将叶轮可拆卸地连接到轴的装置和方法

专利名称：将叶轮可拆卸地连接到轴的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在高速涡轮机组中将叶轮可拆卸地连接到轴上的装置和方法。
背景技术：
为了防止在涡轮机组(例如液离心压缩机)中转子组件的高速操作过程中有害振动的形成，一般在转子组件最终安装在涡轮机组内之前通常执行转子组件的多面动态平衡。通常，转子组件的元件在动态平衡之后必须彼此拆开，以允许将转子组件安装在涡轮机组内。转子组件的重新组装期间相互定位各个元件的可重复性是重要的，以便保持整个机械系统的初始平衡状态，确保操作的无振动模式，并且防止部件之间的相对运动，相对运动公知除了振动外还通过受影响元件的交接界面的磨损引起损坏。实际上，涡轮机组中的转子组件操作的相对较高的转速(可能超过每分钟100,000转)在非常短的时间段内产生数量相当大的负载循环。因而，如果在操作过程中叶轮到轴连接的元件之间的相对移动变大，将导致元件的过早损坏，因而阻止了它们在涡轮机组的正常预期维护之后的再利用。
通常，用于将叶轮可拆卸地连接到轴的某些方法依靠柱形或锥形叶轮杆和轴之间的强径向干扰来通过摩擦传输扭矩；需要液压或温度辅助方法来将叶轮杆组装到轴上，因而增加了系统几何结构以及从轴安装和拆下叶轮的方法的复杂性。如果因为结构性以及组装的局限性，摩擦型耦合方法在叶轮杆和轴之间具有相对适中的径向干扰，那么耦合的合成扭矩能力相对受限，并且在操作时可能出现元件之间的滑动，尤其是在交接元件的构造的制造误差的情况下。
例如，叶轮和轴通常通过多边形附着方法耦合。多边形附着方法的主要优点是容易组装/分解以及自居中特征。多边形必须一直将叶轮和轴锁合在同一位置以保持所需的转子平衡程度。在压缩机操作期间，轴和叶轮之间的任何相对移动导致不可接受的振动程度。为了确保获得必要的一贯性，必须在非常严格的公差加工匹配部件，以便在转子组件的操作期间正常运行，尤其是在将瞬时感应负载典型地周在高速流体涡轮机组中的的情况下。

发明内容
由同步电动马达驱动的典型涡轮机组的启动瞬间伴有超过涡轮机组的标称操作状态的流体动力生成的扭矩几倍的相当大的惯性感生双向振荡扭矩的形成。由于启动期间双向振荡扭矩的形成，叶轮到轴连接具有震动负载吸收特征以便在无限次启动循环后保持机械完整性是重要的。在操作期间，转子组件的元件之间的时间相关温度梯度在交接部件内产生差动热膨胀，必须将这些差动热膨胀散去以保持整个转子系统的机械完整性。差动热膨胀还经常被转子组件内具有不同机械和物理属性的材料的所需应用强化。
此外，对转子组件进行组装和分解同时在不损害组件的机械性能的情况下保持可拆卸属性是所希望的。
根据本发明的转子组件的一个实施例包括可操作为绕轴线旋转并具有在轴向方向上延伸的开口的叶轮。该叶轮包括杆，该杆具有在包括轴线的截面上具有锥形轮廓而在垂直于轴线的截面上具有非圆形对称轮廓的外表面。该转子组件还包括可旋转轴，该轴包括在轴向方向延伸的孔，其中该孔构造成在轴旋转时接收并啮合该叶轮杆。螺栓可插入且贯穿叶轮开口并进入孔内以将叶轮连接到轴。转子组件还包括位于轴的第一表面和叶轮的第一表面之间的顺从(compliant)间隔器，其中该顺从间隔器在螺栓拧紧到预定扭矩值时与轴的第一表面和叶轮的第一表面基本一致。


