一种燃气轮机转子装置及应力调整方法
阅读说明：本技术 一种燃气轮机转子装置及应力调整方法 (Gas turbine rotor device and stress adjusting method ) 是由 张传斌 范玮 于 2021-10-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种燃气轮机转子装置,包括彼此啮合的第一和第二轮盘组件,各轮盘组件包括：轮盘；位于轮盘一侧的轴头；位于轮盘另一侧的整体轴段和端面齿；第一,第二轮盘组件通过端面齿的相互啮合传递压力与扭矩,整体轴段与端面齿之间还设有用于调节端面齿形表面应力的应力调整轴段,应力调整轴段的外径大于整体轴段的外径。本发明通过减小结构调整区域范围,基于尺寸的调整对象、调整范围与应力降低程度的关系,实现对端面齿的齿形表面应力的最佳调节效果。(The present invention provides a gas turbine rotor assembly comprising first and second disk assemblies enmeshed with each other, each disk assembly comprising: a wheel disc; a spindle nose located on one side of the wheel disc; the integral shaft section and the end face teeth are positioned on the other side of the wheel disc; first, the second rim plate subassembly passes through the intermeshing transmission pressure and the moment of torsion of terminal surface tooth, still is equipped with the stress adjustment shaft section that is used for adjusting terminal surface tooth surface stress between whole shaft section and the terminal surface tooth, and the external diameter of stress adjustment shaft section is greater than the external diameter of whole shaft section. The invention realizes the optimal adjustment effect on the tooth-shaped surface stress of the end face teeth by reducing the range of the structure adjustment area and based on the relationship between the adjustment object of the size, the adjustment range and the stress reduction degree.)
技术领域
本发明涉及机械传动技术领域，具体而言，涉及燃气轮机转子装置及应力调整方法。
背景技术
轮盘端面齿具有刚度大、自对中性能，在重型燃气轮机转子连接和传扭中具有重要应用。具体来说，燃气轮机结构中，端面齿依靠压紧力连接相邻级轮盘，以达到使转子不分离和传递压力与扭矩的作用。通常，基于端面齿齿形表面应力安全的压紧力需求和基于转子不分离的压紧力需求是矛盾的，即为了满足端面齿齿形表面应力安全要求，需要较低的端面齿压紧力；而为了满足转子不分离的安全要求，需要较高的压紧力。调整压紧力的方式通常还易出现调整安全裕度不足的情况。
现有技术中，在满足转子不分离的情况下，调整端面齿齿形表面应力的方法一般采用调整轮盘与端面齿之间整体轴段的内外径尺寸的方式。该方式的缺点在于整体轴段的尺寸变化导致结构变化区域大，质量变化大，影响燃气轮机轮盘强度与转子动力学特性，且无法针对性的调整端面齿齿形表面应力。
目前，中国期刊《热力透平》2013年第1期第42卷发表的“周向拉杆转子轮盘端面齿接触应力分析”中公开了基于某周向拉杆转子模型，理论分析轮盘端面齿连接段在预紧力和扭矩作用下的齿面应力，提出了冲压模型模拟齿面接触应力分布，并通过有限元方法对此方法进行对比验证。该期刊全篇未提及通过调整转子内外径尺寸进行端面齿齿形表面应力调节的方案。
