一种流体机械转动部件应力自适应结构的制作方法

本发明涉及水轮发电机技术领域，具体涉及一种流体机械转动部件应力自适应结构。

背景技术

随着人们节能环保意识的增强，作为绿色能源的水力发电机械、大型泵站、以及高温环境冷却液输送泵等大型流体机械正在大力发展。其中，常见的贯流式水轮机组，抽水蓄能机组等发电用定子、转子同心装配，旋转流体动力装备转子通常包括设置在转轴上的连接圆盘、设置在连接圆盘边缘圆筒状的磁轭圈，圆筒状的磁轭圈的内侧中间与连接圆盘相连接，从而使转子的轴向截面呈工字型磁轭圈与定子之间具有磁隙。当机组运行时，转子会高速转动，而磁轭圈由于具有极大的重量，因而会产生极大的离心力，磁轭圈悬空的两端在离心力作用下，会向外倾斜翻转，健儿导致磁隙的改变，严重时甚至会导致磁轭圈与定子产生摩擦干涉。

为了避免磁轭圈的弯曲变形，人们通常采用的技术手段有：第一种方案是增加磁轭圈的尺寸以增加其强度和刚性，但是该方案存在着重量和成本增加、以及离心力增加的缺陷；第二种方案是在连接圆盘和磁轭圈的连接处设置加强筋片以提升其抗弯强度，该方案则存在如下缺陷：可以理解的是，加强筋片主要是对连接圆盘和磁轭圈的连接处有增加强度的作用，而对于远离连接处的磁轭圈两端来说，其提升强度的作用及其微小，而磁轭圈的两端确是最易产生弯曲的部位，因此，该方案难以有效地消除磁轭圈的两端弯曲变形、进而导致转子和定子之间的磁隙改变的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的灯泡贯流式水轮机所存在的转子的磁轭圈容易因离心力而弯曲变形、进而导致转子和定子之间的磁隙难以均匀一致的问题，提供一种流体机械转动部件应力自适应结构，在不明显增加磁轭圈重量和制造成本的基础上，可有效地提升磁轭圈的抗弯强度，确保转子和定子之间的磁隙均匀一致。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种流体机械转动部件应力自适应结构，所述流体机械转动部件包括连接圆盘、连接在圆盘中心的转动轴、圆筒状的磁轭圈，所述连接圆盘的边缘连接在磁轭圈内侧轴向的中间位置，在磁轭圈的两端与连接圆盘之间设有应力补偿机构，当流体机械转动部件转动时，所述应力补偿机构对磁轭圈的任意一个端部产生一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力，所述补偿作用力对磁轭圈端部形成一个向内翻转的补偿扭矩，所述应力补偿机构包括若干支撑杆、加强杆、拉绳，支撑杆的内端连接在连接圆盘上靠近与磁轭圈连接处，加强杆的内端与连接圆盘相连接，支撑杆的外端向着连接圆盘的中心一侧倾斜，加强杆由内端至外端向外倾斜，并与支撑杆的外端相连接，在支撑杆与加强杆的连接处设有滑轮，所述支撑杆上设有可滑动的补偿块，所述拉绳的一端连接在磁轭圈端部，拉绳的另一端绕过滑轮后与补偿块相连接，当流体机械转动部件转动时，补偿块形成向外的离心力，并通过拉绳对磁轭圈端部形成一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力F；或者，所述应力补偿机构包括若干径向拉杆，径向拉杆的一端连接在磁轭圈端部一侧，径向拉杆的另一端位于磁轭圈另一侧，在径向拉杆的另一端设有补偿块，所述径向拉杆贴靠转动轴转动方向的前侧，当流体机械转动部件转动时，补偿块形成向外的离心力，并通过径向拉杆对磁轭圈端部形成一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力F。

需要说明的是，本发明的流体机械转动部件优选地是指水轮发电机的转子，和现有技术相类似地，流体机械转动部件包括外围的磁轭圈、连接在磁轭圈内侧中间位置的连接圆盘（连接支架）、连接在连接圆盘（连接支架）中心的转动轴。当水轮机通过转动轴带动转子转动时，即可实现水力发电。

由于磁轭圈具有较大的半径和质量，因此，当转子高速转动时，磁轭圈悬空的前后两端会产生径向向外的离心力，该离心力会形成使磁轭圈外端向外弯曲翻转的弯曲扭矩，继而影响转子和定子之间的磁隙。

