转子轴系结构、转子组件及空压机的制作方法

1.本实用新型属于空压机技术领域，更具体地说，是涉及一种转子轴系结构、转子组件及空压机。


背景技术：

2.空气压缩机简称空压机，空压机用于燃料电池系统，对清洁空气进行压缩，将压缩后的清洁空气提供至燃料电池组，以提高燃料电池系统的操作效率。
3.转子为空压机的核心部件，转子位于压缩机和涡轮机中间的位置，通过在转子上安装带磁体以配合定子实现自转。在现有技术中，转子自身结构及其安装带磁体的结构往往不尽合理，会直接关系到整个空压机的工作效率。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种转子轴系结构，提高了转子自身结构及其安装带磁体的结构的合理性，保证了空压机的工作效率。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种转子轴系结构，包括径向轴、推力轴、护套和转子磁钢，所述转子磁钢设于所述护套的内部，所述径向轴和所述推力轴相对设置；
6.所述径向轴自外向内依次设置有第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段，所述第一轴段、所述第二轴段、所述第三轴段和所述第四轴段的外径依次递减；
7.所述推力轴自外向内依次设置有第五轴段、第六轴段、第七轴段和第八轴段，所述第五轴段、所述第六轴段、所述第七轴段和所述第八轴段的外径依次递减；
8.所述第一轴段和所述第五轴段分别穿入所述护套的两端口固定设置，且分别压紧在所述转子磁钢的两端，所述第四轴段和所述第八轴段均为螺纹段。
9.在一种可能的实现方式中，所述径向轴的内部设有第一减重腔室，所述第一减重腔室沿所述径向轴的轴向设置，其一端位于所述第一轴段的端面上；所述推力轴的内部设有第二减重腔室，所述第二减重腔室沿所述推力轴的轴向设置，其一端位于所述第五轴段的端面上。
10.在一种可能的实现方式中，所述第一轴段和所述第二轴段之间形成第一阶梯台，所述第五轴段和所述第六轴段之间形成第二阶梯台，所述第一阶梯台和所述第二阶梯台与所述护套的两个端口平齐。
11.在一种可能的实现方式中，所述第三轴段和所述第四轴段之间设有第一倾斜面，所述第七轴段和所述第八轴段之间设有第二倾斜面。
12.在一种可能的实现方式中，所述径向轴、所述推力轴以及所述护套的材质均为镍基高温合金，所述转子磁钢的材质为稀土钴永磁合金。
13.本实用新型提供的转子轴系结构的有益效果在于：与现有技术相比，径向轴包括外径依次递减的第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段。推力轴包括外径依次递减的第
五轴段、第六轴段、第七轴段和第八轴段。其中，转子磁钢安装护套的内部，径向轴的第一轴段和推力轴的第五轴段相对设置，且分别自护套的两个端口穿入其内部，分别压紧在转子磁钢的两端，第一轴段和第五轴段分别固定在护套的两个端口，从而使转子磁钢在护套内安装稳定。径向轴的第二轴段、第三轴段和第四轴段，推力轴的第六轴段、第七轴段和第八轴段，以及相邻轴段之间形成的阶梯台面，能够为配合结构件提供安装面和定位面。此外，远离护套的第七轴段和第八轴段分别为螺纹段，用于安装定位动力结构件。本实用新型提供的转子轴系结构，具备更为合理的结构，能够保证转子磁钢的稳定安装，确保空压机具备较高的工作效率。
14.本实用新型还提供了一种转子组件，包括上述的转子轴系结构，所述第三轴段自内向外依次套装有压端密封件和压端叶轮，所述第七轴段自内向外依次套装有涡端密封件和涡端叶轮，所述第三轴段或第七轴段上套设有止推盘，所述止推盘压装于所述压端密封件或所述涡端密封件的内侧，所述第四轴段和所述第八轴段的外端均设有锁紧螺母。
15.本实用新型提供的转子组件的有益效果在于：与现有技术相比，压端密封件和压端叶轮自内向外依次安装在第三轴段上，涡端密封件和涡端叶轮自内向外依次安装在第七轴段上，第四轴段和第八轴段的外端均设有锁紧螺母，从而分别将压端叶轮和压端密封件依次压紧，以及将涡端叶轮和涡端密封件依次压紧。其中，转子轴系结构上还安装有止推盘，止推盘可安装在第三轴段或第七轴段，并压装于压端密封件或涡端密封件的内侧。
