CN112360576B - 一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴结构，包括轴套、电机轴、主轴和一体化叶轮。根据闭式循环热电转换系统的涡轮、压气机和电机等的结构尺寸参数，在确定转轴尺寸参数与装配力矩的基础上，完成轴套、电机轴组件、主轴和一体化叶轮的加工，通过依次完成电机轴装配、主轴同电机轴的装配、轴套同电机轴和主轴的装配以及主轴同一体化叶轮的装配，形成完整的转轴结构。该转轴结构具有零部件组成数量少、连接强度高、刚度大等显著特点，不仅有助于降低闭式循环热电转换系统转轴的加工装配，而且有利于提高闭式循环热电转换系统的结构可靠性和延长系统工作寿命。

Description

一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴结构
技术领域
本发明属于涡轮发电系统结构设计技术领域，具体涉及一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴结构与工艺。
背景技术
闭式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。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、回热器、冷却器、热源等部件组成。
转轴是闭式循环热电转换系统中最为核心的部件，由涡轮叶轮、压气机叶轮、电机轴等零件组成，对系统的总体性能与结构、可靠性与寿命具有决定性的影响。热电转换系统在运转过程中，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热电转换系统结构可靠性至关重要。
现有的闭式循环热电转换系统转轴主要由涡轮、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。这种旋转组件结构由于其连接部位多，对组件加工精度均提出了很高要求，连接强度和刚度保证难度大。针对闭式循环热电转换系统转子的特点和使用要求，合理设计转轴结构，不仅可以降低制造及装配工艺难度，而且有助于提高闭式循环热电转换系统工作可靠性与服役寿命。
发明内容
本发明针对闭式循环热电转换系统结构设计问题，提出了一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴，包括轴套、电机轴、主轴和一体化叶轮。根据闭式循环发电系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，在确定转轴尺寸参数与装配力矩的基础上，完成轴套、电机轴、主轴和一体化叶轮的加工，通过依次完成电机轴装配、主轴同电机轴的装配、轴套同电机轴和主轴的装配以及主轴同一体化叶轮的装配，形成完整的闭式循环热电转换系统转轴。该转轴具有零部件数量少、刚度大等特点，有助于保证发电系统的工作可靠性与服役寿命。
本发明的技术方案：
一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴结构，包括轴套、电机轴、主轴和一体化叶轮；
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圆盘，所述轴套的一端有同电机轴相装配的沉孔，所述轴套的沉孔的底部有同主轴的光轴相装配的圆孔，所述轴套的圆孔的底部有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔，所述轴套的螺纹孔的底部有退刀槽，所述轴套的另一端有用于装配夹紧的六角凸台；
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沉孔，所述电机轴的中心部位有同主轴装配的通孔；
所述主轴上有同径向轴承装配的外圆柱面，所述主轴的一端有同电机轴的沉孔相装配的圆形凸台，所述主轴靠近圆形凸台的一端有同电机轴和轴套相装配的光轴，所述主轴靠近圆形凸台一端的光轴端部有同轴套相装配的螺柱，所述主轴的另一端有同一体化叶轮相装配的阶梯轴，所述主轴的阶梯轴末端有同一体化叶轮相装配的螺柱；
所述一体化叶轮为压气机叶轮和涡轮叶轮整体式结构，所述一体化叶轮的一端为压气机叶轮，所述一体化叶轮的另一端为涡轮叶轮，所述一体化叶轮的压气机叶轮和涡轮叶轮之间有过渡轴，所述一体化叶轮的压气机叶轮和涡轮叶轮位于同一轴线，所述一体化叶轮的压气机叶轮的出气端同涡轮叶轮的进气端相临，所述一体化叶轮的压气机叶轮进气端有进气导流凸台，所述一体化叶轮靠近压气机叶轮进气端的一侧中心部位有同主轴的阶梯轴相装配的阶梯孔，所述一体化叶轮的阶梯孔底部有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔，所述一体化叶轮的螺纹孔底部有退刀槽，所述一体化叶轮靠近涡轮叶轮出气端的一侧有用于装夹的六角凸台。
