CN102510953B - 用于涡轮机的叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明的用于涡轮机尤其是用于径流式涡轮机的叶轮(2)具有叶轮端面(2.2)和与叶轮端面连接的用来热套安装到涡轮机的转子(1)上的收缩配合凸缘(2.3)，所述叶轮在叶轮端面和与其相连的收缩配合凸缘之间有环槽(3)。

Description

用于涡轮机的叶轮
本发明涉及一种用于涡轮机尤其是用于径流式涡轮机的叶轮，其具有叶轮端面和与叶轮端面连接的用来热套安装(Aufschrumpfen)到涡轮机转子上的收缩配合凸缘(Schrumpfbund)，本发明还涉及一种具有转子和热套安装在转子上的叶轮的涡轮机以及用于制造这种叶轮的一种方法。
叶轮可在涡轮机中将流过叶轮的流体的能量和承载叶轮的转子的机械能量相互转换。流体在径流式涡轮机中垂直于转子的旋转轴线流过一个或多个叶轮。
通常通过收缩配合，也就是转子外径大于叶轮内径，以摩擦锁合方式将叶轮轴向固定在转子上。已知的叶轮均在一个或两个端面上具有用来增大收缩配合接触面的收缩配合凸缘，也就是真正的叶轮盘的具有较小直径的轴向突出部分。为了保证在轴向安全固定叶轮，还可以利用穿过凸缘和转子的对齐孔的收缩配合凸缘固定销来锁定收缩配合凸缘。
比如在气体或蒸汽流过的压缩机、压气机或者涡轮机中，由于转速有时非常高，作用于叶轮的离心力尤其会导致叶轮内径变大，从而使得收缩配合产生的法向应力减小，且借此使得能轴向固定的摩擦锁合力减小。收缩配合凸缘固定销可能会受到不利的弯曲或剪切负荷作用，并且可能会承受径向微小运动引起的负荷。两者均可能会引起运行工况变差、磨损或者甚至引起涡轮机失灵。
本发明的任务在于提供一种经过改进的涡轮机。
按照权利要求1的特征部分的特征对其前序部分所述的叶轮进行改进，即可解决这一任务。权利要求12所述为具有这种叶轮的涡轮机，权利要求13所述为制造这种叶轮的一种方法。从属权利要求均涉及有益的改进实施方式。
本发明所述的叶轮被设置用来固定在涡轮机尤其是径流式压缩机比如径流式压缩机或压气机的转子上。为此在至少一个叶轮端面上、最好在承载叶片的叶轮盘的下游背面或后壁上设置收缩配合凸缘，该收缩配合凸缘适宜与叶轮盘形成整体。尤其可采用加热收缩配合凸缘使其中心孔内径变大并且/或者压缩相应转子外径的方式，将收缩配合凸缘热套安装到转子上。
按照本发明所述，在叶轮端面和与其相连的收缩配合凸缘之间形成位于径向外侧的环槽。尤其可将局部的横断面减小部分称作环槽，例如可以用车刀切入旋转的收缩配合凸缘来形成环槽。
可采用这种材料削弱方式将叶轮盘和收缩配合凸缘局部分开，收缩配合凸缘的收缩配合将叶轮整体轴向固定，叶轮盘由于通常具有比较大的外径，因此会承受比较高的离心力。当叶轮盘在离心力作用下扩径时，在类似于关节作用的环槽中不会将特别是相应的能导致收缩配合凸缘扩径的弯曲力矩传递到收缩配合凸缘之中，或者仅仅将弯曲力矩减小后传递到收缩配合凸缘之中。这样就能使得收缩配合凸缘和转子之间的轴向接触长度在运行过程中有利地以比较小的幅度减小，因为收缩配合凸缘仅仅在比较短的部分中扩径。尤其可以将收缩配合凸缘固定销布置在不会扩径或者与没有槽过渡到叶轮盘之中的常规收缩配合凸缘相比扩径幅度较小的收缩配合凸缘区域之中。这样有利于使得这种收缩配合凸缘固定销承受较少的负荷。
令人惊奇的是，在叶轮盘和收缩配合凸缘之间以径向收缩形式局部减少材料使得叶轮变细，就能改善收缩配合凸缘在工作过程中的收缩配合。这些优点超过尤其在密封区域内弹性地将叶轮盘连接在收缩配合凸缘上所引起的较大叶轮盘径向扩径，并且超过比较小的可传递功率。
