РОТОР, СОДЕРЖАЩИЙ ВНУТРЕННЕЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ НАТЯЖНОЕ УСТРОЙСТВО, И СПОСОБ СБОРКИ РОТОРА
ROTOR CONTAINING INTERNAL HYDRAULIC TENSIONING DEVICE AND METHOD OF ROTOR ASSEMBLY

Данное изобретение относится к роторам, устанавливаемым в ротационных машинах, таких как центробежные компрессоры.
Более конкретно данное изобретение относится к составным роторам для осевых компрессоров, насосов, осевых или радиальных турбин и электрических двигателей, содержащих несколько рабочих колес, через которые проходит центральный стяжной вал.
Ротор может быть выполнен различными способами, в частности может содержать один сплошной вал, на котором в радиальном направлении установлены такие элементы, как облопаченные рабочие колеса, и закреплены различными средствами, передающими осевые усилия и крутящий момент.
Кроме того, ротор может содержать осевой блок, составленный из элементов, таких как облопаченные рабочие колеса, собранных вместе с использованием создающей осевой предварительный натяг системы, такой как центральный стяжной вал. В этом случае создающая предварительный натяг система обеспечивает закрепление в осевом направлении, при этом передача вращающего момента обеспечивается либо благодаря сухому трению между контактными поверхностями, либо с использованием переднего зубчатого зацепления, такого как торцовое зубчатое зацепление с V-образными зубьями, или торцовое зубчатое зацепление с круговыми зубьями.
Данное изобретение используется, в частности, для составных в осевом направлении роторов, содержащих центральный стяжной вал, расположенный вокруг оси ротора.
Существуют составные в осевом направлении роторы, содержащие центральный стяжной вал, на котором установлены рабочие колеса компрессора и который первым концом завинчен в конец первого концевого вала. Второй конец данного стяжного вала вставлен в конец второго концевого вала, причем указанный конец второго вала присоединен болтами к одному из колес. Кроме того, существуют составные в осевом направлении роторы, содержащие стяжной вал, проходящий через конец второго концевого вала и прикрепленный гайкой. Затем ко второму концу стяжного вала прикрепляют гидравлический инструмент, который оказывает давление на конец второго вала с обеспечением предварительного натяга стяжного вала.
Однако подобная конструкция является сложной и добавляет к концу ротора смещенный вес. Помимо этого, диаметр центрального стяжного вала зависит от диаметра концов концевых валов, поэтому отсутствует возможность для увеличения допустимой нагрузки. Кроме того, в подобной конструкции не может быть уменьшена длина центрального стяжного вала.
Для того чтобы получить более короткий центральный стяжной вал с большим диаметром, конец второго концевого вала можно присоединить с использованием фланца с болтовым креплением. Однако подобная сборка является более сложной и не допускает точного регулирования предварительного натяга фланца с болтовым креплением с затягиваемым резьбовым соединением.
Помимо этого, можно упомянуть патент США №3749516, в котором описан составной ротор, содержащий центральный стяжной вал, оба конца которого завинчены в концы двух концевых валов. Указанный стяжной вал подвергают предварительному натягу и центрируют посредством центральной механической системы путем затягивания резьбового соединения и/или предварительного нагрева стяжного вала. Подобное техническое решение также не обеспечивает точного регулирования предварительного натяга стяжного вала.
В свете вышеизложенного целью изобретения является устранение недостатков, свойственных роторам, содержащим центральный стяжной вал.
Цель изобретения заключается в создании составного в осевом направлении ротора, сборка которого является легкой, который не влияет неблагоприятно на механические характеристики вала вследствие смещенного веса или большого межцентрового расстояния и в котором по возможности точно обеспечивается предварительный натяг стяжного вала.
Другой целью данного изобретения является создание возможности для использования стяжных валов, диаметр которых по существу равен или превышает диаметры концов концевых валов.
Данное изобретение относится к ротору, содержащему несколько рабочих колес, через которые проходит основной осевой стяжной вал, и два вала, каждый из которых прикреплен к соответствующему одному концу основного стяжного вала.
Основной стяжной вал имеет два буртика, расположенных непосредственно на указанном стяжном валу или на промежуточном кольцевом элементе, прикрепленном к указанному стяжному валу, и вместе с центральным отверстием концевого рабочего колеса, находящегося в контакте с одним из концевых валов, ограничивает камеру, предназначенную для размещения гидравлической текучей среды, причем основной стяжной вал, указанная камера и указанное концевое колесо образуют внутреннее гидравлическое натяжное устройство, предназначенное для создания предварительного натяга основного стяжного вала.
