ROTARY MACHINE (VERSIONS) AND METHOD OF COMPOSITE WORKING WHEEL FASTENING ON METAL SHAFT OF ROTARY MACHINE
РОТОРНАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО РАБОЧЕГО КОЛЕСА НА МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ВАЛУ РОТОРНОЙ МАШИНЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения предложенного изобретения, в общем, относятся к роторным машинам или турбомашинам, содержащим ротор с рабочим колесом, выполненным из первого материала, и валом, выполненным из второго материала, отличного от первого материала, и, более конкретно, к ротору машины с композитным рабочим колесом и металлическим валом.
ОБСУЖДЕНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
За последние годы в связи с ростом цен на ископаемое топливо вырос интерес ко многим аспектам, связанным с его обработкой. Во время обработки ископаемого топлива текучие вещества транспортируются из береговых установок или расположенных в море установок к перерабатывающим установкам для последующего использования. В других случаях текучие вещества могут транспортироваться более локально, например между подсистемами предприятия по переработке углеводородов, для облегчения распределения к конечным пользователям.
По меньшей мере в некоторых установках для транспортировки текучих веществ используются роторные машины, такие как компрессоры, вентиляторы и/или насосы, которые приводятся в действие газовыми турбинами. Некоторые из этих турбин приводят в действие соответствующее устройство для транспортировки текучего вещества через редуктор, который либо увеличивает, либо уменьшает скорость выходного приводного вала газовой турбины до заданной скорости приводного вала устройства. В других роторных машинах приводные электродвигатели или электроприводы используются вместо (или совместно) механического привода (например, газовых турбин) для управления роторной машиной. Независимо от конкретной установки, т.е. в береговой установке или расположенной в море установке и т.д., и независимо от того, приводится ли в действие роторная машина турбиной или мотором, всегда есть необходимость повысить эффективность, уменьшить стоимость и уменьшить влияние на окружающую среду процесса переработки ископаемого топлива, и в частности роторных машин, используемых при переработке.
В результате этой всегда актуальной потребности большой прогресс достигнут в разработке новых материалов, которые потенциально могут использоваться при производстве роторных машин. Металлы, такие как новые сплавы, неметаллы, такие как новые текстильные материалы, и другие новые материалы, содержащие и металлы, и неметаллы, имеют значительные преимущества по сравнению с материалами, обычно используемыми при производстве роторных машин.
Однако использование этих материалов в новых или существующих роторных машинах оказалось сложной задачей. Более конкретно, эти материалы часто ведут себя как во время сборки, так и во время работы роторной машины, иным образом по сравнению с обычно используемыми материалами, которые они могут замещать. Соответственно, существует потребность в роторной машине, которая выполнена с возможностью использования разнотипных материалов в ее вновь изготавливаемых или существующих элементах.
Ближайшим аналогом настоящего изобретения является роторная машина, описанная в европейском патентном документе №1998050 А1, МПК F04D 29/26, опубликованном 03.12.2008 г. Указанная в нем роторная машина содержит статор и ротор, который выполнен с возможностью вращения относительно статора. Ротор содержит металлический вал, алюминиевое рабочее колесо и установочное кольцо, обеспечивающее соединение рабочего колеса с указанным металлическим валом.
Установочное кольцо, описанное в указанном документе, обеспечивает возможность передачи крутящего момента от вала к ротору, т.е. не предотвращает перемещения между рабочим колесом и металлическим валом. Таким образом, в том случае, если на рабочее колесо или вал будет действовать высокая вращающаяся нагрузка, данная конструкция не сможет обеспечить безотказную работу роторной машины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно примерному варианту выполнения, роторная машина содержит статор и ротор, выполненный с возможностью вращения относительно статора. Ротор машины имеет металлический вал, композитное рабочее колесо и по меньшей мере первое металлическое кольцо, закрепляющее композитное рабочее колесо на металлическом валу, причем металлическое кольцо имеет первую поверхность взаимодействия с композитным рабочим колесом и вторую поверхность взаимодействия с металлическим валом. При этом сила, прикладываемая металлическим кольцом к композитному рабочему колесу, обеспечивает предотвращение перемещения между композитным рабочим колесом и металлическим валом.