还有专利如CN208397163U公开了一种易替换的耐磨楔形单向传动装置，包括第一轴件和第二轴件，在楔形块磨损失效时，将第一轴件或第二轴件单独更换，即将齿与轴制造成两个可拆装的独立零件，降低成本，是一种延长使用寿命的结构设计方案。该专利中全篇亦未提及对端面齿齿形表面应力进行调节的方案。综上所述，目前需要一种减小结构调整区域范围，以降低质量和刚度对强度与转子动力学影响，并达到最佳的降低端面齿齿形表面应力的方法。
鉴于上述技术问题，特提出本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃气轮机转子装置及应力调整方法，以解决现有技术中的缺陷，通过减小结构调整区域范围，基于尺寸的调整对象、调整范围与应力降低程度的关系，实现对端面齿的齿形表面应力的最佳调节效果，同时增大抗弯界面系数，降低齿啮合分离的风险。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃气轮机转子装置，包括彼此啮合的第一和第二轮盘组件，各轮盘组件包括：轮盘；位于轮盘一侧的轴头；位于轮盘另一侧的整体轴段和端面齿；第一、第二轮盘组件通过端面齿的相互啮合传递压力与扭矩，整体轴段与端面齿之间还设有用于调节端面齿的齿形表面应力的应力调整轴段，应力调整轴段的外径大于整体轴段的外径。
进一步地，应力调整轴段的内径与应力调整轴段的外径的第一比值小于整体轴段的内径与整体轴段的外径的第二比值。
进一步地，第一比值的范围为0.5～0.9。
进一步地，第一比值的范围为0.7～0.9。
进一步地，应力调整轴段的内径与整体轴段的内径相等。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了应力调整轴段的轴向宽度小于整体轴段的轴向宽度。
进一步地，应力调整轴段的轴向宽度与整体轴段的轴向宽度的比值范围为0.1～0.25。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了轮盘的直径、应力调整轴段的外径和整体轴段的外径依次减小。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了应力调整轴段的外径与内径的差值是端面齿的齿厚h的2倍。
进一步地，应力调整轴段的外径与端面齿的外径相等。
进一步地，端面齿的齿形表面应力σ满足如下方程：
σ＝(F+P)/h*t
F为轴向压紧力，
P为周向压力，
h为端面齿的齿厚，
t为齿啮合面的宽度。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，还提供了一种燃气轮机转子装置进行端面齿表面应力调整的方法，包括如下步骤：
尺寸调整步骤S1：根据尺寸调整范围，调整用于调节端面齿形表面应力的应力调整轴段的内径与外径的第一比值；
应力确定步骤S2：基于第一比值，确定端面齿的齿形表面应力σ；
判断步骤S3：判断齿形表面应力是否满足设计需求；
若齿形表面应力满足设计需求，则确定应力调整轴段的尺寸；若不满足设计需求，则重复S1-S3，直至齿形表面应力满足设计需求。
进一步地，尺寸调整步骤S1中，第一比值的范围为0.5～0.9。
进一步地，尺寸调整步骤S1中，第一比值的范围为0.7～0.9。
进一步地，应力确定步骤S2中，齿形表面应力σ满足如下方程：
σ＝(F+P)/h*t
F为轴向压紧力，
P为周向压力，
h为端面齿的齿厚，
t为齿啮合面的宽度。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，还提供了一种燃气轮机，包括上述的燃气轮机转子装置。
应用本发明的技术方案，通过设置用于调节端面齿形表面应力的应力调整轴段，控制应力调整轴段的轴向宽度以实现对齿形表面应力的调整而非整体轴段的应力调整；基于应力调整轴段的内外径比值范围，通过内外径的尺寸调整，实现最佳的降低齿形表面应力的效果，同时端面齿的圆环形结构的抗弯截面系数增加，弯曲应力降低，从而降低了齿啮合分离的风险。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的轮盘组件正视示意图；以及
图2示出了根据本发明的实施例的轮盘组件等轴侧示意图；以及
图3示出了根据本发明的实施例的第一和第二轮盘组件啮合的正视示意图；以及
图4示出了根据本发明的实施例的第一和第二轮盘组件啮合的等轴侧示意图；以及
图5示出了本发明的实施例的端面齿的齿厚和齿啮合面的宽度示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、轮盘；2、轴头；3、整体轴段；4、端面齿；5、应力调整轴段；6、齿啮合面；7、第一轮盘组件；8、第二轮盘组件。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征。