16.当止推盘安装在第三轴段上时，由于转子的轴向力方向为从涡端叶轮指向压端叶轮处，所以正常运转时，止推轴承贴紧止推轴承座，且轴向伸长量自止推盘处开始计算，由于此结构压端叶轮距离止推盘较近，所以自止推盘到压端叶轮处的轴段热伸长量较小可忽略不计，所以压端叶轮与蜗壳设计间隙约等于主机正常运转时间隙，这样可保证压端叶轮与压端蜗壳间隙，可保证空压机压缩机的压缩效率。
17.当止推盘安装在第七轴段上时，由于压端叶轮质量大于涡端叶轮质量，止推轴承及止推盘放于涡端叶轮处，平衡了叶轮重量使整机振动减小，且涡端侧温度相对较低，利于止推轴承散热，增加了止推轴承使用寿命。
18.本实用新型还提供了一种空压机，包括所述的转子组件。
19.本实用新型提供的空压机的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型提供的空压机主要包含压缩机端、涡轮机端及上述的转子组件，压缩机及涡轮机同轴。具有一定压力的燃料电池尾气进入涡轮机端推动涡轮转动，带动空压机轴转动，进而带动压端叶轮转动压缩空气。充分利用了燃料电池系统尾气能量，提高了系统效率。
20.本实用新型提供的空压机还包括电机，电机输出轴与压缩机及涡轮机同轴，电机转动带动压缩机叶轮旋转进而压缩空气，涡轮机进气口与燃料电池尾气相连，燃料电池尾气推动涡轮机叶轮转动，辅助推动电机轴旋转，降低电机能耗，进而提升空压机效率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型实施例提供的转子轴系结构的剖视结构图；
23.图2为本实用新型另一种实施例提供的转子轴系结构的剖视结构图；
24.图3为本实用新型实施例提供的止推盘安装在压端的结构示意图；
25.图4为本实用新型实施例提供的止推盘安装在涡端的结构示意图。
26.附图标记说明：
27.100、转子磁钢；110、定位块；200、护套；300、径向轴；310、第一轴段；320、第二轴段；330、第三轴段；340、第四轴段；350、第一减重腔室；360、第一阶梯台；370、第三阶梯台；380、第一倾斜面；400、推力轴；410、第五轴段；420、第六轴段；430、第七轴段；440、第八轴段；450、第二减重腔室；460、第二阶梯台；470、第四阶梯台；480、第二倾斜面；500、压端密封件；600、压端叶轮；700、涡端密封件；800、涡端叶轮；900、止推盘；1000、锁紧螺母。
具体实施方式
28.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
29.请参阅图1及图2，现对本实用新型提供的转子轴系结构进行说明。转子轴系结构，包括径向轴300、推力轴400、护套200和转子磁钢100，转子磁钢100设于护套200的内部，径向轴300和推力轴400相对设置；径向轴300自外向内依次设置有第一轴段310、第二轴段320、第三轴段330和第四轴段340，第一轴段310、第二轴段320、第三轴段330和第四轴段340的外径依次递减；推力轴400自外向内依次设置有第五轴段410、第六轴段420、第七轴段430和第八轴段440，第五轴段410、第六轴段420、第七轴段430和第八轴段440的外径依次递减；第一轴段310和第五轴段410分别穿入护套200的两端口固定设置，且分别压紧在转子磁钢100的两端，第四轴段340和第八轴段440均为螺纹段。