本发明在磁轭圈的两端与连接圆盘之间设置应力补偿机构，这样，当流体机械转动部件（即转子）高速转动、并形成巨大的离心力时，应力补偿机构可对磁轭圈的任意一个端部产生一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力，该补偿作用力对磁轭圈端部形成一个向内翻转的补偿扭矩，以有效地抵消磁轭圈自身的离心力所形成的弯曲扭矩，进而避免磁轭圈两端的外翻和弯曲变形。

作为第一种方案，补偿机构包括由支撑杆、加强杆连接成的三角形支架、并在该三角形支架的外端设有滑轮，因此，当流体机械转动部件转动时，滑动连接在支撑杆上的补偿块形成向外的离心力，并通过拉绳对磁轭圈端部形成一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力F。

可以理解的是，我们应使滑轮的位置靠近磁轭圈的端面，继而使连接在磁轭圈与滑轮之间的拉绳尽量位于径向方向，以便在确保具有足够的补偿作用力F的前提下，尽量降低补偿块的重量。

作为第二种方案，应力补偿机构包括若干径向拉杆，并且径向拉杆的一端连接在磁轭圈上，径向拉杆的另一端越过转动轴而位于磁轭圈另一侧。这样，当流体机械转动部件转动时，设置在径向拉杆的另一端的补偿块形成向外的离心力，并通过径向拉杆对磁轭圈端部形成一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力F。

可以理解的是，在本方案中，由于径向拉杆大致位于磁轭圈的径向方向，因此，补偿块的离心力可大部分转换成作用在磁轭圈且朝向磁轭圈轴线的补偿作用力F，有利于在相同的补偿块质量下，提升补偿作用力F。

此外，由于径向拉杆是贴靠在转动轴转动方向的前侧的，因此，当流体机械转动部件转动时，在惯性的作用下，径向拉杆会始终紧紧贴靠在转动轴上。

作为优选，在支撑杆上套设有限位环，限位环上设有可使限位环固定在支撑杆上的紧固螺钉，限位环远离滑轮一端抵靠补偿块。

由于支撑杆上套设有限位环，并且补偿块抵靠在限位环上，因此，当流体机械转动部件静止时，可使补偿块可靠地定位在支撑杆上，与此同时，当流体机械转动部件转动时，不会影响补偿块向外侧滑动实现补偿作用。

作为优选，所述磁轭圈的质量为m，所述的磁轭圈的半径为r，流体机械转动部件的转速为n，所述补偿作用力F与转速n形成如下关系： 2π²m×r×n²/3≤ F≤4π²m×r×n²/3。

可以理解是，对于一个流体机械转动部件而言，其中磁轭圈的质量m、半径r是固定值。此外，流体机械转动部件在转动时，一方面受到向外的离心力作用，另一方面受到连接圆盘向内的拉力和磁轭圈两端向内的补偿作用力F，并且向外的离心力与连接圆盘向内的拉力和磁轭圈两端向内的补偿作用力F应维持平衡。

本发明使补偿作用力F与转速n控制在如下范围内：

2π²m×r×n²/3≤ F≤4π²m×r×n²/3，

这样，磁轭圈两端的补偿作用力之和在4π²m×r×n²/3至8π²m×r×n²/3范围内，从而可确保向外的离心力与连接圆盘向内的拉力和磁轭圈两端向内的补偿作用力F应维持平衡，进而使磁轭圈的离心力造成的两端向外翻转的弯矩与应力补偿机构作用在磁轭圈两端向内翻转的补偿扭矩维持平衡，以确保磁轭圈与定子之间的磁隙保持稳定。

因此，本发明具有如下有益效果：在不明显增加磁轭圈重量和制造成本的基础上，可有效地提升磁轭圈的抗弯强度，确保转子和定子之间的磁隙均匀一致。

附图说明

图1是现有的流体机械转动部件的一种结构示意图。

图2是图1的一种侧向视图。

图3是现有的磁轭圈受到离心力时向外弯曲翻转的一种结构示意图。

图4是本发明应力补偿机构的第一种结构示意图。

图5是本发明应力补偿机构的第二种结构示意图。

图6是本发明应力补偿机构的第三种结构示意图。

图7是图6的一种侧向视图。

图中：1、连接圆盘 2、转动轴 3、磁轭圈 4、矫正环片 41、加强筋片 411、滑槽 42、补偿块 43、滑动杆 44、压簧 5、制动钳 6、支撑杆 61、加强杆 62、拉绳 63、滑轮64、限位环 7、径向拉杆 8、滚轮 9、拉簧。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种流体机械转动部件应力自适应结构，本实施例中的流体机械是指水轮发电机，其中的转动部件是指其中的转子。和现有技术相类似地，如图1、图2所示，流体机械转动部件包括连接圆盘1、连接在圆盘中心的转动轴2、圆筒状的磁轭圈3，连接圆盘的边缘连接在磁轭圈内侧轴向的中间位置。当水轮机通过转动轴带动转子转动时，即可实现水力发电。当然转子外面应设有定子（图中未示出），由于转子、定子等水轮发电机的基本结构属于现有技术，再次不做详细的描述。