Согласно другому примерному варианту роторная машина содержит металлический вал и композитное рабочее колесо, имеющее крепежную часть с металлической частью и расположенное на металлическом валу. Металлическое кольцо установлено путем горячей посадки на крепежную часть и металлический вал для закрепления композитного рабочего колеса на металлическому валу. При этом сила, прикладываемая металлическим кольцом к композитному рабочему колесу, обеспечивает предотвращение перемещения между композитным рабочим колесом и металлическим валом.
Согласно другому примерному варианту, способ крепления композитного рабочего колеса к металлическому валу роторной машины включает установку композитного рабочего колеса на металлическом валу, нагревание по меньшей мере первого металлического кольца, установку указанного металлического кольца на металлическом валу и обеспечение остывания и усадки указанного металлического кольца до взаимодействия с композитным рабочим колесом и металлическим валом, для закрепления композитного рабочего колеса на металлическому валу. При этом сила, прикладываемая металлическим кольцом к композитному рабочему колесу, обеспечивает предотвращение перемещения между композитным рабочим колесом и металлическим валом.
Таким образом, указанное соединение рабочего колеса с металлическим валом с помощью металлического кольца предотвращает их взаимное перемещение и, следовательно, обеспечит безотказную работу роторной машины даже в том случае, если на рабочее колесо или вал будет действовать высокая вращающаяся нагрузка, значение которой превысит допустимый порог.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопровождающие чертежи, которые включены в описание и являются его частью, иллюстрируют один или более вариантов и вместе с описанием объясняют эти варианты. На чертежах:
Фиг. 1 является видом в разрезе роторной машины согласно примерному варианту.
Фиг. 2 является видом с торца металлического кольца согласно примерному варианту, показанному на фиг. 1.
Фиг. 3 является видом в разрезе роторной машины согласно другому примерному варианту.
Фиг. 4 является видом в разрезе роторной машины согласно другому примерному варианту.
Фиг. 5 является видом в разрезе роторной машины согласно еще одному примерному варианту.
Фиг. 6 является видом в аксонометрии роторной машины согласно еще одному примерному варианту.
Фиг. 7 является видом с торца роторной машины, показанной на фиг. 6.
Фиг. 8 является видом в разрезе роторной машины, показанной на фиг. 6, по линии А-А на фиг. 7.
Фиг. 9 является видом сбоку роторной машины, показанной на фиг. 6.
Фиг. 10 является видом в разрезе роторной машины, показанной на фиг. 6, по линии В-В на фиг. 9.
Фиг. 11 показывает блок-схему примерного варианта.
Фиг. 12 является видом в разрезе роторной машины согласно другому примерному варианту.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Следующее описание примерных вариантов выполнения сделано со ссылкой на сопровождающие чертежи. Одинаковыми номерами позиций на разных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает изобретение. Напротив, объем изобретения ограничен прилагаемой формулой изобретения. Следующие варианты описаны, для простоты, относительно терминологии и конструкции роторной машины, имеющей статор и ротор. Однако описанные далее варианты выполнения не ограничиваются этими примерными системами и могут использоваться в других системах.
Указанные в описании выражения "один вариант" или "вариант" означают, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, содержатся по меньшей мере в одном варианте выполнения предложенного изобретения. Таким образом, появление фраз "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения" в разных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут комбинироваться любым подходящим образом в одном или более вариантах.
Примерный вариант роторной машины 14 согласно настоящему изобретению показан на фиг. 1. Роторная машина или турбомашина 14 содержит ротор 16, выполненный с возможностью вращения относительно статора машины, такого как корпус (не показан).
Как показано на фиг. 1, ротор 16 машины содержит металлический вал 18 и композитное рабочее колесо 22. Рабочее колесо 22 содержит композитный материал. Например, рабочее колесо 22 может содержать как металлические, так и неметаллические материалы. Неметаллические материалы могут содержать (помимо прочего) текстильный материал, имеющий волокна, такие как углеводородные волокна или стекловолокно, волокна могут быть ориентированы, не ориентированы или могут быть комбинацией ориентированных и не ориентированных волокон. Кроме того, волокна текстильного материала или материалов могут быть из одного и того же материала или смесью различных материалов. Волокна текстильного материала могут быть пропитаны наполнителем. Наполнители могут содержать (помимо прочего) термопластичные полимеры, включая (помимо прочего) ПФС (полифенилен сульфид), ПА (полиамид), ПММА (полиметилметакрилат), ЖКП (жидкокристаллический полимер), ПОМ (полиоксиметилен), (ПАИ) полиамид имид, ПЭЭК (полиэфирэфиркетон), ПЭКК (полиэфиркетонкетон), ПАЭК (полиарилэфиркетон), ПЭТ (полиэтилен терепталат), ПК (поликарбонат), ПЭ (полиэтилен), ПЭИ (полиэфиримид), ПЭС (полиэфирсульфон), ППА (полипталамид), ПВХ (поливинилхлорид), ПУ (полиуретан), ПП (полипропилен), ПС (полистирен), ПФО (полифенилен оксид), ПИ (полиимид) и другие материалы. Для высокотемпературных систем другие материалы, такие как полиимиды, включая (помимо прочего) полимеризованные мономерные реагенты (ПМР), 6F-полиимиды с фенилэтиниловыми концевыми группами и имид олигомеры с фенилэтиниловыми концевыми группами, могут также быть включены в состав рабочего колеса 22.
