CN110094236A - 一种氦气涡轮机轴系结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氦气涡轮机轴系结构，包括：压气机轴端螺母、氦气压气机一级叶轮、气机端氦气动压气浮径向轴承、氦气动压气浮止推轴承、中心轴、涡轮端氦气动压气浮径向轴承、平键、动力涡轮转子和涡轮轴端螺母；动力涡轮转子经平键和涡轮轴端螺母固定在中心轴一侧；氦气压气机一级叶轮经压气机轴端螺母固定在中心轴另一侧；压气机端氦气动压气浮径向轴承和涡轮端氦气动压气浮径向轴承位于动力涡轮转子和氦气压气机一级叶轮之间，以支撑中心轴；氦气动压气浮止推轴承固定在压气机端氦气动压气浮径向轴承远离氦气压气机一级叶轮的一侧。本发明结构简单可靠、轴向力可控，满足小型化和高速需求。

Description

一种氦气涡轮机轴系结构
技术领域
本发明属于预冷空气涡轮火箭发动机技术领域，尤其涉及一种氦气涡轮机轴系结构。
背景技术
在预冷空气涡轮火箭发动机中，氦气作为冷却介质在密闭系统中循环工作，氦气涡轮机为其提供循环动力。飞行器要求发动机具有高推重比、高可靠性，使得氦气涡轮机的空间尺寸和结构重量受到了严格的约束，氦气涡轮机须以高转速工作。发动机在空中工作时氦气无法补充，要求氦气在涡轮机中高度密封、无污染，涡轮机轴系支撑须采用无润滑轴承。
高转速、无润滑、长时间工作的轴系需采用非接触式轴承支撑，而通常非接触式轴承承载轴向力的能力非常有限，是小型高速氦气涡轮机轴系设计的一个难点。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种氦气涡轮机轴系结构，结构简单可靠、轴向力可控，满足小型化和高速需求。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种氦气涡轮机轴系结构，包括：压气机轴端螺母(1)、氦气压气机一级叶轮(2)、压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)、氦气动压气浮止推轴承(4)、中心轴(5)、涡轮端氦气动压气浮径向轴承(6)、平键(7)、动力涡轮转子(8)和涡轮轴端螺母(9)；
动力涡轮转子(8)经平键(7)和涡轮轴端螺母(9)固定在中心轴(5)一侧；
氦气压气机一级叶轮(2)经压气机轴端螺母(1)固定在中心轴(5)另一侧；
压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)和涡轮端氦气动压气浮径向轴承(6)位于动力涡轮转子(8)和氦气压气机一级叶轮(2)之间，以支撑中心轴(5)；
氦气动压气浮止推轴承(4)固定在压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)远离氦气压气机一级叶轮(2)的一侧。
在上述氦气涡轮机轴系结构中，还包括：氦气压气机二级叶轮(10)；
氦气压气机二级叶轮(10)设置在中心轴(5)上，位于氦气压气机一级叶轮(2)和动力涡轮转子(8)之间。
在上述氦气涡轮机轴系结构中，
压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)位于氦气压气机一级叶轮(2)和氦气压气机二级叶轮(10)之间；
涡轮端氦气动压气浮径向轴承(6)位于动力涡轮转子(8)和氦气压气机二级叶轮(10)之间；
氦气动压气浮止推轴承(4)位于压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)和氦气压气机二级叶轮(10)之间。
在上述氦气涡轮机轴系结构中，动力涡轮转子(8)采用冲击式设计，进口气流方向从涡轮端指向压气机端，沿轴向进气、轴向排气。
在上述氦气涡轮机轴系结构中，氦气压气机一级叶轮(2)进口气流方向从压气机端指向涡轮端，沿轴向进气、径向排气。
在上述氦气涡轮机轴系结构中，氦气压气机二级叶轮(10)进口气流方向从涡轮端指向压气机端，沿轴向进气、径向排气。
在上述氦气涡轮机轴系结构中，氦气压气机一级叶轮(2)，包括：密封篦齿(13)和氦气压气机一级叶轮中心孔(15)；
密封篦齿(13)设置在氦气压气机一级叶轮(2)背部靠近叶顶区域；
氦气压气机一级叶轮中心孔(15)位于氦气压气机一级叶轮(2)的轴线上；其中，氦气压气机一级叶轮中心孔(15)由六方孔(11)和圆柱孔(12)两部分组成；六方孔(11)与中心轴(5)相应位置的外六方段相配合，圆柱孔(12)与中心轴(5)相应位置的圆柱段相配合。
在上述氦气涡轮机轴系结构中，密封篦齿(13)的齿顶间隙在静止状态下为0.02mm，齿数为3-8个；其中，密封篦齿(13)的齿顶间隙是指：密封篦齿(13)的齿顶与设置在第一级压气机壳体上的密封静环之间的轴向距离。
