本发明涉及一种发动机转子组件的连接结构，可实现压气机转子和涡轮转子的可靠连接。可在地面燃气轮机、航空发动机的核心机转子连接领域应用。该结构可以实现转子轴向力的传递、转子的支承、转子的可靠装配/分解以及转子组件的动平衡等要求。且转子组件具有零件数量少和组件刚度好的特点，在地面燃气轮机或者航空发动机领域将会具有重要的工程应用意义。进一步地，该组件并不局限于轴流压气机和轴流涡轮的型式，也不局限于压气机或涡轮的级数，拉杆在压气机端的起始拉紧位置可根据相应部件的级数(长度)进行调整。
1.一种发动机转子组件的连接结构，所述发动机为燃气轮机或涡轮喷气发动机，所述转子组件包括沿发动机轴线依次同轴布置的至少两级压气机转子和至少一级涡轮转子，其特征在于：--所述转子组件整体采用1-0-1的支撑方式，其前支点采用深沟球轴承，后支点采用滚棒轴承，其中，所述深沟球轴承的内环设置在第一级压气机转子轮盘的前伸轴颈上，外环设置在发动机的主承力机匣上；第一级压气机转子轮盘的前伸轴颈的前端设有外螺纹Ⅰ，所述外螺纹Ⅰ上设有一前螺母和一用以防止所述前螺母发生松动的螺母锁片Ⅰ；
所述滚棒轴承的内环设置在末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈上，外环设置在发动机的辅助承力机匣上；
所述前支点通过所述深沟球轴承将所述转子组件的轴向力和部分径向力传递给所述主承力机匣，所述后支点通过所述滚棒轴承将所述转子组件的部分径向力传递给所述辅助承力机匣；
--所述第一级压气机转子轮盘的后伸轴颈的末端形成有带有内螺纹的内孔，所述内孔中螺纹连接一中心拉杆的前端，所述中心拉杆沿发动机轴线延伸并依次穿过中间各级压气机转子轮盘的中心孔、以及各级涡轮转子轮盘的中心孔，所述中心拉杆的后端伸出于末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈的外侧，所述中心拉杆的后端表面上设有外螺纹Ⅱ，所述外螺纹Ⅱ上依次设置一拉紧螺母、一螺母锁片Ⅱ和一压紧螺母，其中，所述拉紧螺母的内端面压抵在末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈的外端面上，用以拉紧各级压气机转子和各级涡轮转子；
所述螺母锁片Ⅱ的内侧同时抵靠所述拉紧螺母的外端面、所述滚棒轴承的内环外端面，所述螺母锁片Ⅱ用以防止所述拉紧螺母松动；
所述压紧螺母设置在所述螺母锁片Ⅱ的外侧，所述压紧螺母通过所述螺母锁片Ⅱ压抵在所述滚棒轴承的内环外端面上，用以压紧所述滚棒轴承的内环。
2.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述中心拉杆用以在冷态装配时，实现所述压气机转子和涡轮转子的轴向预拉紧功能。
3.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，考虑到组件的装配和分解需要，所述中心拉杆的后端内孔中设有内螺纹或者使所述中心拉杆的后端的外螺纹具有一定长度，以实现液压分解工装的使用。
4.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，通过材料选取、热处理工艺以及结构设计的方式，增加各螺纹位置处的硬度，以确保承受较大拉力的情况下，所述中心拉杆的可靠工作。
5.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，在中心拉杆后端的外螺纹处，采用螺纹镀银的特种工艺处理方法，防止螺母螺纹和中心拉杆螺纹在热态工作状态下的粘连。
6.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述压紧螺母的直径大于所述拉紧螺母的直径，直径较小的所述拉紧螺母主要承担拉紧压气机转子和涡轮转子的功能，对其施加较大的拧紧力矩；直径较大的所述压紧螺母主要承担压紧滚棒轴承内环的功能，其拧紧力矩相对较小。
7.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，在所述滚棒轴承的DN值水平具有足够储备的情况下，通过增厚滚棒轴承的内环厚度的方式以确保其本身不会发生变形，从而取消直径较小的所述拉紧螺母，此时在所述中心拉杆的后端仅设置所述压紧螺母。
