CN117703530A - 一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构，该涡轮转子包括陶瓷涡轮叶轮、转轴、紧固螺钉和锁紧卡环。首先根据涡轮增压发电系统结构参数，确定陶瓷涡轮转子及其组件陶瓷涡轮叶轮、转轴、紧固螺钉和锁紧卡环的尺寸参数，其次进行陶瓷涡轮转子组件的加工，然后依次进行陶瓷涡轮叶轮和转轴的装配以及紧固螺钉同陶瓷涡轮叶轮和转轴的装配，最后进行锁紧卡环同转轴和紧固螺钉的装配，将锁紧卡环放置在转轴的环槽中，实现对紧固螺钉的压紧，防止陶瓷涡轮转子连接结构发生松动，进而形成完整的涡轮转子。本发明的陶瓷涡轮转子采用装配结构实现了陶瓷涡轮叶轮同转轴的有效连接，具有高可靠性和长寿命的同时，还具有良好的工艺性和维修性。

Description

一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构

技术领域

本发明属于涡轮增压发电系统结构设计领域，具体涉及一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构。

背景技术

涡轮增压发电系统能够借助气体工质通过吸收热量、膨胀做功、放热和压缩等热力循环过程实现热能向机械能的转换，并利用电机进一步将机械能转变为电能。涡轮增压发电系统在结构上主要包括涡轮、压气机、电机等部件。

涡轮转子作为涡轮增压发电系统的核心部件，也是系统中载荷最为严酷的部件之一，对系统稳定运行、工作可靠性与服役寿命起着决定性的作用。涡轮增压发电系统在运转过程中，涡轮转子在高温气体工质作用下处于高速旋转状态，其转速可达几万转/分，有的转子转速甚至达到十几万转/分。涡轮转子结构一旦发生故障，不仅会导致涡轮增压发电系统无法正常工作，不能实现热能向机械能的转换，而且还会引起系统结构损坏。因此，合理设计涡轮转子的结构对于保证涡轮发电系统的结构可靠性至关重要。

涡轮转子由涡轮叶轮和转轴结构组成，为适用涡轮转子不同部位的工作温度要求，涡轮叶轮采用耐高温的材料，转轴采用高强合金钢材料，将涡轮叶轮与合金钢转轴连接在一起便可形成涡轮转子。为保证涡轮转子在高温气体工质作用下高速旋转工作时的可靠性与寿命，涡轮转子不仅要求具有较低的工作应力、而且还要求涡轮叶轮与合金钢转轴之间不发生松脱或断裂。对于采用高温合金制作的涡轮叶轮，可以通过摩擦焊、电子束等焊接工艺实现涡轮叶轮与合金钢转轴之间的可靠连接，对于由钛铝合金、陶瓷等材料制作的涡轮叶轮，由于这些材料同合金钢在材料特性方面差异较大，难以采用摩擦焊、电子束等焊接工艺实现涡轮叶轮与合金钢转轴之间的可靠连接。

针对涡轮增压发电系统高速径流涡轮转子的可靠性与维修性需求，通过合理设计涡轮转子的结构与工艺，实现陶瓷涡轮叶轮与转轴之间的可靠连接，保证涡轮增压发电系统性能与可靠性的同时，提高涡轮转子的维修性。

发明内容

有鉴于此，本发明针对涡轮增压发电系统中高速陶瓷涡轮转子的高可靠性与可维修性需求，提出了一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子及其制造方法。该陶瓷涡轮转子结构包括陶瓷涡轮叶轮、转轴、紧固螺钉和锁紧卡环。首先根据涡轮增压发电系统的结构参数，确定陶瓷涡轮转子及其组件陶瓷涡轮叶轮、转轴、紧固螺钉和锁紧卡环的尺寸参数，其次进行陶瓷涡轮叶轮、转轴、紧固螺钉和锁紧卡环的加工，然后依次进行陶瓷涡轮叶轮和转轴的装配以及紧固螺钉同陶瓷涡轮叶轮和转轴的装配，最后进行锁紧卡环同转轴和紧固螺钉的装配，将锁紧卡环放置在转轴的环槽中，实现对紧固螺钉的压紧，防止陶瓷涡轮转子连接结构发生松动，进而形成完整的涡轮转子。

