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CN110318813B - 一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构 - Google Patents

一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构 Download PDF

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CN110318813B CN201910647945.5A CN201910647945A CN110318813B CN 110318813 B CN110318813 B CN 110318813B CN 201910647945 A CN201910647945 A CN 201910647945A CN 110318813 B CN110318813 B CN 110318813B
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Abstract

本发明涉及一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构及其制造工艺。转子由锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴装配而成。在完成转子组成零部件加工的基础上，首先进行电机轴的装配，其次进行电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配，然后进行连接轴套与电机轴的装配以及轴径向复合轴套与连接轴套的装配，最后进行压气机叶轮、连接轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配，形成完整的转子结构。该转子采用磁悬浮轴承，避免了涡轮发电系统工作时转子与轴承之间的接触，增强了转子在不同工况的运转稳定性，能够显著提高转子的结构可靠性与工作效率，同时还能够有效降低闭式循环径流涡轮发电系统的工作噪音。

Description

一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构
技术领域
本发明属于闭式循环径流式涡轮发电系统结构领域，具体涉及一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子及其制造工艺。
背景技术
闭式循环涡轮发电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。典型的闭式循环径流涡轮发电系统在结构上主要由径流涡轮、径流压气机、电机、回热器等部件组成。
转子是闭式循环径流涡轮发电系统中最为核心的部件，对系统的稳定运行、热电转换效率、可靠性与寿命起着决定性的作用，主要包括涡轮与压气机叶轮转子和电机转子两部分。闭式循环径流涡轮发电系统在运转过程中，转子处于高速旋转状态，其转速可达几万转/分钟，有的甚至达到十几万转/分钟。转子结构一旦发生故障，不仅会导致闭式循环系统无法正常工作，而且还会引起闭式循环涡轮发电系统的结构损坏。因此，合理设计转子的结构对于保证闭式涡轮发电系统的可靠性至关重要。
现有的闭式循环径流式涡轮发电系统转子主要包括涡轮转子、主轴、压气机叶轮、电机轴、联轴器等零部件，通过过盈连接实现转子零部件以及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。采用过盈连接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受离心载荷和热载荷的影响，连接部位的过盈量减小，转子的连接强度得不到保证，零件间易产生松脱，影响系统的工作可靠性。此外，这类转子加工质量要求高、可重复装配性差。
长寿命是闭式循环径流涡轮发电系统的普遍要求，磁悬浮轴承结构在工作过程中，转子与轴承之间没有接触且无需润滑油等工作介质，同时磁悬浮轴承的刚度易于调节，有助于保证转子在不同工况下的运行稳定性。因此，闭式循环径流涡轮发电系统采用磁悬浮轴承，通过合理设计转子结构与制造工艺，能够有效提高转子的运转稳定性与工作可靠性。
发明内容