图1是示出了根据本发明的第一实施例的叶轮和轴的互连的截面视图；图2沿图1中的线2-2的截面视图；图3是示出了叶轮和轴的互连的图1的一部分的分解图；图4(a)至图4(f)示出了各种间隔器的局部截面视图；图5(a)至图5(d)示出了各种轴端部配置的局部截面视图；图6和图7示出了各种轴端部配置的局部等角视图；图8和图9类似于图3并且示出了叶轮和轴的顺次组装；图10类似于图3并示出了作为本发明第二实施例的轴和叶轮的互连；图11类似于图3并示出了作为本发明第三实施例的轴和叶轮的互连；图12类似于图11并示出了图11中的轴和叶轮组装中的步骤；图13是如图12中所示的组件中所采用的间隔器量规的局部截面视图；以及图14是如图12中所示的组件中所采用的弹簧圈的侧视图。
具体实施例方式
参照附图对本发明进行描述，其中相同的数字始终表示相同的元件。仅为了描述的相对清楚并且旨在限制，在后续描述中使用了特定的术语，例如“顶部”、“底部”、“右”、“左”、“前”、“朝前”、“前向”、“后面”、“后方”以及“后向”。
参看图1和图2，图中所示出的是用于涡轮机组(例如液离心压缩机)中的转子组件10的第一实施例。转子组件10一般包括通过螺栓40连接到轴20的叶轮30。如下文更全面描述的那样，在叶轮30和轴20之间设有用顺从材料制成的间隔器60。转子组件10可操作以绕轴线14高速转动。
特别是，如本领域一般公知的，叶轮30包括叶片部分12和毂部分32，以及连接杆34。螺栓接收开口36设置在叶轮30内并且在轴向方向上延伸。杆34具有在包括轴线14截面内包括如图1所示的锥形轮廓而在垂直于轴线14的截面内包括如图2所示的非圆形对称轮廓(例如多叶谐波轮廓)的外表面。特别是，在垂直于轴线的截面内的多叶谐波轮廓由以下笛卡尔坐标的三角正弦和余弦函数形式限定X=(Di2+e)cosα-ecosnαcosα-nesinnαsinα]]>Y=(Di2+e)sinα-ecosnαsinα+nesinnαcosα]]>其中Di＝轮廓外接圆的直径e＝轮廓的偏心位移α＝角坐标n＝轮廓叶数量例如，在一个实施例中，使用以下数值Di＝1.75单位，e＝0.040单位，而n＝3。关于转子组件10中所存在的其他特征，轮廓的几何尺寸、形状和几何公差应同时满足以实现令人满意的叶轮到轴耦合。
关于轴20，轴20可以是例如包括可与动力传动组件(未示出)啮合的小齿轮(未示出)的小齿轮轴，该动力传动组件驱动轴20在离心式压缩机内绕轴线14以预定转速旋转。轴20具有配置为接收并啮合叶轮杆34并且接收螺栓的孔22。换言之，加工在轴20内的内表面基本上与叶轮杆34的外表面一致或匹配。特别是，在一个实施例中，孔22的一部分由在包括轴线14的截面内具有大致锥形轮廓而在垂直于轴线14的截面内具有非圆形对称轮廓(例如多叶谐波轮廓)的轴内表面限定。孔22还包括螺纹端部16，其包括用于接收螺栓40的螺纹23。轴20的内表面的尺寸使得当螺栓40拧紧到确定的预定扭矩值时与叶轮杆34的外表面形成径向干扰。为了增强转子组件10的制造，轴20的内表面所加工到的公差可以大约针对叶轮杆34的交接面所限定的公差。如图1所示，孔22还可以包括周向凹槽24以减小组装期间杆34和轴20之间的摩擦力。
设定交接面之间的差动公差等级以使叶轮杆34与具有不同公差等级但始终具有相同基本偏差的轴20关联。基本偏差代表元件的径向尺寸和元件的基本或标称尺寸之间的最接近设计预期距离。该方法允许在使用公共轴20同时的叶轮30的互换性；由于叶轮30是转子组件10在工厂测试期间或者涡轮机组的再磨光期间最频繁替换的元件，这样可以提供更大的适应性。
