加大，影响稳定性和安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮转子结构和涡轮发动机，解决现有转子结构同轴度不高且密封效果不好的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种涡轮转子结构，包括：

涡轮轴，所述涡轮轴的外周面上设有止口，所述止口的轴心线与所述涡轮轴的轴心线重合；

叶轮盘，包括中心孔，所述中心孔的内壁上设有与所述止口配合的反止口，所述反止口的轴心线与所述叶轮盘的轴心线重合；

所述叶轮盘的中心孔套设于所述涡轮轴上，通过所述止口与反止口定位并固定连接。

本发明的进一步改进在于：

在本发明一种示例性实施方式中，所述叶轮盘的数量为多个，且沿所述涡轮轴的轴向分布；所述涡轮轴上的止口数量与所述叶轮盘的数量相等，且沿所述涡轮轴的轴向分布；所述涡轮轴和多个所述叶轮盘通过所述止口与反止口一一对应地定位并固定连接。

在本发明一种示例性实施方式中，所述涡轮轴包括第一端和第二端，每相邻的两个所述止口中，靠近所述第一端的止口直径大于靠近所述第二端的止口直径。

在本发明一种示例性实施方式中，所述涡轮轴的止口与所述叶轮盘的反止口之间为过盈配合。

在本发明一种示例性实施方式中，所述涡轮轴的止口与所述叶轮盘的反止口之间通过螺栓固定连接，所述螺栓固定连接的螺母为自锁螺母。

在本发明一种示例性实施方式中，所述自锁螺母包括相互连通的螺纹端和伸出端，所述伸出端的外径向远离所述螺纹端的方向逐渐增大；所述止口具有沿轴向贯通的安装孔，所述安装孔的内壁形状与所述伸出端的外周面形状匹配，所述伸出端卡接于所述安装孔内；所述螺栓穿过所述安装孔和所述自锁螺母的伸出端，并与所述螺纹端螺纹连接。

在本发明一种示例性实施方式中，所述涡轮轴的外周面上还设有封严篦齿。

在本发明一种示例性实施方式中，所述涡轮轴上设置有减重孔。

在本发明一种示例性实施方式中，所述涡轮转子结构还包括：轴承，所述轴承安装于所述涡轮轴上，用于固定所述涡轮轴。

根据本发明的一个方面，提供一种涡轮发动机，包括以上任一项所述的涡轮转子结构。

本发明在涡轮轴外周上设置止口，叶轮盘中心孔内壁设置反止口，二者通过止口和反止口配合定位并连接。其有益效果是，一方面，使涡轮轴和叶轮盘达到较高的同轴度，其叶尖跳动良好，保证了较好的转动性能。另一方面，减少了传统连接方式盘盘、盘轴泄漏损失，有助于提高密封性能，进而保证涡轮转子优良的转动性能，延长使用寿命。再一方面，由于用连续结构代替了传统的非连续结构，高转速下不存在弯曲刚度损失，不影响转子弯曲临界转速。同时，该结构连接位点的数量和零件数量较少，且不需要加工端齿，也不需要使用专用工装即可完成装配，安装简单，也大幅降低加工成本和装配成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统涡轮转子结构示意图；

图2为传统圆弧端齿啮合示意图；

图3为传统涡轮转子结构不平衡时的结构示意图；

图4为本发明涡轮轴和叶轮盘连接示意图；

图5为本发明叶轮盘结构示意图；

图6为本发明涡轮转子结构示意图；

图7为图6中C部的局部放大示意图；

图8为本发明涡轮转子结构加工示意图。

图中：1、涡轮轴；2、叶轮盘；3、止口；4、反止口；5、中心孔；6、螺栓；7、自锁螺母；8、安装孔；9、封严篦齿；10、球轴承；11、棒轴承；12、第一端齿；13、第二端齿；14、第三端齿；15、转接轴；16、中心拉杆；17、减重孔；

21、一级叶轮盘；22、二级叶轮盘；31、第一止口；32、第二止口；41、第一反止口；42、第二反止口；71、螺纹端；72、伸出端。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

相关技术中，如图1所示，涡轮转子结构普遍采用圆弧端齿传扭、中心拉杆轴向压紧的连接形式，涡轮轴1与一级叶轮盘21通过第一端齿12定心、传扭，一级叶轮盘21与二级叶轮盘22通过第二端齿13定心、传扭，二级叶轮盘22与转接轴15通过第三端齿14定心，通过中心拉杆16将它们拉紧。球轴承10安装在涡轮轴1一端，棒轴承11安装在转接轴15上。