上述一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的制造工艺，包括以下步骤：
a、确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴及其零件的尺寸参数：根据闭式循环热电转换系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，确定轴套、电机轴、主轴和一体化叶轮的尺寸；
b、确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的装配力矩：根据闭式循环热电转换系统工作参数，确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的螺纹装配力矩；
c、进行一体化叶轮侧置热电转换系统转轴零部件的加工：按照步骤a确定的一体化叶轮侧置热电转换系统转轴零部件的尺寸参数，加工轴套、电机轴的磁芯、长护套和短护套以及主轴、一体化叶轮；
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，采用加热长护套和短护套的方式，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，然后将长护套和短护套的接触部位进行焊接和打磨，形成完整的电机轴；
e、主轴同电机轴的装配：将主轴的光轴穿过电机轴的通孔，使电机轴的沉孔同主轴的圆形凸台相装配，使配合端面贴紧；
f、轴套同电机轴和主轴的装配：将主轴的光轴穿过轴套的圆孔，通过螺纹旋紧，使主轴的光轴一端的螺柱同轴套的螺纹孔相装配，同时使轴套的沉孔同电机轴的圆形凸台相装配；
g、一体化合叶轮同主轴的装配：将主轴的阶梯轴穿过一体化叶轮的阶梯孔，使主轴的阶梯轴一端的螺柱同一体化叶轮的螺纹孔相配合，并按照步骤b确定的螺纹装配力矩进行旋紧，形成完整的转轴。
本发明的有益效果是：
本发明的一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴结构，一体化叶轮同主轴之间采用阶梯轴孔以及螺纹相装配的连接结构，可以实现叶轮与主轴之间的可靠连接与良好定位，有效保证转轴的工作可靠性。涡轮叶轮和压气机叶轮采用一体化结构，减少了零部件数量，有利于叶轮的动平衡精度和连接强度，而且便于转轴的装配，同时有利于对涡轮叶轮的冷却。一体化叶轮压气机叶轮进气端设置导流凸台，可以降低流动损失与气动噪声。在轴套内设有同主轴装配的螺纹结构，可以有效缩短主轴长度，不仅降低了主轴加工难度，同时还可以提高主轴的刚性，轴套端部设有六角凸台，便于转轴的装配。该转轴结构零部件数量少，有助于降低转轴的加工难度，提高转轴的刚度和强度。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴结构示意图。
图2是本发明实施例所述轴套结构示意图。
图3是本发明实施例所述电机轴结构示意图。
图4是本发明实施例所述主轴结构示意图。
图5是本发明实施例所述一体化叶轮结构示意图。
1轴套 2电机轴 3主轴 4一体化叶轮 5轴套外圆柱面
6轴套沉孔 7轴套圆孔 8轴套螺纹孔 9轴套退刀槽 10轴套圆盘
11轴套的六角凸台 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电机轴同主轴装配沉孔 17电机轴的通孔 18主轴靠近光轴端的螺柱
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主轴同一体化叶轮装配的阶梯轴
23主轴靠近阶梯轴的螺柱 24一体化叶轮的压气机叶轮
25一体化叶轮的涡轮叶轮 26一体化叶轮的过渡轴
27一体化叶轮的进气导流凸台 28一体化叶轮同主轴装配的阶梯轴
29一体化叶轮同主轴装配的螺纹孔 30一体化叶轮的退刀槽
31一体化叶轮用于装夹的六角凸台
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。
一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴结构，包括轴套1、电机轴2、主轴3和一体化叶轮4，如图1所示；