利用螺栓40将叶轮30连接到轴20。具体说来，螺栓40具有贯穿叶轮30延伸并将螺纹23啮合在轴孔22内的轴42。螺栓40还包括接收在叶轮30的叶轮螺栓接收开口36内以轴向保持叶轮30的螺栓头46。在螺栓轴42周围在开口36内优选提供螺栓定中心装置，例如螺栓垫圈50，以便在组装和平衡期间以及在转子组件10的高速操作期间将螺栓40居中保持在叶轮内。螺栓40优选由高强度合金钢制成。螺栓40用于引起叶轮杆34和轴20的交接谐波锥形轮廓之间的所需径向干扰。螺栓40还提供了耦合的普遍轴向负载以便吸收由顺从间隔器60或耦合的其他任选性顺从零件所允许的由于主体生成作用力以及温度梯度感生负载产生的元件的轴向位移。
如图1和图3所示，在轴20和叶轮30之间提供顺从间隔器60。在优选实施例中，顺从间隔器由不锈钢制成，例如303号或304号不锈钢。此外，间隔器60为大致环形的并且在一个实施例中在包括轴线14的平面内具有如图1所示的大致矩形截面。在足够的轴向负载作用下，间隔器60与交接面的几何结构一致，因而防止由于在组装以及操作期间元件的局部错位所产生的点或线负载接触。特别是，在一个实施例中，顺从间隔器60位于轴20的第一表面18和叶轮30的第一表面39之间，并且顺从间隔器在螺栓40拧紧到预定扭矩值时与表面18和表面39一致。此外，叶轮的第一表面39和轴20的第一表面18一样基本正交于轴线14。
因而，当转子组件10的元件完全组装时，使用顺从间隔器60使交接轮廓的实际加工尺寸同结果径向干扰有效分离并导致交接轮廓中的具有相同基本偏差的配合需求的进一步放宽。谐波多叶锥形轮廓的制造通常需要高精度加工，特别是由于叶轮和轴的交接面变成预定的轴向接触或者机械制动器而叶轮杆34和轴20的交接轮廓之间获得适当的径向干扰时。在转子组件10中使用顺从间隔器60允许叶轮杆34和轴20的交接面的制造公差的明显放宽，同时还增强了设计规格以外制造的元件的使用以及用过元件的再磨光。
如图1所示，优选地，当叶轮杆34插入到孔22并且螺栓40拧紧到预定扭矩值时，锥形叶轮杆34的未插入端从孔22略微突出，同时，在相对端，孔22的锥形部分延伸超过叶轮杆34的插入端。这种配置有助于消除边缘负荷变形的形成或者叶轮杆34两端的箍紧，因而防止了在元件的初始轴向分离期间接触表面的刮伤。
因而，仅使用螺栓40作为夹紧装置将叶轮30可拆卸地连接到轴20。叶轮感应器的几何尺寸、叶轮30的转速以及叶轮材料的机械属性可以限制螺栓40的实际尺寸，并且因而夹紧力的大小可用于实现叶轮杆34和轴20的表面之间的最佳径向干扰。由于叶轮30和轴20组装到机械轴向制动器上以确保叶轮30和周围固定元件的一致间隙，需要成本非常高的加工操作来控制交接谐波轮廓的尺寸和形状以便在由于螺栓40相对较小的尺寸仅可获得有限大小的夹紧力时组装接合点。
组装这种连接所需的轴向作用力的大小是叶轮杆34和轴20之间的径向干扰的线性函数。除了标称尺寸之外，交接轮廓之间的随附径向干扰还是轮廓所加工的公差等级的函数。实际考虑已经证明了轮廓公差等级从测量工具的正常水平放宽到为大型生产的工业配合所建立的更希望并更经济的公差水平将导致过大的径向干扰，并且因而导致螺栓40不能完全组装该连接，或者导致该耦合的元件之间的不可接受的径向间隙条件。为了便于元件的正常耦接同时允许更大的公差，使用了顺从间隔器60。
图1-图3所示的实施例中，间隔器60位于与杆34相邻的叶轮30上形成的台肩38上。台肩38优选是精密加工表面并且顺从间隔器60可以通过径向干扰配合组装到叶轮杆34上。在组装到叶轮杆34上时，顺从间隔器60在转子组件10的平衡期间以及组件10在涡轮机组中的操作期间成为叶轮30的整体部分。选择顺从间隔器60和叶轮杆34之间的径向干扰以确保操作时以及叶轮30的装卸期间叶轮杆34和间隔器60之间的接触。不过，组装时径向干扰的大小使得顺从间隔器60由于其相对较小的热质量能通过施加适度的热源而从叶轮杆34去除。参看图3，台肩38和轴20的交接沉孔29的径向尺寸大小限定为防止在非常大的制造误差的情况下的轴向接触。