8.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，根据发动机性能需求，压气机级数为2～8级。
9.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述压气机转子为整体叶盘连接方式。
10.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，相邻各级压气机转子间采用圆弧端齿、花键、矩形齿型或者长/短螺栓的传扭连接方式。
11.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，相邻各级涡轮转子间的传扭采用短螺栓的连接形式。
12.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，相邻各级涡轮转子间的传扭通过花键或者端齿结构方式连接。
13.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，各所述涡轮转子中，涡轮叶片和涡轮轮盘之间采用榫槽/榫齿的连接方式，避免叶片向轮盘盘心方向的热量传递。
14.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，为实现末级压气机转子和第一级涡轮转子的定心及传扭要求，末级压气机转子和第一级涡轮转子之间采用圆弧端齿的连接结构。
15.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述深沟球轴承为止推深沟球轴承，所述前螺母和深沟球轴承之间还设置一伞齿轮，所述伞齿轮的后端面中心处设有一环形凹槽，并在所述环形凹槽中布置一调整垫Ⅰ，所述调整垫Ⅰ用以调整所述伞齿轮的轴向位置。
16.根据权利要求15所述的连接结构，其特征在于，所述深沟球轴承的内环的后端面处还设置一与其抵接的挡油环，所述挡油环的后端面处设置一封严蓖齿环。
17.根据权利要求16所述的连接结构，其特征在于，所述末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈上还设置一石墨环跑道，所述石墨环跑道的后端面与所述滚棒轴承内环前端面之间设置一调整垫Ⅱ，所述调整垫Ⅱ用以调整热态工作状态下所述滚棒轴承跑道和滚动体之间的相对轴向位置。
18.根据权利要求17所述的连接结构，其特征在于，所述石墨环跑道的前端面处还设置一与其抵接的封严蓖齿环。
19.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述第一级压气机转子轮盘的进口侧表面和/或末级涡轮转子轮盘的出口侧表面设有沿周向连续或间断的平衡凸台，用于调整转子组件的动平衡量。
20.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述第一级压气机转子轮盘的前伸轴颈的直径根据轴承的DN值设计结果进行调整，而前伸轴的长度根据轴承腔的布局及封严方式进行调整；其它压气机级及级间相互连接的轴颈直径参数根据转子组件结构的转子动力学特性进行调整。
21.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述中心拉杆的前端与所述第一级压气机转子轮盘的中心孔之间还设置一支撑挡环，且所述支撑挡环与所述第一级压气机转子轮盘的中心孔之间设有密封圈。
一种发动机转子组件的连接结构
技术领域
[0001] 本发明属于地面燃气轮机、航空发动机核心机领域，涉及一种发动机转子组件的连接结构，尤其涉及一种压气机转子和涡轮转子的连接结构。
背景技术
[0002] 适用于小型燃气轮机和航空发动机核心机转子的组件结构设计问题是在燃气轮机、航空发动机领域有重要实际意义的工程性问题。
[0003] 在燃气轮机、航空发动机结构设计中，由于转子叶片叶尖间隙的高精度要求以及转子动力学特性的严苛要求，转子组件的支点布局、转子传扭路线、转子间的连接等问题均会影响高性能燃气轮机、航空发动机性能进一步提升以及可靠性进一步提高的要求。因而迫切需要提出一种更优的且适用于核心机的转子组件结构布局方法。
[0004] 此外，燃气轮机、航空发动机的故障往往发生在高速旋转的转子组件中，且往往出现在发动机的过渡态环境下。因此，如何提高过渡态下转子、静子的轴向/径向间隙保持能力是影响燃气轮机、航空发动机可靠性进一步提升的现实要求。
