CN110829706B - 一种超高速复合转子连接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高速复合转子连接结构，包括：转子盘、转轴和垫圈；其中，所述垫圈套设于所述转子盘的一端；所述转子盘的一端插设于所述转轴内。本发明整体结构简单、紧凑，可满消除径向间隙、同时易实现多次装配的定位一致性，有利于实现超高速运转的动态稳定性。

Description

一种超高速复合转子连接结构
技术领域
本发明属于超高速运转工况下结构强度及动态稳定性的超高速涡轮盘与发电机转轴的机械连接技术领域，尤其涉及一种超高速复合转子连接结构。
背景技术
对于功能上要求组合同时结构上又要求一体化、小型化的旋转机械产品，其转子系统往往为多零件复合方式——复合转子，典型的如涡轮增压器、涡轮发电机等。这类机械产品中，如果工作转速很高，达到数万转每分甚至更高(一般超过转子系统一阶临界转速)，对于复合转子的连接结构也将更高，其中重点需要考虑在超高转速工况下的结构强度问题和动态稳定性问题。
当前常见的复合转子连接方式有法兰连接、拉杆连接、螺纹连接等。
法兰连接适用于具有较大结构尺寸和较低转速的转子系统，对于小型化及一体化要求严苛的转子系统无法满足要求；拉杆连接对于超高速转子是一种比较可靠的连接方式，但其涉及连接零件较多，且一般情况下拉杆呈细长状，加工精度不易保证；螺纹连接对于低速转子是一种简单易行的方式，但如无其加限制或配套措施情况下在高速下易发生运转间隙，破坏动平衡状态进而引起动态失稳。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超高速复合转子连接结构，整体结构简单、紧凑，可满消除径向间隙、同时易实现多次装配的定位一致性，有利于实现超高速运转的动态稳定性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种超高速复合转子连接结构，包括：转子盘、转轴和垫圈；其中，所述垫圈套设于所述转子盘的一端；所述转子盘的一端插设于所述转轴内。
上述超高速复合转子连接结构中，所述转子盘包括伸出轴、轮盘和小轴端；其中，所述伸出轴和所述小轴端分别设置于所述轮盘的两侧；所述伸出轴的中心轴线与所述轮盘的中心轴线相重合；所述伸出轴插设于所述转轴内。
上述超高速复合转子连接结构中，所述伸出轴包括外螺纹段、导向锥段一、过盈配合段一、导向锥段二和过盈配合段二；其中，外螺纹段、导向锥段一、过盈配合段一、导向锥段二和过盈配合段二依次一体连接；外螺纹段的直径小于导向锥段一的直径，导向锥段一的直径大于过盈配合段一的直径，过盈配合段一的直径小于导向锥段二的直径，导向锥段二的直径大于过盈配合段二的直径。
上述超高速复合转子连接结构中，在轮盘上与伸出轴相交的位置设置第一标记。
上述超高速复合转子连接结构中，所述转轴上设置了内孔，所述内孔为阶梯孔，所述内孔包括内螺纹段、配合段一和配合段二；其中，所述内螺纹段与所述外螺纹段螺纹连接；所述导向锥段一和过盈配合段一设置于所述配合段一内；所述导向锥段二和过盈配合段二设置于所述配合段二内。
上述超高速复合转子连接结构中，在转轴的外表面与转轴的右端面相交的位置设置第二标记。
上述超高速复合转子连接结构中，对于转子盘与转轴分体的复合转子而言，其转子盘与转轴的装配间隙引起的偏心距e小于1.2um；其中，偏心距e由以下公式得到：
Figure BDA0002250562000000021
其中，Vper为偏心切向速度，ω为转子角速度。
上述超高速复合转子连接结构中，第一标记和第二标记的位置设置取决于复合转子产生的偶不平衡量
Figure BDA0002250562000000022
上述超高速复合转子连接结构中，复合转子产生的偶不平衡量
Figure BDA0002250562000000023
的值由以下公式得出：
Figure BDA0002250562000000031
