CN110318812A - 一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子及其制造方法 - Google Patents

一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子及其制造方法，该转子主要由锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴等零部件组成。在完成转子零部件加工的基础上，首先进行涡轮转轴焊接与电机轴装配，其次进行电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配，然后进行连接轴套与电机轴装配以及复合轴套与连接轴套装配，最后进行压气机叶轮与连接轴套、涡轮转轴和锁紧螺母的装配。该转子与轴承接触部位采用陶瓷材料，可以减小转子与轴承之间的摩擦，提高涡轮发电系统的工作寿命与结构可靠性；同时采用涡轮和压气机转轴同电机轴的同轴结构，有助于提高转子的运转稳定性和结构可靠性。

Description

一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子及其制造方法
技术领域
本发明属于闭式循环径流式涡轮发电系统结构设计领域，具体涉及一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子及其制造方法。
背景技术
闭式循环涡轮发电系统作为一种新型高效的热力转化形式，能够借助某种气体工质在闭式环境下通过吸收热量、膨胀做功、放热和压缩等热力过程实现热能向电能的转换。闭式循环径流涡轮发电系统通常主要由涡轮、压气机、电机、回热器、连通管路等部件组成。
闭式循环径流涡轮发电系统的转子包括涡轮与压气机叶轮转子和发电机转子两部分，是闭式循环径流涡轮发电系统中最为核心的部件之一，对系统的稳定运行、热电转换效率、可靠性与寿命起着决定性的作用。现有的闭式循环径流涡轮发电系统的转子主要由涡轮转子、主轴、压气机叶轮、电机轴、联轴器等零部件装配而成。闭式循环径流涡轮发电系统在运转过程中，转子处于高速旋转状态，其转速可达几万转/分钟，有的闭式循环涡轮发电系统的转子转速甚至达到十几万转/分钟，转子结构一旦发生故障，不仅会导致闭式循环系统无法正常工作，而且还会引起闭式循环涡轮发电系统的结构损坏。因此，合理设计转子的结构对于保证闭式涡轮发电系统的可靠性至关重要。
现有的闭式循环径流式涡轮发电系统转子主要包括涡轮转子、主轴、压气机叶轮、电机轴、联轴器等零部件，并借助联轴器通过机械过盈连接实现涡轮与压气机叶轮转子同电机转子之间的连接，具体为：主轴通过其两端内孔分别同涡轮转子轮背凸台和压气机叶轮轮背凸台过盈连接在一起形成动力转轴，然后通过联轴器的两端内孔分别同电机轴一端和压气机叶轮进口端轮毂之间的过盈装配，将动力转轴和电机轴连接在一起，形成完整的转子。现有闭式循环涡轮发电系统转子采用过盈连接结构，虽然可以在一定程度上保证转子各部件之间的同轴度，但是由于转子过盈连接强度取决于各零部件之间的装配尺寸及其公差，对零件装配部位的加工精度提出了很高要求；加之转子在工作过程中受离心载荷的影响，工作时连接部位的过盈量减小，转子的连接强度和刚度得不到有效保证，转子组成零件间易产生松脱，严重影响闭式循环涡轮发电系统的工作可靠性。此外，这类转子加工质量要求高、可重复装配性差。
高可靠性与长寿命是闭式循环径流涡轮发电系统的普遍要求，针对闭式循环径流涡轮发电系统转子和轴承的特点以及使用要求，合理设计转子结构，科学选择转子零部件材料，提高转子运转稳定性，降低启停过程中转子与轴承的磨损，是实现闭式循环涡轮发电系统高可靠性与长寿命的关键。
发明内容
本发明针对闭式循环径流涡轮发电系统转子长寿命与高可靠性需求，提出一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子制造方法。根据闭式循环涡轮发电系统的涡轮叶轮、压气机叶轮和电机的尺寸参数，通过合理设计锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴的结构尺寸以及螺纹装配拧紧力矩。在完成转子零部件加工的基础上，首先分别进行涡轮叶轮与转轴的焊接和电机轴装配，其次进行电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配，然后进行连接轴套与电机轴的装配以及复合轴套与连接轴套的装配，最后进行压气机叶轮与连接轴套、涡轮转轴和锁紧螺母的装配。该转子与轴承接触部位采用陶瓷材料，可以降低转子与轴承之间的摩擦力矩，减小闭式循环涡轮发电系统在启动和停车过程中轴承与转子之间的磨损，提高涡轮发电系统的工作寿命与结构可靠性；同时采用涡轮和压气机转轴同电机轴的同轴结构，可以提高转子的整体刚度，增强涡轮发电系统转子运转的稳定性。
本发明的技术方案：
