一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子结构的制作方法

本发明属于闭式循环涡轮热电转换系统结构设计领域，具体涉及一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子结构。

背景技术：

闭式循环涡轮热电转换系统作为一种新型高效的热力转化形式，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电能的转换。典型的闭式循环涡轮热电转换系统主要由涡轮、压气机、电机、回热器等部件组成。

闭式循环涡轮热电转换系统转子包括涡轮与压气机叶轮转子和发电机转子两部分，是系统中最为核心的部件，对于系统的稳定运行、整机效率、可靠性与寿命起着决定性的作用。闭式循环涡轮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/分或十几万转/分，转子结构一旦发生故障，不仅会导致系统无法正常工作，而且还会引起闭式循环涡轮热电转换系统的结构损坏。因此，合理设计转子结构对于保证闭式涡轮热电转换系统的运转稳定性与结构可靠性至关重要。

现有的闭式循环径流式涡轮热电转换系统转子主要包括涡轮、主轴、压气机叶轮、电机轴、联轴器等零部件，借助联轴器通过过盈装配实现涡轮与压气机叶轮转子同电机转子之间的连接，具体为：主轴通过其两端内孔分别同涡轮转子轮背凸台和压气机叶轮轮背凸台过盈连接在一起形成动力转轴，然后通过联轴器的两端内孔分别同电机轴一端和压气机叶轮进口端轮毂之间的过盈装配，将动力转轴和电机轴连接在一起，形成完整的转子。现有转子结构采用过盈连接方式，虽然可以在一定程度上保证转子各部件之间的同轴度，但是由于转子过盈连接强度取决于各零部件之间的装配尺寸及其公差，对零件装配部位的加工精度提出了很高要求；加之转子在工作过程中连接部位的实际过盈量会减小，降低转子的连接强度，零部件易产生松脱，直接影响闭式循环涡轮热电转换系统的可靠性；此外，这类转子的可重复装配性差。

针对闭式循环径流式涡轮热电转换系统对转子结构的高可靠性与长寿命要求，需要合理设计转子的组成零部件以及零部件的装配结构与工艺参数，保证转子结构的连接强度与工作可靠性。

技术实现要素：

本发明针对闭式循环涡轮热电转换系统转子结构，提出一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子结构。根据闭式循环涡轮热电转换系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，通过合理设计压气机叶轮、锁紧环、轴套、电机轴和涡轮转轴的结构尺寸以及螺纹装配力矩。在完成转子零部件加工的基础上，首先进行电机轴装配，其次进行电机轴与涡轮转轴的装配，然后轴套、电机轴和涡轮转轴之间的装配，最后进行压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧环的装配，形成完整的转子结构。该转子组成零部件之间采用螺纹装配及锁紧结构，可以有效提高转子的连接强度，防止涡轮热电转换系统的转子零部件在工作过程中发生松脱，有助于提高系统的运转稳定性与结构可靠性。

本发明的技术方案：

一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子结构，包括压气机叶轮、锁紧环、轴套、电机轴和涡轮转轴。所述压气机叶轮上有同涡轮转轴装配的螺纹孔，所述压气机叶轮的螺纹孔的内螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述压气机叶轮上有同轴套装配的外圆柱面，所述压气机叶轮上有与锁紧环装配的锁紧环槽，所述压气机叶轮的进气端设有装夹螺母；所述锁紧环为弹性开口环，所述锁紧环装配于涡轮转轴和压气机叶轮的锁紧环槽中；所述轴套上有同轴向轴承配合的环形止推端面，所述轴套上有同径向轴承配合的外圆柱面，所述轴套的一端有分别同压气机叶轮和涡轮转轴装配的内圆柱面和通孔，所述轴套的另一端有分别同电机轴短轴套和涡轮转轴装配的内圆柱面和螺纹孔；所述电机轴由磁芯、长轴套和短轴套组成，所述电机轴的磁芯位于长轴套和短轴套的内部，所述电机轴的长轴套与短轴套通过过盈连接装配在一起，所述电机轴的长轴套的一端有与涡轮转轴相装配的螺纹孔，所述电机轴的短轴套的一端有分别同轴套和涡轮转轴相装配的外圆柱面和螺纹孔；所述涡轮转轴由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴上有同压气机叶轮装配的外螺纹，所述涡轮转轴上有同锁紧环装配的锁紧环槽，所述涡轮转轴上有同轴套装配的光轴，所述涡轮转轴上有同轴套和电机轴短轴套装配的外螺纹，所述涡轮转轴上有同电机轴长轴套装配的外螺纹，所述涡轮转轴上有同径向轴承装配的外圆柱面，所述涡轮转轴上设有减重空腔，所述涡轮转轴上设有装夹螺母。

