CN211343127U - 一种具有压盖的涡轮及转子系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有压盖的涡轮及转子系统，其中所述涡轮包括锥形轮体和叶片，所述轮体的大端面外周边缘设有第一减重凹口，还包括安装于涡轮上的压盖，所述压盖包括环形本体与柱形本体，环形本体一端与柱形本体垂直成型为一体，所述环形本体另一端设有连接部，所述压盖通过所述连接部与轮体的大端面固定连接并将所述第一减重凹口整体或部分覆盖。本实用新型通过涡轮压盖的设置，在减轻涡轮重量的同时，不影响整体气动效率，提高了燃机总效率。

Description

一种具有压盖的涡轮及转子系统

技术领域

本实用新型涉及微型燃气轮机技术领域，尤其涉及一种具有压盖的涡轮及转子系统。

背景技术

微型燃气轮机以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功，是一种旋转叶轮式热力发动机。其主要包括压气机、燃烧室、涡轮三大部件：压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并可通过连接发电机输出电能。

但现有技术中微型燃气轮机发电机组存在如下缺陷：

现有技术中，涡轮多为一体化部件，制作材料为镍，重量比较大，当承受微型燃气轮机转子系统的高转速工况时，需要设置槽、孔、洞减轻重量以减轻离心力载荷，但该方式同时会严重影响气动效率，造成多达两个点的损失，作为微型燃气轮机的核心动力部分，涡轮的气动效率损失接近于整机的效率损失，整机也会造成两个点的效率损失；此外，涡轮转动同样需要强度，耐温要求比较高，尺寸无法变动，涡轮重量不易减轻。

金属基碳纤维复合材料主要是用于制造高温高转速下工作的零部件，是做燃气涡轮发动机零部件最有前途的应用材料，但由于碳纤维表面惰性大、表面能低，缺乏有化学活性的化学键，反应活性低，与基体的结合力差，表面存在较多的缺陷，直接影响了复合材料的力学性能，限制了碳纤维高性能的发挥。此外，对于微型燃气轮机用碳纤维应用温度高，增强体与基体之间反应的可能性较大，其制作难度也较高，现有技术中对碳纤维金属化方法做了很多有效的尝试和探索，但现有的方法都存在一定的缺陷，复合化的碳纤维材料的质量参差不齐，普适性不强。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种具有压盖的涡轮及转子系统，能够在减轻涡轮重量的同时，不影响整体气动效率，且便于批产制造。

本实用新型的技术方案如下：

根据本实用新型的一个方面，提供一种具有压盖的涡轮，所述涡轮包括锥形轮体和叶片，所述轮体的大端面外周边缘设有第一减重凹口，涡轮安装于转轴上，还包括安装于涡轮上的压盖，所述压盖包括环形本体与柱形本体，环形本体一端与柱形本体垂直成型为一体，环形本体另一端设有连接部，所述压盖通过所述连接部与轮体的大端面固定连接并将所述第一减重凹口整体或部分覆盖。

进一步的，所述压盖材料为镍基碳纤维。

进一步的，所述压盖的制作方法包括如下步骤：将碳纤维逐步缠绕成圆盘，在碳纤维圆盘上进行镀镍，直至每一圈碳纤维上的镍融合在一起，或者，每圈碳纤维镀镍后，整体加热至镍熔点，使各个圈层的镍微熔后融合在一起，形成表面粗糙、凹凸不平、覆盖有镍合金的初始圆盘；对初始圆盘进行磨削方式的精加工，得到光滑的、尺寸达到装配精度要求的精细圆盘。

进一步的，所述压盖的连接部为凸块或者凹孔，所述轮体大端面设置有与连接部配合的凹孔或者凸块。

进一步的，所述压盖和轮体之间在连接部通过焊接或粘接的方式固定连接。

进一步的，所述轮体的大端面轴向设有第二减重凹口，所述第二减重凹口内填充碳纤维复合材料。

进一步的，所述第二减重凹口为喇叭口，所述喇叭口的弧线与涡轮的形状线相匹配。

进一步的，所述轮体材料为碳纤维复合材料。

进一步的，所述轮体的小端面端部设置有阶梯孔，所述转轴的装配端延伸至所述阶梯孔的大孔内；所述涡轮通过旋紧于转轴上并沉入阶梯孔大孔内的螺母挤压阶梯孔的台阶面装配于转轴上。

进一步的，所述阶梯孔的大孔和螺母之间在径向方向具有能够容置装配工具的间隙。

根据本实用新型的另一方面，提供一种转子系统，包括：转轴、压气机以及上述的涡轮；

其中，所述转轴包括一体成型的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段和第二轴段的过渡处形成有台阶面；