发明内容
[0005] 针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明旨在提供一种发动机转子组件的连接结构，该结构可实现压气机转子和涡轮转子的可靠连接，并可满足转子轴向力的传递、转子的支承、转子的可靠装配/分解以及转子组件的动平衡等要求，且转子组件具有零件数量少和组件刚度好的特点，在地面燃气轮机或者航空发动机领域具有重要的工程应用意义。
[0006] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
[0007] 一种发动机转子组件的连接结构，所述发动机为燃气轮机或涡轮喷气发动机，所述转子组件包括沿发动机轴线依次同轴布置的至少两级压气机转子和至少一级涡轮转子，其特征在于：
[0008] --所述转子组件整体采用1-0-1的支撑方式，其前支点采用深沟球轴承，后支点采用滚棒轴承，其中，
[0009] 所述深沟球轴承的内环设置在第一级压气机转子轮盘的前伸轴颈上，外环设置在发动机的主承力机匣上；第一级压气机转子轮盘的前伸轴颈的前端设有外螺纹Ⅰ，所述外螺纹Ⅰ上设有一前螺母和一用以防止所述前螺母发生松动的螺母锁片Ⅰ；
[0010] 所述滚棒轴承的内环设置在末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈上，外环设置在发动机的辅助承力机匣上；
[0011] 所述前支点通过所述深沟球轴承将所述转子组件的轴向力和部分径向力传递给所述主承力机匣，所述后支点通过所述滚棒轴承将所述转子组件的部分径向力传递给所述辅助承力机匣；
[0012] --为实现末级压气机转子和第一级涡轮转子的定心及传扭要求，末级压气机转子和第一级涡轮转子之间采用圆弧端齿的连接结构；
[0013] 所述第一级压气机转子轮盘的后伸轴颈的末端形成有带有内螺纹的内孔，所述内孔中螺纹连接一中心拉杆的前端，所述中心拉杆沿发动机轴线延伸并依次穿过中间各级压气机转子轮盘的中心孔、以及各级涡轮转子轮盘的中心孔，所述中心拉杆的后端伸出于末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈的外侧，所述中心拉杆的后端表面上设有外螺纹Ⅱ，所述外螺纹Ⅱ上依次设置一拉紧螺母、一螺母锁片Ⅱ和一压紧螺母，其中，
[0014] 所述拉紧螺母的内端面压抵在末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈的外端面上，用以拉紧各级压气机转子和各级涡轮转子；
[0015] 所述螺母锁片Ⅱ的内侧同时抵靠所述拉紧螺母的外端面、所述滚棒轴承的内环外端面，所述螺母锁片Ⅱ用以防止所述拉紧螺母松动；
[0016] 所述压紧螺母设置在所述螺母锁片Ⅱ的外侧，所述压紧螺母通过所述螺母锁片Ⅱ压抵在所述滚棒轴承的内环外端面上，用以压紧所述滚棒轴承的内环。
[0017] 优选地，所述中心拉杆用以在冷态装配时，实现所述压气机转子和涡轮转子的轴向预拉紧功能。
[0018] 本发明的发动机转子组件的连接结构中，在压气机、涡轮转子连接时综合采用了圆弧端齿和中心拉杆等多种连接方式，同时在中心拉杆的后端采用了双螺母的压紧结构。压气机和涡轮转子组件采用1-0-1的支撑方式，位于压气机端的前支点采用深沟球轴承的止推轴承方案，涡轮端的支点为仅承受径向力载荷的滚棒轴承支撑方案。
[0019] 可选择地，考虑到组件的装配和分解需要，中心拉杆在涡轮端的位置采用增设拉杆内螺纹或者增长外螺纹长度的两种方式来实现液压分解工装的使用。
[0020] 较优地，应当通过材料选取、热处理工艺以及结构设计的方式，以增加螺纹位置处的硬度，以确保承受较大拉力的情况下，中心拉杆的可靠工作。
[0021] 较优地，在中心拉杆螺纹处，采用螺纹镀银的特种工艺处理方法，防止螺母螺纹和中心拉杆螺纹在热态工作状态下的粘连。
[0022] 较优地，为了避免中心拉杆拉紧力过大从而导致涡轮端滚棒轴承内环发生较大的变形，涡轮侧在中心拉杆的位置采用双螺母方案。直径相对较小的螺母主要承担拉紧压气机转子和涡轮转子的功能，对其施加较大的拧紧力矩。直径相对较大的螺母承担压紧滚棒轴承内环的目的，其拧紧力矩相对较小。
