CN112360574B - 一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构，包括螺母、轴套、电机轴、主轴、压气机叶轮和涡轮叶轮。根据闭式布雷顿循环热电转换系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，在确定旋转组件尺寸参数与装配力矩的基础上，完成螺母、轴套、电机轴、主轴、压气机叶轮和涡轮叶轮的加工，通过依次完成电机轴装配、压气机叶轮与涡轮叶轮装配、主轴与压气机叶轮装配、主轴同电机轴的装配、轴套同电机轴和主轴的装配以及螺母同主轴的装配，形成完整的闭式布雷顿循环热电转换系统旋转组件结构。该结构具有组成部件少、紧凑性好等特点，能够提高径流闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的结构强度与可靠性，保证发电系统的服役寿命。

Description

一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构
技术领域
本发明属于闭式布雷顿循环热电转换系统结构设计技术领域，具体涉及一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构。
背景技术
闭式布雷顿循环热电转换系统作为一种新型的热电转化形式，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机械功的转换，并通过发电机将机械功进一步转换为电能。闭式布雷顿循环热电转化系统工作过程中，与外界仅有能量交换，而无工质交换。典型的闭式布雷顿循环热电转换系统在结构上主要由涡轮、压气机、发电机、转子及支承结构、回热器等部件组成。
高速旋转组件是闭式布雷顿循环热电转换系统中最为核心的部件，对闭式布雷顿循环热电转换系统的总体性能、结构布局、可靠性与寿命具有决定性的影响。闭式布雷顿循环热电转换系统在运转过程中，旋转部件始终处于高速旋转状态，其转速可达几万转/分，有的转速甚至达到十几万转/分，旋转部件一旦发生故障，不仅会导致闭式布雷顿循环热电转换系统无法正常工作，而且还会引起系统的结构损坏。因此，合理设计旋转组件结构对于保证闭式布雷顿循环热电转换系统的结构可靠性至关重要。
现有的闭式布雷顿循环热电转换系统旋转组件结构主要由涡轮转轴、主轴、压气机叶轮、电机轴、联轴器等部件装配而成，具体为：通过主轴将涡轮转轴和压气机叶轮连接在一起形成动力转轴，然后借助联轴器将动力转轴和电机轴连接在一起，形成完整的旋转组件。这种旋转组件结构虽然可以有效提高稳定工作转速，但是由于其连接部位多、轴向尺寸大且大量采用过盈连接结构，对组件的加工与装配精度均提出了很高要求，连接强度和刚度保证难度大，影响闭式布雷顿循环热电转换系统的工作可靠性。
针对闭式布雷顿循环热电转换系统转子的特点和使用要求，合理设计旋转组件结构，降低制造及装配工艺难度，是提高和保证闭式布雷顿循环热电转换系统工作可靠性与服役寿命的关键。
发明内容
本发明针对闭式布雷顿循环热电转换系统结构设计问题，提出了一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构，包括螺母、轴套、电机轴、主轴、压气机叶轮和涡轮叶轮。根据闭式布雷顿循环热电转换系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，在确定旋转组件尺寸参数与装配力矩的基础上，完成螺母、轴套、电机轴、主轴、压气机叶轮和涡轮叶轮的加工，通过依次完成电机轴装配、压气机叶轮与涡轮叶轮装配、主轴与压气机叶轮装配、主轴同电机轴的装配、轴套同电机轴和主轴的装配以及螺母同主轴的装配，形成完整的闭式布雷顿循环热电转换系统旋转组件结构。该结构具有紧凑性好、刚度大等特点，能够提高径流闭式布雷顿循环发电系统旋转组件结构的连接强度与工作可靠性，保证发电系统的服役寿命。
本发明的技术方案：
一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构，包括螺母、轴套、电机轴、主轴、压气机叶轮和涡轮叶轮；
所述螺母位于轴套一侧并与主轴的外螺纹相配配合，所述螺母的螺纹旋向与热电转换系统工作时的旋向相反；