所述压气机和涡轮设置在第二轴段上，所述压气机的一端与所述台阶面抵接，所述压气机的另一端与所述压盖的一端抵接，所述压盖的另一端与涡轮固定连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型所提供涡轮轮体上设置压盖，通过轮体和压盖的配合，能够在减轻涡轮重量的同时，不影响整体气动效率，提高了燃机总效率；压盖的复合材料可承受高温工作环境，同时可承受应力远高于工作应力；本实用新型所提供的压盖生产方法和材料能够保证压盖的质量，成本低，便于批产制造。

2、本实用新型通过涡轮小端的端部设置阶梯孔，缩短了轴距，提高了轴的刚度，在涡轮小端的端部设置阶梯孔减轻了涡轮的重量；通过涡轮大端设置与压盖匹配的凹孔，较大的减轻了重量，同时由于压盖为碳纤维复合材料，径向还能够承受满足载荷要求的应力；涡轮整体采用碳纤维复合材料，故径向可以承受满足载荷要求的应力，同时达到转子动力学的要求，该生产方法和该材料成本低，便于批产制造。

3、本实用新型所提供的转子系统，通过压气机和涡轮之间的压盖能够满足其对转子刚度的要求。

附图说明

图1为本实用新型具有压盖的涡轮的结构示意图；

图2为本实用新型涡轮轮体、叶片的结构示意图；

图3为本实用新型压盖的结构示意图；

图4为本实用新型设置阶梯孔时涡轮的结构示意图。

图5为本实用新型设置第二减重凹口时涡轮的结构示意图；

图6为本实用新型转子系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本实用新型作进一步说明。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型实施例提供一种具有压盖的涡轮，图1、2、3所示。其中，图1为本实用新型所提供的具有压盖的涡轮的结构示意图。图2中，(a)为轮体、叶片的右视图，(b)为主视图，(c)为左视图，图3中，(a)为压盖右视图，(b)为主视图，(c)为左视图。

其中，涡轮2包括锥形轮体和叶片，所述轮体的大端面外周边缘设有第一减重凹口21，涡轮2安装于转轴上，还包括安装于涡轮2上的压盖3，所述压盖3包括环形本体与柱形本体，环形本体一端与柱形本体垂直成型为一体，环形本体另一端设有连接部31，所述压盖3通过所述连接部31与轮体的大端面固定连接并将所述第一减重凹口21整体或部分覆盖，以此，使得在涡轮2减重的同时保证气动效率。

作为优选，所述压盖3材料为镍基碳纤维。在金属基碳纤维复合材料中，镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造的，由于镍的高温性能优良，采用镍基碳纤维制作的压盖3能够满足微型燃气轮机轮体的使用需求。

本实用新型实施例还提供一种上述压盖3的制作方法，包括步骤1、将碳纤维逐圈缠绕成圆盘，尺寸能够覆盖压气机1或涡轮2，在碳纤维圆盘上进行镀镍，10-几十um厚度，直至每一圈碳纤维上的镍融合在一起；或者每圈碳纤维镀镍后，整体加热至镍熔点，使各个圈层的镍微熔后融合在一起，形成表面粗糙、凹凸不平、覆盖有镍合金的初始圆盘；

步骤2、对初始圆盘进行磨削方式的精加工，得到光滑的、尺寸到达装配精度的要求的精细圆盘，密度3-3.5(2-5)，盘根应力700-800Mpa。通过该方法制作的压盖3，能够保证压盖3的力学性能，且利于批产制造。

作为优选，所述压盖3的连接部31为凸块或者凹孔，所述涡轮2轮体大端面设置有与连接部31配合的凹孔或者凸块。压盖3与转轴的轴面间隙或者过渡配合。

作为优选，轮体大端减重后，在连接部31与压盖3通过焊接或者粘接的方式固定连接，本实用新型涡轮2与压盖3的组合结构能够在涡轮2减重的同时，不影响整体气动效率，提高了转子系统的动力性能，从而提高了微型燃气轮机的总效率。

本实用新型实施例还提供有一种用于涡轮2减重的结构。

如图4所示，在所述轮体小端的端部设置有阶梯孔，所述转轴的装配端延伸至阶梯孔的大孔内；所述轮体通过旋紧于转轴上并沉入阶梯孔大孔内的螺母4挤压阶梯孔的台阶面装配于转轴上。由于在传统方式中，通常在轴的装配端延伸出涡轮2，在装配端通过拧紧螺母挤压涡轮2小端，从而将涡轮2紧固装配在轴上。而涡轮2小端径向承受载荷较小，强度要求较低，故本实施例通过在涡轮2小端的端部设置阶梯孔(台阶孔、沉孔)的方式能够进一步实现涡轮2的减重，同时缩短了轴距，提高了轴的刚度。

