一种单轴多级整体离心式叶轮转子及其加工方法与流程

本发明涉及离心压缩机转子设计及加工，具体涉及一种单轴多级整体离心式叶轮转子及其加工方法。

背景技术：

1、离心式叶轮转子作为离心压缩机的核心做功部件，其结构整体性与运行可靠性直接决定整机寿命与安全边界。当前常规的离心式叶轮转子普遍采用分体拼装式结构，即各级离心式叶轮为独立制造的单体零件，通过键连接、过盈配合、热套装配等方式逐一套装并紧固于传动主轴上，离心式叶轮与主轴之间存在明确的装配结合面与机械接口。该结构在高转速、高负荷、交变载荷工况下暴露出难以消除的固有缺陷：其一，叶轮内孔与主轴配合段、键槽根部、过盈边缘易形成显著应力集中，导致结构强度与刚性下降，长期运行易萌生疲劳裂纹，成为转子失效与安全事故的主要诱因；其二，分体结构零件数量多、装配链长、对中精度要求严苛，装配累积误差难以根除，长期服役易出现配合松动、相对滑移、预紧力衰减，破坏初始动平衡状态，引发振动加剧、气动性能劣化乃至转子失稳。

2、为提升转子整体性，现有技术中已有针对轴流透平机械采用整体锻件一体化加工转子的相关方案，该类方案将轴流转子的轮毂与动叶片整体加工成型，取消装配接口，改善应力分布。但轴流转子与离心叶轮转子在流道形式、叶片构型、载荷特征、加工约束上存在本质区别：轴流转子为轴向进气、轴向排气，叶片为沿轴向排布的直列叶栅，叶片展弦比大、受力以气动推力为主；而单轴多级整体离心叶轮转子为轴向进气、径向排气，叶片承受巨大离心载荷与弯扭复合应力，流道封闭且空间曲率复杂，加工可达性、刚性控制、动平衡实现难度远高于轴流转子。因此，现有轴流一体式转子的结构设计与加工方法无法直接迁移应用于多级离心叶轮转子，不能解决分体式离心转子所面临的应力集中、装配松动、高速稳定性不足等技术难题。基于此，亟需研发一种无装配接口、主轴与多级离心叶轮整体锻制一体成型的转子结构及其配套加工方法，以突破传统分体结构的性能瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种单轴多级整体离心式叶轮转子及其加工方法。

2、为了实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术方案：一种单轴多级整体离心式叶轮转子，包括主轴和离心式叶轮组；所述主轴和离心式叶轮组通过整体加工一体成型；所述主轴上从靠近电机到远离电机的方向依次设置驱动盘、推力盘、第一支承段、离心式叶轮组、第二支承段、密封段；所述离心式叶轮组至少包括两个以上离心式叶轮；

3、所述主轴为空心或实心结构；

4、所述离心式叶轮包括轮毂和叶片组；所述叶片组与轮毂通过整体加工一体成型；所述叶片组包括若干第一叶片；所述第一叶片沿轮毂周向间隔分布；所述第一叶片沿轮毂径向与周向同步连续扭转，形成三维空间扭曲结构，形成三元流叶片；

5、所述叶片组还包括若干第二叶片；所述第二叶片尺寸小于一级叶片尺寸；所述第二叶片与第一叶片沿轮毂周向间隔交错分布；所述第一叶片和第二叶片在轮毂上构成大小相间的复合叶片结构；

6、所述第二叶片沿轮毂径向与周向同步连续扭转，形成三维空间扭曲结构，形成三元流叶片。

7、本发明还提供一种单轴多级整体离心式叶轮转子的加工方法，用于加工上述的单轴多级整体离心式叶轮转子，具体包括如下步骤：采用单一高强度锻件作为整体毛坯，经热处理及探伤合格后，以锻件中心轴线为统一基准粗加工出主轴与离心式叶轮整体基体，主轴与离心式叶轮为连续一体结构，二者之间不设置任何机械装配接口；随后通过数控车削、精密磨削完成主轴上驱动盘、推力盘、第一支承段、第二支承段、密封段的精加工，再采用五轴数控铣削或电火花加工对离心式叶轮一体化成型，轮毂和叶片组通过一次加工成型；整体加工完成后依次开展去毛刺光整、复合无损探伤，随后进行 115% 额定转速超速试验，超速复检无缺陷后实施高速动平衡校正，最终得到无装配接口、整体锻制一体成型的转子成品；锻件材质为高强度合金钢。

