CN111828372A - 一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，包括螺杆(1)、诱导轮(2)、压紧螺母(3)、轴(4)、一级离心轮(5)、金属橡胶阻尼器(6)、鼠笼式弹性支承(7)、轴承对(8)、级间轴套(9)、二级离心轮(10)、平衡活塞(11)、金属橡胶阻尼器挡板(12)、第一轴套(13)、涡轮盘(14)、大螺母(15)、预载碟簧(16)、第二轴套(17)；本发明的柔性转子的轴系双向外伸，优化连接、传扭结构，减轻转子质量，缩短两侧悬臂和支撑跨距，超临界工作，额定转速达到80000rpm，临界转速裕度20％以上，同时具备60％‑100％变工况和轴向力自适应平衡能力。

Description

一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子
技术领域
本发明涉及一种涡轮泵柔性转子。
背景技术
涡轮泵是发动机的心脏，发动机推力、室压、比冲的提升意味着涡轮泵扬程、效率、重量功率密度的大幅提高。由于液氢密度低，体积流量大，达到同样的扬程需要的转速更高。因此，超高转速、深度变工况的氢涡轮泵柔性转子设计成为新一代重型运载火箭膨胀循环发动机的关键技术之一。
目前，国外先进水平膨胀循环发动机VINCI(欧洲)、RL60(日本)以及RD-0146(俄罗斯)的氢涡轮泵转速均达到75000rpm及以上。而国内膨胀循环发动机氢涡轮泵的最高转速为60000rpm，且由于临界转速裕度、轴向力适应性等原因，不能够大范围变工况工作，导致氢涡轮泵的扬程、流量和效率均不能满足新一代发动机推力和比冲的提升需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为满足新一代重型运载火箭膨胀循环发动机氢涡轮泵高扬程、高效率、大范围变工况的需求，提出了一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，轴系双向外伸，优化连接、传扭结构，减轻转子质量，缩短两侧悬臂和支撑跨距，超临界工作，额定转速达到80000rpm，临界转速裕度20％以上，同时具备60％-100％变工况和轴向力自适应平衡能力。
本发明所采用的技术方案是：一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，包括螺杆、诱导轮、压紧螺母、轴、一级离心轮、金属橡胶阻尼器、鼠笼式弹性支承、轴承对、级间轴套、二级离心轮、平衡活塞、金属橡胶阻尼器挡板、第一轴套、涡轮盘、大螺母、预载碟簧、第二轴套；
轴一端开有螺杆安装孔，从端部开始依次设置诱导轮花键、压紧螺母拧紧螺纹和一级离心轮安装花键，轴另一端设置大螺母拧紧螺纹，轴中部设置二级离心轮安装花键和轴肩，轴肩和大螺母拧紧螺纹之间设置涡轮盘配合花键；
二级离心轮通过二级离心轮安装花键安装在轴上，位于轴肩一侧；轴肩另一侧安装轴承对，鼠笼式弹性支承套装在轴承对上，鼠笼式弹性支承回形结构内设置金属橡胶阻尼器，金属橡胶阻尼器挡板位于二级离心轮和金属橡胶阻尼器之间，二级离心轮和金属橡胶阻尼器挡板之间安装平衡活塞；涡轮盘通过涡轮盘配合花键安装在轴上，第一轴套安装在轴承对和涡轮盘之间，涡轮盘通过大螺母压紧固定；
一级离心轮通过一级离心轮安装花键安装在轴上，一级离心轮两侧分别安装压紧螺母和另一个轴承对；另一个轴承对和二级离心轮之间安装级间轴套，诱导轮通过诱导轮花键安装在轴上，压紧螺母位于诱导轮的轮毂内并压紧一级离心轮；螺杆安装在螺杆安装孔中，压紧诱导轮；一级离心轮一侧的轴承对上安装鼠笼式弹性支承和金属阻尼器；轴承对的两个轴承之间安装第二轴套和预载碟簧。
诱导轮内一端设置前定位面，另一端挖空，诱导轮内壁设置花键a。
一级离心轮和二级离心轮在轴上的安装位置处均设有前、后定位面，其中前定位面上均内镶铝套，铝套与轴配合间隙为0.01mm～0.02mm。
二级离心轮后设置凸肩，凸肩位置由轴系剩余轴向力大小选定，金属橡胶阻尼器挡板、平衡活塞和二级离心轮三者间形成平衡活塞腔，通过调节平衡活塞间隙来改变腔内压力，进而改变作用在二级离心轮上的轴向力。
轴承对中轴承为角接触球轴承，内圈与轴的配合精度在0.01mm以内，预载碟簧作用在外圈上，通过第二轴套调整预载碟簧的压缩量。
两端轴承对的跨距为轴系长度的三分之一，级间轴套采用不锈钢材料。
涡轮盘与轴之间的定位面为过盈配合，过盈量为0.02mm～0.03mm，涡轮盘配合花键位于第一轴套下方。
螺杆、诱导轮、压紧螺母均采用钛合金材料。
一级离心轮、二级离心轮均采用钛合金材料。