一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子制造方法，包括以下步骤：

a、确定涡轮热电转换系统转子的结构尺寸参数：根据闭式循环涡轮热电转换系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，确定转子组成零部件即压气机叶轮、锁紧环、轴套、电机轴和涡轮转轴的结构尺寸参数；

b、确定转子组成零部件之间的螺纹装配力矩：根据闭式循环涡轮热电转换系统的转子结构尺寸、动力学特性和工作参数，确定涡轮热电转换系统转子组成零部件之间的螺纹装配力矩；

c、进行涡轮热电转换系统转子组成零部件的制造：按照步骤a确定的涡轮热电转换系统转子组成零部件的结构尺寸参数，加工压气机叶轮、锁紧环、轴套、电机轴和涡轮转轴；

d、进行电机轴的装配：首先采取过盈装配方式，通过加热电机轴的长轴套，将电机的磁芯同长轴套装配在一起，然后采取过盈装配方式，通过加热电机轴的短轴套，将短轴套和磁芯、长轴套装配在一起，形成完整的电机轴；

e、进行电机轴和涡轮转轴之间的装配：将涡轮转轴穿过电机轴中心孔，按照步骤b确定的螺纹装配力矩，通过螺纹旋紧，将电机轴与涡轮转轴装配在一起，保证配合端面相互贴紧；

f、进行轴套、电机轴和涡轮转轴之间的装配：将涡轮转轴的光轴穿过轴套的通孔，按照步骤b所确定的螺纹装配力矩，通过轴套的螺纹孔同涡轮转轴的外螺纹之间的螺纹旋紧以及电机轴短轴套的外圆柱面同轴套的内圆柱面之间的装配，将轴套、电机轴和涡轮转轴装配在一起，保证配合端面贴紧；

g、压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧环之间的装配：将锁紧环置于涡轮转轴的锁紧环槽中，然后将压气机叶轮的外圆柱面与轴套的内圆柱面对齐并装配，然后按照步骤b所确定的螺纹装配力矩，通过螺纹旋紧装配，将压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧环装配在一起，使锁紧环置于压气机叶轮的锁紧环槽中，保证配合端面相互贴紧。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子结构及其制造方法，转子的零部件之间采用螺纹装配结构，可以有效提高转子的连接强度，防止涡轮热电转换系统转子零部件在工作过程中发生松脱，提高系统的结构可靠性；采用涡轮和压气机的转轴同电机轴的同轴结构设计，避免使用联轴器，可以提高转子的整体刚度，同时减小转子的空间尺寸；涡轮转轴设有减重空腔，可以降低转子的质量与转动惯量，提高转子与轴承的运转稳定性与工作可靠性；采用锁紧环对螺纹连接结构进行锁紧，可以有效避免转子发生松动，进一步提高转子及涡轮热电转换系统的结构可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例所述一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子结构示意图。

