CN112360577A - 一种复合式叶轮发电系统转子结构与工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合式叶轮发电系统转子，其结构包括螺母、轴套、电机轴、主轴和复合叶轮。根据闭式布雷顿循环发电系统的涡轮、压气机和电机的结构尺寸参数，在确定转子组成零部件尺寸参数与装配力矩的基础上，完成螺母、轴套、电机轴、主轴和复合叶轮的加工，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复合叶轮和螺母的装配，形成完整的闭式布雷顿循环热电转换系统转子结构。该转子结构组成零件数量少，不仅便于闭式循环发电系统转子的装配，而且有助于增强转子的刚度与强度，提高闭式循环发电系统的工作可靠性。

Description

一种复合式叶轮发电系统转子结构与工艺
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，具体涉及一种复合式叶轮发电系统转子结构与工艺。
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。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、回热器、冷却器、热源等部件组成。
转子是闭式布雷顿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，对闭式布雷顿循环热电转换系统的总体性能与结构、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，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转子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，提出了一种复合式叶轮发电系统转子，包括螺母、轴套、电机轴、主轴和复合叶轮。根据闭式布雷顿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、主轴和复合叶轮的加工，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复合叶轮和螺母的装配，形成完整的闭式布雷顿循环热电转换系统转子结构。该转子具有零部件数量少、刚度大等特点，能够提高径流闭式布雷顿循环发电系统转子的连接强度与刚度，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：
一种复合式叶轮发电系统转子结构，包括螺母、轴套、电机轴、主轴和复合叶轮；
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沉孔，所述轴套的另一端有放置螺母的盲孔，所述轴套的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螺母装配的外螺纹，所述主轴的另一端有同复合叶轮相装配的阶梯轴，所述主轴的阶梯轴末端有同复合叶轮装配的螺柱；
所述复合叶轮同主轴装配的一端为压气机叶轮，所述复合叶轮远离主轴的一端为涡轮叶轮，所述复合叶轮的压气机叶轮和涡轮叶轮位于同一轴线，所述复合叶轮的压气机叶轮的出气端同涡轮叶轮的进气端相临，所述复合叶轮的压气机叶轮和涡轮叶轮为整体式结构，所述复合叶轮的压气机叶轮进气端有进气导流凸台，所述复合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，所述复合叶轮的阶梯孔底部有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔，所述复合叶轮靠近涡轮叶轮出气端的一侧有用于装夹的六角凸台。
所述一种复合式叶轮发电系统转子的制造工艺，包括以下步骤：
a、确定闭式循环涡轮发电系统转子组件的尺寸参数：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、主轴和复合叶轮的尺寸；
b、确定闭式循环涡轮发电系统转子组件的装配力矩：根据闭式循环涡轮发电系统的工作状态参数，确定闭式循环涡轮发电系统转子的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式循环涡轮发电系统转子组件的加工：按照步骤a确定的闭式循环发电系统转子组件的尺寸参数，加工螺母、轴套、电机轴、主轴和复合叶轮；
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，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通孔，使轴套的沉孔同电机轴的圆形凸台相装配，使配合端面贴紧；