通过圆弧端齿不仅能够实现扭矩传递，而且能实现两零件间的相互定心。但是端齿啮合后齿底会存在间隙，导致此处封严较为困难，气体泄漏会使效率下降。另外，端齿连接结构在在高转速下出现局部弯曲变形时，表现为一侧压紧，而另一侧张开，如图2所示，由此会导致刚度损失较大，易引发转子振动。再者，带端齿的叶轮盘2装配时需把中心拉杆拉长一段距离再锁紧螺母，需要专用工装才能将叶轮盘2安装上，因此安装成本较高。

另外，由于端齿的加工会存在误差，如图3所示，叶轮盘2通过三对端齿啮合后有可能累积误差较大，造成B基准与A基准同轴度较差，当以A、B基准来检查一、二级盘叶尖跳动时，叶尖跳动有可能超过设计要求，易造成初始不平衡量偏大，此时需要调转叶轮盘2的角向看是否能够减小初始不平衡量；最后，涡轮轴1上的棒轴承11安装在转接轴上，也难以与涡轮轴1、球轴承10、叶轮盘2达到较高的同轴度。因此，整个转子结构的同轴度都不甚理想。

本发明实施方式中提供了一种涡轮转子结构，该转子结构可以作为发动机的真实转子结构，也可以作为测试涡轮转子性能的试验件的结构。

如图4所示，本发明实施方式的涡轮转子结构包括涡轮轴1，涡轮轴1的外周面上设有止口3，止口3的轴心线与涡轮轴1的轴心线重合；涡轮转子结构还包括带有中心孔5的叶轮盘2，叶轮盘2中心孔5的内壁上设有与止口3配合的反止口4，叶轮盘2的中心孔5套设于涡轮轴1上，通过止口3与反止口4定位并固定连接。

本发明的涡轮转子的叶轮盘2直接与涡轮轴1进行连接，通过止口定心定位，利用摩擦力来传递扭矩，一方面，可以保证配合面之间的同轴度、垂直度达到较高标准，因而一、二级叶轮盘与轴装配好后，其叶尖跳动良好，这样动平衡时初始不平衡量较小。另一方面，减少了传统连接方式盘盘、盘轴泄漏损失，密封不严的问题，有助于提高密封性能，进而保证涡轮转子优良的转动性能，延长使用寿命。再一方面，由于用连续结构代替了传统的非连续结构，高转速下不存在弯曲刚度损失，不影响转子弯曲临界转速。同时，该结构取消了盘盘连接，减少了连接位点的数量，减少了零件数量，同时不需要加工端齿，也不需要使用专用工装即可完成装配，安装简单，也大幅降低加工成本和装配成本。

下面对本发明实施方式的涡轮转子结构进行详细说明：

本发明涡轮转子结构中的止口3和反止口4结构是用于定心、连接的结构。一个是凸止口，另一个是凹止口，两者成对出现。凸止口由凸出的短圆柱和端面构成，凹止口由短孔和端面构成。使用时，将凸止口的短圆柱插入凹止口的短孔，并使两者的端面紧贴，即可定心定位。在本发明实施方式中，设置于涡轮轴上的止口3可以是凸止口，也可以是凹止口；相应的，设置于叶轮盘中心孔内壁上的反止口4可以是凹止口，也可以是凸止口。

加工时，涡轮轴上的止口3的轴心线应当与涡轮轴1的轴心线重合，叶轮盘反止口4的轴心线应当与叶轮盘2的轴心线重合。由此二者在配合的时候可以保证较高的同轴度和密封性。

在本发明示例性实施方式中，叶轮盘2的数量为多个，且沿涡轮轴1的轴向分布；涡轮轴上止口3的数量与叶轮盘2的数量相等，且沿涡轮轴1的轴向分布；涡轮轴1和多个叶轮盘2通过止口3与反止口4一一对应地定位并固定连接。所有叶轮盘2均采用止口结构进行定位连接，既能保证叶轮盘2和涡轮轴1之间的同轴度和垂直度，也能保证所有叶轮盘2之间的同轴度和平行度，确保整个转子结构的性能稳定。由于整个轴段为一刚性体，不存在盘盘连接界面，转子结构弯曲时不存在脱开截面，因而不存在弯曲刚度损失情况。