图2是本发明实施例所述锁紧环及其安装部位结构示意图。

图3是本发明实施例所述压气机叶轮结构示意图。

图4是本发明实施例所述轴套结构示意图。

图5是本发明实施例所述电机轴结构示意图。

图6是本发明实施例所述涡轮转轴结构示意图。

1压气机叶轮2锁紧环3轴套4电机轴5涡轮转轴

6压气机叶轮装夹螺母7压气机叶轮螺纹孔8压气机叶轮外圆柱面

9压气机叶轮的锁紧环槽10轴套与压气机叶轮装配的内圆柱面

11轴套的环形止推端面12轴套通孔13轴套与径向轴承装配外圆柱面

14轴套与电机轴装配的螺纹孔15轴套与电机轴短轴套装配的内圆柱面

16电机轴长轴套17电机轴短轴套18电机轴磁芯

19电机轴与轴套相装配的外圆柱面20电机轴与涡轮转轴相配合的螺纹孔

21电机轴与涡轮转轴相配合的螺纹孔

22涡轮转轴与压气机叶轮装配的外螺纹23涡轮转轴的锁紧环槽

24涡轮转轴与轴套装配的光轴25涡轮转轴同轴套和电机轴装配的外螺纹

26涡轮转轴同电机轴装配的外螺纹

27涡轮转轴与径向轴承装配的外圆柱面28涡轮转轴的减重空腔

29涡轮转轴的装夹螺母

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。

一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子结构，包括压气机叶轮1、锁紧环2、轴套3、电机轴4和涡轮转轴5。所述压气机叶轮1上有同涡轮转轴装配的螺纹孔7，所述压气机叶轮1的螺纹孔7的内螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述压气机叶轮1上有同轴套装配的外圆柱面8，所述压气机叶轮1上有与锁紧环装配的锁紧环槽9，所述压气机叶轮1的进气端设有装夹螺母6；所述锁紧环2为弹性开口环，所述锁紧环2装配于涡轮转轴和压气机叶轮的锁紧环槽中；所述轴套3上有同轴向轴承配合的环形止推端面11，所述轴套3上有同径向轴承配合的外圆柱面13，所述轴套3的一端有分别同压气机叶轮和涡轮转轴装配的内圆柱面10和通孔12，所述轴套3的另一端有分别同电机轴短轴套和涡轮转轴装配的内圆柱面15和螺纹孔14；所述电机轴4由磁芯18、长轴套16和短轴套17组成，所述电机轴4的磁芯18位于长轴套16和短轴套17的内部，所述电机轴4的长轴套16与短轴套17通过过盈连接装配在一起，所述电机轴4的长轴套16的一端有与涡轮转轴相装配的螺纹孔21，所述电机轴4的短轴套17的一端有分别同轴套和涡轮转轴相装配的外圆柱面19和螺纹孔20；所述涡轮转轴5由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴5上有同压气机叶轮装配的外螺纹22，所述涡轮转轴5上有同锁紧环装配的锁紧环槽23，所述涡轮转轴5上有同轴套装配的光轴24，所述涡轮转轴5上有同轴套和电机轴短轴套装配的外螺纹25，所述涡轮转轴5上有同电机轴长轴套装配的外螺纹26，所述涡轮转轴5上有同径向轴承装配的外圆柱面27，所述涡轮转轴上设有减重空腔28，所述涡轮转轴上设有装夹螺母29。

一种涡轮热电转换系统螺纹连接转子制造方法，包括以下步骤：

a、确定涡轮热电转换系统转子的结构尺寸参数：根据闭式循环涡轮热电转换系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，确定转子组成零部件即压气机叶轮、锁紧环、轴套、电机轴和涡轮转轴的结构尺寸参数；

本实施例某型闭式循环涡轮热电转换系统的涡轮叶轮直径为ф90mm、压气机叶轮直径为ф96mm、电机轴直径为ф38mm，根据闭式循环涡轮热电转换系统的涡轮叶轮、压气机叶轮和电机的尺寸参数，确定的压气机叶轮1的螺纹孔尺寸为m12×1、外圆柱面8的尺寸为ф20mm，确定的轴套3的内圆柱面10的尺寸为ф20mm、外圆柱面13的尺寸为ф38mm、内圆柱面15的尺寸为ф28mm、通孔12的直径为ф12mm、螺纹孔14的尺寸为m14×1，确定的电机轴4的螺纹孔20的尺寸为m14×1、螺纹孔21的尺寸为m20×1，确定的涡轮转轴5的外螺纹22的尺寸为m12×1、光轴24的尺寸为ф12mm、外螺纹25的尺寸为m14×1、外螺纹26的尺寸为m20×1。

b、确定转子组成零部件之间的螺纹装配力矩：根据闭式循环涡轮热电转换系统的转子结构尺寸、动力学特性和工作参数，确定涡轮热电转换系统转子组成零部件之间的螺纹装配力矩；

c、进行涡轮热电转换系统转子组成零部件的制造：按照步骤a确定的涡轮热电转换系统转子组成零部件的结构尺寸参数，加工压气机叶轮、锁紧环、轴套、电机轴和涡轮转轴；

d、进行电机轴的装配：首先采取过盈装配方式，通过加热电机轴的长轴套16，将电机的磁芯18同长轴套16装配在一起，然后采取过盈装配方式，通过加热电机轴的短轴套17，将短轴套17和磁芯18、长轴套16装配在一起，形成完整的电机轴4；

e、进行电机轴和涡轮转轴之间的装配：将涡轮转轴5穿过电机轴4的中心孔，按照步骤b确定的螺纹装配力矩，通过螺纹旋紧，将电机轴4与涡轮转轴5装配在一起，保证配合端面相互贴紧；

f、进行轴套、电机轴和涡轮转轴之间的装配：将涡轮转轴的光轴24穿过轴套的通孔12，按照步骤b所确定的螺纹装配力矩，通过轴套的螺纹孔14同涡轮转轴的外螺纹25之间的螺纹旋紧以及电机轴短轴套的外圆柱面19同轴套的内圆柱面15之间的装配，将轴套3、电机轴4和涡轮转轴5装配在一起，保证配合端面贴紧；

g、压气机叶轮、轴套、涡轮转轴和锁紧环之间的装配：将锁紧环2置于涡轮转轴的锁紧环槽23中，然后将压气机叶轮的外圆柱面8与轴套的内圆柱面10对齐并装配，然后按照步骤b所确定的螺纹装配力矩，通过螺纹旋紧装配，将压气机叶轮1、轴套3、涡轮转轴5和锁紧环2装配在一起，使锁紧环2置于压气机叶轮的锁紧环槽9中，保证配合端面相互贴紧。

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。