[0023] 可选择地，在涡轮端滚棒轴承的DN值水平具有足够储备的情况下，也可通过增厚滚棒轴承的内环厚度的方式以确保其本身不会发生变形，从而取消直径较小的螺母结构，此时涡轮端成为了单螺母结构。可选择地，根据发动机性能需求，压气机级数可在2～8级之间选取。
[0024] 可选择地，压气机可为整体叶盘或者其它叶盘连接方式。
[0025] 可选择地，不同压气机级之间的传扭定位可采用圆弧端齿、矩形齿或者长/短螺栓的连接方式。
[0026] 优选地，压气机级之间轴颈的直径尺寸选取的较大，以提高转子组件的刚性。
[0027] 优选地，根据转子组件结构中各零件的结构设计与位置设计，在适合的轴向位置处增加轴向调整垫结构，以调整斜流/离心压气机或者向心涡轮的转子叶片叶尖间隙。
[0028] 较优地，根据转子组件结构中各零件的结构设计与位置设计，在适合的轴向位置处增加轴向调整垫结构，以调整转子和静子之间的轴向间隙。
[0029] 优选地，多级涡轮级的级数推荐在1～2级之间。
[0030] 优选地，多级涡轮级间的传扭采用短螺栓的连接形式。
[0031] 可选择地，多级涡轮级间的传扭也可通过花键或者端齿结构方式连接。
[0032] 优选地，涡轮级涡轮叶片和涡轮轮盘建议采用榫槽/榫齿的连接方式，避免叶片向轮盘盘心方向的热量传递。
[0033] 优选地，该组件结构装配状态下可设置两个平衡面，用于转子组件动平衡时的去材料要求。
[0034] 优选地，所述深沟球轴承为止推深沟球轴承，所述前螺母和深沟球轴承之间还设置一伞齿轮，所述伞齿轮的后端面中心处设有一环形凹槽，并在所述环形凹槽中布置一调整垫Ⅰ，所述调整垫Ⅰ用以调整所述伞齿轮的轴向位置。
[0035] 优选地，所述深沟球轴承的内环的后端面处还设置一与其抵接的挡油环，所述挡油环的后端面处设置一封严蓖齿环。
[0036] 优选地，所述末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈上还设置一石墨环跑道，所述石墨环跑道的后端面与所述滚棒轴承内环前端面之间设置一调整垫Ⅱ，所述调整垫Ⅱ用以调整热态工作状态下所述滚棒轴承跑道和滚动体之间的相对轴向位置。
[0037] 优选地，所述石墨环跑道的前端面处还设置一与其抵接的封严蓖齿环。
[0038] 优选地，所述第一级压气机转子轮盘的进口侧表面和/或末级涡轮转子轮盘的出口侧表面设有沿周向连续或间断的平衡凸台，用于调整转子组件的动平衡量。
[0039] 优选地，在维持支点支撑位置布局的前提下，所述压气机转子、涡轮转子的级数可以任意选取，中心拉杆的拉紧位置也可以调整；所述压气机可以为斜流、轴流或离心式，所述涡轮可以为轴流或向心式。
[0040] 优选地，在维持结构形式和支点布局的前提下，通过在相应位置增加调整垫结构，以调整压气机转子叶片叶尖径向间隙。
[0041] 优选地，所述第一级压气机转子轮盘的前伸轴颈的直径根据轴承的DN值设计结果进行调整，而前伸轴的长度根据轴承腔的布局及封严方式进行调整；其它压气机级及级间相互连接的轴颈直径参数根据转子组件结构的转子动力学特性进行调整。
[0042] 优选地，所述中心拉杆的前端与所述第一级压气机转子轮盘的中心孔之间还设置一支撑挡环，且所述支撑挡环与所述第一级压气机转子轮盘的中心孔之间设有密封圈，优选为O型橡胶圈。
[0043] 与传统燃气轮机和航空发动机核心机的压气机及涡轮转子连接结构相比，本发明的发动机转子组件的连接结构，可实现压气机转子和涡轮转子的可靠连接，并可满足转子轴向力的传递、转子的支承、转子的可靠装配/分解以及转子组件的动平衡等要求；且所有转子均为简支型式，因此转子组件转子动力学特性优异；且考虑到该结构中转子传递扭矩的“轴”半径位置相对较高，因此转子组件的刚性较好，大大提高了转子叶片叶尖的间隙保持能力，具有巨大的应用潜力。
附图说明
[0044] 图1为本发明的发动机转子组件的连接结构示意图；
[0045] 图2为图1中压气机端的连接结构示意图；
[0046] 图3为图1中涡轮端的连接结构示意图；
[0047] 图4为本发明的压气机和涡轮转子连接结构的动平衡方式示意图。
具体实施方式