Поскольку гидравлическое натяжное устройство расположено внутри ротора, то при этом к концу концевого вала не добавлена смещенная масса, что исключает ее неблагоприятное влияние на динамику ротора и создает возможность для уменьшения осевого размера ротора. Помимо этого, имеется возможность для использования стяжного вала с большим диаметром, который не ограничен по отношению к диаметру второго концевого вала, при этом стяжной вал имеет более короткий осевой размер, что уменьшает опасность возникновения в нем вибрации.
Преимущественно каждый буртик основного стяжного вала или кольцевого элемента содержит уплотнительные средства, находящиеся в контакте с центральным отверстием концевого рабочего колеса, причем форма указанного отверстия является дополняющей для цилиндрической поверхности как основного стяжного вала, так и кольцевого элемента.
Концевое колесо может содержать первые средства доступа, проходящие как к наружной части ротора, так и в камеру для гидравлической текучей среды и предпочтительно являющиеся симметричными относительно продольной оси ротора так, чтобы не создавать проблемы с балансировкой ротора.
Предпочтительно второй вал содержит средства центровки концевого колеса, содержащие, например, кольцевую юбку, находящуюся в контакте в осевом направлении с концевым колесом.
Преимущественно первый вал имеет резьбовое отверстие, взаимодействующее с первым резьбовым концом основного стяжного вала, а второй вал имеет резьбовое отверстие, взаимодействующее со вторым резьбовым концом основного стяжного вала.
Например, соответствующие резьбовые отверстия первого и второго валов могут быть, а могут не быть сквозными отверстиями, в зависимости от ограничений, накладываемых на данную конструкцию.
В одном варианте выполнения ротор содержит дополнительный стяжной вал, имеющий резьбовую охватываемую часть, взаимодействующую с резьбовым отверстием второго вала, и резьбовую охватывающую часть, взаимодействующую со вторым резьбовым концом основного стяжного вала.
В этом случае средство центровки может содержать переднее зубчатое приспособление, выполненное на втором валу и на концевом рабочем колесе.
Дополнительный стяжной вал может быть полым.
Основной стяжной вал может иметь отверстие, проходящее по всей его осевой длине.
В соответствии со вторым аспектом данное изобретение относится к способу сборки ротора, содержащего несколько рабочих колес, основной стяжной вал, проходящий через указанные колеса, и два концевых вала, при этом в указанном способе указанные рабочие колеса собирают с первым концевым валом, центруют первый конец основного стяжного вала на первом валу и прикрепляют этот конец к первому валу, обеспечивают повышение давления в камере для гидравлической текучей среды, ограниченной двумя буртиками основного стяжного вала и центральным отверстием одного из колес, позиционируют второй вал и прикрепляют его ко второму концу основного стяжного вала, противоположному первому концу, для подведения второго вала ближе к концевому рабочему колесу, и сбрасывают давление, а указанную камеру опорожняют.
Преимущественно подъем давления в камере для гидравлической текучей среды, сброс давления и опорожнение указанной камеры выполняют, используя первые средства доступа, выполненные в концевом рабочем колесе и проходящие как к наружной части ротора, так и в указанную камеру, причем указанные средства выполнены симметричными относительно продольной оси основного стяжного вала.
Первый конец основного стяжного вала могут завинчивать в резьбовое отверстие в первом концевом валу до упора.
Второй вал могут привинчивать ко второму резьбовому концу основного стяжного вала или прикреплять к нему с использованием дополнительного стяжного вала.
Другие цели, характеристики и преимущества данного изобретения изложены в последующем описании, приведенном исключительно в качестве неограничительного примера и со ссылкой не прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает продольный разрез ротора в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения;
фиг.2 подробно изображает гидравлическое натяжное устройство, показанное на фиг.1;
фиг.3 изображает продольный разрез ротора в соответствии со вторым вариантом выполнения данного изобретения;
фиг.4 изображает продольный разрез ротора в соответствии с третьим вариантом выполнения данного изобретения;
фиг.5а и 5b изображают подробно гидравлическое натяжное устройство, показанное на фиг.4;
фиг.6 изображает продольный разрез ротора в соответствии с четвертым вариантом выполнения данного изобретения и
фиг.7 изображает продольный разрез ротора в соответствии с пятым вариантом выполнения данного изобретения.
Ротор, обозначенный в целом номером 1 позиции на фиг.1 и 2, по оси X содержит несколько облопаченных рабочих колес 2 или дисков, скомплектованных в направлении оси на основном стяжном валу 3, и два концевых вала 4, 5, каждый из которых прикреплен к соответствующему концу основного стяжного вала 3.