由于磁轭圈具有较大的半径和质量，并且磁轭圈只有在中间位置受到连接圆盘的拉力，因此，如图3所示，当转子高速转动时，磁轭圈悬空的前后两端会产生径向向外的离心力，该离心力会形成使磁轭圈外端向外弯曲翻转的弯曲扭矩，继而影响转子和定子之间的磁隙。

为此，本发明在磁轭圈的两端与连接圆盘之间设置应力补偿机构，当流体机械转动部件转动时，所述应力补偿机构对磁轭圈的任意一个端部产生一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力，所述补偿作用力对磁轭圈端部形成一个向内翻转的补偿扭矩，以有效地抵消磁轭圈自身的离心力所形成的弯曲扭矩，进而避免磁轭圈两端的外翻和弯曲变形，确保转子和定子之间的磁隙维持稳定。

作为第一种优选方案，如图4所示，应力补偿机构包括圆形的矫正环片4、可制动矫正环片的制动钳5，矫正环片的外侧边缘固定连接在磁轭圈端部，制动钳可固定设置在发电机固定的机座上，以便对矫正环片内孔边缘进行制动。当我们需要制动流体机械转动部件、以进行维护保养时，可通过制动钳使其很快地停止转动，因而有利于提高效率。也就是说，在此方案中，矫正环片同时起到类似汽车刹车片的作用。

此外，我们还可在矫正环片与磁轭圈内侧之间设置若干在周向上均匀分布的加强筋片41，加强筋片的一侧固定连接在矫正环片上，在加强筋片与磁轭圈内侧之间则设有形变间隙。另外，在加强筋片上设置向外延伸的滑槽411，在滑槽内设置补偿块42。

当流体机械转动部件高速转动时，补偿块形成向外的离心力，此时，该离心力通过固定在矫正环片上的加强筋片对矫正环片形成一个内的扭矩，进而对通过固定在磁轭圈端部的矫正环片对磁轭圈端部形成一个向内翻转的补偿扭矩，以充分抵消磁轭圈的离心力所造成的向外翻转的弯曲扭矩。

可以理解的是，我们可通过合理设计补偿块的重量、以及在加强筋片上的位置等，使得补偿扭矩足以平衡磁轭圈向外翻转的弯曲扭矩，以确保转子和定子之间的磁隙维持稳定。

需要说明的是，我们可在矫正环片和磁轭圈内侧之间设置若干加强筋，加强筋间隔设置在相邻的矫正环片之间，以增加矫正环片和磁轭圈之间的连接强度和刚度，进而使矫正环片可对磁轭圈端部形成足够的补偿扭矩。

进一步地，我们可在滑槽内设置沿滑槽长度方向延伸的滑动杆43，滑动杆的两端连接在滑槽两端，补偿块可移动地套设在滑动杆上，在补偿块两端分别设置套接在滑动杆上的压簧44，以便使补偿块弹性定位在滑槽内。

当补偿块高速转动而产生离心力时，可克服外侧压簧的弹力而向外移动，进而增大补偿块的离心力。我们可通过合理地设计压簧的弹性系数，使补偿块在滑槽内停留在合适的位置，使其离心力与所需的补偿扭矩相匹配。

需要说明的是，我们可使外侧压簧的长度大于内侧压簧的长度，以有利于补偿块向外侧移动。

作为第二种优选方案，如图5所示,应力补偿机构包括若干支撑杆6、加强杆61、拉绳62，支撑杆的内端连接在连接圆盘上靠近与磁轭圈连接处，加强杆的内端与连接圆盘远离磁轭圈处相连接，支撑杆的外端向着连接圆盘的中心一侧倾斜，加强杆由内端至外端向外倾斜，并与支撑杆的外端相连接，从而使支撑杆、加强杆连接成一个三角形支架。此外，在支撑杆与加强杆的连接处设置滑轮63，在支撑杆上设置可滑动的补偿块42，拉绳的一端连接在磁轭圈端部，拉绳的另一端向内绕过滑轮后与补偿块相连接。

