葉片式壓縮機的轉子的製作方法

2023-07-07 05:37:11 2

專利名稱：葉片式壓縮機的轉子的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械製造領域，更確切地說，它涉及一種葉片式壓縮機的轉子。
本發明能被成功地應用在燃氣輪機發動機的軸流式的或離心渦流式的壓縮機轉子上。
現有技術的葉片式壓縮機的轉子包括一根中心轉軸和至少兩個同軸地安裝到轉軸上、並帶有緊固在其輪緣上的若干工作葉片的呈圓盤形的工作葉輪。工作葉輪的輪緣相互間沿端面焊接成為剛性連接，構成轉子的轉盤。(OPЛOBП.И.「設計基礎」Ч.1，1977，M.，C.134-137，puc.65，Bap.8，9)。在組合焊接這種轉子轉盤的加工過程中，會導致轉盤的輪緣產生不均勻剩餘變形的大的熱應力。在一裝配好的轉子中，這種變形也導致圓環的重心相對其旋轉轉軸線產生偏移，在生產工藝中，此結構在焊接後保持各個圓盤間的平衡實際上是不可能的。因此在工作時，不論轉子整體是否平衡，但在其結構中由於單個工作葉輪不平衡而產生離心力的作用，該結構自身產生較大的負載。這樣就造成轉子的變形，使其失去平衡;並且高的旋轉頻率還會造成轉子的損壞。此外，這種焊接結構在進行修理時，比較困難，結果是在一個工作葉輪損壞的情況下便造成整個轉子報廢。
現今的葉片式壓縮機的轉子在大多數的情況下都有適合在高轉速下工作的結構，以使壓縮機體積小、質量小而獲得較高的頻率。在這種情況下重要的是使轉子的自振頻率與其轉動產生的強迫振動頻率不相同。通常由於壓縮機轉子是在較寬的轉速範圍內工作，因此應選擇其自振頻率高於最大轉速運轉時的振動頻率的結構。為此轉子要有足夠剛度，這時轉子的剛度取決於其圓筒部位(由葉輪轉盤的輪緣部分組成)及中心轉軸的總成剛度。此外，工作葉輪張緊力的大小對轉子剛度有最重要的影響。因此，不希望以增加中心轉軸質量從而增大其剛度的方法來提高轉子剛度，因為中心轉軸直徑的增加導致工作葉輪轉盤中部孔徑的增大，其結果會引起工作葉輪強度的下降。
此外，在各工作葉輪間張緊情況下，增大中心轉軸直徑的情況下會顯著減小其伸長量，而該伸長量是與溫度變化及作用於轉子的機械負荷所引起的變形產生的轉軸長度的增加量成正比，這樣就產生了轉子的不平衡度。
因此，通常採用增加轉盤的質量以提高轉盤剛度及增加工作葉輪間的壓緊力的方法來增加轉軸剛性。
此外，現有技術的葉片式壓縮機轉子包括一中心轉軸，至少兩個同軸地安裝於轉軸上的工作葉輪，(其輪緣形成轉子的轉盤)，及各工作葉輪間的沿轉子軸線相互固定的裝置(CM.M.M馬斯萊尼考夫等「直升飛機用的燃氣輪機發動機」，「機械製造」(M.)，1969，C.261-263，puc.7，18)。所述的轉子是離心渦流式的，在軸向部分有五級結構及在壓縮機出口處有單級離心式結構。在這種結構的壓縮機中，葉輪的固定方式是用一空心的中心軸，其一端制有螺紋並與離心式工作葉輪的輪轂螺紋連結，而在轉軸的另一端有一沿孔徑圓周均勻凸出的法蘭，用螺釘栓接以確保側邊上的軸向工作葉輪的轉盤與法蘭的剛性連接。
在這種結構中，轉盤質量大，因而具有較大的剛度，以及工作葉輪間有較大壓緊力，因此轉子的剛度是足夠的。
在這種壓縮機的工作(轉子的轉動)過程中，較大的離心力作用在質量較大的轉盤上，其離心力的大小是與轉子的轉速、轉盤質量及其外緣距轉子軸心線的距離成正比例的。巨大的離心力會引起轉子的較大的變形，導致轉子出現大的不平衡度並可引起壓縮機的損壞。
此外，在具有較大質量轉盤的轉子結構中轉子的轉軸有明顯的徑向跳動量，迫使在工作葉輪的葉片的端部與壓縮機定子內表面之間的間隙增大，從而導致壓縮機效率下降。
本發明確定的主要任務是創造一種葉片式壓縮機轉子，其結構特點是儘可能減小轉盤及中心轉軸的質量以使轉子在高轉速下減小離心力的影響，並由此提高壓縮機的效率和可靠性。
本發明任務的解決方案是，在葉片式壓縮機的轉子中包括一中心轉軸、至少兩個同軸地安裝到中心轉軸上的葉輪，(其輪緣構成了轉子的轉盤)和沿著轉子軸線將工作葉輪相互固定的裝置;根據本發明，至少在一對工作葉輪(4，5)端面之間，並聯安裝與軸(1)同軸的和可相對轉軸滑動的一環形件和一壓縮彈簧。