g、复合叶轮和螺母同主轴的装配：将主轴的阶梯轴穿过复合叶轮的阶梯孔，使主轴的螺柱同复合叶轮的螺纹孔相配合，将螺母同主轴的光轴的外螺纹相配合，按照步骤b确定的螺纹装配拧紧力矩进行螺纹旋紧，将复合叶轮和螺母同主轴装配在一起，形成完整的转子结构。
本发明的有益效果是：
本发明的一种复合式叶轮发电系统转子结构，复合叶轮同主轴之间采用阶梯轴与阶梯孔以及螺柱与螺纹孔相装配的连接结构，既保证了复合叶轮与主轴的连接强度，又可实现复合叶轮同主轴之间良好的定位关系，可提供转子在工作过程中的结构可靠性。涡轮叶轮和压气机叶轮采用复合式一体化结构，不仅可以减少零部件数量，充分保证叶轮的动平衡精度和连接强度，而且便于转子组件的加工与装配，同时有利于压气机叶轮端的低温气体对涡轮叶轮的冷却，降低复合叶轮热量向主轴方向的传递。复合叶轮的压气机叶轮进气端设置锥形导流凸台，可以降低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，可以减少转子零件数量，降低转子的制造难度。螺母、轴套、电机轴、主轴和复合叶轮采用螺纹以及轴孔装配方式，不仅便于闭式循环发电系统转子的装配，而且有助于增强转子的刚度与强度，提高系统工作可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种复合式叶轮发电系统转子结构示意图。
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复合叶轮结构示意图。
1螺母 2轴套 3电机轴 4主轴 5复合叶轮 6轴套通孔 7轴套沉孔 8轴套环形端面9轴套环形端面 10轴套盲孔
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电机轴同主轴装配沉孔
17电机轴的通孔 18主轴的外螺纹 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主轴同复合叶轮相装配的阶梯轴 23主轴的螺柱
24复合叶轮上的压气机叶轮 25复合叶轮上的涡轮叶轮
26复合机叶轮的锥形进气导流凸台 27复合叶轮同主轴装配的阶梯轴
28复合叶轮同主轴装配的螺纹孔 29复合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。
一种复合式叶轮发电系统转子，包括螺母1、轴套2、电机轴3、主轴4和复合叶轮5，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相装配，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，如图1所示；
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8和9，所述轴套2的一端有与电机轴相装配的沉孔7，所述轴套2的另一端有放置螺母的盲孔10，所述轴套2的中心部位有同主轴相装配的通孔6，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的一侧有同轴套相装配的圆形凸台15，所述电机轴3的另一侧有同主轴相装配的沉孔16，所述电机轴3的中心部位有同主轴装配的通孔17，如图3所示；
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的一端有同电机轴的沉孔相装配的圆形凸台20，所述主轴4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4靠近圆形凸台一端的光轴端部有同螺母装配的外螺纹18，所述主轴4的另一端有同复合叶轮相装配的阶梯轴22，所述主轴4的阶梯轴末端有同复合叶轮装配的螺柱23，如图4所示；
所述复合叶轮5同主轴装配的一端为压气机叶轮24，所述复合叶轮5远离主轴的一端为涡轮叶轮25，所述复合叶轮5的压气机叶轮24和涡轮叶轮25位于同一轴线，所述复合叶轮5的压气机叶轮24的出气端同涡轮叶轮25的进气端相临，所述复合叶轮5的压气机叶轮24和涡轮叶轮25为整体式结构，所述复合叶轮5的压气机叶轮进气端有进气导流凸台26，所述复合叶轮5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27，所述复合叶轮5的阶梯孔底部有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔28，所述复合叶轮5靠近涡轮叶轮出气端的一侧有用于装夹的六角凸台29，如图5所示。
上述一种复合式叶轮发电系统转子的制造工艺，包括以下步骤：
a、确定闭式循环涡轮发电系统转子组件的尺寸参数：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和复合叶轮5的尺寸；