当流体机械转动部件转动时，补偿块形成向外的离心力，从而通过拉绳对磁轭圈端部形成一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力F。当然，我们应使滑轮的位置尽量靠近磁轭圈的端面，以便使连接在磁轭圈与滑轮之间的拉绳尽量位于径向方向，进而在确保具有足够的补偿作用力F的前提下，尽量降低补偿块的重量。

进一步地，我们还可在支撑杆上套设一个限位环64，限位环上设置可使限位环固定在支撑杆上的紧固螺钉，限位环远离滑轮一端抵靠补偿块。

这样，当流体机械转动部件静止时，补偿块受到拉绳的作用而可靠地定位在支撑杆上，此时的限位环则起到使补偿块定位的作用，避免补偿块的自由移动，方便装配。而流体机械转动部件高速时，补偿块则可在支撑杆上自由地向外侧滑动实现补偿作用。

作为第三种优选方案，如图6/图7所示,应力补偿机构包括若干径向拉杆7，径向拉杆的一端连接在磁轭圈端部一侧，径向拉杆的另一端越过连接圆盘中间的转动轴而位于磁轭圈另一侧，在径向拉杆的另一端设有补偿块。

当流体机械转动部件转动时，补偿块形成向外的离心力，该离心力通过径向拉杆对磁轭圈端部形成一个朝向磁轭圈轴线的补偿作用力F。可以理解的是，我们应使径向拉杆的另一端尽量靠近磁轭圈另一侧，以便使补偿块具有最大的转动半径，从而增大补偿作用力F，以有利于降低补偿块的质量。

需要说明的是，我们将径向拉杆连接在磁轭圈端部的一端称为连接端，将径向拉杆设有补偿块一端称为悬空端。径向拉杆在磁轭圈端部沿周向均匀分布。

可以理解的是，当流体机械转动部件转动时，在惯性的作用下，径向拉杆的悬空端会向着转动轴的转动方向后侧摆动。为此，我们可使径向拉杆贴靠在转动轴转动方向的前侧，以便在流体机械转动部件转动时，径向拉杆可始终紧紧贴靠并定位在转动轴上。

进一步地，径向拉杆设有补偿块的悬空端通过拉簧9连接在磁轭圈另一侧上，也就是说，径向拉杆的两端都是连接在磁轭圈上的。因此，当流体机械转动部件静止时，可使径向拉杆可靠定位，从而便于装配。

更进一步地，径向拉杆包括与磁轭圈端部连接的第一段、设有补偿块的第二段，所述第一段与第二段通过滚轮8相连接，滚轮贴靠转动轴，而径向拉杆的连接端与悬空端再磁轭圈内大致呈对称布置。也就是说，径向拉杆的第一段、第二段在中间对应转动轴处形成弯折。我们可将第一段与第二段之间的夹角控制在10°-15°，既可使第二段上的补偿块和第一段与磁轭圈的连接点大致位于同一径向上，继而可最大限度地提升补偿块所产生的离心力、或者尽量降低补偿块的重量。

当流体机械转动部件转动时，设置在第一段与第二段连接处的滚轮可与转动轴形成滚动摩擦。当补偿块拉动径向拉杆使其弹性伸长时，可减小径向拉杆与转动轴之间的摩擦阻力，有利于延长使用寿命。

为便于描述，我们将磁轭圈的质量设为m，的磁轭圈的半径设为r，流体机械转动部件工作时的转速设为n。由于磁轭圈的质量m、半径r是固定值，由力学原理可知，流体机械转动部件在转动时，其磁轭圈所形成的离心力与转速n的平方成正比。

我们可通过合理地设计补偿块的质量等参数，使补偿作用力F与转速n形成如下关系： 2π²m×r×n²/3≤ F≤4π²m×r×n²/3。

可以理解是，当流体机械转动部件在转动时，一方面受到向外的离心力作用，另一方面受到连接圆盘向内的拉力、磁轭圈两端向内的补偿作用力F，并且向外的离心力与连接圆盘向内的拉力加上磁轭圈两端向内的补偿作用力F之和应维持平衡。

当 2π²m×r×n²/3≤ F≤4π²m×r×n²/3时，可确保向外的离心力与连接圆盘向内的拉力加上磁轭圈两端向内的补偿作用力F之和维持平衡，进而使磁轭圈的离心力造成的两端向外翻转的弯矩与应力补偿机构作用在磁轭圈两端向内翻转的补偿扭矩维持平衡，以确保磁轭圈与定子之间的磁隙保持稳定。