Способ присоединения рабочего колеса к валу, соединительное устройство и ротационная машина
METHOD OF CONNECTING IMPELLER TO SHAFT, CONNECTION ARRANGEMENT AND ROTARY MACHINE

Настоящее изобретение относится к способу присоединения рабочего колеса к валу с помощью соединительной тяги, соединительному устройству и ротационной машине.
Во многих технических областях рабочее колесо и вал соединены вместе, так что они вращаются как одно целое. В одних приложениях существует необходимость в передаче крутящего момента (и мощности) от рабочего колеса к валу; в других приложениях существует необходимость в передаче крутящего момента (и мощности) от вала к рабочему колесу; в некоторых приложениях, в более общем случае, момент (и мощность) передается от рабочего колеса или к рабочему колесу в зависимости от условий работы машины.
Хорошо известное решение для присоединения рабочего колеса к валу, например в консольной конструкции, предусматривает глухое отверстие с резьбой на одном конце вала, осевое сквозное отверстие в ступице рабочего колеса, крепежный элемент в виде болта; рабочее колесо помещают близко к валу, так что отверстие рабочего колеса центрируется с отверстием вала, крепежный элемент вставляют в отверстие рабочего колеса и затягивают его в отверстии вала для прочного соединения рабочего колеса с валом.
Недостаток этого хорошо известного решения состоит в том, что рабочее колесо ослаблено из-за наличия сквозного осевого отверстия. В сущности, любое вращающееся рабочее колесо подвергается напряжениям, создаваемым центробежными силами, которые пропорциональны квадрату скорости вращения, и осевое сквозное отверстие вызывает увеличение интенсивности подобного рода напряжений, по сравнению с интенсивностью напряжений в сплошном рабочем колесе. Из-за роста напряжений необходимо ограничивать скорость вращения рабочего колеса и, таким образом, окружной скорости концов его лопаток и, таким образом, в случае, например, компрессорного рабочего колеса, обеспечиваемого им перепада давления.
Этот недостаток относится полностью ко всем решениям, где рабочее колесо имеет осевое сквозное отверстие, независимо от его размера.
Этот недостаток относится частично ко всем решениям, где ступица рабочего колеса имеет осевое глухое отверстие, независимо от его размера.
Следовательно, существует общая потребность в нахождении усовершенствованного решения для присоединения рабочих колес к валам.
Настоящее изобретение имеет основную идею в использовании рабочего колеса, содержащего сплошную ступицу, множество лопаток и выполненный за одно целое выступ, выступающий в осевом направлении из сплошной ступицы; таким образом, если необходимы отверстие или выемка, они могут располагаться в выступе без ослабления ступицы рабочего колеса.
Настоящее изобретение имеет также основную идею в передаче осевого усилия и крутящего момента через различные части, так чтобы было легче изготавливать каждую из этих частей согласно соответствующим требованиям.
Согласно первому аспекту, настоящее изобретение относится к способу присоединения рабочего колеса к валу посредством стяжки, при котором стяжку соединяют с рабочим колесом байонетным соединением, а вал соединяют с рабочим колесом зубчатым соединением или шлицевым соединением; при этом байонетное соединение может быть эквивалентно заменено соединением другого вида, способным передавать осевое усилие; зубчатое соединение или шлицевое соединение могут быть эквивалентно заменены соединениями другого вида, способными передавать крутящий момент.
Согласно второму аспекту, настоящее изобретение относится к соединительному устройству, содержащему вал, имеющий осевое сквозное отверстие, стяжку, которая расположена внутри осевого сквозного отверстия и на конце которой расположен выполненный за одно целое элемент, имеющий такую форму, что он радиально выступает из стяжки, рабочее колесо, содержащее сплошную ступицу, лопатки и выполненный за одно целое выступ, выступающий в осевом направлении из ступицы, причем выступ имеет полость для приема указанного элемента и осевое отверстие для введения этого элемента в полость, причем форма осевого отверстия выступа соответствует форме указанного элемента, и полость имеет такие размер и форму, чтобы обеспечивать возможность поворота указанного элемента внутри полости и захвата элемента в полости после его поворота; причем вал и рабочее колесо соединены вместе соединением, и указанный захват обеспечивает возможность передачи осевого усилия между стяжкой и рабочим колесом, а указанное соединение обеспечивает возможность передачи крутящего момента между валом и рабочим колесом.