本发明针对闭式循环径流涡轮发电系统转子结构，提出一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构及其制造工艺。根据闭式循环涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，通过合理设计锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴的结构尺寸以及螺纹装配拧紧力矩。在完成转子组成零部件加工的基础上，首先进行电机轴的装配，其次进行电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配，然后进行连接轴套与电机轴的装配以及轴径向复合轴套与连接轴套的装配，最后进行压气机叶轮、连接轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配，形成完整的转子结构。该转子采用磁悬浮轴承结构，避免了涡轮发电系统工作时转子与轴承之间的接触，增强了转子对不同工况的适应性，能够显著提高转子的运转稳定性与工作寿命，同时还能够有效降低闭式循环径流涡轮发电系统的工作噪音。
本发明的技术方案：
一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构，包括锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴。所述锁紧螺母装配在靠近压气机一端的涡轮转轴上，所述锁紧螺母的螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述压气机叶轮有中心通孔，所述压气机叶轮上有同连接轴套相装配的外圆柱面；所述轴径向复合轴套上有同磁悬浮轴向轴承配合的环形端面，所述轴径向复合轴套上有同磁悬浮径向轴承配合的外圆柱面，所述轴径向复合轴套通过内圆柱面装配在连接轴套上；所述连接轴套有与轴径向复合轴套相装配的外圆柱面，所述连接轴套的一端有与压气机叶轮相装配的内圆柱面，所述连接轴套的另一端有与电机轴短轴套相装配的内圆柱面；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一端有与涡轮转轴相装配的内螺纹，所述电机轴的短轴套一端有与连接轴套相装配的外圆柱面，所述电机轴的短轴套一端有与涡轮转轴相装配的通孔；所述径向轴套为圆环形结构，所述径向轴套的外圆柱面同磁悬浮径向轴承相配合，所述径向轴套通过内圆柱面装配在涡轮转轴上；所述涡轮转轴由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴上有与锁紧螺母装配的外螺纹，所述涡轮转轴上有同压气机叶轮通孔装配的光轴，所述涡轮转轴上有同电机轴短轴套相装配的光轴，所述涡轮转轴上有同电机轴长轴套相装配的外螺纹，所述涡轮转轴上同电机轴长轴套相装配的外螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述涡轮转轴上有同径向轴套相装配的外圆柱面，所述涡轮转轴上有减重空腔，所述涡轮转轴上有用于装配夹紧的螺母。
一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子制造工艺，包括以下步骤：
a、确定闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子的结构尺寸参数：根据闭式循环径流式涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，确定涡轮发电系统磁悬浮转子组成零部件即锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴的结构尺寸；
b、确定转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩：根据闭式循环涡轮发电系统的转子动力学特性、扭矩传递要求和转速参数，确定涡轮发电系统转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子零部件的制造：按照步骤a确定的涡轮发电系统转子组成零部件的尺寸参数，加工锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、涡轮转轴；
d、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、电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配：首先将径向轴套装配在涡轮转轴的外圆柱面上并保证配合端面贴紧，然后让涡轮转轴穿过电机轴，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将电机轴装配在涡轮转轴上，并使端面相互贴紧；
f、连接轴套与电机轴的装配：采取过盈装配的方式，通过加热连接轴套上同电机轴连接的一端内圆柱面，将连接轴套穿过涡轮转轴，通过连接轴套的内圆柱面与电机轴的外圆柱面配合，将连接轴套与电机轴连接在一起；
g、轴径向复合轴套与连接轴套的装配：将轴径向复合轴套装配在连接轴套的外圆柱面上，并保证配合端面贴紧；
