CN110374691A - 一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构，包括锁紧螺母、压气机叶轮、轴套、电机轴和涡轮转轴。所述涡轮转轴上有同压气机叶轮、轴套和电机轴装配的光轴，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，所述涡轮转轴上与径向气体润滑轴承装配的外圆柱面。在合理设计和加工转子零部件的基础上，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，然后进行轴套与电机轴的装配，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。该转子结构能够增强转子运转稳定性，提高涡轮发电系统的工作寿命与可靠性。

Description

一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构
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，具体涉及一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构。
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主要包括径流涡轮、径流压气机、发电机、回热器等零部件。
转子是闭式循环径流涡轮发电系统中最为核心的部件之一，包括涡轮与压气机转子和电机转子两部分，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。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，有的甚至达到十几万转/分钟以上，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与工艺，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由涡轮转子、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。现有转子的装配工艺具体为：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方式，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零部件的装配尺寸与公差，对零件装配部位的加工精度提出了很高要求；加之转子受工作载荷的影响，工作时连接部位的实际过盈量会减小，会降低转子的连接强度和刚度，影响闭式循环涡轮发电系统的工作可靠性。
闭式循环径流式涡轮发电系统通常具有长寿命的要求，由于气体润滑轴承结构在工作过程中，转子与轴承之间没有接触且无需润滑油等工作介质，是实现闭式循环径流涡轮发电系统的长寿命的重要技术措施之一。因此，闭式循环径流涡轮发电系统采用气体润滑轴承结构，通过合理设计转子的结构与制造工艺，能够实现转子系统的稳定运行与长时间可靠工作。
发明内容
本发明针对采用气体润滑轴承的闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，提出一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构。根据闭式循环涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，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，然后进行轴套与电机轴的装配，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。该转子采用气体润滑轴承转子结构，避免了涡轮发电系统工作时转子与轴承之间的接触，能够显著提高转子的运转稳定性与工作寿命；同时，采用涡轮和压气机的转轴同电机轴的同轴结构设计，可以增强转子整体刚度，提高涡轮发电系统转子系统工作可靠性。
本发明的技术方案：
一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构，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；所述轴套上有同气体润滑轴向轴承配合的环形端面，所述轴套上有同气体润滑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；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，所述电机轴的短轴套一端有与涡轮转轴相装配的通孔；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装配的光轴，所述涡轮转轴上有同轴套和电机轴短轴套相装配的光轴，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气体润滑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。
一种径流涡轮发电系统气体润滑转子制造方法，包括以下步骤：
a、确定闭式循环径流涡轮发电系统气体润滑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、进行闭式循环径流涡轮发电系统气体润滑转子零部件的制造：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，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，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、轴套与电机轴的装配：采取过盈装配的方式，通过加热轴套上同电机轴连接的一端，让将涡轮转轴穿过轴套的通孔，通过轴套的内圆柱面与电机轴的外圆柱面配合，将轴套与电机轴装配在一起；
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与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，然后将锁紧螺母安装在涡轮转轴上，按照步骤b所确定的拧紧力矩拧紧，形成完整的转子。
本发明的有益效果是：
本发明提出的一种径流涡轮发电系统气体润滑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结构设计，避免了联轴器的使用，可以显著提高转子的整体刚度，提升闭式循环径流涡轮发电系统转子系统运转的稳定性。采取气体润滑轴承转子结构，使转子与轴承之间在正常工作过程中没有接触且无需润滑油等工作介质，可以实现闭式循环径流涡轮发电系统的长寿命与免维护，提高了转子系统的结构可靠性与工作寿命。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构示意图。
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压气机叶轮通孔 7压气机叶轮外圆柱面
8轴套与压气机叶轮装配的内圆柱面 9轴套环形端面 10轴套通孔
11轴套与气体润滑径向轴承装配的外圆柱面 12轴套通孔
13轴套与电机轴装配的内圆柱面 14电机轴短轴套 15电机轴长轴套
16电机轴磁芯 17电机轴与涡轮转轴相装配的通孔
18电机轴与轴套相装配的外圆柱面 19电机轴与涡轮转轴相配合的内螺纹
20涡轮转轴与锁紧螺母装配的外螺纹
21涡轮转轴与压气机叶轮装配的光轴
22涡轮转轴与轴套、电机轴装配的光轴 23涡轮转轴与电机轴装配的外螺纹
24涡轮转轴与径向气体润滑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。
一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构，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有中心通孔6，所述压气机叶轮2上有同连接轴套相装配的外圆柱面7；所述轴套3上有同气体润滑轴向轴承配合的环形端面9，所述轴套3上有同气体润滑径向轴承配合的外圆柱面11，所述轴套3的一端有与压气机叶轮相装配的内圆柱面8，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13，所述轴套3上有与涡轮转轴装配的通孔10和12；所述电机轴4由磁芯16、长轴套15和短轴套14组成，所述电机轴4的磁芯16位于长轴套15和短轴套14内部，所述电机轴4的长轴套15与短轴套14通过过盈连接装配在一起，所述电机轴4的长轴套15一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14一端有与轴套相装配的外圆柱面18，所述电机轴4的短轴套14一端有与涡轮转轴相装配的通孔17；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上有与锁紧螺母装配的外螺纹20，所述涡轮转轴5上有同压气机叶轮通孔装配的光轴21，所述涡轮转轴5上有同轴套3和电机轴4短轴套14相装配的光轴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23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上有与径向气体润滑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。
一种径流涡轮发电系统气体润滑转子制造方法，包括以下步骤：
a、确定闭式循环径流涡轮发电系统气体润滑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7的尺寸为Ф20mm、通孔6的直径为Ф10mm，确定的轴套3的内圆柱面8的尺寸为Ф20mm、外圆柱面11的尺寸为Ф38mm、内圆柱面13的尺寸为Ф28mm、通孔10和12的直径为Ф12mm，确定的电机轴4的通孔17尺寸为Ф12mm、内螺纹19尺寸为M20×1-H7H7-LH，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、光轴22的尺寸为Ф12mm、外螺纹23的尺寸为M20×1-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、进行闭式循环径流涡轮发电系统气体润滑转子零部件的制造：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15，将电机的磁芯16同长轴套15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14，将短轴套14和磁芯16、长轴套15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4，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，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、轴套与电机轴的装配：采取过盈装配的方式，通过加热轴套3上同电机轴连接的一端，让将涡轮转轴5穿过轴套的通孔10和12，通过轴套3的内圆柱面13与电机轴的外圆柱面18配合，将轴套3与电机轴4装配在一起；
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7和通孔6分别与轴套的内圆柱面8和涡轮转轴的光轴21装配在一起，并保证端面贴紧，然后将锁紧螺母1安装在涡轮转轴5上，按照步骤b所确定的拧紧力矩拧紧，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 (7)

