CN110374692A - 一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构，包括锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、电机轴、轴套和涡轮转轴。所述压气机叶轮轮背有锥形凸台，所述压气机叶轮轮毂中心有通孔；所述复合轴套一端有内锥形端面，另一端有外螺纹；所述电机轴由磁芯和电机轴套组成，所述电机轴的两端分别有内螺纹和锥形凸台；所述轴套两端有内锥形端面，所述涡轮转轴轮背有锥形凸台，所述涡轮转轴一端有外螺纹，另一端有装夹螺母；所述轴套、复合轴套与电机轴连接组件、压气机叶轮依次同涡轮转轴装配在一起，并用螺母实现装配锁紧。该结构减少了径流涡轮发电系统转子的支承数量，降低了制造难度，有助于提高涡轮发电系统的运行稳定性与可靠性。

Description

一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构
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，具体涉及一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构。
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式涡轮发电系统在结构上主要由径流涡轮、压气机、轴承、发电机、回热器、联轴器等部件组成。
转子作为闭式循环径流式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。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，有的转子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结构可靠性至关重要。
现有的闭式循环径流涡轮发电系统的转子主要由涡轮转轴、主轴、压气机叶轮、电机轴、联轴器等零部件装配而成，具体为：主轴通过其两端内孔分别同涡轮转轴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。现有的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可以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；此外转子在工作过程中受离心载荷的影响，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。
针对闭式循环径流式涡轮发电系统转子的特点和使用要求，合理设计转子的结构及连接方式，降低制造及装配工艺对转子连接强度与刚度的影响，是提高转子运转稳定性和保证闭式循环径流式涡轮发电系统可靠性的关键。
发明内容
本发明针对闭式循环径流式涡轮发电系统转子结构设计问题，提出了一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构。根据闭式循环径流式涡轮发电系统的涡轮、压气机、电机等部件的结构尺寸参数，通过合理设计压气机叶轮、复合轴套、电机轴、轴套、涡轮转轴、锁紧螺母等的结构尺寸，在完成锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、电机轴、轴套、涡轮转轴等零部件加工的基础上，首先将电机轴和复合轴套通过螺纹装配连接在一起，然后依次将轴套、电机轴和复合轴套连接组件、压气机叶轮安装在涡轮转轴上，最后用锁紧螺母对转子进行锁紧。该转子结构实现了涡轮和压气机转轴同电机轴的一体化集成，减小了转子的空间尺寸，能够增强转子刚性，降低转子的制造与装配难度，有助于提高闭式循环径流式涡轮发电系统的运行稳定性与结构可靠性。
本发明的技术方案：
一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构，包括锁紧螺母、压气机叶轮、复合轴套、电机轴、轴套和涡轮转轴锁紧套，所述压气机叶轮有中心通孔，所述压气机叶轮的大端有与复合轴套相装配的锥形凸台；所述复合轴套上有分别同径向轴承和止推轴承相装配的外圆柱面和环形端面，所述复合轴套的一端有与压气机叶轮相装配的内锥形端面，所述复合轴套的另一端有与电机轴装配的外螺纹；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复合轴套相装配的内螺纹，所述电机轴的另一端有与轴套相装配的锥形凸台；所述轴套两端有分别同电机轴锥形凸台和涡轮转轴轮背锥形凸台相装配的内锥形端面；所述涡轮转轴轮背有与轴套内锥形端面装配的锥形凸台，所述涡轮转轴一端有与锁紧螺纹装配的外螺纹，所述涡轮转轴的另一端有装夹螺母；所述锁紧螺母的旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述复合轴套与电机轴通过螺纹连接装配在一起形成组件，所述的轴套、复合轴套与电机轴连接组件、压气机叶轮依次同涡轮转轴装配在一起，所述锁紧螺母通过螺纹结构实现对涡轮转轴、轴套、复合轴套与电机轴连接组件以及压气机叶轮的装配锁紧。