Рабочее колесо 22 может также содержать наполнители, такие как термореактивные компаунды, включая (помимо прочего) эпоксидную смолу, фенол, полиэфир, винил эфир, амин, фураны, полиимид (ПИ), БМИ (Бисмальимиды), ЦЭ (цианат эфир), фталанонитрил, бензозазины и другие. Для высокотемпературных систем термореактивные компаунды, такие как полимеризованные мономерные реагенты (ПМР), 6F-полиимиды с фенил фенилэтиниловыми концевыми группами и имид олигомеры с фенилэтиниловыми концевыми группами, могут также быть включены в состав рабочего колеса 22.
Другие материалы, которые могут быть включены в состав композитного рабочего колеса, содержат (помимо прочего) керамические материалы, например карбид кремния или окись алюминия, и/или металлы, например алюминий, титан, магний, никель, медь и/или сплавы, содержащие эти металлы.
Более подробное описание материалов, которые могут присутствовать в рабочем колесе 22, так же как описание процесса формования с использованием таких материалов, можно найти в опубликованной заявке того же заявителя PCT/US2010/057623 (опубликованной как WO 2011/063333 А1), которая включена в настоящий документ посредством ссылки.
В варианте, показанном на фиг. 1, рабочее колесо 22 крепится к металлическому валу 18 с помощью металлического кольца 24, которое взаимодействует и с рабочим колесом 22, и с металлическим валом 18.
Рабочее колесо 22 имеет крепежную часть 28, имеющую внутреннюю поверхность 30, ограничивающую проход, выполненный с обеспечением расположения рабочего колеса 22 на металлическом валу 18. Металлическое кольцо 24 имеет первую часть 32, имеющую внутреннюю поверхность 42 (фиг. 2), которая взаимодействует с крепежной частью 28 на задней стороне рабочего колеса 22. Металлическое кольцо 24 также имеет вторую часть 34, имеющую внутреннюю поверхность 44 (фиг. 2), которая взаимодействует с металлическим валом 18.
Как показано на фиг. 2, каждая из поверхностей, внутренняя поверхность 42 и внутренняя поверхность 44 кольца 24, ограничивает проход, имеющий цилиндрическое поперечное сечение, комплементарное цилиндрической внешней поверхности крепежной части 28 и валу 18, соответственно. Однако, как описано далее, можно использовать другие конфигурации, например, проход первой части и проход крепежной части могут ограничивать нецилиндрическую форму, такую как многоугольная форма. Кроме того, форма проходов может изменяться в продольном направлении, например, проходы могут сужаться.
Во время сборки примерного варианта, показанного на фиг. 1, металлическое кольцо 24 с помощью горячей посадки надевают на крепежную часть 28 и вал 18, для прикрепления композитного рабочего колеса к металлическому валу. Более конкретно, металлическое кольцо 24 нагревают, что приводит к увеличению площади поперечного сечения прохода, ограниченного внутренней поверхностью 42 первой части 32 кольца, и площади поперечного сечения прохода, ограниченного внутренней поверхностью 44 второй части 34 кольца. После того как площадь поперечного сечения проходов достаточно увеличилась, кольцо 24 располагают так, что первая часть 32 находится на крепежной части 28, а вторая часть 34 находится на части 38 металлического вала. Затем кольцу 24 дают остыть и сжаться так, чтобы первая часть 32 взаимодействовала с крепежной частью 28 по контактной поверхности 36, а вторая часть 34 взаимодействовала с металлическим валом 18 по контактной поверхности 38 взаимодействия.