如图4(a)至图4(f)所示，在其它实施例中，间隔器60在包括轴的轴线14的截面可具有各种配置。例如，顺从间隔器60’、60”可以分别具有H或U型配置。作为备选方案，间隔器60可以具有从任一或两个轴向表面延伸的一个或多个接触表面62。基于尺寸、几何结构、组装时可获得的螺栓夹紧负载以及转子系统的操作状态已经形成了不同的间隔器60的截面。仔细选择顺从间隔器60的截面配置以便解决叶轮30和轴20的交接面39、18之间的任何平行度误差。平行度误差可能是由于叶轮杆34和轴20的交接调和轮廓的放宽公差等级。限定间隔器60的径向尺寸和间隔器表面以及叶轮30和轴20上的相应表面之间的接触面积大小以便基于可获得的螺栓40夹紧力最大化组装时在间隔器60上的接触压力，以便进一步增强间隔器60的顺从功能。间隔器60的轴向顺从性和固有挠性增强了交接面之间的轴向接触，因而由于对转子组件10的内外作用力倾向于分开交接面而允许叶轮30和轴20耦合的普遍轴向压缩。间隔器60的引入有效地使组装时许用的径向干扰范围脱离于交接轮廓的随附几何尺寸和形状。因而，由于交接谐波轮廓的随附几何结构在组装时因为轮廓公差等级的放宽要求能够或者将从间隙变为过大的干扰，引入干扰控制顺从间隔器60将组装时的径向干扰限制在最佳数值范围内。
顺从间隔器60在组装时在要获得的螺栓40可用夹紧力所允许的最大数值附近有效形成径向干扰；组装时径向干扰的近似最大值的选择代表在高速以及高单位功率的涡轮机组应用中确保显著轮廓叶接触的所需条件。详细的分析调查以及实际经验已经证明在相对较高转速下的动力传输期间交接谐波轮廓的径向间隔自然出现在叶的无载侧。组装时交接谐波轮廓之间干扰的增加明显改进了叶接触图案，增加了在啮合元件中对相对运动的抑制，并且有效减小了由于操作不平衡所导致的转子振动。应该强调的是，轮廓几何公差的放宽不允许一致获得组装时轮廓径向干扰的最佳值，虽然采用螺栓40作为完成叶轮到轴耦合的组装的唯一手段。
此外，间隔器60优选可以各种尺寸(轴向方向上的厚度变化)获得，以便可从提供的制成间隔器的集合中的有限数量的间隔器中选择适当尺寸的间隔器以实现特定叶轮30和轴20的最佳干扰。基于确定的叶轮30和轴20的交接面18和39之间的距离的许用范围可以确定标称间隔器的制成集合中的尺寸，这可以是制造公差的统计上所确定的趋势。间隔器集合的尺寸(轴向厚度)和相关公差可以预先确定以允许将叶轮30快速组装到轴20，同时实现叶轮杆34和轴20的交接轮廓之间的最佳干扰。
例如，对于给定的转子组件10，可以提供顺从间隔器60的有限集合，例如3个或5个间隔器的集合。该集合设计为基于制造公差实现叶轮杆34和轴20的谐波轮廓之间的最佳径向干扰。间隔器60的各单独集合使叶轮30和轴20的所示交接面之间的可测量轴向间隙的可能值范围满足于在该数值最佳范围内组装时一致获得叶轮杆34和轴20之间的径向干扰的结果。
从设计角度来看，在一定集合中特征为不同轴向厚度的有限数量的顺从间隔器中进行选择是基于组装时叶轮杆34和轴20之间的径向干扰的最佳值以及制程的预测统计属性。这种方法从制造观点来说是有利的，因为不需要加工特别匹配的单个间隔器来将特定叶轮配合到轴间隔，而是可以从具有各种尺寸的集合中进行选择。