h、压气机叶轮、连接轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配：首先将压气机叶轮穿过涡轮转轴，使压气机叶轮的外圆柱面和通孔分别与连接轴套的内圆柱面和涡轮转轴的光轴装配在一起，并保证端面贴紧，然后将锁紧螺母安装在涡轮转轴上，按照步骤b所确定的拧紧力矩拧紧，形成完整的转子结构。
本发明的有益效果是：
本发明提出的一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子与制造工艺，采用涡轮和压气机转轴同电机轴的同轴结构，避免了联轴器的使用，可以显著提高转子的整体刚度；同时，电机轴和涡轮转轴之间采用螺纹连接以及通孔与光轴配合结构，可以增强转子的整体刚度，提升闭式循环径流涡轮发电系统转子运转的稳定性。涡轮转轴设有减重空腔可以减小转子的质量与转动惯量，降低磁悬浮轴承的功耗，同时提高转子的瞬态响应性。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构示意图。
图2是本发明实施例所述压气机叶轮结构示意图。
图3是本发明实施例所述轴径向复合轴套结构示意图。
图4是本发明实施例所述连接轴套结构示意图。
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径向轴套结构示意图。
图7是本发明实施例所述涡轮转轴结构示意图。
1锁紧螺母 2压气机叶轮 3轴径向复合轴套 4连接轴套
5电机轴 6径向轴套 7涡轮转轴 8压气机叶轮通孔
9压气机叶轮外圆柱面 10轴径向复合轴套环形端面
11轴径向复合轴套外圆柱面 12轴径向复合轴套内圆柱面
13连接轴套与压气机叶轮装配的内圆柱面
14连接轴套外圆柱面 15连接轴套与电机轴装配的内圆柱面
16电机轴短轴套 17电机轴长轴套 18电机轴磁芯
19电机轴与涡轮转轴外螺纹相配合的内螺纹
20电机轴与连接轴套相装配的外圆柱面
21电机轴与涡轮转轴相装配的通孔
22径向轴套内圆柱面 23涡轮转轴与锁紧螺母装配的外螺纹
24涡轮转轴与压气机叶轮装配的光轴 25涡轮转轴与连接轴套装配的光轴
26涡轮转轴与电机轴装配的外螺纹
27涡轮转轴与径向轴套装配的外圆柱面
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。
一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构，包括锁紧螺母1、压气机叶轮2、轴径向复合轴套3、连接轴套4、电机轴5、径向轴套6和涡轮转轴7。所述锁紧螺母1装配在靠近压气机一端的涡轮转轴上，所述锁紧螺母1的螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；所述压气机叶轮2有中心通孔8，所述压气机叶轮2上有同连接轴套相装配的外圆柱面9；所述轴径向复合轴套3上有同磁悬浮轴向轴承配合的环形端面10，所述轴径向复合轴套3上有同磁悬浮径向轴承配合的外圆柱面11，所述轴径向复合轴套3通过内圆柱面12装配在连接轴套上；所述连接轴套4有与轴径向复合轴套相装配的外圆柱面14，所述连接轴套4的一端有与压气机叶轮相装配的内圆柱面13，所述连接轴套4的另一端有与电机轴短轴套相装配的内圆柱面15；所述电机轴5由磁芯18、长轴套17和短轴套16组成，所述电机轴5的磁芯18位于长轴套17和短轴套16内部，所述电机轴5的长轴套17与短轴套16通过过盈连接装配在一起，所述电机轴5的长轴套17一端有与涡轮转轴相装配的内螺纹19，所述电机轴5的短轴套16一端有与连接轴套相装配的外圆柱面20，所述电机轴5的短轴套16一端有与涡轮转轴相装配的通孔21；所述径向轴套6为圆环形结构，所述径向轴套6的外圆柱面同磁悬浮径向轴承相配合，所述径向轴套6通过内圆柱面22装配在涡轮转轴上；所述涡轮转轴7由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴7上有与锁紧螺母装配的外螺纹23，所述涡轮转轴7上有同压气机叶轮通孔装配的光轴24，所述涡轮转轴7上有同电机轴短轴套相装配的光轴25，所述涡轮转轴7上有同电机轴长轴套相装配的外螺纹26，所述涡轮转轴7上同电机轴长轴套相装配的外螺纹26旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述涡轮转轴7上有同径向轴套相装配的外圆柱面27，所述涡轮转轴7上有减重空腔28，所述涡轮转轴7上有用于装配夹紧的螺母29。
一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子制造工艺，包括以下步骤：
a、确定闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子的结构尺寸参数：根据闭式循环径流式涡轮发电系统的涡轮、压气机和电机的尺寸参数，确定涡轮发电系统磁悬浮转子组成零部件即锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套和涡轮转轴的结构尺寸；