一种径流式涡轮发电系统一体化转子的制造方法，包括以下步骤：
a、确定涡轮发电系统一体化转子组成零部件的尺寸参数：根据闭式循环径流涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，确定压气机叶轮、复合轴套、电机轴、轴套、涡轮转轴和锁紧螺母的结构尺寸。
b、确定涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩：根据闭式循环径流涡轮发电系统的转子动力学特性和工作状态参数，确定径流式涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩；
c、涡轮发电系统一体化转子组成零部件的制造：按照步骤a确定的涡轮发电系统一体化转子组成零部件的尺寸参数，分别加工压气机叶轮、复合轴套、电机轴、轴套、涡轮转轴和锁紧螺母；
d、电机轴磁芯与电机轴轴套的装配：将步骤c中完成加工的电机轴磁芯和电机轴轴套，采用加热电机轴轴套方式，实现电机轴磁芯和电机轴轴套的过盈装配，保证电机轴磁芯一端与电机轴轴套内端面贴紧，形成完整的电机轴；
e、复合轴套与电机轴的装配：将步骤d中完成装配的电机轴与步骤c完成加工的复合轴套通过复合轴套的外螺纹与电机轴的内螺纹装配在一起，并保证复合轴套螺纹一侧端面与电机轴的磁芯贴紧；
f、轴套、电机轴与复合轴套连接组件、压气机叶轮与涡轮转轴的装配：依次将轴套、电机轴与复合轴套连接组件、压气机叶轮安装在涡轮转轴上，并保证轴套两侧内锥面分别同涡轮转轴轮背锥形凸台和电机轴的锥形凸台、复合轴套的内锥面同压气机叶轮的轮背锥形凸台贴紧；
g、涡轮发电系统转子结构的锁紧：按照步骤b确定的确定涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩，通过锁紧螺母同涡轮转轴外螺纹之间的螺纹装配，用锁紧螺母对步骤f中由轴套、电机轴与复合轴套连接组件、压气机叶轮和涡轮转轴装配形成的转子结构进行锁紧，形成完整的涡轮发电系统一体化转子。
本发明的有益效果是：
本发明的一种径流式涡轮发电系统一体化转子，采用电机轴同涡轮转轴和压气机叶轮转轴为一体的结构，可以减少涡轮发电系统转子结构的组成零部件数量，避免了联轴器的使用，提高了转轴的整体刚度，可以增强涡轮发电系统转子运行的稳定性与可靠性；采用内锥面与锥形凸台装配结构，不仅可以保证装配零部件之间的同轴度，而且可以有效增大装配零部件之间的接触面积与摩擦力，提高转子的传扭特性与转子刚度；采用螺纹锁紧结构，可实现涡轮发电系统转子结构的可重复装配；采用复合轴套和轴套结构，可提高涡轮发电系统转子结构的维修性；电机轴与复合轴套之间采用螺纹连接以及复合轴套端面与电机轴磁芯贴紧的结构，可以进一步提高涡轮发电系统转子结构的刚度。
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一体化转子结构示意图。
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电机轴结构示意图。
图5是本发明实施例所述轴套结构示意图。
图6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电机轴 5轴套 6涡轮转轴 7压气机叶轮轮背凸台 8复合轴套内锥面 9复合轴套环形端面 10复合轴套外螺纹 11复合轴套端面 12电机轴磁芯 13电机轴轴套 14电机轴内螺纹 15电机轴锥形凸台 16轴套与电机轴锥形凸台相配合的内锥面 17轴套与涡轮转轴轮背锥形凸台相配合的内锥面 18涡轮转轴外螺纹 19涡轮转轴轮背锥形凸台 20涡轮转轴装夹螺母
