CN110332018A - 一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子，包括锁紧螺母、压气机叶轮、轴套、电机轴和涡轮转轴。轴套上有止推环形端面，轴套两端分别有与压气机叶轮和电机轴装配的内圆柱面，轴套上有与涡轮转轴装配的通孔和螺纹孔。在合理设计转子组成零件尺寸参数与完成加工制造的基础上，首先进行电机轴的装配，其次进行电机轴与涡轮转轴的装配，然后进行轴套、电机轴和涡轮转轴的装配，最后进行压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配，形成完整的转子结构。该转子可以减小闭式循环径流涡轮发电系统的转子的空间尺寸，有利于实现系统的高紧凑性，同时还可以提高转子刚度，有助于提高涡轮发电系统的工作可靠性。

Description

一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子
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，具体涉及一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子。
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。典型的闭式循环径流涡轮发电系统在结构上由涡轮、压气机、电机、回热器等部件组成。
闭式循环径流涡轮发电系统的转子包括由涡轮与压气机组成的动力转子和电机转子两部分，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、可靠性与寿命具有决定性影响。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，转速可达几万转/分，有的转速甚至达到十几万转/分。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。
现有闭式循环径流式涡轮发电系统转子组成零部件主要有：涡轮转子、主轴、压气机叶轮、电机轴、联轴器等。零部件之间主要采用过盈装配，并借助联轴器通过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。现有转子结构采用过盈连接，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、热载荷和气动载荷的影响，工作时连接部位的实际过盈量会减小，转子的连接强度得不到有效保证，零件间易松脱，严重影响闭式循环涡轮发电系统的工作可靠性。此外，这种转子结构的可重复装配性较差。
闭式循环径流式涡轮发电系统普遍要求具有体积小、重量轻等特点，同时要满足高可靠性与长寿命的使用要求。因此，在满足性能与可靠性要求的前提下，应尽可能减小闭式循环径流式涡轮发电系统的空间尺寸与重量，其中，通过对涡轮发电系统转子结构的优化，减小转子的尺寸，是实现闭式循环径流涡轮发电系统高紧凑性与高功率密度的重要技术途径之一。
发明内容
本发明针对闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，提出一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子。根据闭式循环涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，通过合理设计锁紧螺母、压气机叶轮、轴套、电机轴和涡轮转轴的结构尺寸以及装配工艺参数。在完成转子组成零部件加工的基础上，首先进行电机轴的装配，其次进行电机轴与涡轮转轴的装配，然后进行轴套、电机轴和涡轮转轴的装配，最后进行压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配，形成完整的转子结构。该转子采用涡轮和压气机的转轴同电机轴的同轴的结构，可以减小闭式循环径流涡轮发电系统的体积，实现系统的高紧凑，同时可以提高转子的整体刚度，有利于提高系统工作可靠性。
本发明的技术方案：
一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，包括锁紧螺母、压气机叶轮、轴套、电机轴和涡轮转轴。所述锁紧螺母装配在靠近压气机一端的涡轮转轴上，所述锁紧螺母的螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述压气机叶轮靠近锁紧螺母的一端有圆环形保护套，所述压气机叶轮有中心通孔，所述压气机叶轮上有同轴套相装配的外圆柱面；所述轴套上有同轴向轴承配合的止推环形端面，所述轴套上有同径向轴承配合的外圆柱面，所述轴套的一端有与压气机叶轮相装配的内圆柱面，所述轴套的另一端有与电机轴短轴套相装配的内圆柱面，所述轴套上有与涡轮转轴装配的通孔和螺纹孔；所述电机轴由磁芯、长轴套和短轴套组成，所述电机轴的磁芯位于长轴套和短轴套内部，所述电机轴的长轴套与短轴套通过过盈连接装配在一起，所述电机轴的长轴套一端有与涡轮转轴相装配的内螺纹，所述电机轴的短轴套一端有与连接轴套相装配的外圆柱面；所述涡轮转轴由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴上有与锁紧螺母装配的外螺纹，所述涡轮转轴上有同压气机叶轮通孔和轴套通孔相装配的光轴，所述涡轮转轴上有同轴套相装配的外螺纹，所述涡轮转轴上有同电机轴长轴套相装配的外螺纹，所述涡轮转轴上与电机轴长轴套相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，所述涡轮转轴上有与径向轴承装配的外圆柱面，所述涡轮转轴上有减重空腔，所述涡轮转轴上有用于装配夹紧的螺母。