1.一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构，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)有中心通孔(6)，所述压气机叶轮(2)上有同连接轴套相装配的外圆柱面(7)。
2.根据权利要求1所述的一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构，其特征在于：所述轴套(3)上有同气体润滑轴向轴承配合的环形端面(9)，所述轴套(3)上有同气体润滑径向轴承配合的外圆柱面(11)，所述轴套(3)的一端有与压气机叶轮相装配的内圆柱面(8)，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(13)，所述轴套(3)上有与涡轮转轴装配的通孔(10)和(12)。
3.根据权利要求1所述的一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构，其特征在于：所述电机轴(4)由磁芯(16)、长轴套(15)和短轴套(14)组成，所述电机轴(4)的磁芯(16)位于长轴套(15)和短轴套(14)内部，所述电机轴(4)的长轴套(15)与短轴套(14)通过过盈连接装配在一起，所述电机轴(4)的长轴套(15)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(14)一端有与轴套相装配的外圆柱面(18)，所述电机轴(4)的短轴套(14)一端有与涡轮转轴相装配的通孔(17)。
4.根据权利要求1所述的一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构，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)上有与锁紧螺母装配的外螺纹(20)，所述涡轮转轴(5)上有同压气机叶轮通孔装配的光轴(21)，所述涡轮转轴(5)上有同轴套(3)和电机轴(4)短轴套(14)相装配的光轴(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(23)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)上有与径向气体润滑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)。
5.根据权利要求1所述的一种径流涡轮发电系统气体润滑转子结构，一种径流涡轮发电系统气体润滑转子的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定闭式循环径流涡轮发电系统气体润滑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、进行闭式循环径流涡轮发电系统气体润滑转子零部件的制造；
d、电机轴的装配；
e、电机轴与涡轮转轴的装配：将涡轮转轴(5)穿过电机轴(4)，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，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、轴套与电机轴的装配：采取过盈装配的方式，通过加热轴套(3)上同电机轴连接的一端，让将涡轮转轴(5)穿过轴套的通孔(10)和(12)，通过轴套(3)的内圆柱面(13)与电机轴的外圆柱面(18)配合，将轴套(3)与电机轴(4)装配在一起；
g、压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配。
6.根据权利要求5所述的一种径流涡轮发电系统气体润滑转子的制造方法，其特征在于：在步骤d中，首先采取过盈装配方式，通过加热电机轴的长轴套(15)，将电机的磁芯(16)同长轴套(15)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(14)，将短轴套(14)和磁芯(16)、长轴套(15)装配在一起，形成完整的电机轴(4)。
7.根据权利要求5所述的一种径流涡轮发电系统气体润滑转子的制造方法，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(7)和通孔(6)分别与轴套的内圆柱面(8)和涡轮转轴的光轴(21)装配在一起，并保证端面贴紧，然后将锁紧螺母(1)安装在涡轮转轴(5)上，按照步骤b所确定的拧紧力矩拧紧，形成完整的转子。
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