此外，在一个实施例中，与间隔器60交接的轴20的端部26还可以包括弹性顺从零件。例如，加工端部26的或者轴20与间隔器60内表面下方的垫27以及切口槽28以促进径向、周向以及轴向方向的位移顺从性，因而规定叶轮30、间隔器60和轴20之间的交接面之间的制造平整度和平行度误差。这些顺从部件还有效改变径向、周向以及轴向方向上的附着物硬度，以增强螺栓40的夹紧动作。此外，调整轴向硬度改进了螺栓40、叶轮30和轴20之间的负载分布以确保转子操作期间交接面之间的接触。
图5示出了具有设置在不同位置以限定各种接触垫27的沟槽28的轴端部26的各种配置。如图6所示，垫27可以是绕轴端部26的周边的连续垫，或者如图7所示，垫27可以由绕轴端部26的周边的多个垫表面限定。此外，如图5所示，端部26可以没有任何沟槽以提供实心接触垫27。此外，如图10所示，可以提供相对轴20的端部凹陷的接触垫27以使轴20的一部分在顺从间隔器60上方延伸。轴端部26上的顺从部件的选择和尺寸取决于间隔器60的几何条件。轴端部26上的顺从部件相对于顺从间隔器60的相对位置通过分析和实验方式预先确定以实现预定的功能。
出现在间隔器60和轴20内的多余对齐部件减小制造公差的影响，因而增强了元件的经济生产，同时增强了它们的机械性能。
顺从间隔器60的引入以及轴20的端部26上的顺从部件的任选性出现允许在不妨碍转子组件系统的整体几何尺寸的情况下重新调节所使用的零部件。将转子组件重新调节到新的和改良的状态的可用选择对于涡轮机组的所有者是相当重要的。
在对转子组件10的元件进行了描述之后，现在将参照图3以及图8至图9对其组装进行描述。如所提到的，叶轮杆34和轴20的谐波多叶锥形配置具有径向几何尺寸以在连接完全组装时形成相互径向干扰。一组顺从径向间隙调节间隔器60也设计为在离散意义上适应交接元件的制造公差范围。标准间隙测量规可用于确定轴20的表面18和正交于叶轮杆轴线的叶轮30上平的径向表面39之间的间隔。
步骤1如图8所示，对处于相同室温下的叶轮杆34和轴20进行手动组装，以便确保配合谐波轮廓之间的接触。
步骤2将螺栓40和垫圈50组装到叶轮30。随后，手动拧紧螺栓40以防止组装后元件的轴向自由移动。
步骤3如图8所示，在没有插入顺从间隔器60的情况下，测量叶轮39上的交接面39与轴20的表面18之间的轴向间隙X。
步骤4基于在步骤3所进行的轴向间隙X测量结果，在给定的组内选择适当的顺从间隔器60。所选择的顺从间隔器60的轴向宽度W优选小于轴向间隙X以留下牵引空间P。
步骤5分解螺栓40和垫圈50。
步骤6如图9所示，将所选择的顺从间隔器60预热到高于室温的特定温度，并随后组装到设在叶轮杆34上的间隔器座38。
仅在叶轮和顺从间隔器已经到达常室温后完成后续组装步骤。
步骤7将螺栓40和螺栓垫圈50组装到叶轮30。随后，手动拧紧螺栓40以防止组装元件的轴向自由移动。
步骤8如附着的特定选择所规定的那样，测量顺从间隔器60和轴表面18之间的剩余轴向间隙P，也就是牵引长度，并且与规定的许用范围进行比较。
步骤9利用已校准的扭矩扳手将螺栓40拧紧到所规定的组装扭矩值。
步骤10松开螺栓40，并随后利用已校准的扭矩扳手再次拧紧到规定组装扭矩值。
步骤11对叶轮到轴耦合检查叶轮30、顺从间隔器60和轴20的交接面之间的剩余间隙。
步骤12随后按照工程标准对全部转子组件进行动态平衡，并且在转子分解进行运输或组装在涡轮机组内之前进行元件配合标记。
通过后续步骤完成叶轮从轴的拆开步骤1松开螺栓40，并手动将螺栓40和螺栓垫圈50从叶轮30拔出。
步骤2可使用传统拔出工具将叶轮杆34与轴20轴向分开。可以在叶轮30中提供部件以允许使用传统或特别的拔出工具。