作为优选，所述螺母4为多边形螺母，具体为外六角螺母。

同时，在阶梯孔的大孔和螺母4之间在径向方向具有能够容置装配工具的间隙，以便通过工具拧紧或松开螺母4实现轮体的拆装。

本实用新型实施例还提供有一种用于涡轮减重的结构。

如图5所示，在所述轮体的大端面设置第二减重凹口22，在第二减重凹口22内填充碳纤维复合材料，以此，进一步实现涡轮2的减重。

作为优选，所述第二减重凹口22可设置为喇叭口，通过该喇叭口的弧线与轮体的形状线相匹配，以保证涡轮2的力学性能。

本实用新型实施例还提供有一种用于涡轮减重的结构。

在本实施例中，所述轮体的轮体整体可以采用碳纤维复合材料制作。碳纤维复合材料制作的轮体，其径向可以承受满足载荷要求的应力，同时达到转子动力学的要求。轮体制作时，通过碳纤维缠绕，将涡轮2轮盘定型为大端的端面设置有第一减重凹口21的碳纤维轮盘，再在涡轮2轮盘外周铸造或者焊接叶片以形成轮体。

本实用新型实施例还提供一种转子系统。

如图6所示，转子系统包括转轴5、压气机1以及上述的涡轮2；

其中，所述转轴5包括一体成型的第一轴段51和第二轴段52，所述第一轴段51的直径大于第二轴段52的直径，第一轴段51和第二轴段52的过渡处形成有台阶面；所述压气机1和涡轮2的轮体固定在第二轴段52上，所述压气机1的一端与所述台阶面抵接，所述压气机1的另一端与所述压盖3的一端抵接，所述压盖3的另一端与涡轮2固定连接。出于转子动力学性能方面的考虑，转轴5的重量越轻越好，而转轴5的直径越小则重量越轻，但是在转子系统高速旋转过程中，对转轴5的强度又有很高的要求。为了同时考虑转子动力学特性和转轴5的强度，本实施例将第二轴段52的轴径设置的较细，而同时在压气机1和涡轮2之间安装压盖3，以满足其对转子刚度的要求。

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械以及回热循环。微型燃气轮机结构简单且十分紧凑，节省了安装空间，便于快速安装和搬运，可以很好地满足分布式供电的小规模、分散式需求；运动部件少，结构简单紧凑，因而其可靠性好、制造成本与维护成本低；环境适应性好、供电品质高的优点。

整套系统只有一个运动部件，其运行可靠率高达99.996％，平均每年停机检修时间不超过2小时，本实用新型的转子系统可用于10～100KW机型的微型燃气轮机，如15/30/45KW机型。

以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本实用新型中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims (10)

1.一种具有压盖的涡轮，所述涡轮包括锥形轮体和叶片，所述轮体的大端面外周边缘设有第一减重凹口，涡轮安装于转轴上，其特征在于，还包括安装于涡轮上的压盖，所述压盖包括环形本体与柱形本体，环形本体一端与柱形本体垂直成型为一体，环形本体另一端设有连接部，所述压盖通过所述连接部与轮体的大端面固定连接并将所述第一减重凹口整体或部分覆盖。

2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述压盖材料为镍基碳纤维。

3.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述压盖的连接部为凸块或者凹孔，所述轮体大端面设置有与连接部配合的凹孔或者凸块。

4.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述压盖和轮体之间在连接部通过焊接或粘接的方式固定连接。

5.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述轮体的大端面轴向设有第二减重凹口，所述第二减重凹口内填充碳纤维复合材料。

6.根据权利要求5所述的涡轮，其特征在于，所述第二减重凹口为喇叭口，所述喇叭口的弧线与涡轮的形状线相匹配。

7.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述轮体材料为碳纤维复合材料。

8.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述轮体的小端面端部设置有阶梯孔，所述转轴的装配端延伸至所述阶梯孔的大孔内；

所述涡轮通过旋紧于转轴上并沉入阶梯孔大孔内的螺母挤压阶梯孔的台阶面装配于转轴上。

9.根据权利要求8所述的涡轮，其特征在于，所述阶梯孔的大孔和螺母之间在径向方向具有能够容置装配工具的间隙。

10.一种转子系统，其特征在于，包括：

转轴、压气机以及权利要求1～9任一项所述的涡轮；

其中，所述转轴包括一体成型的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段和第二轴段的过渡处形成有台阶面；

所述压气机和涡轮设置在第二轴段上，所述压气机的一端与所述台阶面抵接，所述压气机的另一端与所述压盖的一端抵接，所述压盖的另一端与涡轮固定连接。

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