Согласно первому аспекту, настоящее изобретение относится к ротационной машине, в частности к турбодетандеру, содержащему, по меньшей мере, одно соединительное устройство, описанное выше.
Настоящее изобретение будет более понятно из следующего описания его вариантов выполнения, рассматриваемого вместе с чертежами, на которых:
фиг. 1 показывает упрощенный вид сбоку существенных элементов ротационной машины согласно варианту выполнения настоящего изобретения,
фиг. 2 показывает продольный разрез варианта выполнения, показанного на фиг. 1, разделенный на два частичных вида A и B,
фиг. 3 показывает фрагменты фиг. 2B в четырех различных состояниях,
фиг. 4 показывает фрагмент фиг. 2B, и
фиг. 5 показывает продольный разрез части варианта выполнения, альтернативного варианту, показанному на фиг. 1 и фиг. 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее описание примерных вариантов выполнения сделано со ссылкой на приложенные чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или подобные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает изобретение. Напротив, объем изобретения определяются пунктами формулы изобретения.
Ссылка в описании на "один вариант выполнения" или "вариант выполнения" означает, что конкретные признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включены, по меньшей мере, в один вариант выполнения описанного изобретения. Таким образом, появление фраз "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения" в разных местах описания не обязательно ссылается на один и тот же вариант. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут комбинироваться любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения.
Фиг. 1 показывает устройство, соответствующее существенным элементам варианта выполнения ротационной машины согласно настоящему изобретению. Эта ротационная машина является турбодетандером.
Внутренние детали устройства на фиг. 1 показаны, хотя и схематично, на фиг. 2A и фиг. 2B; фиг. 2A относится к стороне турбины, а фиг. 2B относится к стороне компрессора.
Показаны рабочее колесо 1 турбины и рабочее колесо 2 компрессора; они неподвижно присоединены к цилиндрическому валу 3, который является цельной деталью, на его концах.
Показана также стяжка 4; только небольшая часть стяжки 4 видна на фиг. 1, когда она выступает из турбинного колеса 1. Гайка 5 накручена на конец стяжки 4, который имеет резьбу и находится рядом с турбинным колесом 1. Стяжка 4 и гайка 5 удерживают колеса 1, 2 и вал 3 скрепленными вместе; другими словами, стяжка 4 крепится к валу 3 через рабочее колесо 1 посредством гайки 5. Чтобы достичь хорошего крепления, стяжку 4 натягивают перед накручиванием гайки 5.
Чтобы понять, где стяжка 4 находится и как она присоединена к рабочему колесу 2, следует обратиться к фиг. 2A и фиг. 2B.
Как показано на фиг. 1, компрессорное колесо 2 содержит сплошную ступицу, лопатки и выполненный за одно целое выступ 9, выступающий в осевом направлении из сплошной ступицы; этот выступ 9 расположен смежно с валом 3, и они имеют одинаковый диаметр, по меньшей мере, на границе сопряжения между ними. Турбинное рабочее колесо 1 содержит ступицу, лопатки и очень короткий выполненный за одно целое выступ, который выступает в осевом направлении из ступицы; этот очень короткий выступ расположен смежно с валом 3, и они имеют одинаковый диаметр, по меньшей мере, на границе сопряжения между ними.
В дальнейшем ссылки делаются, в частности, на фиг. 2A и фиг. 2B.
Вал 3 является цилиндрическим элементом в виде одной цельной детали. Он является полым и имеет осевое сквозное отверстие 12, которое предпочтительно является цилиндрическим.
Когда устройство, показанное на фиг. 1, собрано, большая часть стяжки 4 расположена внутри отверстия 12 вала 3. Поперечное сечение стяжки 4 несколько меньше, чем поперечное сечение отверстия 12. Устройства 13 и 14 поддерживают центровку стяжки 4 внутри отверстия 12 и уменьшают вибрации; по этой причине их называют "антивибрационными демпферами"; на фиг. 2A и фиг. 2B первый антивибрационный демпфер 13 находится вблизи первого конца вала 3, а второй антивибрационный демпфер 14 находится вблизи второго конца вала 3; согласно другому варианту выполнения, например, антивибрационный демпфер может быть расположен в средней зоне между первым и вторым концами вала 3, и может быть альтернативой или дополнением к антивибрационным демпферам на концах вала 3.