所述轴套上有同径向轴承相装配的外圆柱面，所述轴套上有同轴向轴承相装配的环形端面，所述轴套的一端有与电机轴相装配的内圆柱面，所述轴套的另一端有放置螺母的沉孔，所述轴套的轴向中心部位有同主轴相装配的通孔；
所述电机轴由磁芯、长护套和短护套组成，所述电机轴的磁芯位于长护套和短护套的内部，所述电机轴的一侧有同轴套相装配的圆形凸台，所述电机轴的另一侧有同主轴相装配的内圆柱面，所述电机轴的轴向中心部位有同主轴装配的通孔；
所述主轴上有同电机轴和轴套相装配的光轴，所述主轴的光轴上有同螺母装配的外螺纹，所述主轴上有同径向轴承装配的外圆柱面，所述主轴上有同压气机叶轮相装配的螺柱，所述主轴上有同电机轴的内圆柱面相装配的凸台；
所述压气机叶轮进气端有同主轴相装配的螺纹孔，所述压气机叶轮的进气端有锥形进气导流凸台，所述压气机叶轮的轮背中心部位有同涡轮叶轮装配的螺柱；
所述涡轮叶轮上有同压气机叶轮相装配的螺纹孔，所述涡轮叶轮的排气端有用于装配的螺帽。
一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构制造工艺，包括以下步骤：
a、确定闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的尺寸参数：根据闭式布雷顿循环热电转换系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，确定螺母、轴套、电机轴、主轴、压气机叶轮和涡轮叶轮的尺寸；
b、确定闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的装配力矩：根据闭式布雷顿循环热电转换系统的工作状态参数，确定闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的加工：按照步骤a确定的闭式布雷顿循环热电转换系统旋转组件的尺寸参数，加工螺母、轴套、电机轴、主轴、压气机叶轮和涡轮叶轮；
d、电机轴的装配：将步骤c中加工好的电机轴磁芯、长护套和短护套，采用对长护套和短护套加热的方式，将磁芯同长护套和短护套过盈装配在一起，使磁芯的两侧端面分别同长护套和短护套的底部端面贴紧，形成电机轴；
e、压气机叶轮与涡轮叶轮的装配：通过涡轮叶轮螺纹孔与压气机叶轮的螺柱之间的螺纹旋紧装配，将压气机叶轮同涡轮叶轮装配在一起；
f、主轴同压气机叶轮的装配：通过主轴的螺柱同压气机叶轮的螺纹孔的螺纹旋紧装配，并保证配合端面贴紧，将主轴同压气机叶轮装配在一起；
g、电机轴同主轴的装配：将主轴的光轴部位穿过电机轴的通孔，使电机轴的内圆柱面同主轴的圆形凸台相装配，保证配合端面贴紧；
h、轴套同电机轴和主轴的装配：将主轴的光轴部位穿过轴套的通孔，使轴套的内圆柱面同电机轴的圆形凸台相装配，保证配合端面贴紧；
i、螺母同主轴的装配：按照步骤b确定的螺纹装配拧紧力矩，将螺母安装在主轴的光轴的外螺纹上，使螺母的端面同轴套的沉孔底部贴紧。
本发明的有益效果是：
本发明的一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构，压气机叶轮与涡轮叶轮之间采用螺柱与螺纹孔连接结构，避免了在压气机叶轮的轮毂部位设置通孔结构，可有效降低压气机叶轮的轮毂部位应力，提高压气机叶轮及整个旋转组件的结构可靠性；压气机叶轮与主轴之间采用螺纹装配结构，可以有效缩短主轴的长度，降低主轴的加工难度；压气机叶轮进口部位设置锥形导流凸台，可以降低压气机进口处的流动损失与气动噪声；轴套采用径向与轴承复合式承载方式，可以减少旋转组件组成零件数量，简化旋转组件的零部件结构，更好地保证旋转组件加工与装配精度；螺母、轴套、电机轴、主轴、压气机叶轮和涡轮叶轮之间采用螺纹装配方式，便于旋转组件的拆装。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构示意图。
图2是本发明实施例所述轴套示意图。
图3是本发明实施例所述电机轴示意图。
图4是本发明实施例所述主轴示意图。
图5是本发明实施例所述压气机叶轮示意图。
图6是本发明实施例所述涡轮转叶轮示意图。
1螺母 2轴套 3电机轴 4主轴 5压气机叶轮 6涡轮叶轮
7轴套通孔 8轴套内圆柱面 9轴套环形端面 10轴套沉孔