举例而言，如图4、5所示，叶轮盘2包括一级叶轮盘21和二级叶轮盘22，两个叶轮盘2均通过中心孔5套设在涡轮轴1上，且沿涡轮轴1轴向分布。涡轮轴1上安装叶轮盘2的位置处设有第一止口31和第二止口32，一级叶轮盘21的中心孔5内壁上设有对应的第一反止口41，二级叶轮盘22的中心孔5内壁上设有对应的第二反止口42。一级叶轮盘21和涡轮轴1通过第一止口31和第一反止口41定位连接，二级叶轮盘22和涡轮轴1通过第二止口32和第二反止口42定位连接。图*所示的第一止口31和第二止口32均为凸止口，第一反止口41和第二反止口42均为凹止口，如前所述，止口结构可以互换。

本领域技术人员可以理解的是，在其他实施例中，叶轮盘2的个数还可以根据功率需要设置更多的数量，本发明不对此进行特殊限定。

当叶轮盘2数量为多个时，为了便于安装，涡轮轴1上的止口直径依次递减。具体而言，在本发明示例性实施方式中，涡轮轴1包括第一端和第二端，每相邻的两个止口中，靠近第一端的止口直径大于靠近第二端的止口直径。相应的，每相邻的两个叶轮盘2中，靠近第一端的反止口直径大于靠近第二端的反止口直径。如此，可以将叶轮盘2按照中心孔由大到小的顺序依次套进涡轮轴1，固定在对应的止口处，安装方便。

举例而言，如图6所示，以图中涡轮轴1左端为第一端，右端为第二端，第一止口31的直径大于第二止口32，相应的，一级叶轮盘21上第一反止口41的直径大于二级叶轮盘22上第二反止口42的直径。安装叶轮盘2时，先将一级叶轮盘21由右向左套进涡轮轴1，并在第一止口31处固定，然后再将二级叶轮盘22由右向左套进涡轮轴1并固定。由于第二止口32直径较小，所以一级叶轮盘21在装入时不会受到阻挡，可顺利完成安装。

本领域技术人员可以理解的是，图中也可以以右端为第一端，左端为第二端，只要涡轮轴1上的止口直径按照一个方向依次递减即可方便叶轮盘2的安装，本发明不对第一端和第二端的位置进行限定。

为了保证涡轮轴1和叶轮盘2之间止口结构的稳定和密封，在本发明示例性实施方式中，涡轮轴1的止口与叶轮盘2的反止口之间为过盈配合。安装时，通过一定的外力或对叶轮盘中心孔加热膨胀后，把止口压入反止口中。

在本发明示例性实施方式中，参考图6、图7，涡轮轴1的止口上具有沿轴向贯通的安装孔8，涡轮轴1的止口与叶轮盘2的反止口之间通过螺栓6固定连接，以确保涡轮轴1和叶轮盘2之间具有足够的固持力以保证在载荷作用下不发生相对滑动。螺栓6连接个数根据实际需要确定，本发明不对此进行特殊限定。

为了避免叶轮盘2和涡轮轴1之间发生松动，达到一定的抗震效果，螺栓6固定连接的螺母优选自锁螺母7。

进一步地，在本发明示例性实施方式中，自锁螺母7的结构如图7所示，包括相互连通的螺纹端71和伸出端72，伸出端72的外径向远离螺纹端71的方向逐渐增大，呈扩口形状。涡轮轴止口上安装孔8的内壁形状与伸出端72的外周面形状匹配，即安装孔8也具有一段扩口。自锁螺母7的伸出端72卡接于安装孔8内，螺纹端71位于安装孔8外。采用该结构的自锁螺母7，可以提前将自锁螺母7压入安装孔8内，使其卡接在止口上，采用螺栓6连接时，只需将螺栓6穿过安装孔8和自锁螺母的伸出端72，旋转螺栓6与螺纹端71螺纹连接即可。这种安装方式简单，涡轮轴1上安装多个叶轮盘2时，便于在体积较小的叶轮盘2间隙中进行单手操作。

本发明扩口自锁螺母的伸出端72，可通过专业工装可以实现扩口，使之固定在涡轮轴1上，例如可以使用压花齿压入止口的安装孔。这种扩口自锁螺母7可以用于所有止口结构的螺栓连接点，也可以仅用于空隙狭小操作不便的螺栓连接点，本发明不对此进行特殊限定。

在本发明示例性实施方式中，涡轮轴1的外圆周面上还设有封严篦齿9，如图6所示。相应的，在与涡轮转子配合的静子部件上设有与之配合的环形圆柱面，通过减小压力差来减少漏气或漏液损失，以此对涡轮轴1和叶轮盘2进行密封。如图所示，封严篦齿9可以在每一个叶轮盘2的任一侧或者两侧都设置。封严篦齿9的间隙和数量根据封严效率而定，本发明不对此进行特殊限定。