其中，Uc为复合转子产生的偶不平衡量
Figure BDA0002250562000000032
的值，u为复合转子的不平衡质量，动平衡的两个校正平面A和B分别位于转轴与转子盘上且相距为l，r为两个校正平面A和B的校正半径，θ为转子盘与转轴连接时的周向相对位置发生了角度值。
上述超高速复合转子连接结构中，导向锥段一、过盈配合段一、导向锥段二和过盈配合段二的外表面均涂抹润滑剂。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过盘轴之间为过盈配合，可消除静态及动态下径向间隙，保证高速运转时的转子动平衡状态稳定；
(2)本发明通过第一标记和第二标记，可以实现每次连接操作时的准确定位，每次连接后盘轴的周向相对位置不变，保证多次连接操作时的转子动平衡状态稳定。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的转子盘的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的转轴的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的垫圈的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的轮盘标记第一标记的示意图；
图5是本发明实施例提供的转轴标记第二标记的示意图；
图6是本发明实施例提供的超高速复合转子连接结构的连接示意图；
图7(a)是本发明实施例提供的超高速复合转子连接结构的连接又一示意图；
图7(b)是本发明实施例提供的超高速复合转子连接结构的连接又一示意图；
图7(c)是本发明实施例提供的超高速复合转子连接结构的连接又一示意图；
图8是图7中的I或II处的放大示意图；
图9是本发明实施例提供的复合转子装配间隙引起的偏心距的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。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。
图6是本发明实施例提供的超高速复合转子连接结构的连接示意图；图7(a)是本发明实施例提供的超高速复合转子连接结构的连接又一示意图。如图6和图7(a)所示，该超高速复合转子连接结构包括：转子盘1、转轴2和垫圈3；其中，所述垫圈3套设于所述转子盘1的一端；所述转子盘1的一端插设于所述转轴2内。图3示出了垫圈的结构。
图1是本发明实施例提供的转子盘的结构示意图。如图1所示，该转子盘1包括伸出轴11、轮盘12和小轴端13；其中，所述伸出轴11和所述小轴端13分别设置于所述轮盘12的两侧；所述伸出轴11的中心轴线与所述轮盘12的中心轴线相重合；所述伸出轴11插设于所述转轴2内。
具体连接时，如图8所示，在限定的螺纹拧紧力矩范围Tmin,Tmax内实现转子盘1与转轴2之间的过盈配合到位(Ⅰ或Ⅱ处)；过盈配合可以是一段、两段或多段，优选两段；在过盈段前段可设置导向锥段(Ⅰ或Ⅱ处)以提高过盈装配工艺性；过盈配合面可进行适当表面处理以提高表面硬度和耐磨性；装配时，过盈配合面可涂抹润滑剂以改善装配工艺性；为保证每次装配时转子盘1与转轴2之间的周向定位一致，在二者适当位置分别进行划线标记，装配时在限定的螺纹拧紧力矩范围(Tmin,Tmax)内使标记对齐；如在该限定的力矩范围内无法实现标记对齐，对垫圈3厚度进行调整，直到可满足对齐要求。
如图1所示，伸出轴11包括外螺纹段111、导向锥段一112、过盈配合段一113、导向锥段二114和过盈配合段二115；其中，外螺纹段111、导向锥段一112、过盈配合段一113、导向锥段二114和过盈配合段二115依次一体连接；外螺纹段111的直径小于导向锥段一112的直径，导向锥段一112的直径大于过盈配合段一113的直径，过盈配合段一113的直径小于导向锥段二114的直径，导向锥段二114的直径大于过盈配合段二115的直径。