一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构，包括陶瓷涡轮叶轮、转轴、紧固螺钉和锁紧卡环；

所述陶瓷涡轮叶轮靠近出口一侧的轮毂端部设有圆形凸台，所述陶瓷涡轮叶轮的圆形凸台中心部位有向外伸出的定位圆柱凸台，所述陶瓷涡轮叶轮的圆形凸台上沿定位圆柱凸台的周向均布有螺纹盲孔；

所述转轴的一端设有凸缘盘，所述转轴的凸缘盘一侧设有同陶瓷涡轮叶轮的圆形凸台相配合的端面，所述转轴的端面上设有同陶瓷涡轮叶轮的定位圆柱凸台相配合的定位盲孔，所述转轴的凸缘盘的另一侧均布有用于放置紧固螺钉3的沉孔，所述转轴的沉孔的底部有用于安装紧固螺钉的通孔，所述转轴的沉孔的顶部设有安装锁紧卡环的环槽；

所述紧固螺钉为内六角圆柱头螺钉或开槽圆柱头螺钉，所述紧固螺钉同陶瓷涡轮叶轮的螺纹盲孔和转轴的通孔相装配，所述紧固螺钉的头部位于转轴的沉孔中，所述紧固螺钉的头部被锁紧卡环压紧；

所述锁紧卡环为可拆卸弹性环，所述锁紧卡环安装在转轴的环槽中，所述锁紧卡环的一侧端面同转轴的环槽的一个内侧面贴紧，所述锁紧卡环的另一侧端面贴紧紧固螺钉的头部，实现对紧固螺钉的压紧，防止紧固螺钉同陶瓷涡轮叶轮和转轴装配结构的发生松动。

所述陶瓷涡轮叶轮采用氮化硅材料制作。

一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子的制造方法，包括以下步骤：

a、确定陶瓷涡轮转子及其组件的结构尺寸参数：根据涡轮增压发电系统结构参数，确定陶瓷涡轮转子及其组件陶瓷涡轮叶轮、转轴、紧固螺钉和锁紧卡环的尺寸参数；

b、陶瓷涡轮转子组件的加工：按照步骤a确定的陶瓷涡轮转子组件的尺寸参数，进行陶瓷涡轮叶轮、转轴、紧固螺钉和锁紧卡环的加工；

c、陶瓷涡轮叶轮和转轴的装配：将陶瓷涡轮叶轮的定位圆柱凸台插入转轴的定位盲孔中，并使转轴的端面同陶瓷涡轮叶轮的圆形凸台的端面贴紧；

d、紧固螺钉同陶瓷涡轮叶轮和转轴的装配：将紧固螺钉装入转轴的通孔和陶瓷涡轮叶轮的螺纹盲孔中并进行旋紧，紧固螺钉的头部位于转轴的沉孔中；

e、锁紧卡环同转轴和紧固螺钉的装配：将锁紧卡环放置在转轴的环槽中，锁紧卡环的一侧端面同转轴的环槽的内侧面贴紧，锁紧卡环的另一侧端面同紧固螺钉的头部贴紧，实现对紧固螺钉的压紧。

有益效果：

1、本发明的陶瓷涡轮叶轮靠近出口一侧的轮毂端部设有圆形凸台，可以降低陶瓷涡轮叶轮的整体应力；陶瓷涡轮叶轮的圆形凸台中心部位有向外伸出的定位圆柱凸台，在实现涡轮叶轮同转轴装配结构准确定位的同时，可显著降低涡轮叶轮心部的工作应力，提高涡轮转子结构可靠性。

2、本发明的陶瓷涡轮叶轮圆形凸台上沿定位圆柱凸台的周向均布有螺纹盲孔，不仅能够保证涡轮转子的连接强度与扭矩的有效传递，而且由于螺纹盲孔远离涡轮叶轮的中心部位，可以显著涡轮叶轮轮毂的应力，提高涡轮转子工作可靠性。陶瓷涡轮叶轮同转轴之间通过圆柱形凸台与定位盲孔的装配以及紧固螺钉的螺纹压紧装配，充分保证了涡轮叶轮同转轴之间的定位精度和连接强度，同时便于涡轮叶轮与转轴之间的拆卸与装配，使涡轮转子具有良好的维修性。