可以在制造技术、装配技术、强度技术、热动力和/或者动力学特性方面对环槽进行优化。例如可以用特别简单的方式，例如可通过切削加工制作其侧壁基本上垂直于叶轮旋转轴线的环槽。槽侧壁与槽底和/或者收缩配合凸缘的径向外表面之间的倒角过渡段或边缘可减小装配过程中受伤的风险，同样也可减小影响强度、尤其是影响疲劳强度的缺口效应以及振动敏感性。适当计算槽宽和/或者槽深，即可影响叶轮盘与收缩配合凸缘之间的在运行以及热套安装过程中的热传递、叶轮盘与收缩配合凸缘之间的连接刚度、叶轮盘在离心力作用下的振动特性和扩径幅度以及工作流体的轴向推力。
按照一种首选实施方式所述，环槽也可以在径向呈现单阶或多阶形状，也就是在叶轮的旋转轴线方向具有局部不同的外径。作为补充或替代方案，也可以使得环槽具有朝向旋转轴线倾斜的外表面和/或者弯曲的外表面。
如果径向槽深是收缩配合凸缘径向高度、也就是收缩配合凸缘内径和外径之间最大径向距离的0.1～0.99倍，尤其在0.3～0.7倍之间，适宜在0.5～0.65倍之间，最好大约为0.55倍，就能产生特别有益的制造、装配和强度技术特性以及热动力和动力学特性。
适宜将环槽基本上直接布置在叶轮端面或者叶轮盘上，以使得剩余的收缩配合凸缘有比较大的相关轴向配合面。
关于其它优点和特征可参阅从属权利要求和实施例。以下是部分示意图，
附图1为热套安装了本发明一种实施方式所述叶轮的转子在静止状态下的局部经向剖面或纵向剖面；和
附图2示出处在工作状态的附图1所示的叶轮。
附图1所示为径流式压缩机的转子1的局部径向剖面，叶轮2固定在转子上。叶轮具有叶轮盘2.1和与其整体形成的收缩配合凸缘2.3，将收缩配合凸缘布置在背向叶片的叶轮盘2.1的下游背面2.2上。
叶轮2具有圆柱形中心通孔，适当选择该中心孔的内径标称尺寸和公差尺寸，使其小于该区域中的转子外径标称尺寸和公差尺寸，从而在工作温度下产生充分的收缩配合，将叶轮2在轴向方向x以摩擦锁合方式固定在转子1上。还有多个例如三到五个收缩配合凸缘固定销4***到在收缩配合凸缘2.3上的基本上在圆周范围内均匀分布的通孔之中，并且***到在转子1上的与通孔对齐的盲孔之中，以此锁定叶轮2在转子1上的轴向位置。
虚线表示常规叶轮的外轮廓，叶轮盘的后壁以圆角半径2.4′过渡到收缩配合凸缘之中。当这种叶轮以工作转速Ω加速时(参考附图2)，离心力就会使得叶轮径向扩径。由于叶轮盘的外径比较大，因此所承受的离心力负荷较大，除了作用于收缩配合凸缘的离心力和刚性固定在收缩配合凸缘上的叶轮盘对其施加的径向拉力之外，作用于收缩配合凸缘的倾覆力矩或弯曲力矩也会使得收缩配合凸缘扩径，从而使得转子与收缩配合凸缘之间的接触面减小，或者使得法向应力和通过法向应力保证的摩擦锁合力减小。
在本发明所述的叶轮中，则是直接在叶轮背面2.2上形成环槽3来替代圆角半径2.4′，方法是在例如采用锻压或浇铸法进行初次成形之后，以例如利用车刀切入对叶轮2进行切削加工的方式形成环槽。环槽3相应地具有基本上垂直于叶轮2的旋转轴线x的侧壁(附图1中左侧、右侧)以及倒圆的槽底(附图1中下方)。槽3过渡到收缩配合凸缘2.3的径向外轮廓之中的过渡段同样也具有圆角半径(图中没有绘出)，用以减小缺口效应和受伤风险。
附图2以夸张手法表示本发明所述叶轮在工作过程中的状态，也就是正在围绕旋转轴线x旋转Ω。特别地，由于叶轮盘2.1因为安装了叶片而具有比较大的外径，因此会在离心力作用下扩径，图中以向上抬起的左侧或前端叶轮区域表示。作用于收缩配合凸缘2.3的离心力以及从叶轮盘2.1传递给收缩配合凸缘的径向拉力也会使得收缩配合凸缘2.3扩径。但是由于环槽3的槽宽(附图1中左侧-右侧)基本上是收缩配合凸缘从其右侧端面至后壁2.2的轴向总长的0.25倍，并且槽深(附图1中上-下)基本上是收缩配合凸缘内径与外径之间径向高度的0.65倍，使得环槽起到关节一样的作用，因此叶轮盘2.1仅仅将很小的倾覆力矩或弯曲力矩作用于收缩配合凸缘2.3，从而其承重的收缩配合长度减小的幅度小于常规的叶轮。