涡轮盘采用钛合金材料。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的柔性转子能够超临界工作，并具备变工况能力。突破了目前液体火箭发动机涡轮泵最高转速60000rpm，工作转速达到80000rpm，并且二、三阶临界转速裕度高，可进行60％-100％变工况调节。
(2)本发明的柔性转子轴向力可自适应调节。角接触轴承成对使用，一体化设计，实现了轴系移动并保证预载力不变。二级离心轮后设置高灵敏度平衡活塞，通过轴系移动调节平衡活塞间隙来改变腔内压力，实现变工况时的轴向力自适应平衡。
(3)本发明的柔性转子悬臂较短，重量轻。轮盘采用钛合金，诱导轮和离心轮直连，涡轮传扭花键前置，均大幅减小两侧悬臂和集中质量。同时亦可缩短轴系长度，减少转子和相应壳体重量，提高涡轮泵功率密度比。
(4)本发明的柔性转子运转稳定性高，抗扰动能力强。通过设计金属橡胶阻尼器，为转子提供了较大的阻尼，可有效抑制转子过临界的振动。
附图说明
图1为发明的超高转速液氢涡轮泵柔性转子装配图；
图2为发明的轴结构图；
图3为发明的诱导轮结构图；
图4为发明的一级离心轮结构图
图5为发明的二级离心轮结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
如图1～图5所示，一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子装置，结构上由螺杆1、诱导轮2、压紧螺母3、轴4、一级离心轮5、金属橡胶阻尼器6、鼠笼式弹性支承7、轴承对8、级间轴套9、二级离心轮10、平衡活塞11、金属橡胶阻尼器挡板12、第一轴套13、涡轮盘14、大螺母15、预载碟簧16、第二轴套17组成，如附图1所示。其中螺杆1、诱导轮2、压紧螺母3、一级离心轮5、二级离心轮10、涡轮盘14均采用钛合金材料。
轴4一端开有螺杆安装孔，螺杆安装孔内设置螺杆拧紧螺纹41，从端部开始依次设置诱导轮花键42、压紧螺母拧紧螺纹43和一级离心轮安装花键44，轴4另一端设置大螺母拧紧螺纹45，轴中部设置二级离心轮安装花键46和轴肩47，轴肩47和大螺母拧紧螺纹45之间设置涡轮盘配合花键48；
二级离心轮10通过二级离心轮安装花键46安装在轴4上，位于轴肩47一侧；轴肩47另一侧安装轴承对8，鼠笼式弹性支承7套装在轴承对8上，金属橡胶阻尼器6安装在鼠笼式弹性支承7上，金属橡胶阻尼器挡板12位于二级离心轮10和轴承对8之间，二级离心轮10和金属橡胶阻尼器挡板12之间安装平衡活塞11；涡轮盘14通过涡轮盘配合花键48安装在轴4上，第一轴套13安装在轴承对8和涡轮盘14之间，涡轮盘14通过大螺母15压紧固定；
一级离心轮5通过一级离心轮安装花键44安装在轴4上，一级离心轮5两侧分别安装压紧螺母3和另一个轴承对8；另一个轴承对8和二级离心轮10之间安装级间轴套9，诱导轮2通过诱导轮花键42安装在轴4上，压紧螺母3位于诱导轮2的轮毂21内并压紧一级离心轮5；螺杆1安装在螺杆安装孔中，压紧诱导轮2；一级离心轮5一侧的轴承对8上安装鼠笼式弹性支承7和金属阻尼器6；轴承对8的两个轴承之间安装第二轴套17和预载碟簧16；一级离心轮5内径设置花键b51；二级离心轮10内径设置花键c102。
轴4内部钻孔，螺杆1深入其中，螺纹连接，形成拉杆结构。提高诱导轮2的轮毂21外径并将端部挖空，同时减小压紧螺母3外径，使之缩入其中。诱导轮2与轴4通过花键a23传扭，设置前定位面22，定位精度可以达到0.02mm以下。一级离心轮5、二级离心轮10与轴4均设有前、后定位面，靠压紧螺母3压紧；其中前定位面均内镶铝套18，常温配合间隙0.01mm～0.02mm，低温下变为过盈配合。二级离心轮10后设置凸肩101，凸肩101位置由轴系剩余轴向力大小选定，并在金属橡胶阻尼器挡板12上设置平衡活塞11，三者形成平衡活塞腔102。
转子支撑采用鼠笼式弹性支承7，在控制转子过临界应变能的前提下其刚度取较大值。回形结构内设置金属橡胶阻尼器6。轴承对8为角接触球轴承对，内圈与轴的配合精度要求极高，小于0.01mm，靠压紧螺母3或大螺母15压紧；外圈通过预载碟簧16施加预载力，该设计使两轴承一体化，与鼠笼式弹性支承7内径配合间隙0.01mm～0.02mm。将两端轴承对8跨距减小至轴系长度的三分之一，级间轴套9材料选用弹性模型量更大的不锈钢。
涡轮盘14与轴4采用分体连接，靠大螺母15压紧，定位面过盈配合，通过第一轴套13调整涡轮盘位置。将涡轮盘配合花键48前移至第一轴套13下方，可大大减小涡轮盘的悬臂和花键处的离心力，从而大幅提高临界转速和涡轮盘寿命。
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。