Когда устройство, представленное на фиг. 1, собрано, первая концевая часть стяжки 4 выступает вдоль оси из вала 3 на его первой стороне и расположена внутри турбинного рабочего колеса 1 (см. фиг. 2A); вторая концевая часть стяжки 4 проходит вдоль оси из вала 3 на второй его стороне и расположена внутри компрессорного рабочего колеса 2 (см. фиг. 2B).
На фиг. 2A вал 3 и турбинное рабочее колесо 1 соединены вместе с помощью зубчатого соединения 7; вместо зубчатого соединения (т.е. имеющего радиальные зубья) может быть использован соединение другого вида, например шлицевое соединение (т.е. имеющее осевые зубья), или соединение, имеющее зубья, наклоненные, по отношению как к радиальному направлению, так и к осевому направлению; также можно комбинировать два различных соединения.
Соединение 7 расположено на внешнем периметре очень короткого выступа рабочего колеса 1.
Турбинное колесо 1 имеет осевое сквозное отверстие (предпочтительно, цилиндрическое отверстие); конкретно, это осевое сквозное отверстие находится в ступице рабочего колеса 1 и не влияет на лопатки рабочего колеса 1, которые выступают из ступицы; часть стяжки 4 расположена внутри этого сквозного отверстия. Когда устройство, показанное на фиг. 1, собрано, первая концевая часть стяжки 4 выступает в осевом направлении также из рабочего колеса 1 (см. фиг. 2A); эта первая концевая часть имеет резьбу; гайка 5 навинчивается на нее и оказывается вблизи турбинного рабочего колеса 1.
На фиг. 2B вал 3 и компрессорное рабочее колесо 2 соединены вместе с помощью зубчатого соединения 6; вместо зубчатого соединения (т.е. имеющего радиальные зубья), может быть использован другой вид соединения, например, шлицевое соединение (т.е. имеющее осевые зубья), или соединение, имеющее зубья, наклоненные как к радиальному направлению, так и к осевому направлению; можно также скомбинировать два различных соединения.
Соединение 6 расположено по внешнему периметру выступа 9 колеса 2.
Из фиг. 2B понятно, что компрессорное рабочее колесо 2 содержит сплошную ступицу, лопатки и выполненный за одно целое выступ (обозначенный номером 9 на фиг. 1), выступающий в осевом направлении из сплошной ступицы.
Вторая концевая часть стяжки 4 расположена внутри выступа 9 компрессорного рабочего колеса 2; на этом втором конце есть элемент 11, который выполнен за одно целое со стяжкой 4; элемент 11 имеет такую форму, что он радиально выступает от стяжки 4.
Выступ 9 имеет полость 10 для размещения элемента 11; имеется также осевое отверстие, обозначенное номером 15 на фиг. 3, для введения элемента 11 в полость 10; чтобы обеспечить возможность такого введения, отверстие выступа имеет форму, соответствующую форме указанного элемента стяжки (предпочтительно, оно имеет такую же форму, или почти такую же форму - см., например, фиг. 3C); полость 10 имеет такие размеры и форму, чтобы обеспечить возможность поворота элемента 11 внутри полости 10 и захвата элемента 11 в полости 10, когда он повернут (это свойство описано лучше далее со ссылкой на фиг. 3); полость 10 не влияет на ступицу компрессорного рабочего колеса 2 и на лопатки рабочего колеса 2, которые выступают из ступицы; часть стяжки 4 расположена внутри этого сквозного отверстия.
Когда устройство, показанное на фиг. 1, собрано, элемент 11 стяжки 4 захвачен в полости 10 (т.е. не может быть извлечен из полости путем вытягивания стяжки), и поверхность элемента 11 находится смежно с поверхностью полости 10 (как показано на фиг. 2B); комбинация такого элемента и такой полости создает вид "байонетного" соединения 8.
Соединение 6 обеспечивает возможность передачи крутящего момента между валом 3 и рабочим колесом 2; соединение 7 обеспечивает возможность передачи крутящего момента между валом 3 и рабочим колесом 1; соединение 8 обеспечивает возможность передачи осевого усилия между стяжкой 4 и рабочим колесом 2.
