CN110374693A - 一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构与工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构与工艺，该转子包括锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮。在合理设计转子零部件结构参数并完成加工的基础上，首先分别进行电机轴装配和转轴与涡轮叶轮的装配，其次进行径向轴套、电机轴与转轴的装配，然后进行连接轴套与电机轴的装配以及轴径向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以及转轴和锁紧螺母的装配。该转子采用可拆卸装配结构，能够实现涡轮叶轮和压气机叶轮等部件的重复装配，提高了转子的可维修性；同时采用整体转子结构，不仅降低了涡轮发电系统的整机结构尺寸，而且有利于涡轮发电系统的运行稳定性。

Description

一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构与工艺
技术领域
本发明属于闭式循环径流式涡轮发电系统结构领域，具体涉及一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构与工艺。
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主要由径流涡轮、径流压气机、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涡轮与压气机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。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，有的甚可达十几万转/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障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，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。现有的闭式循环径流式涡轮发电系统转子装配过程具体为：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。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机械载荷的影响，连接部位的实际过盈量会减小，转子的连接强度得不到保证，转子组成零件间易产生松脱，直接影响闭式循环涡轮发电系统的工作可靠性。同时，这种转子的可重复装配性差，不便于零部件的拆装。
此外，在闭式循环径流涡轮发电系统的研制阶段，准确获取涡轮与压气机的部件特性试验，对于系统的性能匹配与结构优化具有十分重要的意义。针对闭式循环径流涡轮发电系统的结构特点与研制阶段涡轮与压气机的部件特性试验需求，十分有必要设计可以拆卸且可稳定运转的转子结构，为闭式循环径流涡轮发电系统的结构优化设计与可靠性评价提供科学依据。
发明内容
本发明针对闭式循环径流涡轮发电系统转子的试验验证需求，提出了一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构与工艺。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、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮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，首先分别进行电机轴装配和转轴与涡轮叶轮的装配，其次进行径向轴套、电机轴与转轴的装配，然后进行连接轴套与电机轴的装配以及轴径向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、转轴和锁紧螺母的装配。该转子结构采用可拆卸装配方式，能够实现转子组成零部件的重复装配，有利于开展涡轮叶轮、压气机叶轮等部件的特性试验；同时采用整体转子结构，不仅降低了涡轮发电系统的整机结构尺寸，而且有利于涡轮发电系统的运行稳定性。
本发明的技术方案：
一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构，包括锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮。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；所述轴径向复合轴套上有同轴向轴承配合的环形端面，所述轴径向复合轴套上有同径向轴承配合的外圆柱面，所述轴径向复合轴套通过内孔装配在连接轴套上；所述连接轴套有与轴径向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转轴上；所述转轴上有与涡轮叶轮的外螺纹相装配的内螺纹，所述转轴上有同径向轴套相装配的外圆柱面，所述转轴上有同电机轴内螺纹相装配的外螺纹，所述转轴上有同压气机叶轮通孔装配的光轴，所述转轴上有与锁紧螺母装配的外螺纹，所述转轴靠近涡轮端一侧有减重盲孔；所述涡轮叶轮的轮毂上有同转轴内螺纹相装配的外螺纹，所述涡轮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同，所述涡轮叶轮的排气端轮毂有用于装配夹紧的螺母。
一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子制造工艺，包括以下步骤：
a、确定闭式循环涡轮发电系统可拆卸转子的结构尺寸参数：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，确定涡轮发电系统可拆卸转子的组成零部件即锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮的结构尺寸；