Сила, прикладываемая первой частью 32 к крепежной части 28, может обеспечивать определенные характеристики, и как обсуждается подробно далее, эти характеристики можно улучшить дополнительными свойствами и/или конструкцией поверхности 36. Более конкретно, сила, прикладываемая первой частью 32 к крепежной части 28, может быть подобрана так, что относительное вращательное движение между первой частью 32 и крепежной частью 28, так называемое "проскальзывание при кручении", будет не ограничено, ограничено или исключено. Также, относительное осевое движение, так называемое "осевое проскальзывание", между металлическим кольцом 24 и валом 18 относительно оси 26 вала может быть не ограничено, ограничено или исключено путем регулировки силы, прикладываемой первой частью 32 к крепежной части 28. Подобным образом, сила, прикладываемая второй частью 34 к валу 18, может быть подобрана так, что относительное вращательное и/или осевое движение между второй частью 34 и металлическим валом 18 будет не ограничено, ограничено или исключено.
Как указанно выше, эти силы могут быть подобраны с обеспечением сопротивления относительному движению между первой частью 32 и крепежной частью 28 и/или сопротивления относительному перемещению между второй частью 34 и валом 18. Например, может быть обеспечена безопасная работа в случае, если очень высокая вращательная нагрузка на рабочее колесо 22 или вал 18 превысит определенный порог, например порог импульсного крутящего момента, тогда во время импульса может происходить относительное вращательное движение, таким образом предотвращая повреждение рабочего колеса 22.
Также относительное осевое движение может быть предусмотрено в случае превышения импульсом осевого давления определенного порога. Так как такое движение может быть весьма проблематично из-за возможно недостаточного зазора между рабочим колесом 22 и корпусом роторной машины, может быть предусмотрен стопор для ограничения общей величины относительного осевого движения. Например, как показано на фиг. 1, зазор 20 между крепежной частью 28 и второй частью 34 металлического кольца 24 может быть выполнен с обеспечением прекращения дальнейшего относительного осевого перемещения при контакте крепежной части со второй частью 34. Кроме того, сопротивление относительному осевому перемещению на поверхности 38 может иметь величину больше по сравнению с величиной сопротивления такому перемещению на контактной поверхности 36, так как на поверхности 38 нет такого ограничительного стопора.
Кроме того, металлическое кольцо 24 может быть выполнено с обеспечением избыточной силы на поверхности 36 и/или поверхности 38 взаимодействия. Более конкретно, металлическое кольцо 24 может быть выполнено таким образом, что сила, с которой первая часть 32 действует на крепежную часть 28, является достаточной для предотвращения относительного вращательного и относительного осевого движения между рабочим колесом 22 и валом 18. Кроме того, металлическое кольцо 24 может также быть выполнено таким образом, что сила, с которой вторая часть 34 действует на металлический вал 18, предотвращает относительное вращательное и относительное осевое перемещение между металлическим кольцом 24 и валом 18. Такую конфигурацию можно использовать для обеспечения безотказной работы. В особенности, в случае, когда относительное перемещение между креплением 28 и металлическим валом 18 возможно, избыточная сила на поверхности взаимодействия 38 будет продолжать препятствовать любому такому перемещению благодаря силе, прикладываемой второй частью 34 к металлическому валу 18.
Другие элементы или свойства, предусмотренные на, около или в поверхности 36 и/или 38 взаимодействия, включают (помимо прочего) пазы, шпонки, поверхностные текстуры, индикаторы износа, добавки, прокладки, изоляторы и т.д. Эти свойства и/или элементы могут быть реализованы на поверхности 36 и/или поверхности 38, например, для уменьшения износа, уменьшения вибрации, уменьшения коррозии, увеличения эффективности, или для иного усовершенствования сборки, работы, долговечности и/или уменьшения затрат, связанных с работой машины 14.
Например, некоторые материалы, используемые в конструкции рабочего колеса 22, и в особенности в крепежном элементе 28, могут быть подвержены повреждениям при нагревании. Для предотвращения таких повреждений, на контактной поверхности 36 может быть предусмотрен изолятор, или, как другой вариант, на контактной поверхности 36 композитного рабочего колеса можно предусмотреть материал, такой как добавка, или слой, такой как оболочка.