如图1所示，燃气轮机转子装置通常包括彼此啮合的第一和第二轮盘组件，上述两个轮盘组件的形状和尺寸一般是一致的，各轮盘组件包括：轮盘1；位于轮盘一侧的轴头2；位于轮盘1另一侧的整体轴段3和端面齿4。上述轮盘组件可以是通过一体锻造加工出来的一体的结构，也可以是单独加工后装配而成的装配结构。上述第一、第二轮盘组件通过端面齿4的相互啮合实现传递压力与扭矩的作用。通常，采用增大整体轴段3的外径针对上述轮盘组件的端面齿4进行应力调整，该方式一方面对轮盘原始结构的质量分布影响较大，且刚度直径变化区域较大，转子动力学特性影响较大；另一方面，无法实现更优地调节端面齿4之间的表面应力。
为了解决上述问题，本实施例提供了一种燃气轮机转子装置，除了上述结构，还包括整体轴段3与端面齿4之间设有的用于调节端面齿的齿形表面应力的应力调整轴段5，该应力调整轴段5的外径大于整体轴段3的外径。应力调整轴段5的内径与应力调整轴段5的外径之间存在内外径比值，即第一比值；整体轴段3的内径与整体轴段3的外径之间存在第二比值。优选地，第一比值大于第二比值。在通过应力调整轴段5进行端面齿形表面应力调节时，主要根据第一比值这个尺寸调整范围，针对应力调整轴段5的内径、外径尺寸进行调整。故优选的，第一比值的范围为0.5～0.9。进一步优选地，第一比值的范围为0.7～0.9。应力调整轴段5与整体轴段3优选为同轴，且其内径相等。
为了保证应力调整方案中，对轮盘原始结构的质量分布影响小，且针对性地就端面齿4的齿形表面应力进行调节，本实施例中，应力调整轴段5的轴向宽度应小于整体轴段3的轴向宽度。优选地，应力调整轴段5的轴向宽度与整体轴段3的轴向宽度的比值范围为0.1～0.25。优选地，轮盘1的直径、应力调整轴段5的外径和整体轴段3的外径一次减小。
在上述应力调整轴段5结构基础上，本实施例还提供了基于应力调整轴段5的尺寸调整对象与齿形表面应力的关系。端面齿4的齿形表面应力σ满足如下方程：
σ＝(F+P)/h*t
F为轴向压紧力，
P为周向压力，
h为端面齿4的齿厚，
t为齿啮合面6的宽度。
如图5所述，各轮盘组件的端面齿4之间存在齿啮合面6，t为齿啮合面6的宽度，h为端面齿4的齿厚。优选地，应力调整轴段5的外径与内径的差值是端面齿4的齿厚h的2倍。进一步优选地，应力调整轴段5的外径与端面齿4的外径相等。
本实施例还提供了一种基于上述燃气轮机装置进行端面齿的齿形表面应力调整的方法，包括如下步骤：
尺寸调整步骤S1：根据尺寸调整范围，调整用于调节端面齿的齿形表面应力的应力调整轴段的内径与外径的第一比值，上述尺寸调整范围即第一比值的范围，优选地，第一比值的范围为0.5～0.9。进一步优选地，第一比值的范围为0.7～0.9，该范围内，应力降低程度与敏感度最高，从而可以最佳地降低齿形表面应力。
应力确定步骤S2：基于第一比值，确定端面齿的齿形表面应力σ。具体来说，通过第一比值，确定应力调整轴段的内径与外径尺寸，并根据上述尺寸通过齿形表面应力σ满足的方程进行确认，该方程如下：
σ＝(F+P)/h*t
F为轴向压紧力，
P为周向压力，
h为端面齿4的齿厚，
t为齿啮合面6的宽度。
判断步骤S3：基于上述确认结果，判断齿形表面应力σ是否满足设计需求。
若齿形表面应力满足设计需求，则确定应力调整轴段的尺寸；若不满足设计需求，则重复S1-S3，直至齿形表面应力满足设计需求。
本实施例还提供了一种包括上述燃气轮机转子装置的燃气轮机。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、本发明提供的燃气轮机转子装置，通过对于端面齿的齿形相连接的应力调整轴段的尺寸进行调整，减小现有技术中结构变化对轮盘原始结构的质量分布、刚度变化区域的影响，降低对轮盘强度与转子动力学特性的影响。
2、本发明提供的通过应力调整轴段的内外径比值的尺寸调整范围进行端面齿齿形表面应力的调整方法，相对于现有技术的应力降低程度与敏感度高，能够实现最佳地降低齿形表面应力的效果。
3、本发明提供的基于应力调整轴段的端面齿的齿形表面应力的调整方法，能够增加端面齿圆环形结构的抗弯截面系数，降低弯曲应力，从而降低齿啮合分离的风险。
4、本发明仅针对应力调整轴段的尺寸进行调整，尤其通过针对应力调整轴段的外径进行调整，调整范围小，工艺方案简单易操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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