一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子结构，包括锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴。所述锁紧螺母装配在靠近压气机一端的涡轮转轴上；所述压气机叶轮有中心通孔，所述压气机叶轮上有同连接轴套内螺纹相装配的外螺纹，所述压气机叶轮的外螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述复合轴套上有同轴向轴承配合的环形端面，所述复合轴套上有同径向轴承配合的外圆柱面，所述复合轴套通过内圆柱面装配在连接轴套上，所述复合轴套采用具有自润滑、耐磨和耐高温的陶瓷材料；所述连接轴套有与复合轴套相装配的外圆柱面，所述连接轴套的一端有与压气机叶轮相装配的内螺纹，所述连接轴套的另一端有与电机轴内螺纹相装配的外螺纹；所述电机轴由磁芯和电机轴套组成，所述电机轴的磁芯位于电机轴套内部，所述电机轴的一端有与连接轴套相装配的内螺纹，所述电机轴的另一端有与涡轮转轴外螺纹相装配的内螺纹；所述径向轴套为圆环形结构，所述径向轴套的外圆柱面同径向轴承相配合，所述径向轴套通过内圆柱面装配在涡轮转轴上，所述径向轴套采用具有自润滑、耐磨和耐高温的陶瓷材料；所述涡轮转轴由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴上有减重空腔，所述涡轮转轴上有同径向轴套相装配的外圆柱面，所述涡轮转轴上有同电机轴内螺纹相装配的外螺纹，所述涡轮转轴同电机轴装配的外螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述涡轮转轴上有同压气机叶轮通孔装配的光轴，所述涡轮转轴上有与锁紧螺母装配的外螺纹，所述涡轮转轴上有用于装配夹紧的螺母。
一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子制造方法，包括以下步骤：
a、确定径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子的结构尺寸参数：根据闭式循环径流式涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，确定涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子组成零部件即锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴的结构尺寸；
b、确定转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩：根据闭式循环涡轮发电系统的转子动力学特性、扭矩传递要求和转速参数，确定涡轮发电系统转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子零部件的制造：按照步骤a确定的涡轮发电系统转子组成零部件的尺寸参数，加工锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮；
d、涡轮叶轮与转轴的焊接：采用焊接的方式，将转轴与涡轮叶轮焊接在一起，形成涡轮转轴；
e、电机轴的装配：将步骤c中完成加工的电机轴磁芯和电机轴套，采用加热电机轴套方式，实现电机轴磁芯和电机轴套的过盈装配，使电机轴磁芯一端与轴套内端面贴紧，形成完整的电机轴；
f、电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配：首先将径向轴套装配在涡轮转轴的外圆柱面上并保证配合端面贴紧，然后按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将电机轴装配在涡轮转轴上，并使端面相互贴紧；
g、连接轴套与电机轴的装配：将连接轴套穿过涡轮转轴，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将连接轴套装配在电机轴上，并使端面贴紧；
h、复合轴套与连接轴套的装配：将复合轴套装配在连接轴套的外圆柱面上，并保证配合端面贴紧；
i、压气机叶轮和连接轴套之间的装配：首先将压气机叶轮穿过涡轮转轴，然后按照步骤b所确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧装配，将压气机叶轮与连接轴套装配在一起；
j、涡轮转轴与锁紧螺母之间的装配：按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧装配，将锁紧螺母安装在涡轮转轴上，形成完整的转子结构。
本发明的有益效果是：
本发明提出的一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子结构及其制造方法，采用涡轮和压气机转轴同电机轴的同轴结构，避免了联轴器使用，可以显著提高转子的整体刚度，增强涡轮发电系统转子运转的稳定性；复合轴套和径向轴套采用具有自润滑、耐磨和耐高温的陶瓷材料，可以降低转子与轴承之间的摩擦力矩，有效减小闭式循环涡轮发电系统在启动和停车过程中轴承与转子之间的磨损，提高涡轮发电系统的工作寿命与结构可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子结构示意图。
图2是本发明实施例所述压气机叶轮结构示意图。
图3是本发明实施例所述复合轴套结构示意图。
图4是本发明实施例所述连接轴套结构示意图。
图5是本发明实施例所述电机轴结构示意图。
图6是本发明实施例所述径向轴套结构示意图。
图7是本发明实施例所述涡轮转轴结构示意图。
1锁紧螺母 2压气机叶轮 3复合轴套 4连接轴套 5电机轴 6径向轴套 7涡轮转轴8压气机叶轮通孔 9压气机叶轮外螺纹 10复合轴套环形端面 11复合轴套外圆柱面 12复合轴套内圆柱面 13连接轴套与压气机叶轮装配的内螺纹 14连接轴套外圆柱面 15连接轴套外螺纹 16电机轴磁芯 17电机轴套 18电机轴与连接轴套相装配的内螺纹 19电机轴与涡轮转轴外螺纹相配合的内螺纹 20径向轴套内圆柱面 21涡轮转轴与锁紧螺母装配的外螺纹 22涡轮转轴装配压气机叶轮的光轴 23涡轮转轴与电机轴装配的外螺纹 24涡轮转轴与径向轴套装配的外圆柱面 25涡轮转轴的减重空腔 26涡轮转轴的装夹螺母