Крепление рабочего колеса 22 к металлическому валу 18 с помощью кольца 24 обеспечивает ряд других преимуществ. Например, рабочее колесо 22 может располагаться на части 26 вала без предварительного нагрева. Другими словами, рабочее колесо 22 может, но не обязательно, подвергаться предварительному нагреву для расположения на валу 18. Следовательно, материалы, которые могут входить в состав материала рабочего колеса 22, не ограничиваются материалами, которые могут успешно подвергаться предварительному нагреву или процессу горячей посадки для установки.
Как вариант, если рабочее колесо 22, содержащее пропитанный волокнистый материал, имеет определенную ориентацию волокон, поверхности 36 и 38 взаимодействия могут быть выполнены с обеспечением соответствия такой ориентации волокон. В одном варианте, волокна в рабочем колесе 24 ориентируют при производстве таким образом, чтобы обеспечить легкий вес, но меньшую жесткость крепежной части 28. В таком случае сила, прикладываемая первой частью 32 к крепежной части 28, может быть уменьшена таким образом, что относительное вращательное и осевое перемещение предотвращено на поверхности 36, но такое вращательное и/или осевое перемещение не предотвращено между крепежной частью 28 и валом 18. Для получения уменьшенной силы на поверхности 36, силу на второй поверхности 38 можно увеличить или иным образом отрегулировать для предотвращения относительного вращательного и осевого перемещения между рабочим колесом 22 и металлическим валом 18.
Металлическое кольцо 24 также может быть выполнено с возможностью управлять поведением рабочего колеса 22 во время работы. Например, при высоких скоростях вращения некоторые композитные материалы или материал рабочего колеса 22 может иметь тенденцию к пластической или упругой деформации под действием сил, вызванных вращением, например центробежных сил, под действием температуры рабочей среды, усталости и т.д. Путем настройки области, ограниченной поверхностями 36 и/или 38 взаимодействия, и/или регулировки сил, прикладываемых кольцом 24 к поверхностям 36 и/или 38, можно контролировать деформацию рабочего колеса 22. Например, во время работы примерного варианта, показанного на фиг. 1, сила, прикладываемая первой частью 32 кольца к крепежной части 28 на контактной поверхности 36, может предотвратить радиальную наружную деформацию рабочего колеса 22 и особенно крепежной части 28. Более того, сопротивление "проскальзыванию при скручивании" между крепежной частью 28 и кольцом 32 может быть увеличено пропорционально скорости вращения ротора 16 машины, так как на контактной поверхности 36 создается большее трение с помощью направленного наружу давления крепежной части 28 на кольцо 32 во время такой работы.
В некоторых случаях может потребоваться кольцо 24, выполненное с обеспечением возможности деформации рабочего колеса 22 во время работы. Эта допустимая деформация может позволить рабочему колесу 22 поглощать удар инородных материалов в рабочей среде или, как вариант, поглощать локальное давление, не подвергая опасности работу роторной машины 14. Заметим, что в варианте, показанном на фиг. 1, так как только первая часть металлического кольца предусмотрена на задней стороне устройства, удар или давление могут поглощаться рабочим колесом 22, более конкретно, по меньшей мере часть рабочего колеса 22 может изгибаться относительно кольца 24 и временно сгибаться или деформироваться в направлении от металлического вала 18 для предотвращения поломки. Это свойство позволяет использовать еще большее разнообразие материалов при производстве рабочего колеса 22.
Также важно заметить, что так как металлическое кольцо 24 выполнено с обеспечением приложения сжимающей силы и к крепежной части 28, и к металлическому валу 18, то между рабочим колесом 22 и валом 18 может передаваться момент большей величины по сравнению со случаем, когда только само рабочее колесо установлено на горячей посадке или иным образом прикреплено на валу 18. Это свойство облегчает выполнение закрытого рабочего колеса 22, как показано на фиг. 1, что может быть связано с более высокими номинальными значениями момента.
Кроме того, так как металлическое кольцо 24 образует непрерывное кольцо вокруг крепежной части 28, облегчается выполнение составного рабочего колеса. Так, например, на валу 18 может быть установлено рабочее колесо, содержащее дискретные части. Дискретные части могут крепиться к металлическому валу 18 металлическим кольцом 24. Такая конструкция позволит легко заменить одну из частей рабочего колеса 22, таким образом обеспечивая значительную экономию средств по сравнению с заменой рабочего колеса целиком, или, как вариант, дискретные части рабочего колеса, каждая из которых выполнена из различного композитного материала, могут одновременно оперативно тестироваться с металлическим кольцом 24 согласно примерному варианту на фиг. 1.