本发明的说明书未详细说明的部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，包括螺杆(1)、诱导轮(2)、压紧螺母(3)、轴(4)、一级离心轮(5)、金属橡胶阻尼器(6)、鼠笼式弹性支承(7)、轴承对(8)、级间轴套(9)、二级离心轮(10)、平衡活塞(11)、金属橡胶阻尼器挡板(12)、第一轴套(13)、涡轮盘(14)、大螺母(15)、预载碟簧(16)、第二轴套(17)；
轴(4)一端开有螺杆安装孔，从端部开始依次设置诱导轮花键(42)、压紧螺母拧紧螺纹(43)和一级离心轮安装花键(44)，轴(4)另一端设置大螺母拧紧螺纹(45)，轴中部设置二级离心轮安装花键(46)和轴肩(47)，轴肩(47)和大螺母拧紧螺纹(45)之间设置涡轮盘配合花键(48)；
二级离心轮(10)通过二级离心轮安装花键(46)安装在轴(4)上，位于轴肩(47)一侧；轴肩(47)另一侧安装轴承对(8)，鼠笼式弹性支承(7)套装在轴承对(8)上，鼠笼式弹性支承(7)回形结构内设置金属橡胶阻尼器(6)，金属橡胶阻尼器挡板(12)位于二级离心轮(10)和金属橡胶阻尼器(6)之间，二级离心轮(10)和金属橡胶阻尼器挡板(12)之间安装平衡活塞(11)；涡轮盘(14)通过涡轮盘配合花键(48)安装在轴(4)上，第一轴套(13)安装在轴承对(8)和涡轮盘(14)之间，涡轮盘(14)通过大螺母(15)压紧固定；
一级离心轮(5)通过一级离心轮安装花键(44)安装在轴(4)上，一级离心轮(5)两侧分别安装压紧螺母(3)和另一个轴承对(8)；另一个轴承对(8)和二级离心轮(10)之间安装级间轴套(9)，诱导轮(2)通过诱导轮花键(42)安装在轴(4)上，压紧螺母(3)位于诱导轮(2)的轮毂(21)内并压紧一级离心轮(5)；螺杆(1)安装在螺杆安装孔中，压紧诱导轮(2)；一级离心轮(5)一侧的轴承对(8)上安装鼠笼式弹性支承(7)和金属阻尼器(6)；轴承对(8)的两个轴承之间安装第二轴套(17)和预载碟簧(16)。
2.根据权利要求1所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，诱导轮(2)内一端设置前定位面(22)，另一端挖空，诱导轮(2)内壁设置花键a(23)。
3.根据权利要求1或2所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，一级离心轮(5)和二级离心轮(10)在轴(4)上的安装位置处均设有前、后定位面，其中前定位面上均内镶铝套(18)，铝套(18)与轴(4)配合间隙为0.01mm～0.02mm。
4.根据权利要求3所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，二级离心轮(10)后设置凸肩(101)，凸肩(101)位置由轴系剩余轴向力大小选定，金属橡胶阻尼器挡板(12)、平衡活塞(11)和二级离心轮(10)三者间形成平衡活塞腔(102)，通过调节平衡活塞(102)间隙来改变腔内压力，进而改变作用在二级离心轮(10)上的轴向力。
5.根据权利要求4所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，轴承对(8)中轴承为角接触球轴承，内圈与轴的配合精度在0.01mm以内，预载碟簧(16)作用在外圈上，通过第二轴套(17)调整预载碟簧(16)的压缩量。
6.根据权利要求5所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，两端轴承对(8)的跨距为轴系长度的三分之一，级间轴套(9)采用不锈钢材料。
7.根据权利要求6所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，涡轮盘(14)与轴(4)之间的定位面为过盈配合，过盈量为0.02mm～0.03mm，涡轮盘配合花键(48)位于第一轴套(13)下方。
8.根据权利要求7所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，螺杆(1)、诱导轮(2)、压紧螺母(3)均采用钛合金材料。
9.根据权利要求8所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，一级离心轮(5)、二级离心轮(10)均采用钛合金材料。
10.根据权利要求9所述的一种超高转速液氢涡轮泵柔性转子，其特征在于，涡轮盘(14)采用钛合金材料。
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