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子结构，包括锁紧螺母1、压气机叶轮2、复合轴套3、连接轴套4、电机轴5、径向轴套6和涡轮转轴7。所述锁紧螺母1装配在靠近压气机一端的涡轮转轴上；所述压气机叶轮2有中心通孔8，所述压气机叶轮2上有同连接轴套内螺纹相装配的外螺纹9，所述压气机叶轮2的外螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述复合轴套3上有同轴向轴承配合的环形端面10，所述复合轴套3上有同径向轴承配合的外圆柱面11，所述复合轴套3通过内圆柱面12装配在连接轴套上，所述复合轴套3采用具有自润滑、耐磨和耐高温的陶瓷材料；所述连接轴套4有与复合轴套相装配的外圆柱面14，所述连接轴套4的一端有与压气机叶轮相装配的内螺纹13，所述连接轴套4的另一端有与电机轴内螺纹相装配的外螺纹15；所述电机轴5由磁芯16和电机轴套17组成，所述电机轴5的磁芯16位于电机轴套17内部，所述电机轴5的一端有与连接轴套相装配的内螺纹18，所述电机轴5的另一端有与涡轮转轴外螺纹相装配的内螺纹19；所述径向轴套6为圆环形结构，所述径向轴套6采用具有自润滑、耐磨和耐高温的陶瓷材料，所述径向轴套6的外圆柱面同径向轴承相配合，所述径向轴套6通过内圆柱面20装配在涡轮转轴上；所述涡轮转轴7由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴7上有减重空腔25，所述涡轮转轴7上有同径向轴套相装配的外圆柱面24，所述涡轮转轴7上有同电机轴内螺纹相装配的外螺纹23，所述涡轮转轴7同电机轴装配的外螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述涡轮转轴7上有同压气机叶轮通孔装配的光轴22，所述涡轮转轴7上有与锁紧螺母装配的外螺纹21，所述涡轮转轴上有用于装配夹紧的螺母26。
一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子制造方法，包括以下步骤：
a、确定径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子的结构尺寸参数：根据闭式循环径流式涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，确定涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子组成零部件即锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴的结构尺寸；
本实施例某型闭式循环涡轮发电系统的涡轮叶轮直径为Ф90mm、压气机叶轮直径为Ф96mm、电机轴直径为Ф38mm，涡轮发电系统转子工作时的旋转方向为右旋，根据闭式循环涡轮发电系统的涡轮叶轮、压气机叶轮和电机的尺寸参数，确定的压气机叶轮2的通孔8的直径为Ф10mm、外螺纹9的尺寸为M20×1-p6p6-LH，确定的复合轴套3的内圆柱面12的直径为Ф28mm，确定的连接轴套4的内螺纹13的尺寸为M20×1-H7H7-LH、外圆柱面14的尺寸为Ф28mm、外螺纹15的尺寸为M36×1-p6p6-LH，确定的电机轴5的内螺纹18尺寸为M36×1-H7H7-LH、内螺纹19尺寸为M20×1-H7H7-LH，确定的径向轴套6的内圆柱面20的尺寸为Ф28mm，确定的涡轮转轴7的外螺纹23的尺寸为M20×1-p6p6-LH和外螺纹21的尺寸为M9×1-p6p6-LH。
b、确定转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩：根据闭式循环涡轮发电系统的转子动力学特性、扭矩传递要求和转速参数，确定涡轮发电系统转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子零部件的制造：按照步骤a确定的涡轮发电系统转子组成零部件的尺寸参数，加工锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮；
d、涡轮叶轮与转轴的焊接：采用焊接的方式，将转轴与涡轮叶轮焊接在一起，形成涡轮转轴；
e、电机轴的装配：将步骤c中完成加工的电机轴磁芯16和电机轴套17，采用加热电机轴套17方式，实现电机轴磁芯16和电机轴套17的过盈装配，使电机轴磁芯一端与轴套内端面贴紧，形成完整的电机轴5；
f、电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配：首先将径向轴套6装配在涡轮转轴7的外圆柱面24上并保证配合端面贴紧，然后按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将电机轴5装配在涡轮转轴7上，并使端面相互贴紧；
g、连接轴套与电机轴的装配：将连接轴套4穿过涡轮转轴7，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将连接轴套4装配在电机轴5上，并使端面贴紧；
h、复合轴套与连接轴套的装配：将复合轴套3装配在连接轴套4的外圆柱面14上，并保证配合端面贴紧；