8、本发明具有以下优点：

9、1.彻底消除应力集中、强度刚性不足问题，可靠性高：由于所有离心式叶轮与主轴为无界面的整体金属连续结构，从根本上消除了键槽连接、过盈配合等传统应力集中源，使转子应力分布均匀，疲劳强度和承载能力大幅提升，特别适用于高转速及结构小巧的设计工况。

10、2.结构刚性极佳：整体式结构使转子成为一个刚性极大的整体，其弯曲临界转速显著高于同级分体式转子，有效避开了工作转速区间，运行稳定性好，无需考虑离心力对配合面的影响。

11、3.动平衡性能卓越且持久：转子在制造中可进行一次性的高精度动平衡校正。由于无可能松动的零件，其优异的动平衡状态在整個生命周期内能保持高度稳定，为设备低振动运行提供了根本保障。

12、4.制造精度高，性能一致性好：通过数控机床车削、磨削及五轴加工中心一次性装夹完成所有特征加工，保证了多级离心式叶轮之间、离心式叶轮与主轴之间的形位公差达到极高精度，从而确保了优异的气动性能和机械性能。

13、5、以一个采用传统装配式转子的四级离心压缩机为例，每分钟排气2000标方的，排气压力0.6mpa（a），转子的转速只能到6000转每分钟，替换为本发明的单轴多级整体离心式叶轮转子，转速可以做到7000转-8000转每分钟，排气量可以增加到2500标方每分钟。

1.一种单轴多级整体离心式叶轮转子，其特征在于：包括主轴和离心式叶轮组；所述主轴和离心式叶轮组通过整体加工一体成型；所述主轴上从靠近电机到远离电机的方向依次设置驱动盘、推力盘、第一支承段、离心式叶轮组、第二支承段、密封段；所述离心式叶轮组至少包括两个以上离心式叶轮。

2.根据权利要求1所述的单轴多级整体离心式叶轮转子，其特征在于：所述主轴为空心或实心结构。

3.根据权利要求1所述的单轴多级整体离心式叶轮转子，其特征在于：所述离心式叶轮包括轮毂和叶片组；所述叶片组与轮毂通过整体加工一体成型；所述叶片组包括若干第一叶片；所述第一叶片沿轮毂周向间隔分布；所述第一叶片沿轮毂径向与周向同步连续扭转，形成三维空间扭曲结构，形成三元流叶片。

4.根据权利要求3所述的单轴多级整体离心式叶轮转子，其特征在于：所述叶片组还包括若干第二叶片；所述第二叶片尺寸小于一级叶片尺寸；所述第二叶片与第一叶片沿轮毂周向间隔交错分布；所述第一叶片和第二叶片在轮毂上构成大小相间的复合叶片结构。

5.根据权利要求4所述的单轴多级整体离心式叶轮转子，其特征在于：所述第二叶片沿轮毂径向与周向同步连续扭转，形成三维空间扭曲结构，形成三元流叶片。

6.一种单轴多级整体离心式叶轮转子的加工方法，其特征在于：用于加工权利要求1-5任一项所述的单轴多级整体离心式叶轮转子。

7.根据权利要求6所述的单轴多级整体离心式叶轮转子的加工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：采用单一高强度锻件作为整体毛坯，经热处理及探伤合格后，以锻件中心轴线为统一基准粗加工出主轴与离心式叶轮整体基体，主轴与离心式叶轮为连续一体结构，二者之间不设置任何机械装配接口；随后通过数控车削、精密磨削完成主轴上驱动盘、推力盘、第一支承段、第二支承段、密封段的精加工，再采用五轴数控铣削或电火花加工对离心式叶轮一体化成型，轮毂和叶片组通过一次加工成型；整体加工完成后依次开展去毛刺光整、复合无损探伤，随后进行 115% 额定转速超速试验，超速复检无缺陷后实施高速动平衡校正，最终得到无装配接口、整体锻制一体加工成型的转子成品。

8.根据权利要求7所述的单轴多级整体离心式叶轮转子的加工方法，其特征在于：锻件材质为高强度合金钢。