在這種方案中，如果轉子有至少三個工作葉輪，可在每對相鄰的工作葉輪的端面之間安置一環形件及彈簧。
在本方案中還可將兩側邊的工作葉輪剛性地固定在轉軸上，在兩側邊之間設置一與轉軸間隙配合的中間葉輪，通過轉軸與中間葉輪的轉盤間的這個環形空隙並聯安裝一環形件及一壓縮彈簧，使它們的各端面緊抵在兩邊的工作葉輪的輪轂側邊上。
為了保證工作葉輪的壓力在環形件和轉子轉盤之間有合理的分布，要合理地選擇壓縮彈簧的剛度，使在葉輪之間有較小的預壓力。
根據本發明完成的葉片式壓縮機的轉子，由於採用環形件連同壓縮彈簧的結構，工作葉輪的部分壓力通過它們傳遞，其特點是轉盤質量小而剛度大，相應中心轉軸的質量和直徑也較小。在本轉子結構中，由於採用了環形件和彈簧的結構，因此，除了上述特點外，這可在中心轉軸和轉子轉盤在各種溫度下產生膨脹變化的情況下都能保持轉子有較高的剛度。
下面結合具體實施例及附圖的描述來說明本發明的技術方案。
其中

圖1是本發明的一葉片式壓縮機轉子的半縱剖面圖，它僅部分地表示轉子的上半部(其下半部與上半部是對稱相同的)，該方案帶有一軸流式的工作葉輪和一離心式的工作葉輪;
圖2與圖1基本相同，不過該方案中帶有兩個軸流式的工作葉輪和一個離心式的工作葉輪。
如圖1所示，葉片式轉子(離心渦流式壓縮機)包括一中央空心轉軸1，在其一端有環形的止推凸緣2，而在另一端製成螺紋，有一螺母3與其相配。
如本例中所述，轉子還包括至少兩個同軸地安裝在轉軸1上的兩個工作葉輪4和5，它們分別為軸流式和離心式的葉輪。在此結構中，軸1通過凸緣2和螺母3使葉輪4，5沿著轉子的軸線相互間被固定。軸流式工作葉輪4和離心式工作葉輪5相應分別有輪緣6和7，轉盤8和9，輪轂10和11，並通過輪轂10和11被徑向固定在轉軸1上。此外，離心式葉輪5，通過花鍵連接，周向固定在轉軸1上。在工作葉輪4，5之間安置一中間檔圈13，它有一包含輪轂15的加強隔板14，直接與離心式葉輪5的端面接觸。檔圈13通過其端面分別與輪緣6和7相配合，並與它們一起組成轉子的轉盤。轉子的轉盤或者可不用擋圈13而由輪緣6和7延展構成，然而這種普通的葉輪輪緣的製作會使葉輪加工工藝複雜化。
在轉子轉盤的中間並聯配置環形件16和壓縮彈簧17與轉軸1同軸並有配合的間隙，因此可在輪轂10和15之間產生相對滑動。實際上，環形件16及彈簧17是與葉輪4和5的端面相接觸。轉子的轉軸1支承在軸承18和19內，在此情況下，在軸承18和葉輪4的輪轂10之間裝置一密封擋圈20。
彈簧17的自由狀態長度與環形件16的長度共同確定了它們沿著轉軸1的軸線並壓裝的輪轂10和15端面間的間距。
如果葉片式壓縮機轉子包含三個或更多的葉輪，則帶有彈簧的環形件可以與轉軸同軸地安置在每一對相鄰葉輪的端面之間(圖上未表示)。
然而圖2所示代表的用於多級壓縮機的轉子實例(工作葉輪的數目是三個或更多)。其結構更加簡單。
圖2所示的葉片式壓縮機轉子，其中與圖1所示實例的差別是在於中心轉軸1安置有三個工作葉輪21，22及23;其中的葉輪21和22是軸流式的，而壓縮機的出口級的葉輪23是離心式的。葉輪21、22及23的相應的輪緣24、25及26與安裝在它們之間的擋圈一起組成轉子的轉盤。
兩側的工作葉輪21和23緊嵌在轉軸1上並與其共同旋轉，另一位於它們之間的中間工作葉輪22是松配在轉軸1上，在轉軸1周圍形成環形間隙29。在所述的例子中所安置的環形件30與彈簧31作為一個整體，與轉軸1共軸安裝，並形成間隙32，它們貫通間隙29並且其一端面與葉輪21的輪轂相配合，而另一端面與葉輪23的輪轂相配合。
圖1所述的葉片式壓縮機的轉子是以下列方式進行工作的。
在轉軸1上擰緊螺母3，就開始壓縮彈簧17在轉軸一端通過滾動軸承18的內圈、密封圈20、輪轂10、環形件16的力傳遞給彈簧;在轉子另一端，在輪緣6和輪緣7的端面與轉盤13的端面推緊到接觸時，止推凸緣2頂住輪轂15和輪轂11。在擰上螺母3後，壓縮力就這樣傳遞到彈簧17上，再傳遞到轉子輪轂上。因此，彈簧17的剛度要選擇得小於轉子工作葉輪總的壓力，壓力分布是一部分通過輪轂10、環形件16、彈簧17、輪轂15和11;另一部分是通過隔板8及葉輪4的輪緣6、轉盤13、輪緣7和葉輪5的隔板9傳遞。並且彈簧17的剛度要這樣選擇，要使總的軸向的壓力的小部分(5%-45%)通過轉子轉盤來傳遞。