i、压气机叶轮和连接轴套之间的装配：首先将压气机叶轮2穿过涡轮转轴7，然后按照步骤b所确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧装配，将压气机叶轮2与连接轴套4装配在一起；
j、涡轮转轴与锁紧螺母之间的装配：按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧装配，将锁紧螺母1安装在涡轮转轴7上，形成完整的转子结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子结构，其特征在于：包括锁紧螺母(1)、压气机叶轮(2)、复合轴套(3)、连接轴套(4)、电机轴(5)、径向轴套(6)和涡轮转轴(7)；所述锁紧螺母(1)装配在靠近压气机一端的涡轮转轴上；所述压气机叶轮(2)有中心通孔(8)，所述压气机叶轮(2)上有同连接轴套内螺纹相装配的外螺纹(9)，所述压气机叶轮(2)的外螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述电机轴(5)由磁芯(16)和电机轴套(17)组成，所述电机轴(5)的磁芯(16)位于电机轴套(17)内部，所述电机轴(5)的一端有与连接轴套相装配的内螺纹(18)，所述电机轴(5)的另一端有与涡轮转轴外螺纹相装配的内螺纹(19)；所述径向轴套(6)为圆环形结构，所述径向轴套(6)的外圆柱面同径向轴承相配合，所述径向轴套(6)通过内圆柱面(20)装配在涡轮转轴上，所述径向轴套(6)采用具有自润滑、耐磨和耐高温的陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子结构，其特征在于：所述复合轴套(3)上有同轴向轴承配合的环形端面(10)，所述复合轴套(3)上有同径向轴承配合的外圆柱面(11)，所述复合轴套(3)通过内圆柱面(12)装配在连接轴套上，所述复合轴套(3)采用具有自润滑、耐磨和耐高温的陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子结构，其特征在于：所述连接轴套(4)有与复合轴套相装配的外圆柱面(14)，所述连接轴套(4)的一端有与压气机叶轮相装配的内螺纹(13)，所述连接轴套(4)的另一端有与电机轴内螺纹相装配的外螺纹(15)。
4.根据权利要求1所述的一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子结构，其特征在于：所述涡轮转轴(7)由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴(7)上有减重空腔(25)，所述涡轮转轴(7)上有同径向轴套相装配的外圆柱面(24)，所述涡轮转轴(7)上有同电机轴内螺纹相装配的外螺纹(23)，所述涡轮转轴(7)同电机轴装配的外螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述涡轮转轴(7)上有同压气机叶轮通孔装配的光轴(22)，所述涡轮转轴(7)上有与锁紧螺母装配的外螺纹(21)，所述涡轮转轴上有用于装配夹紧的螺母(26)。
5.根据权利要求1所述的一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子，一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子的结构尺寸参数；
b、确定转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子零部件的制造；
d、涡轮叶轮与转轴的焊接：采用焊接的方式，将转轴与涡轮叶轮焊接在一起，形成涡轮转轴；
e、电机轴的装配：将步骤c中完成加工的电机轴磁芯(16)和电机轴套(17)，采用加热电机轴套(17)方式，实现电机轴磁芯(16)和电机轴套(17)的过盈装配，使电机轴磁芯一端与轴套内端面贴紧，形成完整的电机轴(5)；
f、电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配；
g、连接轴套与电机轴的装配：将连接轴套(4)穿过涡轮转轴(7)，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将连接轴套(4)装配在电机轴(5)上，并使端面贴紧；
h、复合轴套与连接轴套的装配：将复合轴套(3)装配在连接轴套(4)的外圆柱面(14)上，并保证配合端面贴紧；
i、压气机叶轮和连接轴套之间的装配；
j、涡轮转轴与锁紧螺母之间的装配。
6.根据权利要求5所述的一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子的制造方法，其特征在于：在步骤f中，首先将径向轴套(6)装配在涡轮转轴(7)的外圆柱面(24)上并保证配合端面贴紧，然后按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将电机轴(5)装配在涡轮转轴(7)上，并使端面相互贴紧。
7.根据权利要求5所述的一种径流式涡轮发电系统气体润滑陶瓷转子的制造方法，其特征在于：在步骤i中，首先将压气机叶轮(2)穿过涡轮转轴(7)，然后按照步骤b所确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧装配，将压气机叶轮(2)与连接轴套(4)装配在一起。
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