11轴套外圆柱面 12电机轴短护套 13电机轴长护套 14电机轴磁芯
15电机轴同轴套装配圆形凸台 16电机轴同主轴装配内圆柱面
17电机轴的通孔 18主轴光轴端外螺纹 19主轴的光轴
20主轴同电机轴装配的圆形凸台 21主轴同径向轴承装配的外圆柱面
22主轴同压气机叶轮装配的螺柱 23压气机叶轮同主轴装配的螺纹孔
24压气机叶轮的锥形进气导流凸台
25压气机叶轮同涡轮叶轮装配的螺柱 26涡轮叶轮的螺纹孔
27涡轮叶轮用于装配的螺帽
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。
一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构，包括螺母1、轴套2、电机轴3、主轴4、压气机叶轮5和涡轮叶轮6，如图1所示；
所述螺母1位于轴套一侧并与主轴的外螺纹18相配配合，所述螺母1的螺纹旋向与热电转换系统工作时的旋向相反；
所述轴套2上有同径向轴承相装配的外圆柱面11，所述轴套2上有同轴向轴承相装配的环形端面9，所述轴套2的一端有与电机轴相装配的内圆柱面8，所述轴套2的另一端有放置螺母的沉孔10，所述轴套2的轴向中心部位有同主轴相装配的通孔7，如图2所示；
所述电机轴3由磁芯14、长护套13和短护套12组成，所述电机轴3的磁芯14位于长护套13和短护套12的内部，所述电机轴3的一侧有同轴套2相装配的圆形凸台15，所述电机轴3的另一侧有同主轴4相装配的内圆柱面16，所述电机轴3的轴向中心部位有同主轴4装配的通孔17，如图3所示；
所述主轴4上有同电机轴3和轴套2相装配的光轴19，所述主轴4的光轴上有同螺母1装配的外螺纹18，所述主轴4上有同径向轴承装配的外圆柱面21，所述主轴4上有同压气机叶轮5相装配的螺柱22，所述主轴4上有同电机轴3的内圆柱面相装配的凸台20，如图4所示；
所述压气机叶轮5的进气端有同主轴4相装配的螺纹孔23，所述压气机叶轮5的进气端有锥形进气导流凸台24，所述压气机叶轮5的轮背中心部位有同涡轮叶轮装配的螺柱25，如图5所示；
所述涡轮叶轮6上有同压气机叶轮5相装配的螺纹孔26，所述涡轮叶轮6的排气端有用于装配的螺帽27，如图6所示。
上述一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构的制造工艺，包括以下步骤：
a、确定闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的尺寸参数：根据闭式布雷顿循环热电转换系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，确定螺母1、轴套2、电机轴3、主轴4、压气机叶轮5和涡轮叶轮6的尺寸；
b、确定闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的装配力矩：根据闭式布雷顿循环热电转换系统的工作状态参数，确定闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的加工：按照步骤a确定的闭式布雷顿循环热电转换系统旋转组件的尺寸参数，加工螺母1、轴套2、电机轴3、主轴4、压气机叶轮5和涡轮叶轮6；
d、电机轴3的装配：将步骤c中加工好的电机轴磁芯14、长护套13和短护套12，采用对长护套13和短护套12加热的方式，将磁芯14同长护套13和短护套12过盈装配在一起，使磁芯14的两侧端面分别同长护套13和短护套12的底部端面贴紧，形成电机轴3；
e、压气机叶轮5与涡轮叶轮6的装配：通过涡轮叶轮螺纹孔26与压气机叶轮的螺柱25之间的螺纹旋紧装配，将压气机叶轮5同涡轮叶轮6装配在一起；
f、主轴4同压气机叶轮5的装配：通过主轴的螺柱22同压气机叶轮的螺纹孔23的螺纹旋紧装配，并保证配合端面贴紧，将主轴4同压气机叶轮5装配在一起；
g、电机轴3同主轴4的装配：将主轴的光轴19部位穿过电机轴的通孔17，使电机轴的内圆柱面16同主轴的圆形凸台20相装配，保证配合端面贴紧；
h、轴套2同电机轴3和主轴4的装配：将主轴的光轴19部位穿过轴套的通孔7，使轴套的内圆柱面8同电机轴的圆形凸台15相装配，保证配合端面贴紧；