[0048] 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0049] 如图1～4所示，本实施例是在某航空发动机核心机的压气机、涡轮转子组件结构设计方案。在该实施例中，转子组件中的转子除斜流压气机1、轴流压气机12、涡轮盘14以外，考虑到轴承腔封严、启动发电以及级间封严的需求，还包含伞齿轮5、挡油环7、蓖齿环8、11和17、石墨环跑道18以及各种调整垫4和19等结构。在该转子组件中，前后支点分别采用了深沟球轴承6和滚棒轴承20，而为了实现前螺母2的防松，采用了螺母锁片3的结构。涡轮端则采用了双螺母21和22的方式实现中心拉杆13用拉紧力和轴承轴向定位用预紧力的解耦。
[0050] 在该组件装配时，中心拉杆13与斜流压气机后伸轴颈内孔采用了螺纹连接的方式，并通过其后端的内螺纹结构，实现装配用液压工装的使用。将两级压气机机转子和涡轮转子拉紧。一般该作用力在6～10吨左右。压紧涡轮端滚棒轴承内环的压紧力则一般较小。
[0051] 具体地，如图1～3所示，本发明的发动机转子组件的连接结构，发动机为燃气轮机或涡轮喷气发动机，转子组件包括沿发动机轴线依次同轴布置的斜流压气机转子1、轴流压气机转子12、涡轮转子，涡轮转子包括涡轮盘14和通过锁片15固定在涡轮盘14上的涡轮转子叶片16。
[0052] 转子组件整体采用1-0-1的支撑方式，其前支点采用深沟球轴承6，后支点采用滚棒轴承20，其中，深沟球轴承6的内环设置在斜流压气机转子轮盘的前伸轴颈上，外环设置在发动机的主承力机匣上；斜流压气机转子轮盘的前伸轴颈的前端设有外螺纹Ⅰ，外螺纹Ⅰ上设有一前螺母2和一用以防止前螺母2发生松动的螺母锁片Ⅰ3；滚棒轴承20的内环设置在涡轮盘14的后伸轴颈上，外环设置在发动机的辅助承力机匣上；前支点通过深沟球轴承6将转子组件的轴向力和部分径向力传递给主承力机匣，后支点通过滚棒轴承将转子组件的部分径向力传递给辅助承力机匣。
[0053] 为实现轴流压气机转子12和涡轮转子的定心及传扭要求，轴流压气机转子12和涡轮转子之间采用圆弧端齿的连接结构；斜流压气机转子轮盘的后伸轴颈的末端形成有带有内螺纹的内孔，内孔中螺纹连接一中心拉杆13的前端，中心拉杆13沿发动机轴线延伸并依次穿过中间各级压气机转子轮盘的中心孔、以及涡轮盘14的中心孔，中心拉杆13的后端伸出于涡轮盘14的后伸轴颈的外侧，中心拉杆13的后端表面上设有外螺纹Ⅱ，外螺纹Ⅱ上依次设置一拉紧螺母21、一螺母锁片Ⅱ和一压紧螺母23，其中，拉紧螺母21的内端面压抵在涡轮盘14的后伸轴颈的外端面上，用以拉紧各级压气机转子和涡轮转子；螺母锁片Ⅱ的内侧同时抵靠拉紧螺母21的外端面、滚棒轴承20的内环外端面，螺母锁片Ⅱ用以防止拉紧螺母21松动；压紧螺母23设置在螺母锁片Ⅱ的外侧，压紧螺母23通过螺母锁片Ⅱ压抵在滚棒轴承20的内环外端面上，用以压紧滚棒轴承的内环。
[0054] 进一步地，深沟球轴承6为止推深沟球轴承，前螺母2和深沟球轴承6之间还设置一伞齿轮5，伞齿轮5的后端面中心处设有一环形凹槽，并在环形凹槽中布置一调整垫Ⅰ4，调整垫Ⅰ4用以调整伞齿轮5的轴向位置。深沟球轴承6的内环的后端面处还设置一与其抵接的挡油环7，挡油环7的后端面处设置一封严蓖齿环8。末级涡轮转子轮盘的后伸轴颈上还设置一石墨环跑道18，石墨环跑道18的后端面与滚棒轴承20内环前端面之间设置一调整垫Ⅱ19，调整垫Ⅱ19用以调整热态工作状态下滚棒轴承跑道和滚动体之间的相对轴向位置。优选地，石墨环跑道18的前端面处还设置一与其抵接的封严蓖齿环17。中心拉杆13的前端与第一级压气机转子轮盘的中心孔之间还设置一支撑挡环10，且支撑挡环10与第一级压气机转子轮盘的中心孔之间设有密封圈9，优选为O型橡胶圈。
[0055] 与传统燃气轮机和航空发动机核心机的压气机及涡轮转子连接结构相比，本发明的发动机转子组件的连接结构，可实现压气机转子和涡轮转子的可靠连接，并可满足转子轴向力的传递、转子的支承、转子的可靠装配/分解以及转子组件的动平衡等要求；且所有转子均为简支型式，因此转子组件转子动力学特性优异；且考虑到该结构中转子传递扭矩的“轴”半径位置相对较高，因此转子组件的刚性较好，大大提高了转子叶片叶尖的间隙保持能力，具有巨大的应用潜力。
[0056] 如图4所示，表示了上述实施例中组件去材料的示意位置。去材料位置的选取原则为：距离两端支点位置较近，同时直径应选取在盘缘的较大直径位置处。去材料的范围需要经强度计算后得到。图中，A为压气机端去材料处；B为涡轮端去材料处。
[0057] 此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