一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子制造方法，包括以下步骤：
a、确定高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统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，确定闭式循环径流涡轮发电系统转子组成零部件即锁紧螺母、压气机叶轮、轴套、电机轴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、进行高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子零部件的制造：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、轴套、电机轴和涡轮转轴；
d、电机轴的装配：首先采取过盈装配方式，通过加热电机轴的长轴套，将电机轴的磁芯同长轴套装配在一起，然后采取过盈装配方式，通过加热电机轴的短轴套，将短轴套和磁芯、长轴套装配在一起，形成完整的电机轴；
e、电机轴与涡轮转轴的装配：将涡轮转轴穿过电机轴孔，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过涡轮转轴的外螺纹与电机轴的内螺纹之间的螺纹旋紧，将电机轴与涡轮转轴装配在一起，保证配合端面相互贴紧；
f、轴套、电机轴和涡轮转轴的装配：首先将涡轮转轴的光轴穿过轴套的通孔，然后按照步骤b所确定的装配拧紧力矩，通过轴套螺纹孔同涡轮转轴的外螺纹之间的螺纹旋紧以及电机轴的外圆柱面同轴套的内圆柱面之间的装配，将轴套同电机轴、涡轮转轴装配在一起，并保证配合端面贴紧；
g、压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配：首先将压气机叶轮穿过涡轮转轴，使压气机叶轮的外圆柱面和通孔分别同轴套的内圆柱面和涡轮转轴的光轴装配在一起，并保证端面贴紧，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，将锁紧螺母安装在涡轮转轴的外螺纹上，对转子装配结构进行锁紧，形成完整的转子。
本发明的有益效果是：
本发明提出的一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子结构及其制造方法，采用涡轮和压气机的转轴同电机轴的同轴的结构设计，不仅可以提高转子的整体刚度，增强闭式循环径流涡轮发电系统转子系统运转的稳定性，而且可以减小闭式循环径流涡轮发电系统转子的体积与重量，实现闭式循环径流涡轮发电系统的高紧凑性，提升闭式循环径流涡轮发电系统的功率密度。电机轴与轴套同涡轮转轴之间采取螺纹装配结构，可以提高涡轮发电系统转子的结构可靠性，防止工作过程中涡轮转轴同电机轴、轴套之间发生相对运动。压气机叶轮靠近锁紧螺母的一端有圆环形保护套，不仅可以有效保护压气机进口气流对锁紧螺母冲刷，而且还可以用于轴端的位移测量。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子结构示意图。
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轴套结构示意图。
图4是本发明实施例所述电机轴结构示意图。
图5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轴套 4电机轴 5涡轮转轴 6压气机叶轮环形保护套 7压气机叶轮通孔 8压气机叶轮外圆柱面 9轴套与压气机叶轮装配的内圆柱面 10轴套的止推环形端面 11轴套通孔 12轴套与径向轴承装配的外圆柱面 13轴套螺纹孔 14轴套与电机轴装配的内圆柱面 15电机轴磁芯 16电机轴短轴套 17电机轴长轴套 18电机轴与轴套相装配的外圆柱面 19电机轴与涡轮转轴外螺纹相配合的内螺纹 20涡轮转轴与锁紧螺母装配的外螺纹 21涡轮转轴上同压气机叶轮和轴套装配的光轴 22涡轮转轴上同轴套相装配的外螺纹 23涡轮转轴同电机轴装配的外螺纹 24涡轮转轴与径向轴承装配的外圆柱面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。