Основной стяжной вал 3 имеет основную часть 3а, проходящую через центральные отверстия, выполненные в каждом колесе 2, и две резьбовые торцевые части 3b, 3c, предназначенные для завинчивания в соответствующий один из концевых валов 4, 5. Для этого валы 4, 5 имеют глухие резьбовые отверстия 4а, 5а, осевые размеры которых определяются в зависимости от требуемого относительного положения двух концевых валов 4, 5 при завершенном монтаже. В приведенном примере показаны четыре колеса 2, обозначенные номерами 2а, 2b, 2 с, 2d позиций, хотя возможно использование и другого количества колес 2.
Первый вал 4 имеет, например, постоянный наружный диаметр, а второй вал 5 имеет, например, уменьшающийся наружный диаметр, так что можно использовать стяжной вал 3, диаметр которого превышает минимальный диаметр второго вала 5.
Ротор 1 также содержит гидравлическое натяжное устройство 10, выполненное с возможностью создания предварительного натяга основного стяжного вала 3. Указанное устройство 10 образовано двумя буртиками 11, 12, выполненными на основном стяжном валу 3 и вместе с концевым рабочим колесом 2d, расположенным у второго конца 3c стяжного вала 3, ограничивающими камеру 13 для гидравлической текучей среды. Камера 13 предназначена для размещения гидравлической текучей среды, вводимой через первые средства 14 доступа, выполненные в концевом колесе 2d и ведущие как к наружной части ротора 1, так и в камеру 13. Средства 14 выполнены симметричными относительно оси X ротора 1, чтобы не допустить возникновения какого-либо дисбаланса. В качестве неограничительного примера, как показано на чертеже, в концевом колесе 2d могут быть выполнены вторые средства 15 доступа. Каждый буртик 11, 12 основного стяжного вала 3 находится в контакте с центральным отверстием 16 концевого колеса 2d и содержит кольцевую уплотнительную прокладку 17, 18 для герметизации камеры 13. Таким образом, стяжной вал 3, камера 13 и концевое колесо 2d образуют гидравлический цилиндр.
Сборку ротора 1 выполняют следующим образом.
На первом этапе предпочтительно выполняют сборку первого концевого вала 4 в вертикальном положении со всеми рабочими колесами 2. При этом первое колесо 2а находится в контакте с первым валом 4, а последнее колесо 2d конструктивно выполнено так, чтобы находиться в контакте со вторым валом 5 при завершенной сборке. Как вариант первый этап может выполняться в горизонтальном положении с использованием соответствующих инструментов (не показаны).
На втором этапе выполняют центровку первой резьбовой торцевой части 3b и ее завинчивание в резьбовое отверстие 4а первого вала 4. Затягивание при завинчивании основного стяжного вала 3 выполняют до тех пор, пока он не упрется в дно резьбового отверстия 4а первого вала 4 перед его незначительным вывинчиванием. Указанное вывинчивание можно изменять в зависимости от требуемого углового положения между вторым валом 5 и колесами 2 при завершенной сборке.
A
После выполнения завинчивания основного стяжного вала 3 и его осевого позиционирования в первом валу 4 создают повышенное давление в гидравлическом натяжном устройстве 10, используя средства 14, 15 доступа. Как вариант, средства 14, 15 могут быть расположены на другой стороне последнего колеса 2d. Кроме того, возможно наличие нескольких средств доступа. После повышения давления в камере 13 радиальная поверхность 12а второго буртика 12 стяжного вала 3, образованная благодаря различию в радиусах буртиков 11, 12, в сочетании с давлением текучей среды в камере 13, создает осевое обеспечивающее предварительный натяг усилие F, действующее на основной стяжной вал 3. Указанный предварительный натяг можно изменять путем изменения одного из указанных параметров.
R
Осевая поверхность 12b второго буртика 12 стяжного вала 3, образованная благодаря осевому расстоянию между двумя уплотнительными прокладками 17, 18, в сочетании с давлением текучей среды создает радиальное усилие F, которое стремится расширить в радиальном направлении камеру 13. Указанное осевое расстояние определяют так, чтобы не вызывая повреждения последнего колеса 2d и не допуская какой-либо протечки гидравлической текучей среды вокруг уплотнительных прокладок 17, 18, создать возможность для последующего монтажа второго вала 5 на основном стяжном валу.
В действительности, на следующем четвертом этапе сборки привинчивают второй вал 5 ко второй резьбовой торцевой части 3c основного вала 3 до тех пор, пока не будет достигнут контакт в осевом направлении между опорной поверхностью 5с второго вала 5 и последним колесом 2d.