b、确定可拆卸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和工作状态参数，确定涡轮发电系统可拆卸转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式循环涡轮发电系统可拆卸转子零部件的制造：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、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮；
d、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，使电机轴磁芯一端与轴套内端面贴紧，形成完整的电机轴；
e、转轴与涡轮叶轮的装配：按照步骤b所确定的装配拧紧力矩，通过转轴与涡轮叶轮的螺纹旋紧装配，将涡轮叶轮与转轴装配在一起，形成涡轮转轴；
f、电机轴、径向轴套与转轴的装配：首先将径向轴套装配在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、轴径向复合轴套与连接轴套的装配：将轴径向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、锁紧螺母与转轴之间的装配：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：
本发明提出的一种可拆卸式涡轮发电系统转子结构与制造方法，采用涡轮和压气机转轴同电机轴的同轴结构，避免了联轴器的使用，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，同时，减小了闭式循环径流涡轮发电系统的整机结构尺寸；采用可拆卸装配结构，能够实现涡轮叶轮和压气机叶轮同转轴、电机轴、径向轴套、轴径向复合轴套之间的重复装配与更换，有利于开展转子中不同涡轮与压气机等零部件的特性试验。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种可拆卸式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径向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转轴结构示意图。
图8是本发明实施例所述涡轮叶轮结构示意图。
1锁紧螺母 2压气机叶轮 3轴径向复合轴套 4连接轴套 5电机轴 6径向轴套 7转轴 8涡轮叶轮 9压气机叶轮外螺纹 10压气机叶轮通孔 11轴径向复合轴套环形端面 12轴径向复合轴套内孔 13轴径向复合轴套外圆柱面 14连接轴套与压气机叶轮装配的内螺纹15连接轴套外圆柱面 16连接轴套外螺纹 17电机轴磁芯 18电机轴轴套 19电机轴与连接轴套相装配的内螺纹 20电机轴与转轴外螺纹相配合的内螺纹 21径向轴套内圆柱面 22转轴上与锁紧螺母装配外螺纹 23转轴上用于装配压气机叶轮的光轴 24转轴上与电机轴装配的外螺纹 25转轴上与径向轴套装配的外圆柱面 26转轴的减重盲孔 27转轴上与涡轮叶轮装配的内螺纹 28涡轮叶轮的外螺纹 29涡轮叶轮的装夹螺母
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。
一种可拆卸式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、轴径向复合轴套3、连接轴套4、电机轴5、径向轴套6、转轴7和涡轮叶轮8。所述压气机叶轮2有中心通孔10，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9的旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述轴径向复合轴套3上有同轴向轴承配合的环形端面11，所述轴径向复合轴套3上有同径向轴承配合的外圆柱面13，所述轴径向复合轴套3通过内孔12装配在连接轴套上；所述连接轴套4有与轴径向复合轴套相装配的外圆柱面15，所述连接轴套4的一端有与压气机叶轮相装配的内螺纹14，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16；所述电机轴5由磁芯17和电机轴套18组成，所述电机轴5的磁芯17位于电机轴套18内部，所述电机轴5的一端有与连接轴套相装配的内螺纹19，所述电机轴5的另一端有与转轴外螺纹相装配的内螺纹20；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21装配在转轴上；所述转轴7上有与涡轮叶轮的外螺纹相装配的内螺纹27，所述转轴7上有同径向轴套相装配的外圆柱面25，所述转轴7上有同电机轴内螺纹相装配的外螺纹24，所述转轴7上有同压气机叶轮通孔装配的光轴23，所述转轴7上有与锁紧螺母装配的外螺纹22，所述转轴7靠近涡轮端一侧有减重盲孔26；所述涡轮叶轮8的轮毂上有同转轴内螺纹相装配的外螺纹28，所述涡轮叶轮8的外螺纹28的旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述涡轮叶轮8的排气端轮毂有用于装配夹紧的螺母29。
一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子制造方法，包括以下步骤：
a、确定闭式循环涡轮发电系统可拆卸转子的结构尺寸参数：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，确定涡轮发电系统可拆卸转子的组成零部件即锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮的结构尺寸；
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1的外螺纹9尺寸为M20×1-p6p6-LH、通孔10的直径为Ф10mm，确定的轴径向复合轴套3的内圆柱面12的直径为Ф28mm，确定的连接轴套4的内螺纹14的尺寸为M20×1-H7H7-LH、外圆柱面15的尺寸为Ф28mm、外螺纹16的尺寸为M36×1-p6p6-LH，确定的电机轴5的内螺纹19尺寸为M36×1-H7H7-LH、内螺纹20尺寸为M20×1-H7H7-LH，确定的径向轴套6的内圆柱面的尺寸为Ф28mm，确定的转轴7的内螺纹27尺寸为M20×1-H7H7-LH、外螺纹24的尺寸为M20×1-p6p6-LH和外螺纹22的尺寸为M12×1-p6p6-LH。