所述轴套1上有同径向轴承相装配的外圆柱面5，所述轴套1上有同轴向轴承相装配的圆盘10，所述轴套1的一端有同电机轴相装配的沉孔6，所述轴套1的沉孔6的底部有同主轴的光轴相装配的圆孔7，所述轴套1的圆孔7的底部有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔8，所述轴套1的螺纹孔8的底部有退刀槽9，所述轴套1的另一端有用于装配夹紧的六角凸台11，如图2所示；
所述电机轴2由磁芯14、长护套13和短护套12组成，所述电机轴2的磁芯14位于长护套13和短护套12的内部，所述电机轴2的一侧有同轴套相装配的圆形凸台15，所述电机轴2的另一侧有同主轴相装配的沉孔16，所述电机轴2的中心部位有同主轴装配的通孔17，如图3所示；
所述主轴3上有同径向轴承装配的外圆柱面21，所述主轴3的一端有同电机轴的沉孔相装配的圆形凸台20，所述主轴3靠近圆形凸台的一端有同电机轴和轴套相装配的光轴19，所述主轴3靠近圆形凸台一端的光轴19的端部有同轴套相装配的螺柱18，所述主轴3的另一端有同一体化叶轮相装配的阶梯轴22，所述主轴3的阶梯轴末端有同一体化叶轮相装配的螺柱23，如图4所示；
所述一体化叶轮4为压气机叶轮和涡轮叶轮整体式结构，所述一体化叶轮4的一端为压气机叶轮24，所述一体化叶轮4的另一端为涡轮叶轮25，所述一体化叶轮4的压气机叶轮24和涡轮叶轮25之间有过渡轴26，所述一体化叶轮4的压气机叶轮24和涡轮叶轮25位于同一轴线，所述一体化叶轮4的压气机叶轮24的出气端同涡轮叶轮25的进气端相临，所述一体化叶轮4的压气机叶轮24的进气端有进气导流凸台27，所述一体化叶轮4靠近压气机叶轮进气端的一侧中心部位有同主轴的阶梯轴相装配的阶梯孔28，所述一体化叶轮4的阶梯孔底部28有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔29，所述一体化叶轮4的螺纹孔底部有退刀槽30，所述一体化叶轮4靠近涡轮叶轮出气端的一侧有用于装夹的六角凸台31，如图5所示。
上述一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的制造工艺，包括以下步骤：
a、确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴及其零件的尺寸参数：根据闭式循环热电转换系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，确定轴套1、电机轴2、主轴3和一体化叶轮4的尺寸；
b、确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的装配力矩：根据闭式循环热电转换系统工作参数，确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的螺纹装配力矩；
c、进行一体化叶轮侧置热电转换系统转轴零部件的加工：按照步骤a确定的一体化叶轮侧置热电转换系统转轴零部件的尺寸参数，加工轴套1、电机轴2的磁芯14、长护套13和短护套12以及主轴3、一体化叶轮4；
d、电机轴2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，采用加热长护套13和短护套12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，然后将长护套13和短护套12的接触部位进行焊接和打磨，形成完整的电机轴2；
e、主轴3同电机轴2的装配：将主轴3的光轴19穿过电机轴2的通孔17，使电机轴2的沉孔16同主轴3的圆形凸台20相装配，使配合端面贴紧；
f、轴套1同电机轴2和主轴3的装配：将主轴3的光轴19穿过轴套1的圆孔7，通过螺纹旋紧，使主轴3的光轴一端的螺柱18同轴套1的螺纹孔8相装配，同时使轴套1的沉孔6同电机轴2的圆形凸台15相装配；
g、一体化合叶轮4同主轴3的装配：将主轴3的阶梯轴22穿过一体化叶轮4的阶梯孔28，使主轴3的阶梯轴一端的螺柱23同一体化叶轮4的螺纹孔29相配合，并按照步骤b确定的螺纹装配力矩进行旋紧，形成完整的转轴。
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 (4)

1.一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴，其特征在于：包括轴套(1)、电机轴(2)、主轴(3)和一体化叶轮(4)；
所述轴套(1)上有同径向轴承相装配的外圆柱面(5)，所述轴套(1)上有同轴向轴承相装配的圆盘(10)，所述轴套(1)的一端有同电机轴相装配的沉孔(6)，所述轴套1的沉孔(6)的底部有同主轴的光轴相装配的圆孔(7)，所述轴套(1)的圆孔(7)的底部有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔(8)，所述轴套(1)的螺纹孔(8)的底部有退刀槽(9)，所述轴套(1)的另一端有用于装配夹紧的六角凸台(11)；