30.本实用新型提供的转子轴系结构，与现有技术相比，径向轴300包括外径依次递减的第一轴段310、第二轴段320、第三轴段330和第四轴段340。推力轴400包括外径依次递减的第五轴段410、第六轴段420、第七轴段430和第八轴段440。其中，转子磁钢100安装护套200的内部，径向轴300的第一轴段310和推力轴400的第五轴段410相对设置，且分别自护套200的两个端口穿入其内部，分别压紧在转子磁钢100的两端，第一轴段310和第五轴段410分别固定在护套200的两个端口，从而使转子磁钢100在护套200内安装稳定。径向轴300的第二轴段320、第三轴段330和第四轴段340，推力轴400的第六轴段420、第七轴段430和第八轴段440，以及相邻轴段之间形成的阶梯台面，能够为配合结构件提供安装面和定位面。此外，远离护套200的第七轴段430和第八轴段440分别为螺纹段，用于安装定位动力结构件。本实用新型提供的转子轴系结构，具备更为合理的结构，能够保证转子磁钢100的稳定安装，确保空压机具备较高的工作效率。
31.具体的，径向轴300、推力轴400以及护套200的材质均为镍基高温合金，转子磁钢100的材质为稀土钴永磁合金。护套200将径向轴300推力轴400及转子磁钢100连接为一个整体。
32.推力轴400、径向轴300以及护套200材质为gh4169，转子磁钢100材质为sm-30u稀土钴永磁材料。由于转子磁钢100无法焊接，所以护套200、推力轴400以及径向轴300选用相
同材质，在焊接的同时，将转子磁钢100固定在护套200的内腔，使其保持稳定。
33.gh4169材质是一种沉淀强化镍基高温合金，在-253～650℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。
34.利用gh4169材质自身良好的焊接性能，能够确保推力轴400、径向轴300以及护套200的良好施焊。在焊接推力轴400、径向轴300以及护套200时，径向轴300的第一轴段310插入护套200的一个端口，第一轴段310和第二轴段320形成的第一阶梯台360与护套200的端口平齐，便于在环形焊缝处开设坡口，进行施焊。同样的，推力轴400的第五轴段410插入护套200的另一个端口，第五轴段410和第六轴段420形成的第二阶梯台460与护套200的端口平齐，便于在环形焊缝处开设坡口，进行施焊。推力轴400、径向轴300以及护套200焊接完成后，对第一阶梯台360和第二阶梯台460进行修磨抛光处理。
35.此外，转子在工作时，其周向具备较大的扭转力，尤其是突然加速、突然减速或是改变转向时，为了进一步确保，推力轴400、径向轴300以及护套200的稳定性，避免三者的连接结构因长时间使用后，出现结构不稳定而发生周向相对位移的情况，在护套200的内壁靠近端口的位置设置定位块110，同样的，在第一轴段310和第五轴段410开设相应的卡槽，以实现径向轴300和推力轴400与护套200形成卡接结合焊接的双重连接关系。
36.参照图1和图2，在第三轴段330和第四轴段340之间设置第一倾斜面380，在第七轴段430和第八轴段440之间设置第二倾斜面480，第一倾斜面380和第二倾斜面480为周向设置的过渡面，进而形成锥形台，能够配合动力结构件，如与叶轮的中心孔相互配合安装。优选的，第一倾斜面380和第二倾斜面480的倾斜角度均为45
°
，锥形台截面的两个斜边形成的夹角a和b均为90
°
。
37.参照图2，第一减重腔室350沿径向轴300的轴向开设在其内部，第一减重腔室350的一端延伸至第一轴段310的端面上，另一端延伸至第二轴段320靠近第三轴段330的位置，为了提高径向轴300的自重，第一减重腔室350的宽度最大可设置与第三轴段330外径相同的尺寸。同理，第二减重腔室450沿推力轴400的周向开设在其内部，其结构和布设方式与第一减重腔室350相同，在此不再赘述。
38.此外，第一减重腔室350为棱柱形腔室，在转子磁钢100的端部设有凸起块，该凸起块与棱柱形腔室的内腔相适配，径向轴300借助第一减重腔室350和凸起块的插接配合，实现径向轴300和转子磁钢100的同轴设置，能够确保转子磁钢100与护套200的同轴度。为了确保第一减重腔室350能够顺利的套设在凸起块上，在第一减重腔室350的端部设置导向斜面，同时在凸起块上设置与其配合的配合斜面。同理，第二减重腔室450也为棱柱形腔室，其与第一减重腔室350的结构和装配方式相同，在此不再赘述。