i、螺母1同主轴4的装配：按照步骤b确定的螺纹装配拧紧力矩，将螺母1安装在主轴的光轴的外螺纹18上，使螺母1的端面同轴套的沉孔18底部贴紧。
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 (5)

1.一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构，其特征在于：包括螺母(1)、轴套(2)、电机轴(3)、主轴(4)、压气机叶轮(5)和涡轮叶轮(6)；
所述螺母(1)位于轴套一侧并与主轴的外螺纹(18)相配合，所述螺母(1)的螺纹旋向与热电转换系统工作时的旋向相反；
所述轴套(2)上有同径向轴承相装配的外圆柱面(11)，所述轴套(2)上有同轴向轴承相装配的环形端面(9)，所述轴套(2)的一端有与电机轴相装配的内圆柱面(8)，所述轴套(2)的另一端有放置螺母的沉孔(10)，所述轴套(2)的轴向中心部位有同主轴相装配的通孔(7)；
所述电机轴(3)由磁芯(14)、长护套(13)和短护套(12)组成，所述电机轴(3)的磁芯(14)位于长护套(13)和短护套(12)的内部，所述电机轴(3)的一侧有同轴套(2)相装配的圆形凸台(15)，所述电机轴(3)的另一侧有同主轴(4)相装配的内圆柱面(16)，所述电机轴(3)的轴向中心部位有同主轴(4)装配的通孔(17)；
所述主轴(4)上有同电机轴(3)和轴套(2)相装配的光轴(19)，所述主轴(4)的光轴上有同螺母(1)装配的外螺纹(18)，所述主轴(4)上有同径向轴承装配的外圆柱面(21)，所述主轴(4)上有同压气机叶轮(5)相装配的螺柱(22)，所述主轴(4)上有同电机轴(3)的内圆柱面相装配的凸台(20)；
所述压气机叶轮(5)的进气端有同主轴(4)相装配的螺纹孔(23)，所述压气机叶轮(5)的进气端有锥形进气导流凸台(24)，所述压气机叶轮(5)的轮背中心部位有同涡轮叶轮装配的螺柱(25)；
所述涡轮叶轮(6)上有同压气机叶轮(5)相装配的螺纹孔(26)，所述涡轮叶轮(6)的排气端有用于装配的螺帽(27)。
2.根据权利要求1所述的一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的尺寸参数；
b、确定闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的装配力矩；
c、进行闭式布雷顿循环发电系统旋转组件的加工；
d、电机轴(3)的装配；
e、压气机叶轮(5)与涡轮叶轮(6)的装配；
f、主轴(4)同压气机叶轮(5)的装配；
g、电机轴(3)同主轴(4)的装配：将主轴的光轴(19)部位穿过电机轴的通孔(17)，使电机轴的内圆柱面(16)同主轴的圆形凸台(20)相装配，保证配合端面贴紧；
h、轴套(2)同电机轴(3)和主轴(4)的装配：将主轴的光轴(19)部位穿过轴套的通孔(7)，使轴套的内圆柱面(8)同电机轴的圆形凸台(15)相装配，保证配合端面贴紧；
i、螺母(1)同主轴(4)的装配。
3.根据权利要求2所述的一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构的制造工艺，其特征在于：在步骤d中，将步骤c中加工好的电机轴磁芯(14)、长护套(13)和短护套(12)，采用对长护套(13)和短护套(12)加热的方式，将磁芯(14)同长护套(13)和短护套(12)过盈装配在一起，使磁芯(14)的两侧端面分别同长护套(13)和短护套(12)的底部端面贴紧，形成电机轴(3)。
4.根据权利要求2所述的一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构的制造工艺，其特征在于：在步骤e中，通过涡轮叶轮螺纹孔(26)与压气机叶轮的螺柱(25)之间的螺纹旋紧装配，将压气机叶轮(5)同涡轮叶轮(6)装配在一起。
5.根据权利要求2所述的一种高速低应力涡轮发电系统旋转组件结构的制造工艺，其特征在于：在步骤f中，通过主轴的螺柱(22)同压气机叶轮的螺纹孔(23)的螺纹旋紧装配，并保证配合端面贴紧，将主轴(4)同压气机叶轮(5)装配在一起。
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