Как вариант для улучшения точности первая сборка может быть выполнена для разметки установочной базы между вторым валом 5 и последним колесом 2d.
По завершении сборки сбрасывают давление текучей среды в камере 13 и опорожняют камеру 13. Затем оставляют открытыми средства 14, 15 доступа, чтобы не создавать замкнутую область с нерегулируемым давлением. После сброса давления в камере 13 выполняют затягивание последнего колеса 2d на втором валу 5, чтобы получить посадку с натягом указанного колеса 2d на валу 5 без использования других средств, таких как, например, нагревание деталей. В этом случае вал 5 выполнен с осевой цилиндрической удлинительной частью 5b, которая является центрующей частью, обеспечивающей также центровку последнего колеса 2d.
Благодаря предлагаемому изобретению в указанных концевых валах могут быть выполнены глухие отверстия 4а, 5а, которые уменьшают опасность протечек в случае использования в компрессоре. В таком роторе 1 можно использовать стяжной вал 3, имеющий больший диаметр, ограничение которого не находится в зависимости от диаметра второго вала 5, а также стяжной вал 3 с меньшим осевым размером с обеспечением тем самым уменьшения опасности возникновения вибрации в указанном валу 3. Полученное гидравлическое натяжное устройство 10 обеспечивает возможность для создания предварительного натяга в радиальном и осевом направлениях основного вала 3.
Фиг.3 показывает ротор 1, подобный ротору, показанному на фиг.1, общие элементы которых обозначены одинаковыми номерами позиции. Камера 13, показанная на фиг.3, ограничена основным стяжным валом 3 и дополнительным кольцевым элементом 19, расположенным, например, между указанным валом 3 и последним колесом 2d. Указанная камера 13 предназначена для размещения гидравлической текучей среды, вводимой через первые средства 19а доступа, выполненные в концевом колесе 2d и ведущие как к наружной части ротора 1, так и в камеру 13. Указанные средства 19а выполнены симметричными относительно оси X ротора 1, чтобы не допустить возникновение какого-либо механического дисбаланса.
Например, на фиг.3 кольцевой элемент 19 имеет два буртика 19b, 19 с, каждый из которых находится в контакте с центральным отверстием 16 концевого колеса 2d и содержит кольцевую уплотнительную прокладку 19d, 19е для герметизации камеры 13. Кольцевой элемент 19 прикреплен к стяжному валу 3 с использованием болтов (номерами позиций не обозначены). Как вариант кольцевой элемент 19 может быть резьбовой вставкой, например гайкой, расположенной на основном стяжном валу 3. Таким образом, стяжной вал 3, кольцевой элемент 19, камера 13 и концевое колесо 2d образуют гидравлическое натяжное устройство 10 и действуют как гидравлический цилиндр.
Как показано на чертеже, центральное отверстие 19f кольцевого элемента 19 находится в контакте с буртиком 11 стяжного вала 3.
Таким образом, кольцевой элемент 19, на котором расположены уплотнительные элементы, добавляется к конструкции стяжного вала для облегчения определенных аспектов сборки, при этом гидравлическое усилие сообщается стяжному валу 3 во время сборки через осевые контактные элементы, такие как, например, буртик 12 основного стяжного вала 3 или резьба кольцевого элемента 19.
Фиг.4, 5а и 5b показывают ротор 20, аналогичный ротору, показанному на фиг.1, общие элементы которых обозначены одинаковыми номерами позиций. Ротор 20, показанный на фиг.4, содержит дополнительный стяжной вал 21, чтобы создать возможность для использования зубчатого приспособления 22а, расположенного на контактной поверхности 5с второго вала 5 и взаимодействующего с зубчатым приспособлением 22b последнего колеса 2d. Следует отметить, что указанные зубчатые приспособления, например, расположены в радиальном направлении на каждой из поверхностей, противоположной второму валу 5 и последнему колесу, при этом они имеют общую сужающуюся форму в продольном сечении. Таким образом, в этом случае центрирование второго вала 5 на концевом колесе 2d выполняется посредством зубчатого зацепления 22а, 22b и соответственно в этом случае не требуется обеспечивать радиальное расширение.
На одной стороне дополнительный стяжной вал 21 имеет резьбовую охватываемую часть 21а, предназначенную для завинчивания в резьбовое отверстие 5а второго вала 5, и резьбовую охватывающую часть 21b, предназначенную для навинчивания на вторую резьбовую концевую часть 3c основного стяжного вала 3.