在上述氦气涡轮机轴系结构中，氦气压气机一级叶轮中心孔(15)在距离氦气压气机一级叶轮(2)进口端面6mm的范围内为六方孔(11)，氦气压气机一级叶轮中心孔(15)的其余部分为圆柱孔(12)。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用氦气压气机二级叶轮中置、压气机两级叶轮“背对背”设计的结构方案，作用于压气机一级叶轮上、从涡轮端指向压气机端的轴向力可在很大程度上抵消作用于压气机二级叶轮和中心轴凸肩上、从压气机端指向涡轮端的轴向力，可有效降低作用于轴系的轴向力水平。
(2)本发明在氦气压气机一级叶轮背部设置有密封篦齿，通过调整篦齿的齿数和齿顶间隙(齿顶与设置在壳体上的密封静环之间的轴向距离)可控制轴系的轴向力大小，使其位于氦气动压气浮止推轴承的承载范围之内，结构简单有效。
(3)本发明采用两个氦气动压气浮径向轴承支撑轴系、采用氦气动压气浮止推轴承承载轴向力，在工作过程中轴承内外环不接触，无生热，无需润滑，在保证氦气清洁的前提下涡轮机可长时间高转速工作。
(5)本发明采用冲击式动力涡轮设计，由于冲击式涡轮转子进出口压力相等，在涡轮机变工况工作中涡轮转子的轴向力基本不变(接近零轴向力)，使得轴系轴向力的变化幅度减小。
(6)本发明的轴系结构在涡轮机变工况工作过程中具有轴向力自平衡的特性，提高了涡轮机变工况工作的安全性：当涡轮机变工况工作轴系发生微小位移时，氦气压气机一级叶轮背部密封篦齿的齿顶间隙将发生变化，相应地氦气压气机一级叶轮背部压力发生变化，使得作用于氦气压气机一级叶轮上的轴向力相应地增大或减小，从而阻止了轴系的位移趋势。
附图说明
图1是本发明实施例中一种氦气涡轮机轴系结构的剖面图；
图2是本发明实施例中一种氦气压气机一级叶轮的结构示意图；
图3是本发明实施例中一种冲击式涡轮叶栅结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
参照图1，示出了本发明实施例中一种氦气涡轮机轴系结构的剖面图。在本实施例中，该氦气涡轮机轴系结构可用于预冷空气涡轮火箭发动机，可满足100000r/min以上氦气涡轮机轴系设计需求。
该氦气涡轮机轴系结构具体可以包括：压气机轴端螺母1、氦气压气机一级叶轮2、压气机端氦气动压气浮径向轴承3、氦气动压气浮止推轴承4、中心轴5、涡轮端氦气动压气浮径向轴承6、平键7、动力涡轮转子8和涡轮轴端螺母9。
如图1，动力涡轮转子8经平键7和涡轮轴端螺母9固定在中心轴5一侧；氦气压气机一级叶轮2经压气机轴端螺母1固定在中心轴5另一侧；压气机端氦气动压气浮径向轴承3和涡轮端氦气动压气浮径向轴承6位于动力涡轮转子8和氦气压气机一级叶轮2之间，以支撑中心轴5；氦气动压气浮止推轴承4固定在压气机端氦气动压气浮径向轴承3远离氦气压气机一级叶轮2的一侧。
在本发明的一优选实施例中，该氦气涡轮机轴系结构，还可以包括：氦气压气机二级叶轮10。其中，氦气压气机二级叶轮10设置在中心轴5上，位于氦气压气机一级叶轮2和氦气压气机一级叶轮2之间；压气机端氦气动压气浮径向轴承3位于氦气压气机一级叶轮2和氦气压气机二级叶轮10之间；涡轮端氦气动压气浮径向轴承6位于动力涡轮转子8和氦气压气机二级叶轮10之间；氦气动压气浮止推轴承4位于压气机端氦气动压气浮径向轴承3和氦气压气机二级叶轮10之间。
在本发明的一优选实施例中，如图2，氦气压气机一级叶轮2具体可以包括：密封篦齿13和氦气压气机一级叶轮中心孔15。其中，密封篦齿13设置在氦气压气机一级叶轮2背部靠近叶顶区域；氦气压气机一级叶轮中心孔15位于氦气压气机一级叶轮2的轴线上。
优选的，氦气压气机一级叶轮中心孔15由六方孔11和圆柱孔12两部分组成；六方孔11与中心轴5相应位置的外六方段相配合，圆柱孔12与中心轴5相应位置的圆柱段相配合。
优选的，密封篦齿13的齿顶间隙在静止状态下为0.02mm，齿数为3-8个；以调节氦气压气机一级叶轮2背部压力，从而将轴向力控制在氦气动压气浮止推轴承4的承载范围内。其中，密封篦齿13的齿顶间隙是指：密封篦齿13的齿顶与设置在壳体上的密封静环之间的轴向距离。
优选的，氦气压气机一级叶轮中心孔15在距离氦气压气机一级叶轮2进口端面6mm的范围内为六方孔11，氦气压气机一级叶轮中心孔15的其余部分为圆柱孔12；六方孔11与中心轴5相应位置的外六方段相配合用于传递扭矩，圆柱孔12与中心轴5相应位置的圆柱段相配合用于同轴定位，满足传扭需要，且方便安装。