本实施例某型闭式循环涡轮发电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，涡轮发电系统转子工作时的旋转方向为右旋，根据闭式循环涡轮发电系统的涡轮叶轮、压气机叶轮和电机的尺寸参数，确定的压气机叶轮2的外圆柱面9的尺寸为Ф20mm、通孔8的直径为Ф10mm，确定的轴径向复合轴套3的内圆柱面12的直径为Ф28mm，确定的连接轴套4的内圆柱面的尺寸为Ф20mm、外圆柱面14的尺寸为Ф28mm、内圆柱面15的尺寸为Ф28mm，确定的电机轴5的通孔21尺寸为Ф12mm、内螺纹19尺寸为M20×1-H7H7-LH，确定的径向轴套6的内圆柱面22的尺寸为Ф28mm，确定的涡轮转轴7的外螺纹23的尺寸为M9×1-p6p6-LH、光轴25的尺寸为Ф12mm、外螺纹26的尺寸为M20×1-p6p6-LH。
b、确定转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩：根据闭式循环涡轮发电系统的转子动力学特性、扭矩传递要求和转速参数，确定涡轮发电系统转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子零部件的制造：按照步骤a确定的涡轮发电系统转子组成零部件的尺寸参数，加工锁紧螺母、压气机叶轮、轴径向复合轴套、连接轴套、电机轴、径向轴套、涡轮转轴；
d、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17，将电机的磁芯18同长轴套17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16，将短轴套16和磁芯18、长轴套17装配在一起，形成完整的电机轴
e、电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配：首先将径向轴套6装配在涡轮转轴7的外圆柱面27上并保证配合端面贴紧，然后让涡轮转轴7穿过电机轴5，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将电机轴5装配在涡轮转轴7上，并使端面相互贴紧；
f、连接轴套与电机轴的装配：采取过盈装配的方式，通过加热连接轴套4上同电机轴5连接的一端内圆柱面15，将连接轴套4穿过涡轮转轴7，通过连接轴套4的内圆柱面15与电机轴5的外圆柱面配合20，将连接轴套4与电机轴5连接在一起；
g、轴径向复合轴套与连接轴套的装配：将轴径向复合轴套3装配在连接轴套4的外圆柱面14上，并保证配合端面贴紧；
h、压气机叶轮、连接轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配：首先将压气机叶轮2穿过涡轮转轴7，使压气机叶轮2的外圆柱面9和通孔8分别与连接轴套4的内圆柱面13和涡轮转轴7的光轴24装配在一起，并保证端面贴紧，然后将锁紧螺母1安装在涡轮转轴7上，按照步骤b所确定的拧紧力矩拧紧，形成完整的转子结构。
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。

Claims (7)

1.一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构，其特征在于：包括锁紧螺母(1)、压气机叶轮(2)、轴径向复合轴套(3)、连接轴套(4)、电机轴(5)、径向轴套(6)和涡轮转轴(7)；
所述锁紧螺母(1)装配在靠近压气机一端的涡轮转轴(7)上，所述锁紧螺母(1)的螺纹旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相反；
所述压气机叶轮(2)有中心通孔(8)，所述压气机叶轮(2)上有同连接轴套(4)相装配的外圆柱面(9)；
所述轴径向复合轴套(3)上有同磁悬浮轴向轴承配合的环形端面(10)，所述轴径向复合轴套(3)上有同磁悬浮径向轴承配合的外圆柱面(11)，所述轴径向复合轴套(3)通过内圆柱面(12)装配在连接轴套(4)上；
所述连接轴套(4)有与轴径向复合轴套(3)相装配的外圆柱面(14)，所述连接轴套(4)的一端有与压气机叶轮(2)相装配的内圆柱面(13)，所述连接轴套(4)的另一端有与电机轴(5)的短轴套(16)相装配的内圆柱面(15)；
所述电机轴(5)由磁芯(18)、长轴套(17)和短轴套(16)组成，所述电机轴(5)的磁芯(18)位于长轴套(17)和短轴套(16)内部，所述电机轴(5)的长轴套(17)一端有与涡轮转轴(7)相装配的内螺纹(19)，所述电机轴(5)的短轴套(16)一端有与连接轴套(4)相装配的外圆柱面(20)，所述电机轴(5)的短轴套(16)一端有与涡轮转轴(7)相装配的通孔(21)；