Второй примерный вариант выполнения показан на фиг. 3. Роторная машина 114 содержит композитное рабочее колесо, имеющее металлическую крепежную часть, которая может быть присоединена к композитной части рабочего колеса, например, при помощи клея или путем сварки при изготовлении композитного рабочего колеса 122. Металлическая крепежная часть имеет втулку 125 и проходящую радиально часть 131, которая проходит радиально наружу от втулки 125. В примерном варианте проходящая радиально часть 131 проходит за верхнюю поверхность первой части 132 кольца и, таким образом может обеспечивать дополнительную опору и/или структурную целостность рабочего колеса 122. Это свойство также обеспечивает изолирующую функцию - во время процесса горячей посадки металлического кольца 124 на металлический вал (не показан), металлическая крепежная часть и, более конкретно, проходящая радиально часть 131 могут защитить композитное рабочее колесо от теплового излучения от металлического кольца 124. Как показано на фиг. 3, металлическая крепежная часть полностью прилегает к металлическому кольцу 124.
Третий примерный вариант выполнения показан на фиг. 4. Роторная машина 214 имеет первое металлическое кольцо 224, расположенное с задней стороны рабочего колеса 222, и второе металлическое кольцо 225, расположенное с передней стороны рабочего колеса 222. В этом примерном варианте крепежная часть 228 имеет форму пазового соединения. Кроме того, как показано на фиг. 4, первая контактная поверхность 236 взаимодействия имеет, по существу, форму усеченного конуса и является смежной со второй контактной поверхностью 238 взаимодействия, имеющей форму трубы. Подобным образом второе металлическое кольцо 225 взаимодействует с крепежной частью 228 с передней стороны рабочего колеса 222 и имеет первую поверхность 237, имеющую, по существу, форму усеченного конуса и являющуюся смежной со второй поверхностью 239, имеющей форму трубы (237 ошибочно обозначена как 239 на фиг. 4).
Во время сборки ротора 216 машины первое металлическое кольцо 224 может быть установлено с помощью горячей посадки на вал 218 при отсутствии части 222 ротора. После того как первое металлическое кольцо 224 достаточно остыло, колесо 222 можно установить на вал 218 со взаимодействием с металлическим кольцом 224, таким образом предохраняя композитное рабочее колесо от воздействия тепла, связанного с процессом горячей посадки. Металлическое кольцо 225 затем можно с помощью горячей посадки установить на вал 218 и крепежный элемент 228 для закрепления композитного рабочего колеса на валу 218. Заметим, что, так как металлическое кольцо 225 несколько меньше, чем металлическое кольцо 224, композитное рабочее колесо подвергается потенциально разрушительному теплу значительно меньше по сравнению с металлическим кольцом 224. Как другой вариант, первое металлическое кольцо 224 и/или второе металлическое кольцо могут закреплять рабочее колесо 222 на валу 218 при помощи совместно используемых элементов или свойств на контактных поверхностях 236, 238, 237 и/или 239 взаимодействия, включая резьбу, обжимку сварку, шпонки, пайку или другие типы химических или механических средств крепления.
Фиг. 5 показывает четвертый примерный вариант выполнения. Роторная машина 314 имеет первое металлическое кольцо 324, расположенное с задней стороны рабочего колеса 322, и второе металлическое кольцо 325, расположенное с передней стороны рабочего колеса 322. В варианте, показанном на фиг. 5, металлический вал 318 расположен между металлическим кольцом 324 и металлическим кольцом 325.
Первая часть 332 кольца 334 и первая часть 333 кольца 335 проходят радиально наружу от второй части 334 кольца и второй части 335 кольца, соответственно. Также, поверхность 336 и поверхность 337 являются смежными с радиальными поверхностями 338 и 339, соответственно. Соединение, такое как клеевое соединение, может быть предусмотрено на контактных поверхностях 336, 338, 337 и 339. Кроме того, композитное рабочее колесо 322 может быть прикреплена к валу 318.