Дополнительный стяжной вал 21 на наружной цилиндрической поверхности 21с имеет пазы 21d, предназначенные для взаимодействия с внешним инструментом (не показан), используемым для затягивания и отвинчивания указанного вала 21. Как вариант возможно использование зубчатого зацепления или осевых пазов. Для этой цели на цилиндрической поверхности 5е второго вала 5 выполнены отверстия 5d, обеспечивающие доступ к пазам 21d.
Сборку ротора 20 выполняют следующим способом.
Первый, второй и третий этапы сборки ротора 20 идентичны соответствующим этапам сборки ротора 1, показанного на фиг.1. После этапа повышения давления в камере 13 выполняют навинчивание охватываемой части 21а дополнительного стяжного вала 21 на второй вал 5. После затягивания блок, образованный валом 21 и вторым валом 5, закрепляют наружным инструментом (не показан) с предотвращением поворота этих элементов.
На пятом этапе привинчивают указанный блок к основному стяжному валу 3 посредством охватывающей части 21b дополнительного стяжного вала 21 до тех пор, пока не будет получено требуемое угловое положение между вторым валом 5 и последним колесом 2d, т.е. без контакта зубчатого зацепления 22а, 22b, как показано на фиг.6а.
На шестом этапе обеспечивают освобождение второго вала 5 и дополнительного стяжного вала 21 для возможности их поворота, при этом дополнительный стяжной вал 21 слегка затягивают, используя пазы 21d, выполненные на его наружной цилиндрической поверхности 21с, до тех пор, пока зубчатое приспособление 22а второго вала 5 не войдет в соединение с зубчатым приспособлением 22b концевого колеса 2d. Направление резьбы охватываемой части 21а и охватывающей части 21b дополнительного вала 21 выбрано так, чтобы обеспечивать одновременное затягивание второго вала 5 и основного стяжного вала 3 при вращении дополнительного вала 21 для создания поступательного перемещения между вторым валом 5 и концевым колесом 2d. Как вариант на наружной цилиндрической поверхности дополнительного стяжного вала 21 может быть выполнено несколько пазов, а на втором валу - несколько отверстий, так чтобы имелся доступ по меньшей мере к одному пазу, независимо от положения дополнительного стяжного вала.
После закрепления второго вала 5 и концевого колеса 2d их соответствующими зубчатыми приспособлениями 22а, 22b сбрасывают давление текучей среды в камере 13, и затем камеру 13 опорожняют для создания конечного осевого напряжения в основном стяжном валу 3.
Фиг.6 и 7 показывают изменения, внесенные в ротор, показанный на фиг.3. Однако указанные изменения равным образом могут быть внесены в ротор, показанный на фиг.1 и 2.
Фиг.6 показывает ротор 20, описанный применительно к фиг.4. На фиг.6 и 4 одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами позиций. Основной вал 3 имеет отверстие 3d, проходящее по всей его осевой длине, для изменения тепловой инерции основного вала 3. Как вариант дополнительный стяжной вал 21 также может быть выполнен полым.
Фиг.7 показывает ротор 20, описанный применительно к фиг.4. Фиг.7 и 4 содержат одинаковые элементы, обозначенные одинаковыми номерами позиций. В показанном примере основной стяжной вал 3 и дополнительный стяжной вал 21 являются полыми, как и два концевых вала 4, 5, чтобы оптимизировать, например, динамическое и тепловое поведение ротора или обеспечить доступ для инструмента, обеспечивающего возможность для затягивания дополнительного стяжного вала, а также для обеспечения рециркуляции текучей среды между различными частями компрессора. Указанная рециркуляция может быть пассивной или активной, и ее назначение заключается, например, в снижении циклов термической усталости в случае использования высокотемпературных компрессоров. Указанная конструкция также обеспечивает возможность для регулируемого продвижения текучей среды в ротор посредством внешнего контура.
Указанная конструкция может использоваться только в том случае, если уплотнение концевых валов не является важным фактором.
Данное изобретение не ограничивается вышеописанным гидравлическим устройством. В действительности, кольцевой элемент, прикрепленный к основному стяжному валу, может использоваться в вариантах выполнения, показанных на фиг.4-7, без каких либо значительных модификаций.
Концевые валы также могут быть прикреплены к основному и/или дополнительному стяжному валу с использованием нерезьбовых средств, таких, как, например, расширяемые втулки или устройства, работающие с поворотом на четверть оборота.
Во всех приведенных вариантах выполнения конструкция ротора является простой для сборки и обеспечивает гидравлическое натяжное устройство, расположенное внутри данной конструкции, без каких-либо создающих смещение веса элементов на конце данной конструкции. Помимо этого, подобная конструкция обеспечивает возможность для создания точно регулируемого натяжения основного стяжного вала.