b、确定可拆卸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和工作状态参数，确定涡轮发电系统可拆卸转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式循环涡轮发电系统可拆卸转子零部件的制造：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、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、转轴和涡轮叶轮；
d、电机轴的装配：将步骤c中完成加工的电机轴磁芯17和电机轴轴套18，采用加热电机轴轴套18方式，实现电机轴磁芯17和电机轴轴套18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；
e、转轴与涡轮叶轮的装配：按照步骤b所确定的装配拧紧力矩，通过转轴7与涡轮叶轮8的螺纹旋紧装配，将涡轮叶轮8与转轴7装配在一起，形成涡轮转轴；
f、电机轴、径向轴套与转轴的装配：首先将径向轴套6装配在转轴7的外圆柱面25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：将连接轴套穿过转轴，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4装配在电机轴5上，并使端面贴紧；
h、轴径向复合轴套与连接轴套的装配：将轴径向复合轴套3装配在连接轴套4的外圆柱面15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、锁紧螺母与转轴之间的装配：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 (6)

1.一种可拆卸式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)、轴径向复合轴套(3)、连接轴套(4)、电机轴(5)、径向轴套(6)、转轴(7)和涡轮叶轮(8)；所述轴径向复合轴套(3)上有同轴向轴承配合的环形端面(11)，所述轴径向复合轴套(3)上有同径向轴承配合的外圆柱面(13)，所述轴径向复合轴套(3)通过内孔(12)装配在连接轴套上；所述电机轴(5)由磁芯(17)和电机轴套(18)组成，所述电机轴(5)的磁芯(17)位于电机轴套(18)内部，所述电机轴(5)的一端有与连接轴套相装配的内螺纹(19)，所述电机轴(5)的另一端有与转轴外螺纹相装配的内螺纹(20)；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(21)装配在转轴上；所述涡轮叶轮(8)的轮毂上有同转轴内螺纹相装配的外螺纹(28)，所述涡轮叶轮(8)的外螺纹(28)的旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述涡轮叶轮(8)的排气端轮毂有用于装配夹紧的螺母(29)。
2.根据权利要求1所述的一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构，其特征在于：所述压气机叶轮(2)有中心通孔(10)，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(9)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所述的一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构，其特征在于：所述连接轴套(4)有与轴径向复合轴套相装配的外圆柱面(15)，所述连接轴套(4)的一端有与压气机叶轮相装配的内螺纹(14)，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(16)。
4.根据权利要求1所述的一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构，其特征在于：所述转轴(7)上有与涡轮叶轮的外螺纹相装配的内螺纹(27)，所述转轴(7)上有同径向轴套相装配的外圆柱面(25)，所述转轴(7)上有同电机轴内螺纹相装配的外螺纹(24)，所述转轴(7)上有同压气机叶轮通孔装配的光轴(23)，所述转轴(7)上有与锁紧螺母装配的外螺纹(22)，所述转轴(7)靠近涡轮端一侧有减重盲孔(26)。
5.根据权利要求1所述的一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子结构，一种可拆卸式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、确定闭式循环涡轮发电系统可拆卸转子的结构尺寸参数；
b、确定可拆卸转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式循环涡轮发电系统可拆卸转子零部件的制造；
d、电机轴的装配；
e、转轴与涡轮叶轮的装配；
f、电机轴、径向轴套与转轴的装配：首先将径向轴套(6)装配在转轴(7)的外圆柱面(25)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：将连接轴套穿过转轴，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(4)装配在电机轴(5)上，并使端面贴紧；
h、轴径向复合轴套与连接轴套的装配：将轴径向复合轴套(3)装配在连接轴套(4)的外圆柱面(15)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、锁紧螺母与转轴之间的装配：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)安装在转轴(7)上，形成完整的转子结构。
6.根据权利要求5所述的一种可拆卸式径流涡轮发电系统转子制造方法，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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