39.参照图3，本实用新型还提供了一种转子组件，包括上述的转子轴系结构，第三轴段330自内向外依次套装有压端密封件500和压端叶轮600，第七轴段430自内向外依次套装有涡端密封件700和涡端叶轮800，第三轴段330或第七轴段430上套设有止推盘900，止推盘900压装于压端密封件500或涡端密封件700的内侧，第四轴段340和第八轴段440的外端均设有锁紧螺母1000。
40.本实用新型提供的转子轴系结构，与现有技术相比，压端密封件500和压端叶轮600自内向外依次安装在第三轴段330上，涡端密封件700和涡端叶轮800自内向外依次安装
在第七轴段430上，第四轴段340和第八轴段440的外端均设有锁紧螺母1000，从而分别将压端叶轮600和压端密封件500依次压紧，以及将涡端叶轮800和涡端密封件700依次压紧。其中，转子轴系结构上还安装有止推盘900，止推盘900可安装在第三轴段330或第七轴段430，并压装于压端密封件500内侧的第三阶梯台370上或压装于涡端密封件700内侧的第四阶梯台470上。
41.当止推盘900安装在第三轴段330上时，由于转子的轴向力方向为从涡端叶轮800指向压端叶轮600处，所以正常运转时，止推轴承贴紧止推轴承座，且轴向伸长量自止推盘900处开始计算，由于此结构压端叶轮600距离止推盘900较近，所以自止推盘900到压端叶轮600处的轴段热伸长量较小可忽略不计，所以压端叶轮600与蜗壳设计间隙约等于主机正常运转时间隙，这样可保证压端叶轮600与压端蜗壳间隙，可保证空压机压缩机的压缩效率。
42.当止推盘900安装在第七轴段430上时，由于压端叶轮600质量大于涡端叶轮800质量，止推轴承及止推盘900放于涡端叶轮800处，平衡了叶轮重量使整机振动减小，且涡端侧温度相对较低，利于止推轴承散热，增加了止推轴承使用寿命。
43.压端叶轮600的材质为铝，涡端叶轮800的材质为不锈钢，由于压端叶轮600的直径大于涡端叶轮800的直径。压端叶轮600采用铝叶轮，涡端叶轮800采用不锈钢叶轮，可平衡转子两端的重量。另外，由于涡轮机端直接与氢燃料反应堆尾气相连，反应尾气含有大量水蒸气，水蒸气对涡端叶轮800有一定的水蚀作用，且反应堆尾气呈弱酸性，对涡端叶轮800有一定腐蚀作用，为避免涡端叶轮800腐蚀，而将涡端叶轮800采用不锈钢叶轮。
44.其中，涡端叶轮800可采用17-4ph不锈钢材质，耐腐蚀性优于铝叶轮。同时，在涡端叶轮800的表面依次附着镀层和耐腐蚀镀层。附着镀层可增加涡端叶轮800外表面附着力，便于耐腐蚀镀层的涂覆。附着镀层采用cral材质，耐腐蚀镀层采用tialn或crsin的氮化物涂层，可增加表面硬度，可使涡端叶轮800的外表面硬度达到2000hv降低叶轮表面摩擦系数，增大叶轮的耐腐蚀性能。
45.此外，压端叶轮600的叶片包括两种，一种为短叶片，一种为长叶片，长叶片和短叶片间隔交替排布，实现均衡引流，提高引流的效果。同样的，可在保证气体流量的前提下，增加气体引导叶片数量，增大压比。
46.压端密封件500和涡端密封件700采用密封环密封或者迷宫密封的形式，压端密封件500和涡端密封件700均采用17-4ph不锈钢，提高耐腐蚀性能。
47.本实用新型还提供了一种空压机，使用了上述的转子组件。
48.本实用新型提供的空压机主要包含压缩机端、涡轮机端及上述的转子组件，压缩机及涡轮机同轴。具有一定压力的燃料电池尾气进入涡轮机端推动涡轮转动，带动空压机轴转动，进而带动压端叶轮600转动压缩空气。充分利用了燃料电池系统尾气能量，提高了系统效率。
49.本实用新型提供的空压机还包括电机，电机输出轴与压缩机及涡轮机同轴，电机转动带动压缩机叶轮旋转进而压缩空气，涡轮机进气口与燃料电池尾气相连，燃料电池尾气推动涡轮机叶轮转动，辅助推动电机轴旋转，降低电机能耗，进而提升空压机效率。
50.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型
的保护范围之内。