在本发明的一优选实施例中，动力涡轮转子8采用冲击式设计(如图3所示，动力涡轮转子8采用的冲击式涡轮叶栅)，进口气流方向从涡轮端指向压气机端，沿轴向进气、轴向排气。氦气压气机一级叶轮2进口气流方向从压气机端指向涡轮端，沿轴向进气、径向排气。氦气压气机二级叶轮10进口气流方向从涡轮端指向压气机端，沿轴向进气、径向排气。
工作时，压气机端氦气动压气浮径向轴承3中形成高压气模，使轴系悬浮，相对于静子支撑结构无摩擦高速旋转；氦气动压气浮止推轴承4中形成高压气膜，可提供一定的轴向支撑。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，包括：压气机轴端螺母(1)、氦气压气机一级叶轮(2)、压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)、氦气动压气浮止推轴承(4)、中心轴(5)、涡轮端氦气动压气浮径向轴承(6)、平键(7)、动力涡轮转子(8)和涡轮轴端螺母(9)；
动力涡轮转子(8)经平键(7)和涡轮轴端螺母(9)固定在中心轴(5)一侧；
氦气压气机一级叶轮(2)经压气机轴端螺母(1)固定在中心轴(5)另一侧；
压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)和涡轮端氦气动压气浮径向轴承(6)位于动力涡轮转子(8)和氦气压气机一级叶轮(2)之间，以支撑中心轴(5)；
氦气动压气浮止推轴承(4)固定在压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)远离氦气压气机一级叶轮(2)的一侧。
2.根据权利要求1所述的氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，还包括：氦气压气机二级叶轮(10)；
氦气压气机二级叶轮(10)设置在中心轴(5)上，位于氦气压气机一级叶轮(2)和动力涡轮转子(8)之间。
3.根据权利要求2所述的氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，
压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)位于氦气压气机一级叶轮(2)和氦气压气机二级叶轮(10)之间；
涡轮端氦气动压气浮径向轴承(6)位于动力涡轮转子(8)和氦气压气机二级叶轮(10)之间；
氦气动压气浮止推轴承(4)位于压气机端氦气动压气浮径向轴承(3)和氦气压气机二级叶轮(10)之间。
4.根据权利要求1所述的氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，动力涡轮转子(8)采用冲击式设计，进口气流方向从涡轮端指向压气机端，沿轴向进气、轴向排气。
5.根据权利要求1所述的氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，氦气压气机一级叶轮(2)进口气流方向从压气机端指向涡轮端，沿轴向进气、径向排气。
6.根据权利要求1所述的氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，氦气压气机二级叶轮(10)进口气流方向从涡轮端指向压气机端，沿轴向进气、径向排气。
7.根据权利要求1所述的氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，氦气压气机一级叶轮(2)，包括：密封篦齿(13)和氦气压气机一级叶轮中心孔(15)；
密封篦齿(13)设置在氦气压气机一级叶轮(2)背部靠近叶顶区域；
氦气压气机一级叶轮中心孔(15)位于氦气压气机一级叶轮(2)的轴线上；其中，氦气压气机一级叶轮中心孔(15)由六方孔(11)和圆柱孔(12)两部分组成；六方孔(11)与中心轴(5)相应位置的外六方段相配合，圆柱孔(12)与中心轴(5)相应位置的圆柱段相配合。
8.根据权利要求7所述的氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，密封篦齿(13)的齿顶间隙在静止状态下为0.02mm，齿数为3-8个；其中，密封篦齿(13)的齿顶间隙是指：密封篦齿(13)的齿顶与设置在第一级压气机壳体上的密封静环之间的轴向距离。
9.根据权利要求7所述的氦气涡轮机轴系结构，其特征在于，氦气压气机一级叶轮中心孔(15)在距离氦气压气机一级叶轮(2)进口端面6mm的范围内为六方孔(11)，氦气压气机一级叶轮中心孔(15)的其余部分为圆柱孔(12)。
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