在叶轮30和轴20互连时，扭矩由谐波多叶锥形轮廓耦合传输越过该连接。将叶轮杆34和轴20进行组装以确保两个元件的边界处的校准径向干扰。旋转多叶谐波轮廓的非一致性允许元件的独特角度取向以确保零部件的一致安装并且因而保持转子组件的总体平衡。通过叶轮杆34和毂22的形状确保扭矩传输，同时径向干扰确保正啮合并防止元件之间出现磨蚀或磨损。在流体涡轮机组的所有操作条件期间保持径向干扰状态，因而不允许接合元件之间的相对轴向、径向或周向位移。在三位空间方向上，将接合的所有零部件都有力地保持在彼此相对接触，因而防止了交接面之间的磨蚀。特别是，在由于由旋转产生的体积力、非对称硬度条件以及温度梯度的原因而出现夹紧叶轮的轴向收缩以及前向位移时，组装时的校准螺栓轴向预加载、插入叶轮30和轴20之间的间隔器60的弹性顺从以及轴20的端部26处的任何顺从部件的预加载确保所有操作条件下连接的主要轴向夹紧状态。
将参照图11至图14描述本发明的备选实施例的叶轮和轴组件100。组件100类似于前一实施例并且包括叶轮130、轴120、螺栓和垫圈(未图示)以及顺从间隔器160。叶轮130包括容纳在轴孔122中的杆134。对备选耦合配置进行设计，以使顺从间隔器160与轴120的接触以及干扰位置出现在间隔器160的外径而不是内径。将间隔器160干扰配合在限定于轴120的端部的台肩129。间隔器160定位在台肩129，直到它接触轴120的径向接触垫127。和前一实施例一样，可以提供凹槽128或类似结构。此外，和前一实施例一样，间隔器160可以具有各种配置。当间隔器160位于轴的台肩129而不是叶轮30的台肩38时，顺从间隔器160的干扰条件以及功能保持不变。在这种配置中，间隔器160的组装可以遵循上文描述的程序或者可能需要将轴端部26加热和、或者冷却顺从间隔器160。
叶轮130和轴120通常和前面实施例所描述的一样进行组装。在将间隔器160组装到轴120之前，与上文的步骤3类似，必须测量轴接触垫127和叶轮表面139之间的距离A。为了测量距离A，如图12至图14所示，使用主间隔量规140。主间隔器规140包括具有已知宽度C的间隔块142。间隔块142由环形弹簧144或类似物保持在轴台肩129上的适当位置。利用处于适当位置的主间隔量规140，和上文步骤2一样通过手动拧紧连接叶轮130和轴120。测量间隔块142和径向台肩139之间的间隙G并且通过将间隙G和间隔块宽度C相加计算距离A。一旦将距离A确定，选择具有所需配置的间隔器160并且以上文针对第一实施例所描述的方式连接叶轮130和轴120。
在所描述转子组件的实施例中各种优点是固有的。特别是，在不降低转子组件的元件的品质的情况下，可以对转子组件进行组装和分解。此外，仅需要螺栓来将叶轮连接到轴上，并且在组装过程中不需要其它支撑系统。
利用顺从间隔器，就可以明显放宽与加工交接的叶轮杆外表面和轴内表面配置相关的惯用高精度制造要求，以可以经济地生产高功能性转子组件。引入顺从间隔器的有限集合支持轮廓制造公差的放宽并允许在叶轮杆和轴之间实现最佳干扰。对组装时在叶轮杆和轴之间可实现的干扰的控制还允许使用制造许用限制以外的交接元件，因而防止了与耦合中受到影响元件相关的时间延迟。干扰控制顺从间隔器吸收在叶轮和轴的交接面存在的制造不可避免的平整度以及平行度误差，因而允许所希望的转子组件自调节状态。顺从间隔器使所使用的转子组件的工厂维修更加简单。