图4是本发明实施例提供的轮盘标记第一标记的示意图。如图4所示，在轮盘12上与伸出轴11相交的位置设置第一标记121。在轮盘12上靠近伸出轴11位置设置标记121。
图2是本发明实施例提供的转轴的结构示意图。如图2所示，该转轴2上设置了内孔21，所述内孔21为阶梯孔，所述内孔21包括内螺纹段211、配合段一212和配合段二213；其中，所述内螺纹段211与所述外螺纹段111螺纹连接；所述导向锥段一112和过盈配合段一113设置于所述配合段一212内；所述导向锥段二114和过盈配合段二115设置于所述配合段二213内。
图5是本发明实施例提供的转轴标记第二标记的示意图。如图5所示，在转轴2的外表面22与转轴2的右端面相交的位置设置第二标记221。在转轴2的外表面22靠近右端面位置设置标记221。
具体操作过程：
连接操作时，固定转轴2，将转子盘1的伸出轴11插入转轴2的内孔21并对转子盘1施加拧紧力矩将其旋合拧入转轴2。随着外螺纹段111与内螺纹段211旋合，在转轴2固定的情况，转子盘1向向左轴向位移，整个旋合拧紧过程分步介绍如下：
I:旋合操作第一阶段：在旋合操作起始时刻，外螺纹段111与内螺纹段211接触的同时，导向锥段一112与配合段一212、导向锥段二114与配合段二213分别开始接触；随后导向锥段一112与导向锥段二114分别逐渐越过配合段一212与配合段二213，将过盈配合段一113与过盈配合段二115分别导向至和配合段一212与配合段二213接触。由于过程中导向锥段与配合段之间的配合间隙逐渐变小直至形成过盈配合，拧紧力矩逐渐增大。如图8所示。
II:旋合操作第二阶段：过盈配合段一113与配合段一212、过盈配合段二115与配合段二213从开始接触到配合到位。由于过程中轴、孔配合段之间的过盈量不变，拧紧力矩基本恒定。
III:旋合操作第三阶段：转子盘1接触并压紧垫圈3后，增大拧紧力矩继续旋合拧紧操作，直至使标记121与标记221对齐；过程中应保证拧紧力矩在限定的范围(Tmin,Tmax)内。如在限定的力矩范围内无法实现标记对齐，则需分解连接结构后更换垫圈3或对其厚度δ进行调整，重新进行连接操作，直至满足要求。
原理依据：
(1)过盈配合消除间隙，保证高速运转时的转子动平衡状态稳定：
对于转速超过20krpm的高速转子，根据ISO 1940标准，一般要求其动平衡等级在G2.5级甚至更高。
对于剩余不平衡量引起的等效偏心距eper，有：
Figure BDA0002250562000000061
其中，Vper为偏心切向速度，数值上等于其动不平衡等级,mm/s；ω为转子角速度,rad/s。
考虑一个转速为20krpm的转子，动平衡等级为G2.5，此时对应的不平衡等效偏心距eper为0.0012mm,即1.2um。因此，对于转子盘与转轴分体的复合转子而言，其二者的装配间隙引起的偏心距e(见附图9)必须比1.2um小一个数量级，如此小的间隙要求只有过盈配合才能满足。即：要确保高速运转时的转子动平衡状态稳定，必须通过过盈配合消除复合转子内转子盘与转子之间的配合间隙。
(2)定位标记使每次连接后盘轴的周向相对位置不变，保证多次连接操作时的转子动平衡状态稳定：
为简化分析，假定在第一次连接操作后复合转子进行了动平衡并达至理想平衡状态，动平衡的两个校正平面A和B分别位于转轴与转子盘上且相距为l(如图7(b)和图7(c)所示)，两个校正平面上的校正半径均为r；动平衡之前，复合转子系统的不平衡质量为u且位于平面A校正半径的某个相位上。在进行静平衡和偶平衡去重操作后，相当于在理想平衡转子状态上叠加了一对方向相反、互相抵消的偶不平衡量，其值为url。当复合转子分解后进行第二次连接操作时，其周向相对位置发生了角度值为θ的周向变化，此时转子的静平衡不受影响，但偶平衡状态将发生变化。力学分析可知，整个转子将产生一个偶不平衡量