因此可通过缩窄部分3改善工作过程中的收缩配合。尤其是布置在后端区域中的收缩配合凸缘固定销4所受的负荷比较少，因此可提高安全性。相比之下，前端叶轮区域(附图1中左侧)与常规叶轮相比较大的径向扩径可以忽略不计，或者可以通过相应计算密封件直径(没有绘出)予以补偿。
附图标记清单
1转子
2叶轮
2.1叶轮盘
2.2叶轮背面(叶轮端面)
2.3收缩配合凸缘
2.4′圆角半径(现有技术)
3环槽
4收缩配合凸缘固定销

Claims (20)

1.一种用于涡轮机的叶轮（2），其具有叶轮端面（2.2）和与叶轮端面连接的用来热套安装到涡轮机的转子（1）上的收缩配合凸缘（2.3），其特征在于，在叶轮端面和与其相连的收缩配合凸缘之间有环槽（3）。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述涡轮机是径流式涡轮机。
3.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，将收缩配合凸缘（2.3）布置在叶轮（2）的下游后壁上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的叶轮，其特征在于，收缩配合凸缘与叶轮的叶轮盘（2.1）形成整体。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的叶轮，其特征在于，直接在叶轮端面（2.2）上形成环槽（3）。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的叶轮，其特征在于，径向槽深至少为收缩配合凸缘径向高度的0.1倍；并且/或者径向槽深最多为收缩配合凸缘径向高度的0.99倍。
7.根据权利要求6所述的叶轮，其特征在于，径向槽深至少为收缩配合凸缘径向高度的0.3倍。
8.根据权利要求7所述的叶轮，其特征在于，径向槽深至少为收缩配合凸缘径向高度的0.5倍。
9.根据权利要求6所述的叶轮，其特征在于，径向槽深最多为收缩配合凸缘径向高度的0.7倍。
10.根据权利要求9所述的叶轮，其特征在于，径向槽深最多为收缩配合凸缘径向高度的0.65倍。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的叶轮，其特征在于，至少有一个用来容纳收缩配合凸缘固定销（4）的孔布置在环槽（3）与收缩配合凸缘（2.3）的端面之间。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的叶轮，其特征在于，环槽（3）的径向内侧和/或者外侧经过倒圆。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的叶轮，其特征在于，通过初次成形、变形和/或者切削加工的方式制作环槽（3）。
14.根据权利要求13所述的叶轮，其特征在于，通过使用车刀切入进行加工的方式制作环槽（3）。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的叶轮，其特征在于，环槽（3）沿径向呈现单阶或多阶形状。
16.根据权利要求1-3中任一项所述的叶轮，其特征在于，环槽（3）具有弯曲的外表面并且/或者朝向转子（1）的旋转轴线倾斜的外表面。
17.一种具有上述权利要求中任一项所述的叶轮（2）的涡轮机。
18.根据权利要求17所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机是径流式涡轮机。
19.一种制造权利要求1-16中任一项所述的叶轮的方法，其特征在于，采用切削加工方式形成环槽（3）。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，使用车刀切入进行加工的方式形成环槽（3）。
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