在组装到轴向机械制动器的锥形附着物内引入顺从间隔器使由径向干扰所产生制造公差脱离附着物的功能性所需要的最佳径向干扰。引入顺从间隔器允许叶轮杆和轴上的匹配轮廓之间的最佳干扰的设定，从而导致在转子组件平衡以及后续在涡轮机组内的操作期间有效约束径向、周向以及轴向位移。引入顺从间隔器改进了分解后转子组件的元件位置的可重复性，因而改进了预平衡状态的保持力并且防止了操作过程中转子振动的形成。
引入顺从间隔器调整了耦合的轴向硬度，因而改进了组装期间以及操作时的螺栓、叶轮杆和轴之间的负载分布，并且改进了交接面之间的表面接触，以明显减小组装元件之间的磨蚀和、或磨损的开始。引入顺从间隔器允许以相对小的力气和相关成本再磨光用过的转子。
在轴端面引入弹性顺从表面改善了已连接元件的轴向对齐并允许操作时匹配表面之间的改进接触以及螺栓夹紧力的有效利用。在轴的端面引入弹性顺从表面还调节附着物的轴向硬度，因而改进了螺栓、叶轮杆和轴之间的负载分布，并且改进了交接面之间的表面接触，以明显减小已组装元件之间的磨蚀和、或磨损的开始。
权利要求
1.一种用于涡轮机组的转子组件，包括叶轮，所述叶轮可操作为绕轴线旋转并且具有在轴向方向上延伸的开口，所述叶轮还包括具有外表面的杆，所述外表面在包括所述轴线的截面内具有锥形轮廓并在垂直于所述轴线的截面内具有非圆形对称轮廓；可旋转轴，所述可旋转轴包括在所述轴向方向上延伸的孔，其中所述孔配置为在所述轴旋转时接收所述叶轮杆并啮合所述叶轮杆；螺栓，所述螺栓插在所述叶轮开口和所述孔中用于将所述叶轮连接到所述轴；以及顺从间隔器，所述顺从间隔器位于所述轴的第一表面与所述叶轮的第一表面之间，其中，在将所述螺栓拧紧到预定扭矩值时所述顺从间隔器基本符合于所述轴的第一表面以及所述叶轮的第一表面。
2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于所述孔由所述轴的内表面限制，所述内表面在包括所述轴线的截面内具有大致锥形轮廓并且在垂直于所述轴线的截面内具有与所述叶轮杆的非圆形对称轮廓配合的非圆形对称轮廓。
3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于所述杆的非圆形对称轮廓是多叶谐波轮廓。
4.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于所述轴的第一表面和所述叶轮的第一表面基本垂直于所述轴线。
5.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于所述轴的端部在所述轴向方向是顺从的。
6.根据权利要求5所述的转子组件，其特征在于所述轴的端部包括一个或多个沟槽以及一个或多个顺从垫。
7.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于所述顺从间隔器可拆卸地附着到所述叶轮的台肩和所述轴的台肩中的一个。
8.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于当所述杆插入到所述孔并且所述螺栓拧紧到预定扭矩值时，所述叶轮杆的未插入端从所述孔延伸。
9.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于当所述杆插入所述孔并且所述螺栓拧紧到预定扭矩值时，所述孔延伸超过所述叶轮杆的插入端。
10.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于所述顺从间隔器为不锈钢。
11.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于所述顺从间隔器是303号不锈钢和304号不锈钢中的一种。