壓縮彈簧17與轉子轉盤相比具有變化非常柔和的剛性度的特點。在一定轉速下轉子會出現相對軸承的橫向彎曲振動;這時轉子轉盤受到周期性的拉伸力和壓縮力的作用。在拉伸力作用下，由於轉盤的剛性突然變化，就明顯地減小由轉子工作葉輪壓緊連接時產生的壓應力，導致轉盤剛性的減小。而壓縮彈簧卻相反，它有剛度變化柔和的特點，在轉子受到彎曲的橫向振動的情況下，可使轉子的剛性保持穩定。
由於在轉盤內的部分壓力實際上是相對較小部分，而恰好作用在彈簧上那一部分力，卻是總壓力的大部分，因此在橫向彎曲振動時，雖然轉子的剛性會明顯變化，但在此結構中仍能保持足夠大，不使其自振頻率與轉速頻率(激發的頻率)產生共振。
在擰緊螺母3後，由於端面上的摩擦力作用，可實現工作葉輪4相對擋圈13和工作葉輪5之間的周向固定。
在轉子處於頻率高的轉速下，離心力作用到轉子的轉盤上-輪緣6、7和擋圈13上。
在外殼上的部分張緊力的減小可允許其製作得較輕，即由於採用了環形件16及彈簧17可在保證轉子具有高剛度的安全條件下減小其質量。減小轉盤的質量同樣地可減小離心力的有害作用及明顯地減小轉盤的變形，正是這樣就保證在高轉速下保持轉子的平衡性及提高其工作可靠性。
轉子的型式是可帶兩個或更多的逐個分布在每對相鄰工作葉輪間的環形件連同彈簧，以更能保證沿著轉子長度對不同段的剛度進行最佳選擇。
圖2所述的一個葉片式壓縮機轉子實施例是以類似於圖1所示的方式工作。其沿著轉子的結構件的壓力分布狀態及彈簧31參數的選擇與上述大體上無甚區別。
相對於轉子轉盤內不大的應力，轉子的穩定的高剛度有助於在轉子處於工作狀態下維持其平衡，以保證壓縮機長期無振動地工作，以及由於減小了葉片和定子殼體間的間隙使之具有高效率。
權利要求
1.一種葉片式的壓縮機轉子，它包括一中心軸(1)，至少兩個同軸地安裝在軸(1)上的其輪緣(6，7)組成轉子轉盤的工作葉輪(4，5)，以及沿轉子軸線相互地固定工作葉輪的裝置；其特徵在於至少在一對工作葉輪(4，5)的端面之間，並聯安裝與軸(1)同軸的和可相對滑動的一環形件(16)及一壓縮彈簧(17)。
2.如權利要求1所述的葉片式的壓縮機轉子，其特徵在於，它包括至少三個工作葉輪(21，22，23)，在此情況下，每一對相鄰工作葉輪的端面之間都安置有一環形件和一壓縮彈簧。
3.如權利要求1所述的葉片式的壓縮機轉子，其特徵在於它包括至少三個工作葉輪(21，22，23)，其中的側邊葉輪緊固在轉軸(1)上，在側邊葉輪之間安置一有環形間隙(29)結構的中間工作葉輪(22);一環形件(30)及一壓縮彈簧(31)，其各自的端面壓靠在側邊葉輪(21，23)的輪轂上，其中的管形件(30)穿過軸(1)和中間工作葉輪(22)之間的環形間隙(29)。
4.如權利要求1、2及3中任何一項所述葉片式的壓縮機轉子，其特徵在於彈簧剛度是根據工作葉輪(4，5)間的給定的較小壓力選定。
全文摘要
一種葉片式壓縮機的轉子，它包括一中心轉軸(1)、與中心轉軸(1)同軸安裝的工作葉輪(4，5)，它們的輪轂(6，7)組成轉子的轉盤，以及沿轉子軸線相互間固定工作葉輪的裝置。在工作葉輪(4，5)的端面之間並聯安裝有與軸(1)同軸並可滑動環形件(16)及壓縮彈簧(17)。本發明的轉子主要是用於燃氣輪機發動機的軸流式或離心渦流式的葉片壓縮機上。
文檔編號F04D1/08GK1087405SQ92113539
公開日1994年6月1日 申請日期1992年11月25日 優先權日1992年11月25日
發明者阿比杜爾·阿格利雅·夏克諾維切·吉爾梅道伍, 伍萊狄米爾·阿列克山得羅維切·格雷肯耐伍, 維克託爾·米克哈依洛維切·諾維考伍, 鮑律思·鮑律壽維切·安託諾維切, 那依爾·萊塔夫洛維切·古巴依杜林 申請人:發動機製造設計局