在本发明示例性实施方式中，涡轮轴1上还设置有减重孔17，如图6所示。在不影响涡轮轴1弯曲刚度的前提下，尽可能的降低轴身的重量。减重孔的形状、尺寸和位置可结合涡轮轴自身和减重需要设计，本发明不对此进行特殊限定。

不同于传统轴承需要安装在转接轴上来对涡轮轴1进行支撑固定，由于本发明的涡轮轴1本身为一体结构，因此轴承可直接安装于涡轮轴1上。举例而言，在本发明示例性实施方式中，如图4所示，涡轮轴1包括一球轴承10和一棒轴承11，球轴承10安装于涡轮轴1的第一端(图中左端)，棒轴承11安装于涡轮轴1的第二端(图中右端)靠近叶轮盘2的位置，棒轴承11距离叶轮盘2位置较近可以承受更大的径向载荷。两轴承均直接安装在涡轮轴1上，固定更稳固，且能够承受更多的载荷。当然，本领域人员可以知晓的是，轴承还可以有其他结构和安装位置，本发明在此不一一列举。

本发明涡轮轴加工时，参考图8，用双顶尖夹持涡轮轴，然后砂轮对球轴承配合面、棒轴承配合面、第一止口圆柱面和端面、第二止口圆柱面和端面进行磨削加工，由于这些配合面在同一道工序中完成，配合面之间的同轴度、垂直度非常好，因而一、二级叶轮盘与轴装配好后，其叶尖跳动良好，这样动平衡时初始不平衡量较小。

本发明实施方式还提供一种涡轮发动机，包括以上任一实施例的涡轮转子结构。

本发明涡轮发动机结构可以只包含一个本发明的涡轮转子结构，还可以是包括压缩机、燃烧室、涡轮转子定子组件的任一类型的涡轮发动机，例如涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等。其共同的原理是，流体通过时对叶轮盘施加的力量会带动整个涡轮轴开始转动，进而得以从中心轴输出轴向的扭力。只要是需要利用该原理的涡轮发动机，均可以使用本发明的涡轮转子结构。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (7)

1.一种涡轮转子结构，其特征在于，包括：

涡轮轴，所述涡轮轴的外周面上设有止口，所述止口的轴心线与所述涡轮轴的轴心线重合，所述涡轮轴为一体结构；

叶轮盘，包括中心孔，所述中心孔的内壁上设有与所述止口配合的反止口，所述反止口的轴心线与所述叶轮盘的轴心线重合；

所述叶轮盘的中心孔套设于所述涡轮轴上，通过所述止口与反止口定位并固定连接；

所述涡轮轴的止口与所述叶轮盘的反止口之间为过盈配合；其中，

所述涡轮轴的止口与所述叶轮盘的反止口之间通过螺栓固定连接，所述螺栓固定连接的螺母为自锁螺母；所述自锁螺母包括相互连通的螺纹端和伸出端，所述伸出端的外径向远离所述螺纹端的方向逐渐增大；所述止口具有沿轴向贯通的安装孔，所述安装孔的内壁形状与所述伸出端的外周面形状匹配，所述伸出端卡接于所述安装孔内；所述螺栓穿过所述安装孔和所述自锁螺母的伸出端，并与所述螺纹端螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的涡轮转子结构，其特征在于，所述叶轮盘的数量为多个，且沿所述涡轮轴的轴向分布；所述涡轮轴上的止口数量与所述叶轮盘的数量相等，且沿所述涡轮轴的轴向分布；所述涡轮轴和多个所述叶轮盘通过所述止口与反止口一一对应地定位并固定连接。

3.根据权利要求2所述的涡轮转子结构，其特征在于，所述涡轮轴包括第一端和第二端，每相邻的两个所述止口中，靠近所述第一端的止口直径大于靠近所述第二端的止口直径。

4.根据权利要求1所述的涡轮转子结构，其特征在于，所述涡轮轴的外周面上还设有封严篦齿。

5.根据权利要求1所述的涡轮转子结构，其特征在于，所述涡轮轴上设置有减重孔。

6.根据权利要求1所述的涡轮转子结构，其特征在于，还包括：

轴承，所述轴承安装于所述涡轮轴上，用于固定所述涡轮轴。

7.一种涡轮发动机，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的涡轮转子结构。

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