Заметим, что каждая из вторых кольцевых частей, часть 334 и часть 335, имеет радиально проходящие зубцы или шпонки 346 для передачи момента вдоль оси ротора 316 машины. Подобное шпоночное соединение может быть предусмотрено на поверхностях 336, 338, 337 и 339 для передачи момента. Кроме передачи момента, обеспечиваемой химическими или механическими средствами на поверхностях 336, 338, 337 и 339, стяжной стержень (не показан) и/или болт (не показан), и/или их комбинация, могут быть предусмотрены на оси вала ротора 316 машины для обеспечения сжимающей силы на оси вала в конструкции зубчатого соединения с V-образными зубьями, в дополнение к передаче момента, обеспечиваемой на поверхностях 336, 338, 337 и/или 339, и зубцах или шпонках 346.
Также предусмотрены различные модификации варианта на фиг. 5. Например, специалистам будет понятно, что, хотя элементы 318, 334 и 335 показаны в варианте на фиг. 5 как отдельные элементы, они могут быть выполнены в виде единой детали. Присоединение композитных элементов к металлической части 318, 334 и 335 может быть выполнено непосредственно при изготовлении композита, причем металлическая часть 318, 334 и 335 используется в процессе как матрица. Кроме того, поверхности 336 и 337 не обязательно являются прямыми, одна или более из этих поверхностей могут быть искривленными, например для обеспечения как клеевого соединения, так и геометрического соединения между композитом и металлом. Чисто иллюстративный пример таких искривленных поверхностей 336 и 337 приведен на фиг. 12 (где также показана единая металлическая часть 318).
Далее, металлическая часть, например поверхность, контактирующая с композитной частью, не обязательно имеет цилиндрическую форму, но может принимать любую требуемую форму, например форму треугольника со скругленными углами (как показано на фиг. 6 и описано далее) или другие многоугольные формы, включая двустороннюю (эллиптическую), четырехугольную, пятиугольную и т.д.
Фиг. 6-10 показывают пятый вариант выполнения. Ротор 416 машины имеет часть 418а металлического вала, имеющую поперечное сечение треугольной формы со скругленными углами. Заметим, что часть 418а металлического вала также сужается вдоль своей продольной оси. Часть 418а металлического вала переходит на каждом конце в часть 418b металлического вала, имеющую поперечное сечение цилиндрической формы.
Композитное рабочее колесо 422 имеет крепежную часть 428 с отверстием, имеющим поверхность 430, поперечное сечение которой является комплементарным форме части 418а металлического вала.
Металлическое кольцо 424 имеет первую часть 432, имеющую первую контактную поверхность 436 взаимодействия с крепежной частью 428 и вторую часть 434, имеющую вторую контактную поверхность 438 взаимодействия с первой частью 438а и второй частью 438b. Заметим, что первая часть 438а второй контактной поверхности проходит в продольном направлении, а вторая часть 438b второй контактной поверхности проходит радиально относительно оси части 418а металлического вала. Первая контактная поверхность 436 является смежной со второй частью второй контактной поверхности 438b и также проходит радиально.
Во время сборки ротора 416 машины рабочее колесо 422 размещают на металлическом валу 418. Металлическое кольцо 424 затем закрепляют путем горячей посадки со взаимодействием с частью 418а металлического вала и колесом 422, таким образом закрепляя колесо 422 на части 418а вала.
Во время работы комплементарные поверхности крепежной части 428 и части 418а металлического вала обеспечивают передачу момента между рабочим колесом 422 и частью 418а вала. Радиус 448 на внешней поверхности первой части 432 металлического кольца 424 обеспечивает улучшенный поток для рабочего колеса 422. Согласно варианту, показанному на блок-схеме фиг. 11, способ (1000) крепления композитного рабочего колеса на металлическом валу ротора машины может включать этапы установки (1002) композитного рабочего колеса на металлический вал, нагревания (1004) по меньшей мере первого металлического кольца и установки (1006) металлического кольца на металлический вал со взаимодействием с композитным рабочим колесом, и (1008) обеспечение остывания и сжатия металлического кольца, и таким образом закрепление композитного рабочего колеса на указанном металлическом валу по меньшей мере в одном из направлений, радиальном направлении и продольном направлении, относительно оси ротора машины.
Вышеописанные варианты являются иллюстративными во всех отношениях, и не ограничивают настоящее изобретение. Все такие варианты и модификации считаются находящимися в объеме и сущности настоящего изобретения, как определяется последующим, и должны толковаться как важные или существенные для изобретения, если только специально не указано иное.