12.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于所述顺从间隔器选自不同标称尺寸的制成顺从间隔器的有限集合。
13.一种用于涡轮机组的转子组件，包括叶轮，所述叶轮可操作为绕轴线旋转并且具有在轴向方向上延伸的开口，所述叶轮还包括具有外表面的杆，所述外表面在包括所述轴线的截面内具有锥形轮廓并在垂直于所述轴线的截面内具有非圆形对称轮廓；可旋转轴，所述可旋转轴包括在所述轴向方向上延伸的孔，其中所述孔配置为在所述轴旋转时接收并啮合所述叶轮杆，螺栓，所述螺栓可插入并贯穿所述叶轮开口并进入所述孔内用于将所述叶轮连接到所述轴，其中所述孔由所述轴的内表面限制，所述内表面在包括所述轴线的截面内具有大致锥形轮廓并且在垂直于所述轴线的截面内具有与所述叶轮杆的非圆形对称轮廓配合的非圆形对称轮廓；以及顺从间隔器，所述顺从间隔器位于所述轴的第一表面与所述叶轮的第一表面之间，其中当所述螺栓拧紧到预定扭矩值时，所述轴的第一表面和所述叶轮的第一表面基本垂直于所述轴线，所述顺从间隔器基本符合于所述轴的第一表面以及所述叶轮的第一表面。
14.根据权利要求13所述的转子组件，其特征在于所述杆的非圆形对称轮廓是多叶谐波轮廓。
15.根据权利要求13所述的转子组件，其特征在于所述轴的端部包括在所述轴向方向顺从的一个或多个沟槽以及一个或多个顺从垫。
16.根据权利要求13所述的转子组件，其特征在于所述顺从间隔器可拆卸地附着到所述叶轮的台肩和所述轴的台肩中的一个上。
17.根据权利要求13所述的转子组件，其特征在于当所述杆插入所述孔并且所述螺栓拧紧到预定扭矩值时，所述锥形叶轮杆的未插入端从所述孔延伸并且所述锥形孔延伸超过所述叶轮杆的插入端。
18.根据权利要求13所述的转子组件，其特征在于所述顺从间隔器是303号不锈钢和304号不锈钢中的一种。
19.根据权利要求13所述的转子组件，其特征在于所述顺从间隔器选自不同尺寸的制成顺从间隔器的有限集合。
20.一种用于组装可操作为绕轴线旋转的转子组件的方法，所述方法包括将叶轮的锥形非圆形对称叶轮杆插入到轴的孔内；将螺栓插入所述叶轮的开口并插入所述轴的孔的螺纹部分中；手动拧紧所述螺栓以恰好防止所述叶轮在轴向方向上的移动；测量所述叶轮的第一表面和所述轴的第一表面之间的间隙，其中，两个表面均大致垂直于所述轴线；从以标称方式定尺寸的顺从间隔器的预定组内选择适当的顺从间隔器，其中，所选定的间隔器的厚度小于所测量的间隙；去除所述螺栓和所述叶轮；在所述选定顺从间隔器与所述叶轮杆和所述轴台肩中的一个之间提供干涉配合；将所述叶轮杆再插入所述孔；将所述螺栓再插入所述叶轮开口和轴孔；手动拧紧所述螺栓以恰好防止所述叶轮在轴向方向上的移动；以及将所述螺栓拧紧到预定扭矩值。
全文摘要
一种用于涡轮机组的转子组件，包括叶轮、轴、螺栓以及顺从间隔器。叶轮具有在轴向方向延伸的开口以及杆，杆具有在包括轴线的截面内带有锥形轮廓并在垂直于轴线的截面内带有非圆形对称轮廓的外表面。轴包括配置为接收并啮合叶轮杆的孔。螺栓将叶轮连接到轴，而顺从间隔器定位在轴的第一表面和叶轮的第一表面之间，其中在螺栓拧紧到预定扭矩值时，顺从间隔器基本上符合于轴的第一表面并符合于叶轮的第一表面。
文档编号F01D5/02GK101018952SQ200580028542
公开日2007年8月15日 申请日期2005年6月29日 优先权日2004年6月29日
发明者C·A·罗索, G·B·欧文斯 申请人:英格索尔-兰德公司