所述电机轴(2)由磁芯(14)、长护套(13)和短护套(12)组成，所述电机轴(2)的磁芯(14)位于长护套(13)和短护套(12)的内部，所述电机轴(2)的一侧有同轴套相装配的圆形凸台(15)，所述电机轴(2)的另一侧有同主轴相装配的沉孔(16)，所述电机轴(2)的中心部位有同主轴装配的通孔(17)；
所述主轴(3)上有同径向轴承装配的外圆柱面(21)，所述主轴(3)的一端有同电机轴的沉孔相装配的圆形凸台(20)，所述主轴(3)靠近圆形凸台的一端有同电机轴和轴套相装配的光轴(19)，所述主轴(3)靠近圆形凸台一端的光轴(19)的端部有同轴套相装配的螺柱(18)，所述主轴(3)的另一端有同一体化叶轮相装配的阶梯轴(22)，所述主轴(3)的阶梯轴末端有同一体化叶轮相装配的螺柱(23)；
所述一体化叶轮(4)为压气机叶轮和涡轮叶轮整体式结构，所述一体化叶轮(4)的一端为压气机叶轮(24)，所述一体化叶轮(4)的另一端为涡轮叶轮(25)，所述一体化叶轮(4)的压气机叶轮(24)和涡轮叶轮(25)之间有过渡轴(26)，所述一体化叶轮(4)的压气机叶轮(24)和涡轮叶轮(25)位于同一轴线，所述一体化叶轮(4)的压气机叶轮(24)的出气端同涡轮叶轮(25)的进气端相临，所述一体化叶轮(4)的压气机叶轮(24)的进气端有进气导流凸台(27)，所述一体化叶轮(4)靠近压气机叶轮进气端的一侧中心部位有同主轴的阶梯轴相装配的阶梯孔(28)，所述一体化叶轮(4)的阶梯孔(28)底部有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔(29)，所述一体化叶轮(4)的螺纹孔底部有退刀槽(30)，所述一体化叶轮(4)靠近涡轮叶轮出气端的一侧有用于装夹的六角凸台(31)。
2.根据权利要求1所述的一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴及其零件的尺寸参数：根据闭式循环热电转换系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，确定轴套(1)、电机轴(2)、主轴(3)和一体化叶轮(4)的尺寸；
b、确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的装配力矩：根据闭式循环热电转换系统工作参数，确定一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的螺纹装配力矩；
c、进行一体化叶轮侧置热电转换系统转轴零部件的加工：按照步骤a确定的一体化叶轮侧置热电转换系统转轴零部件的尺寸参数，加工轴套(1)、电机轴磁芯(14)、长护套(13)和短护套(12)、主轴(3)和一体化叶轮(4)；
d、电机轴(2)的装配；
e、主轴(3)同电机轴(2)的装配：将主轴(3)的光轴(19)穿过电机轴(2)的通孔(17)，使电机轴(2)的沉孔(16)同主轴(3)的圆形凸台(20)相装配，使配合端面贴紧；
f、轴套(1)同电机轴(2)和主轴(3)的装配；
g、一体化叶轮(4)同主轴(3)的装配：将主轴(3)的阶梯轴(22)穿过一体化叶轮(4)的阶梯孔(28)，使主轴(3)的阶梯轴一端的螺柱(23)同一体化叶轮(4)的螺纹孔(29)相配合，并按照步骤b确定的螺纹装配力矩进行旋紧，形成完整的转轴。
3.根据权利要求2所述的一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的制造工艺，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)，采用加热长护套(13)和短护套(12)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，然后将长护套(13)和短护套(12)的接触部位进行焊接和打磨，形成完整的电机轴(2)。
4.根据权利要求2所述的一种一体化叶轮侧置热电转换系统转轴的制造工艺，其特征在于：在步骤f中，将主轴(3)的光轴(19)穿过轴套(1)的圆孔(7)，通过螺纹旋紧，使主轴(3)的光轴一端的螺柱(18)同轴套(1)的螺纹孔(8)相装配，同时使轴套(1)的沉孔(6)同电机轴(2)的圆形凸台(15)相装配。
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