3、本发明的锁紧卡环安装在转轴的环槽中，实现对紧固螺钉压紧，防止陶瓷涡轮转子结构发生松动，进一步提高了陶瓷涡轮转子的长时工作可靠性。该陶瓷涡轮转子通过装配方式实现了陶瓷涡轮叶轮同转轴的可靠连接，不仅具有高可靠性和长寿命，而且具有良好的工艺性和维修性。

附图说明

图1是可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构示意图；

图2是陶瓷涡轮叶轮结构示意图；

图3是转轴结构示意图。

1-陶瓷涡轮叶轮、2-转轴、3-紧固螺钉、4-锁紧卡环、5-陶瓷涡轮叶轮的圆形凸台、6-陶瓷涡轮叶轮的定位圆柱凸台、7-陶瓷涡轮叶轮的螺纹盲孔、8-转轴的凸缘盘、9-转轴的凸缘盘端面、10-转轴的定位盲孔、11-转轴的沉孔、12-转轴的通孔、13-转轴的环槽。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构，包括陶瓷涡轮叶轮1、转轴2、紧固螺钉3和锁紧卡环4。

如附图2所示，所述陶瓷涡轮叶轮1靠近出口一侧的轮毂端部设有圆形凸台5，所述陶瓷涡轮叶轮1的圆形凸台5中心部位有向外伸出的定位圆柱凸台6，所述陶瓷涡轮叶轮1的圆形凸台5上沿定位圆柱凸台6的周向均布有螺纹盲孔7；

如附图3所示，所述转轴2的一端设有凸缘盘8，所述转轴2的凸缘盘8一侧设有同陶瓷涡轮叶轮1的圆形凸台5相配合的端面9，所述转轴2的端面9上设有同陶瓷涡轮叶轮1的定位圆柱凸台6相配合的定位盲孔10，所述转轴2的凸缘盘8的另一侧均布有用于放置紧固螺钉3的沉孔11，所述转轴2的沉孔11的底部有用于安装紧固螺钉3的通孔12，所述转轴2的沉孔11的顶部设有安装锁紧卡环4的环槽13；

所述紧固螺钉3为内六角圆柱头螺钉或开槽圆柱头螺钉，所述紧固螺钉3同陶瓷涡轮叶轮1的螺纹盲孔7和转轴2的通孔12相装配，所述紧固螺钉3的头部位于转轴2的沉孔11中，所述紧固螺钉3的头部被锁紧卡环4压紧；

所述锁紧卡环4为可拆卸弹性环，所述锁紧卡环4安装在转轴2的环槽13中，所述锁紧卡环4的一侧端面同转轴2的环槽13的一个内侧面贴紧，所述锁紧卡环4的另一侧端面贴紧紧固螺钉3的头部，实现对紧固螺钉3的压紧，防止紧固螺钉3同陶瓷涡轮叶轮1和转轴2装配结构的发生松动。

上述一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子的制造方法，包括以下步骤：

a、确定陶瓷涡轮转子及其组件的结构尺寸参数：根据涡轮增压发电系统结构参数，确定陶瓷涡轮转子及其组件陶瓷涡轮叶轮1、转轴2、紧固螺钉3和锁紧卡环4的尺寸参数；

b、陶瓷涡轮转子组件的加工：按照步骤a确定的陶瓷涡轮转子组件的尺寸参数，进行陶瓷涡轮叶轮1、转轴2、紧固螺钉3和锁紧卡环4的加工；

c、陶瓷涡轮叶轮1和转轴2的装配：将陶瓷涡轮叶轮1的定位圆柱凸台6插入转轴2的定位盲孔10中，并使转轴2的端面9同陶瓷涡轮叶轮1的圆形凸台5的端面贴紧；

d、紧固螺钉3同陶瓷涡轮叶轮1和转轴2的装配：将紧固螺钉3装入转轴2的通孔12和陶瓷涡轮叶轮1的螺纹盲孔7中并进行旋紧，紧固螺钉3的头部位于转轴2的沉孔11中；

e、锁紧卡环4同转轴2和紧固螺钉3的装配：将锁紧卡环4放置在转轴2的环槽13中，锁紧卡环4的一侧端面同转轴2的环槽13的内侧面贴紧，锁紧卡环4的另一侧端面同紧固螺钉3的头部贴紧，实现对紧固螺钉3的压紧。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构，其特征在于：包括陶瓷涡轮叶轮(1)、转轴(2)、紧固螺钉(3)和锁紧卡环(4)；