一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，包括锁紧螺母1、压气机叶轮2、轴套3、电机轴4和涡轮转轴5。所述锁紧螺母1装配在靠近压气机一端的涡轮转轴上，所述锁紧螺母1的螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述压气机叶轮2靠近锁紧螺母的一端有圆环形保护套6，所述压气机叶轮2有中心通孔7，所述压气机叶轮2上有同轴套相装配的外圆柱面8；所述轴套3上有同轴向轴承配合的止推环形端面10，所述轴套3上有同径向轴承配合的外圆柱面12，所述轴套3的一端有与压气机叶轮相装配的内圆柱面9，所述轴套3的另一端有与电机轴短轴套相装配的内圆柱面14，所述轴套3上有与涡轮转轴装配的通孔11和螺纹孔13；所述电机轴4由磁芯15、长轴套17和短轴套16组成，所述电机轴4的磁芯15位于长轴套17和短轴套16内部，所述电机轴4的长轴套17与短轴套16通过过盈连接装配在一起，所述电机轴4的长轴套17一端有与涡轮转轴相装配的内螺纹19，所述电机轴4的短轴套16一端有与连接轴套相装配的外圆柱面18；所述涡轮转轴5由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴5上有与锁紧螺母1装配的外螺纹20，所述涡轮转轴5上有同压气机叶轮通孔和轴套通孔相装配的光轴21，所述涡轮转轴5上有同轴套相装配的外螺纹22，所述涡轮转轴5上有同电机轴长轴套相装配的外螺纹23，所述涡轮转轴5上与电机轴长轴套相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5上有与径向轴承装配的外圆柱面24，所述涡轮转轴5上有减重空腔25，所述涡轮转轴5上有用于装配夹紧的螺母26。
一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子制造方法，包括以下步骤：
a、确定高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统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，确定闭式循环径流涡轮发电系统转子组成零部件即锁紧螺母、压气机叶轮、轴套、电机轴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的外圆柱面8的尺寸为Ф20mm、通孔7的直径为Ф10mm、圆环形保护套6的外圆的尺寸为Ф28mm，确定的轴套3的内圆柱面9的尺寸为Ф20mm、外圆柱面12的尺寸为Ф38mm、内圆柱面14的尺寸为Ф28mm、通孔11的直径为Ф12mm、螺纹孔13的尺寸为M12×1-H7H7-LH，确定的电机轴4的内螺纹19尺寸为M22×1-H7H7-LH、外圆柱面18的尺寸为Ф28mm，确定的涡轮转轴5的外螺纹20的尺寸为M9×1-p6p6-LH、光轴21的尺寸为Ф10mm、外螺纹22的尺寸为M12×1-p6p6-LH、外螺纹23的尺寸为M22×1-p6p6-LH、外圆柱面24的直径为Ф38mm。
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、进行高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子零部件的制造：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、轴套、电机轴和涡轮转轴；
d、电机轴的装配：首先采取过盈装配方式，通过加热电机轴4的长轴套17，将电机轴4的磁芯15同长轴套17装配在一起，然后采取过盈装配方式，通过加热电机轴4的短轴套16，将短轴套16和磁芯15、长轴套17装配在一起，形成完整的电机轴4；
e、电机轴与涡轮转轴的装配：将涡轮转轴5穿过电机轴孔，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过涡轮转轴5的外螺纹23与电机轴4的内螺纹19之间的螺纹旋紧，将电机轴4与涡轮转轴5装配在一起，保证配合端面相互贴紧；
f、轴套、电机轴和涡轮转轴的装配：首先将涡轮转轴5的光轴21穿过轴套3的通孔11，然后按照步骤b所确定的装配拧紧力矩，通过轴套3的螺纹孔13同涡轮转轴5的外螺纹22之间的螺纹旋紧以及电机轴4的外圆柱面18同轴套3的内圆柱面14之间的装配，将轴套3同电机轴4、涡轮转轴5装配在一起，并保证配合端面贴紧；
g、压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配：首先将压气机叶轮2穿过涡轮转轴5，使压气机叶轮2的外圆柱面8和通孔7分别同轴套3的内圆柱面9和涡轮转轴5的光轴21装配在一起，并保证端面贴紧，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，将锁紧螺母1安装在涡轮转轴5的外螺纹20上，对转子装配结构进行锁紧，形成完整的转子。
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 (6)