所述径向轴套(6)为圆环形结构，所述径向轴套(6)的外圆柱面同磁悬浮径向轴承相配合，所述径向轴套(6)通过内圆柱面(22)装配在涡轮转轴(7)上；
所述涡轮转轴(7)由涡轮叶轮和转轴焊接在一起，所述涡轮转轴(7)上有与锁紧螺母(1)装配的外螺纹(23)，所述涡轮转轴(7)上有同压气机叶轮(2)通孔装配的光轴(24)，所述涡轮转轴(7)上有同电机轴(5)的短轴套(16)相装配的光轴(25)，所述涡轮转轴(7)上有同电机轴(5)的长轴套(17)相装配的外螺纹(26)，所述涡轮转轴(7)上与电机轴(5)的长轴套(17)相装配的外螺纹(26)旋向与涡轮发电系统转子工作时的转动方向相同，所述涡轮转轴(7)上有同径向轴套(6)相装配的外圆柱面(27)，所述涡轮转轴(7)上有减重空腔(28)；
所述涡轮转轴(7)的外圆柱面(27)与径向轴套(6)的内圆柱面(22)配合，所述涡轮转轴(7)的外螺纹(26)与电机轴(5)长轴套(17)的内螺纹(19)配合，所述涡轮转轴(7)的光轴(25)同电机轴(5)短轴套(16)的通孔(21)配合；
所述压气机叶轮(2)不仅同涡轮转轴(7)的光轴(24)配合，其外圆柱面(9)而且还同连接轴套(4)的内圆柱面(13)配合；
所述连接轴套(4)的外圆柱面(14)同轴径向复合轴套(3)的内圆柱面(12)相配合，所述连接轴套(4)的内圆柱面(13)同压气机叶轮(2)的外圆柱面(9)相配合，所述连接轴套(4)的内圆柱面(15)同电机轴(5)的短轴套(16)的外圆柱面(20)相配合；
所述锁紧螺母(1)同涡轮转轴(7)的外螺纹(23)相配合。
2.根据权利要求1所述的一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构，其特征在于：所述电机轴(5)的长轴套(17)与短轴套(16)通过过盈连接装配在一起。
3.根据权利要求1所述的一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构，其特征在于：所述涡轮转轴(7)上有用于装配夹紧的螺母(29)。
4.一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子的制造工艺，其用于根据权利要求1所述的一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子结构，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子的结构尺寸参数；
b、确定转子组成零部件之间的螺纹装配拧紧力矩；
c、进行闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子零部件的制造；
d、电机轴的装配；
e、电机轴、径向轴套与涡轮转轴的装配；
f、连接轴套与电机轴的装配：采取过盈装配的方式，通过加热连接轴套(4)上同电机轴(5)连接的一端内圆柱面(15)，将连接轴套(4)穿过涡轮转轴(7)，通过连接轴套(4)的内圆柱面(15)与电机轴(5)的外圆柱面配合(20)，将连接轴套(4)与电机轴(5)连接在一起；
g、轴径向复合轴套与连接轴套的装配：将轴径向复合轴套(3)装配在连接轴套(4)的外圆柱面(14)上，并保证配合端面贴紧；
h、压气机叶轮、连接轴套、涡轮转轴和锁紧螺母之间的装配。
5.根据权利要求4所述的一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子的制造工艺，其特征在于：在步骤d中，首先采取过盈装配方式，通过加热电机轴的长轴套(17)，将电机的磁芯(18)同长轴套(17)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(16)，将短轴套(16)和磁芯(18)、长轴套(17)装配在一起，形成完整的电机轴(5)。
6.根据权利要求4所述的一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子的制造工艺，其特征在于：在步骤e中，首先将径向轴套(6)装配在涡轮转轴(7)的外圆柱面(27)上并保证配合端面贴紧，然后让涡轮转轴(7)穿过电机轴(5)，按照步骤b确定的装配拧紧力矩，通过螺纹旋紧，将电机轴(5)装配在涡轮转轴(7)上，并使端面相互贴紧。
7.根据权利要求4所述的一种闭式循环径流涡轮发电系统磁悬浮转子的制造工艺，其特征在于：在步骤h中，首先将压气机叶轮(2)穿过涡轮转轴(7)，使压气机叶轮(2)的外圆柱面(9)和通孔(8)分别与连接轴套(4)的内圆柱面(13)和涡轮转轴(7)的光轴(24)装配在一起，并保证端面贴紧，然后将锁紧螺母(1)安装在涡轮转轴(7)上，按照步骤b所确定的拧紧力矩拧紧，形成完整的转子结构。
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