Так как передача осевого усилия и передача крутящего момента получаются с помощью разных частей, то легче изготавливать каждую из этих частей согласно соответствующим требованиям, и, таким образом, достичь лучших результатов.
Кроме того, настоящее решение очень простое и компактное; в сущности, используется только одна стяжка, которая расположена внутри вала, выступ объединяет как соединение, передающее крутящий момент, так и соединение, передающее осевое усилие, и соединение, передающее осевое усилие, частично радиально окружено соединением, передающим крутящий момент, и частично смещено по оси вперед, по отношению к соединению, передающему крутящий момент.
Наконец, согласно настоящему решению, рабочее колесо можно тянуть в осевом направлении без ослабления его конструкции, в частности его ступицы; это допускает более высокую скорость вращения и более высокий перепад в случае рабочего колеса компрессора.
Элемент 11 варианта выполнения, показанного на фиг. 2, является диском радиальной формы; в частности, этот диск является толстым и имеет четыре лепестка одинаковой формы, которые обозначены номерами 16A, 16B, 16C, 16D позиции на фиг. 3A; полость 10 варианта на фиг. 2 является цилиндрической (эта форма делает легким изготовление); отверстие 15 на передней стороне выступа (см. фиг. 3B) имеет такую же форму, как диск 11, или, точнее, почти такую же форму, чтобы облегчить введение (см. фиг. 3C) и поворот (см. фиг. 3D) диска вместе со стяжкой. В более общем случае может быть выполнено несколько лепестков, каждый из которых имеет свою собственную радиальную форму, которая может отличаться от формы, показанной на фиг. 3.
Чтобы избежать вращения элемента 11 и стяжки 4 относительно рабочего колеса 2, когда устройство на фиг. 1 собрано и ротационная машина вращается, элемент 11 имеет штифт 17, а выступ 9 имеет отверстие 18, начинающееся от полости 10 для приема штифта 17, показанного на фиг. 4; соединение штифта 17 и отверстия 18 имеет место только, когда элемент 11 соответствующим образом повернут.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 4, элемент 11 имеет форму радиального диска, и штифт 17 выступает из одной из двух параллельных поверхностей (перпендикулярных оси) диска; полость 10 имеет соответствующую поверхность (перпендикулярную оси), где начинается отверстие 18; часть поверхности диска опирается на часть поверхности полости; штифт 17 и отверстие 18 так ориентированы по оси, что при введении необходимо осевое перемещение.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 4, отверстие 18 является сквозным, даже если штифт 17 значительно короче, чем отверстие 18; это делается для легкости изготовления.
Альтернативно фиг. 4, штифт может выступать из поверхности полости, и отверстие может начинаться на поверхности указанного элемента стяжки; однако это усложняет изготовление.
Согласно приведенному выше описанию варианта выполнения, способ присоединения рабочего колеса к валу требует наличия стяжки, в частности только одной стяжки, и предусматривает:
- байонетное соединение для присоединения стяжки к рабочему колесу,
- зубчатое соединение или шлицевое соединение для присоединения вала к рабочему колесу.
В частности, байонетное соединение используется для передачи осевого усилия между стяжкой и рабочим колесом, а зубчатое соединение или шлицевое соединение используется для передачи крутящего момента между валом и рабочим колесом.
Если используется только одна стяжка или есть главная стяжка, способ предусматривает ее размещение внутри осевого сквозного отверстия вала.
При рассмотрении варианта выполнения, описанного выше и показанного на фиг. 1-3, присоединение включает следующие этапы:
A) введение элемента 11 стяжки 4 в полость 10 выступа 9 рабочего колеса 2 (см. фиг. 3C),
B) поворот стяжки 4 на угол (обозначенный номером 19 позиции на фиг. 3D) заданной величины, так чтобы закрепить стяжку 4 в рабочем колесе 2, в частности, захватить элемент 11 в полости 10,
C) размещение вала 3 вблизи рабочего колеса 2,
D) сопряжение соединительного элемента вала соединения 6, т.е. зубчатой области вала 3, с соединительным элементом рабочего колеса соединения 6, т.е. зубчатой области выступа 9,
E) натяжение стяжки 4,
F) прикрепление стяжки 4 к валу 3 путем навинчивания гайки 5 и ее затягивания.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 3, элемент 11 имеет четыре равноотстоящих лепестка 16A, 16B, 16C и 16D, соответственно, осевое отверстие 15 выступа 9 имеет четыре равноотстоящих лепестка, и угол 19 поворота имеет идеальное значение приблизительно 45° (который показан на чертеже, как поворот по часовой стрелке), так что, после поворота лепестки указанного элемента находятся посередине между лепестками отверстия; если используется решение, показанное на фиг. 4, значение угла 19 является точным, так как оно определяется положениями штифт 17 и отверстия 18.