1.一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，其特征在于：包括锁紧螺母(1)、压气机叶轮(2)、轴套(3)、电机轴(4)和涡轮转轴(5)；所述锁紧螺母(1)装配在靠近压气机一端的涡轮转轴上，所述锁紧螺母(1)的螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述压气机叶轮(2)靠近锁紧螺母的一端有圆环形保护套(6)，所述压气机叶轮(2)有中心通孔(7)，所述压气机叶轮(2)上有同轴套相装配的外圆柱面(8)；所述电机轴(4)由磁芯(15)、长轴套(17)和短轴套(16)组成，所述电机轴(4)的磁芯(15)位于长轴套(17)和短轴套(16)内部，所述电机轴(4)的长轴套(17)与短轴套(16)通过过盈连接装配在一起，所述电机轴(4)的长轴套(17)一端有与涡轮转轴相装配的内螺纹(19)，所述电机轴(4)的短轴套(16)一端有与连接轴套相装配的外圆柱面(18)。
2.根据权利要求1所述的一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，其特征在于：所述轴套(3)上有同轴向轴承配合的止推环形端面(10)，所述轴套(3)上有同径向轴承配合的外圆柱面(12)，所述轴套(3)的一端有与压气机叶轮相装配的内圆柱面(9)，所述轴套(3)的另一端有与电机轴短轴套相装配的内圆柱面(14)，所述轴套(3)上有与涡轮转轴装配的通孔(11)和螺纹孔(13)。
3.根据权利要求1所述的一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，其特征在于：所述涡轮转轴(5)由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴(5)上有与锁紧螺母(1)装配的外螺纹(20)，所述涡轮转轴(5)上有同压气机叶轮通孔和轴套通孔相装配的光轴(21)，所述涡轮转轴(5)上有同轴套相装配的外螺纹(22)，所述涡轮转轴(5)上有同电机轴长轴套相装配的外螺纹(23)，所述涡轮转轴(5)上与电机轴长轴套相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(5)上有与径向轴承装配的外圆柱面(24)，所述涡轮转轴(5)上有减重空腔(25)，所述涡轮转轴(5)上有用于装配夹紧的螺母(26)。
4.根据权利要求1所述的一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统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、进行高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子零部件的制造；
d、电机轴的装配：首先采取过盈装配方式，通过加热电机轴(4)的长轴套(17)，将电机轴(4)的磁芯(15)同长轴套(17)装配在一起，然后采取过盈装配方式，通过加热电机轴(4)的短轴套(16)，将短轴套(16)和磁芯(15)、长轴套(17)装配在一起，形成完整的电机轴(4)；
e、电机轴与涡轮转轴的装配：将涡轮转轴(5)穿过电机轴孔，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过涡轮转轴(5)的外螺纹(23)与电机轴(4)的内螺纹(19)之间的螺纹旋紧，将电机轴(4)与涡轮转轴(5)装配在一起，保证配合端面相互贴紧；
f、轴套、电机轴和涡轮转轴的装配；
g、压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配。
5.根据权利要求4所述的一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子制造方法，其特征在于：在步骤f中，首先将涡轮转轴(5)的光轴(21)穿过轴套(3)的通孔(11)，然后按照步骤b所确定的装配拧紧力矩，通过轴套(3)的螺纹孔(13)同涡轮转轴(5)的外螺纹(22)之间的螺纹旋紧以及电机轴(4)的外圆柱面(18)同轴套(3)的内圆柱面(14)之间的装配，将轴套(3)同电机轴(4)、涡轮转轴(5)装配在一起，并保证配合端面贴紧。
6.根据权利要求4所述的一种高紧凑闭式循环径流涡轮发电系统转子制造方法，其特征在于：在步骤g中，首先将压气机叶轮(2)穿过涡轮转轴(5)，使压气机叶轮(2)的外圆柱面(8)和通孔(7)分别同轴套(3)的内圆柱面(9)和涡轮转轴(5)的光轴(21)装配在一起，并保证端面贴紧，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，将锁紧螺母(1)安装在涡轮转轴(5)的外螺纹(20)上，对转子装配结构进行锁紧，形成完整的转子。
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