b、确定闭式循环涡轮发电系统转子组件的装配力矩：根据闭式循环涡轮发电系统的工作状态参数，确定闭式循环涡轮发电系统转子的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式循环涡轮发电系统转子组件的加工：按照步骤a确定的闭式循环发电系统转子组件的尺寸参数，加工螺母1、轴套2、电机轴3、主轴4和复合叶轮5；
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，形成完整的电机轴3；
e、主轴4同电机轴3的装配：将主轴4的光轴19穿过电机轴3的通孔17，使电机轴3的沉孔16同主轴4的圆形凸台20相装配，使配合端面贴紧；
f、轴套2同电机轴3和主轴4的装配：将主轴4的光轴19穿过轴套2的通孔6，使轴套2的沉孔7同电机轴3的圆形凸台15相装配，使配合端面贴紧；
g、复合叶轮5和螺母1同主轴4的装配：将主轴4的阶梯轴22穿过复合叶轮5的阶梯孔27，使主轴4的螺柱23同复合叶轮5的螺纹孔28相配合，将螺母1同主轴4的光轴的外螺纹18相配合，按照步骤b确定的螺纹装配拧紧力矩进行螺纹旋紧，将复合叶轮5和螺母1同主轴4装配在一起，形成完整的转子。
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)

1.一种复合式叶轮发电系统转子，其特征在于：包括螺母(1)、轴套(2)、电机轴(3)、主轴(4)和复合叶轮(5)；
所述螺母(1)位于轴套一侧并与主轴的外螺纹(18)相装配，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(8)和(9)，所述轴套(2)的一端有与电机轴相装配的沉孔(7)，所述轴套(2)的另一端有放置螺母的盲孔(10)，所述轴套(2)的中心部位有同主轴相装配的通孔(6)；
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)的一侧有同轴套相装配的圆形凸台(15)，所述电机轴(3)的另一侧有同主轴相装配的沉孔(16)，所述电机轴(3)的中心部位有同主轴装配的通孔(17)；
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)的一端有同电机轴的沉孔相装配的圆形凸台(20)，所述主轴(4)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(4)靠近圆形凸台一端的光轴端部有同螺母装配的外螺纹(18)，所述主轴(4)的另一端有同复合叶轮相装配的阶梯轴(22)，所述主轴(4)的阶梯轴末端有同复合叶轮装配的螺柱(23)。
2.根据权利要求1所述的一种复合式叶轮发电系统转子，其特征在于：所述复合叶轮(5)同主轴装配的一端为压气机叶轮(24)，所述复合叶轮(5)远离主轴的一端为涡轮叶轮(25)，所述复合叶轮(5)的压气机叶轮(24)和涡轮叶轮(25)位于同一轴线，所述复合叶轮(5)的压气机叶轮(24)的出气端同涡轮叶轮(25)的进气端相临，所述复合叶轮(5)的压气机叶轮(24)和涡轮叶轮(25)为整体式结构，所述复合叶轮(5)的压气机叶轮进气端有进气导流凸台(26)，所述复合叶轮(5)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(27)，所述复合叶轮(5)的阶梯孔底部有同主轴的螺柱相装配的螺纹孔(28)，所述复合叶轮(5)靠近涡轮叶轮出气端的一侧有用于装夹的六角凸台(29)。
3.根据权利要求1所述的一种复合式叶轮发电系统转子的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定闭式循环涡轮发电系统转子组件的尺寸参数；
b、确定闭式循环涡轮发电系统转子组件的装配力矩；
c、进行闭式循环涡轮发电系统转子组件的加工；
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，形成完整的电机轴(3)；
e、主轴(4)同电机轴(3)的装配：将主轴(4)的光轴(19)穿过电机轴(3)的通孔(17)，使电机轴(3)的沉孔(16)同主轴(4)的圆形凸台(20)相装配，使配合端面贴紧；
f、轴套(2)同电机轴(3)和主轴(4)的装配：将主轴(4)的光轴(19)穿过轴套(2)的通孔(6)，使轴套(2)的沉孔(7)同电机轴(3)的圆形凸台(15)相装配，使配合端面贴紧；
g、复合叶轮(5)和螺母(1)同主轴(4)的装配。
4.根据权利要求3所述的一种复合式叶轮发电系统转子的制造工艺，其特征在于：在步骤g中，将主轴(4)的阶梯轴(22)穿过复合叶轮(5)的阶梯孔(27)，使主轴(4)的螺柱(23)同复合叶轮(5)的螺纹孔(28)相配合，将螺母(1)同主轴(4)的光轴的外螺纹(18)相配合，按照步骤b确定的螺纹装配拧紧力矩进行螺纹旋紧，将复合叶轮(5)和螺母(1)同主轴(4)装配在一起，形成完整的转子。
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