Следует отметить, что приведенная выше последовательность этапов может изменяться. Например, поворот стяжки 4 и элемента 11 может быть сделан сразу после этапа B, или сразу после этапа C, или сразу после этапа D, но обязательно перед этапом E. Например, стяжка 4 может быть вставлена в отверстие 12 вала 3, и комбинация из стяжки 4 и вала 3 может быть помещена близко к рабочему колесу 2; другими словами, этап C может быть выполнен перед этапом A. Однако этап E обязательно следует за этапом B, этап E следует за этапом D, этап F следует за этапом E.
Если штифт 17 и отверстие 18 предусмотрены в конструкции, способ включает, кроме того, следующий этап:
G) введение штифта 17 элемента 11 в отверстие 18 выступа 9;
Этап G должен быть выполнен после этапа B и перед этапом E.
Соединительное устройство согласно настоящему изобретению, в частности соединительное устройство, как описано выше, преимущественно используется в ротационной машине. Например, фиг. 1 относится к турбодетандеру, и используется только один вариант соединительного устройства согласно настоящему изобретению.
В ротационных машинах, имеющих два рабочих колеса или две системы рабочих колес, присоединенных к валу, два соединительных устройства согласно настоящему изобретению могут быть очень успешно использованы; например, первое соединительное устройство может быть использовано для первой системы рабочих колес, расположенных на первой стороне вала, и второе соединительное устройство может быть использовано для второй системы рабочих колес, расположенных на второй стороне вала.
В этом случае на обеих сторонах вала используется решение, идентичное или подобное решению, показанному на фиг. 2B, и отсутствует гайка вблизи рабочего колеса, в отличие от того, что показано на фиг. 2A.
Фиг. 5 показывает часть варианта выполнения согласно указанной альтернативе; эта часть относится к центральной части вала; вал разделен на две отдельные части 501A и 501B, соединенные вместе гайками и болтами.
Имеются две стяжки, которые являются отдельными и расположены на одной оси; они соответственно расположены внутри осевых сквозных отверстий 503A и 503B стяжек 502A и 502B.
На конце стяжки 501A имеется выполненный за одно целое (в альтернативном случае прикрепленный) фланец 504A; на конце стяжки 501B имеется выполненный за одно целое (в альтернативном случае прикрепленный) фланец 504B; фланцы 504A и 504B соединены вместе гайками и болтами; на фиг. 5, например, имеется верхняя гайка и болт 505, гайка которого расположена смежно с фланцем 504B, и нижняя гайка и болт 506, гайка которого расположена смежно с фланцем 504A.
Преимущественно, как показано на фиг. 5, к фланцу 504A и к фланцу 504B присоединены упорные подшипники, соответственно, 507A и 507B.
Стяжка 502A крепится к части 501A вала при помощи гайки 509A; концевая часть стяжки 502A имеет резьбу; гайка 509A навинчена и затянута на ней; фланец 504A имеет выемку 508A на своей передней стороне, которая предназначена для размещения концевой части стяжки 502A и гайки 509A; выемка 509A имеет поверхность (перпендикулярную оси), утопленную относительно передней поверхности фланца 504A; когда это соединительное устройство собрано (как на фиг. 5), гайка 509A расположена смежно с этой утопленной поверхностью.
Таким же образом, стяжка 502B крепится к части 501B вала при помощи гайки 509B.
Процесс сборки предусматривает, что сначала первое рабочее колесо присоединяют к первой части вала, затем второе рабочее колесо присоединяют ко второй части вала, и наконец первую часть вала (вместе с первым рабочим колесом или первой системой рабочих колес) присоединяют ко второй части вала (вместе со вторым рабочим колесом или второй системой рабочих колес).
Таким образом, ни одно из двух концевых рабочих колес ротационной машины не является ослабленным.