所述陶瓷涡轮叶轮(1)靠近出口一侧的轮毂端部设有圆形凸台(5)，所述陶瓷涡轮叶轮(1)的圆形凸台(5)中心部位有向外伸出的定位圆柱凸台(6)，所述陶瓷涡轮叶轮(1)的圆形凸台(5)上沿定位圆柱凸台(6)的周向均布有螺纹盲孔(7)；

所述转轴(2)的一端设有凸缘盘(8)，所述转轴(2)的凸缘盘(8)一侧设有同陶瓷涡轮叶轮(1)的圆形凸台(5)相配合的端面(9)，所述转轴(2)的端面(9)上设有同陶瓷涡轮叶轮(1)的定位圆柱凸台(6)相配合的定位盲孔(10)，所述转轴(2)的凸缘盘(8)的另一侧均布有用于放置紧固螺钉(3)的沉孔(11)，所述转轴(2)的沉孔(11)的底部有用于安装紧固螺钉(3)的通孔(12)，所述转轴(2)的沉孔(11)的顶部设有安装锁紧卡环(4)的环槽(13)；

所述锁紧卡环(4)为可拆卸弹性环，所述锁紧卡环(4)安装在转轴(2)的环槽(13)中，所述锁紧卡环(4)的一侧端面同转轴(2)的环槽(13)的一个内侧面贴紧，所述锁紧卡环(4)的另一侧端面贴紧紧固螺钉(3)的头部，实现对紧固螺钉(3)的压紧，防止紧固螺钉(3)同陶瓷涡轮叶轮(1)和转轴(2)装配结构的发生松动。

2.如权利要求1所述的可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构，其特征在于，所述紧固螺钉(3)为内六角圆柱头螺钉或开槽圆柱头螺钉，所述紧固螺钉(3)同陶瓷涡轮叶轮(1)的螺纹盲孔(7)和转轴(2)的通孔(12)相装配，所述紧固螺钉(3)的头部位于转轴(2)的沉孔(11)中，所述紧固螺钉(3)的头部被锁紧卡环(4)压紧。

3.如权利要求2所述的可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构，其特征在于，所述陶瓷涡轮叶轮(1)采用氮化硅材料制作。

4.如权利要求3所述的可拆卸式高可靠性径流涡轮转子结构，其特征在于，涡轮转子的制造方法包括以下步骤：

a、确定陶瓷涡轮转子及其组件的结构尺寸参数：根据涡轮增压发电系统结构参数，确定陶瓷涡轮转子及其组件陶瓷涡轮叶轮(1)、转轴(2)、紧固螺钉(3)和锁紧卡环(4)的尺寸参数；

b、陶瓷涡轮转子组件的加工：按照步骤a确定的陶瓷涡轮转子组件的尺寸参数，进行陶瓷涡轮叶轮(1)、转轴(2)、紧固螺钉(3)和锁紧卡环(4)的加工；

c、陶瓷涡轮叶轮(1)和转轴(2)的装配：将陶瓷涡轮叶轮(1)的定位圆柱凸台(6)插入转轴(2)的定位盲孔(10)中，并使转轴(2)的端面(9)同陶瓷涡轮叶轮(1)的圆形凸台(5)的端面贴紧；

d、紧固螺钉(3)同陶瓷涡轮叶轮(1)和转轴(2)的装配：将紧固螺钉(3)装入转轴(2)的通孔(12)和陶瓷涡轮叶轮(1)的螺纹盲孔(7)中并进行旋紧，紧固螺钉(3)的头部位于转轴(2)的沉孔(11)中；

e、锁紧卡环(4)同转轴(2)和紧固螺钉(3)的装配。

5.根据权利要求3或4所述的一种可拆卸式高可靠性径流涡轮转子的制造方法，其特征在于：在步骤e中，将锁紧卡环(4)放置在转轴(2)的环槽(13)中，锁紧卡环(4)的一侧端面同转轴(2)的环槽(13)的内侧面贴紧，锁紧卡环(4)的另一侧端面同紧固螺钉(3)的头部贴紧，实现对紧固螺钉(3)的压紧。