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一体化转子结构，包括锁紧螺母1、压气机叶轮2、复合轴套3、电机轴4、轴套5和涡轮转轴6，所述压气机叶轮有中心通孔，所述压气机叶轮2的大端有与复合轴套相装配的锥形凸台7；所述复合轴套3上有分别同径向轴承和止推轴承相装配的外圆柱面和环形端面9，所述复合轴套3的一端有与压气机叶轮相装配的内锥形端面8，所述复合轴套3的另一端有与电机轴装配的外螺纹10；所述电机轴4由磁芯12和电机轴套13组成，所述电机轴4的磁芯12位于电机轴套13的内部，所述电机轴4的一端有与复合轴套3相装配的内螺纹14，所述电机轴4的另一端有与轴套5相装配的锥形凸台15；所述轴套5的两端分别有同电机轴锥形凸台15和涡轮转轴轮背锥形凸台19相装配的内锥形端面16和17；所述涡轮转轴6的轮背有与轴套内锥形端面装配的锥形凸台19，所述涡轮转轴6的一端有与锁紧螺纹装配的外螺纹18，所述涡轮转轴6的另一端有装夹螺母20；所述锁紧螺母的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与电机轴4通过螺纹连接装配在一起形成组件，所述轴套5、复合轴套3与电机轴4的连接组件、压气机叶轮2依次与涡轮转轴6装配在一起，所述锁紧螺母1通过螺纹结构实现对涡轮转轴6、轴套5、复合轴套3与电机轴4连接组件以及压气机叶轮2的装配锁紧。
一种闭式循环径流涡轮发电系统一体化转子制造方法，包括以下步骤：
a、确定涡轮发电系统一体化转子组成零部件的尺寸参数：根据闭式循环径流涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，确定压气机叶轮2、复合轴套3、电机轴4、轴套5、涡轮转轴6和锁紧螺母1的结构尺寸；
本实施例的某闭式循环径流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，根据闭式循环径流涡轮发电系统涡轮转轴、压气机叶轮和电机轴的结构尺寸参数，确定的压气机叶轮2的装配端面锥形凸台大端直径为Ф32mm、小段直径为Ф26mm、锥度角为90°，确定的压气机叶轮2的轴孔直径为Ф10mm；确定的复合轴套3的外螺纹尺寸为M36×1-p6p6-LH，确定的电机轴磁芯12的内孔直径为Ф14mm，确定的电机轴轴套13的内螺纹为M36×1-H7H7-LH；确定的轴套5的内锥面小端直径为Ф24mm、大端直径为Ф30mm和锥度角为90°；确定的涡轮转轴6的轮背锥形凸台锥面小端直径为Ф20mm、大端直径为Ф26mm和锥度角为90°，确定的涡轮转轴6的一端外螺纹18的尺寸为M9×1-p6p6-LH；确定的锁紧螺母1的内螺纹尺寸为M9×1-H7H7-LH。
b、确定涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩：根据闭式循环径流涡轮发电系统的转子动力学特性和工作状态参数，确定径流式涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩；
本实施例根据闭式循环径流涡轮发电系统的转子动力学特性和工作状态参数以及步骤a确定的涡轮发电系统一体化转子组成零部件的尺寸参数，确定的涡轮发电系统一体化转子结构的螺纹锁紧力矩为25N〃m。
c、涡轮发电系统一体化转子组成零部件的制造：按照步骤a确定的确定涡轮发电系统一体化转子组成零部件的尺寸参数，分别加工压气机叶轮2、复合轴套3、电机轴磁芯12和电机轴轴套13、轴套5、涡轮转轴6和锁紧螺母1；
d、电机轴磁芯与电机轴轴套的装配：将步骤c中完成加工的电机轴磁芯12和电机轴轴套13，采用加热电机轴轴套13的方式，实现电机轴磁芯12和电机轴轴套13的过盈装配，保证电机轴磁芯12的一端与电机轴轴套13的内端面贴紧，形成完整的电机轴4；
e、复合轴套与电机轴的装配：将步骤d中完成装配的电机轴4与步骤c完成加工的复合轴套3通过复合轴套3的外螺纹10与电机轴4的内螺纹14装配在一起，并保证复合轴套螺纹一侧端面与电机轴的磁芯贴紧；
f、轴套、电机轴与复合轴套连接组件、压气机叶轮与涡轮转轴的装配：依次将轴套5、电机轴4与复合轴套3的连接组件、压气机叶轮2安装在涡轮转轴6上，并保证轴套5的两侧内锥面分别同涡轮转轴6的轮背锥形凸台和电机轴4的锥形凸台、复合轴套3的内锥面同压气机叶轮2的轮背锥形凸台贴紧；
g、涡轮发电系统转子结构的锁紧：按照步骤b确定的涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩，通过锁紧螺母1同涡轮转轴外螺纹18之间的螺纹装配，用锁紧螺母1对步骤f中由轴套5、电机轴4与复合轴套3连接组件、压气机叶轮2和涡轮转轴6装配形成的转子结构进行锁紧，形成完整的涡轮发电系统一体化转子。
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 (8)

1.一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构，其特征在于：包括锁紧螺母(1)、压气机叶轮(2)、复合轴套(3)、电机轴(4)、轴套(5)和涡轮转轴(6)，所述压气机叶轮(2)有中心通孔，所述压气机叶轮(2)的大端有与复合轴套相装配的锥形凸台(7)；
所述复合轴套(3)上有分别同径向轴承和止推轴承相装配的外圆柱面和环形端面(9)，所述复合轴套(3)的一端有与压气机叶轮相装配的内锥形端面(8)，所述复合轴套(3)的另一端有与电机轴装配的外螺纹(10)；