Figure BDA0002250562000000071
其数值为：
Figure BDA0002250562000000072
注意上述公式中不平衡质量u为转子系统在未经动平衡操作前的原始不平衡质量，其值可能很大(具体与零件结构加工质量有关)，因此即使是一个较小的θ值，也可能导致转子系统出现一个较大的偶不平衡量。所以，要确保多次连接操作时的转子动平衡状态稳定，必须采取措施使每次连接后盘轴的周向相对位置不变，定位标记是一种可靠且实用性强的办法。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种超高速复合转子连接结构，其特征在于包括：转子盘(1)、转轴(2)和垫圈(3)；其中，
所述垫圈(3)套设于所述转子盘(1)的一端；
所述转子盘(1)的一端插设于所述转轴(2)内；
所述转子盘(1)包括伸出轴(11)、轮盘(12)和小轴端(13)；其中，
所述伸出轴(11)和所述小轴端(13)分别设置于所述轮盘(12)的两侧；
所述伸出轴(11)的中心轴线与所述轮盘(12)的中心轴线相重合；
所述伸出轴(11)插设于所述转轴(2)内；
所述伸出轴(11)包括外螺纹段(111)、导向锥段一(112)、过盈配合段一(113)、导向锥段二(114)和过盈配合段二(115)；其中，
外螺纹段(111)、导向锥段一(112)、过盈配合段一(113)、导向锥段二(114)和过盈配合段二(115)依次一体连接；
外螺纹段(111)的直径小于导向锥段一(112)的直径，导向锥段一(112)的直径大于过盈配合段一(113)的直径，过盈配合段一(113)的直径小于导向锥段二(114)的直径，导向锥段二(114)的直径大于过盈配合段二(115)的直径；
在轮盘(12)上与伸出轴(11)相交的位置设置第一标记(121)；
所述转轴(2)上设置了内孔(21)，所述内孔(21)为阶梯孔，所述内孔(21)包括内螺纹段(211)、配合段一(212)和配合段二(213)；其中，
所述内螺纹段(211)与所述外螺纹段(111)螺纹连接；
所述导向锥段一(112)和过盈配合段一(113)设置于所述配合段一(212)内；
所述导向锥段二(114)和过盈配合段二(115)设置于所述配合段二(213)内。
2.根据权利要求1所述的超高速复合转子连接结构，其特征在于：在转轴(2)的外表面(22)与转轴(2)的右端面相交的位置设置第二标记(221)。
3.根据权利要求2所述的超高速复合转子连接结构，其特征在于：对于转子盘与转轴分体的复合转子而言，其转子盘与转轴的装配间隙引起的偏心距e小于1.2um；其中，偏心距e由以下公式得到：
Figure FDA0002716036350000021
其中，Vper为偏心切向速度，ω为转子角速度。
4.根据权利要求3所述的超高速复合转子连接结构，其特征在于：第一标记(121)和第二标记(221)的位置设置取决于复合转子产生的偶不平衡量
Figure FDA0002716036350000022
5.根据权利要求4所述的超高速复合转子连接结构，其特征在于：复合转子产生的偶不平衡量
Figure FDA0002716036350000023
的值由以下公式得出：
Figure FDA0002716036350000024
其中，Uc为复合转子产生的偶不平衡量
Figure FDA0002716036350000025
的值，u为复合转子的不平衡质量，动平衡的两个校正平面A和B分别位于转轴与转子盘上且相距为l，r为两个校正平面A和B的校正半径，θ为转子盘与转轴连接时的周向相对位置发生了角度值。
6.根据权利要求1所述的超高速复合转子连接结构，其特征在于：导向锥段一(112)、过盈配合段一(113)、导向锥段二(114)和过盈配合段二(115)的外表面均涂抹润滑剂。
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