所述电机轴(4)由磁芯(12)和电机轴套(13)组成，所述电机轴(4)的磁芯(13)位于电机轴套(14)的内部，所述电机轴(4)的一端有与复合轴套相装配的内螺纹(14)，所述电机轴(4)的另一端有与轴套相装配的锥形凸台(15)；
所述轴套(5)的两端分别有同电机轴锥形凸台和涡轮转轴轮背锥形凸台相装配的内锥形端面(16)和(17)；
所述涡轮转轴(6)的轮背有与轴套内锥形端面装配的锥形凸台(19)，所述涡轮转轴(6)的一端有与锁紧螺母装配的外螺纹(18)，所述涡轮转轴(6)的另一端有装夹螺母(20)。
2.根据权利要求1所述的一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构，其特征在于：所述锁紧螺母(1)的旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构，其特征在于：所述复合轴套(3)与电机轴(4)通过螺纹连接装配在一起形成连接组件，所述轴套(5)、复合轴套(3)与电机轴(4)的连接组件、压气机叶轮(2)依次与涡轮转轴(6)装配在一起，所述锁紧螺母(1)通过螺纹结构实现对涡轮转轴(6)、轴套(5)、复合轴套(3)与电机轴(4)连接组件以及压气机叶轮(2)的装配锁紧。
4.根据权利要求1所述的一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构，一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定涡轮发电系统一体化转子组成零部件的尺寸参数：根据闭式循环径流涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，确定压气机叶轮(2)、复合轴套(3)、电机轴(4)、轴套(5)、涡轮转轴(6)和锁紧螺母(1)的结构尺寸；
b、确定涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩：根据闭式循环径流涡轮发电系统的转子动力学特性和工作状态参数，确定径流式涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩；
c、涡轮发电系统一体化转子组成零部件的制造：按照步骤a确定的确定涡轮发电系统一体化转子组成零部件的尺寸参数，分别加工压气机叶轮(2)、复合轴套(3)、电机轴磁芯(12)和电机轴轴套(13)、轴套(5)、涡轮转轴(6)和锁紧螺母(1)；
d、电机轴磁芯与电机轴轴套的装配；
e、复合轴套与电机轴的装配；
f、轴套、电机轴与复合轴套连接组件、压气机叶轮与涡轮转轴的装配；
g、涡轮发电系统转子结构的锁紧。
5.根据权利要求4所述的一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构制造方法，其特征在于：在步骤d中，将步骤c中完成加工的电机轴磁芯(12)和电机轴轴套(13)，采用加热电机轴轴套(13)的方式，实现电机轴磁芯(12)和电机轴轴套(13)的过盈装配，保证电机轴磁芯(12)的一端与电机轴轴套(13)的内端面贴紧，形成完整的电机轴(4)。
6.根据权利要求4所述的一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构制造方法，其特征在于：在步骤e中，将步骤d中完成装配的电机轴(4)与步骤c完成加工的复合轴套(3)通过复合轴套(3)的外螺纹(10)与电机轴(4)的内螺纹(14)装配在一起，并保证复合轴套螺纹一侧端面与电机轴的磁芯贴紧。
7.根据权利要求4所述的一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构制造方法，其特征在于：在步骤f中，依次将轴套(5)、电机轴(4)与复合轴套(3)的连接组件、压气机叶轮(2)安装在涡轮转轴(6)上，并保证轴套(5)的两侧内锥面分别同涡轮转轴(6)的轮背锥形凸台和电机轴(4)的锥形凸台、复合轴套(3)的内锥面同压气机叶轮(2)的轮背锥形凸台贴紧。
8.根据权利要求4所述的一种径流式涡轮发电系统一体化转子结构制造方法，其特征在于：在步骤g中，按照步骤b确定的涡轮发电系统一体化转子装配结构的螺纹锁紧力矩，通过锁紧螺母(1)同涡轮转轴外螺纹(18)之间的螺纹装配，用锁紧螺母(1)对步骤f中由轴套(5)、电机轴(4)与复合轴套(3)连接组件、压气机叶轮(2)和涡轮转轴(6)装配形成的转子结构进行锁紧，形成完整的涡轮发电系统一体化转子。
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