叶轮锁紧结构和压缩机的制作方法

本发明涉及压缩机技术领域，特别涉及一种叶轮锁紧结构和压缩机。

背景技术：

离心压缩机的叶轮对气体做功，以提高气体能量，且气体增加的能量与叶轮的转速成正相关。根据压比不同，叶轮转速每分钟可达几千转。例如，当压比高时，甚至达25000rpm以上。因此，为保证叶轮工作时的可靠性与安全性，叶轮锁紧结构起着重要作用。

现有技术中的离心压缩机常用的叶轮锁紧方式有两种：一种是热套配合锁紧，另一种是键配合锁紧。

其中，热套配合锁紧时，将叶轮加热至100℃左右，使其受热膨胀后，迅速与主轴装配，这样，便可利用叶轮冷却后产生的装配过盈量达到锁紧目的。虽然热套配合锁紧结构简单，不需增加其他零件，但需要加热设备，且不利于拆卸，并对装配工艺有严格要求。

现有技术中的键配合锁紧时，需要依靠键槽与键的配合来约束叶轮的位移并传递力矩。但是，由于采用的键是标准件，其固有的直角结构致使键槽端部的应力集中较大，降低叶轮强度。

技术实现要素：

本发明提供了一种叶轮锁紧结构和压缩机，以解决现有技术中键配合的应力集中较大，叶轮强度较低的问题。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种叶轮锁紧结构，包括叶轮、主轴和键，所述叶轮的轴孔的内壁上开设有叶轮键槽，所述主轴的外表面上开设有与所述叶轮键槽对应设置的主轴键槽，键容置安装于所述叶轮键槽与所述主轴键槽之间，以实现所述叶轮和主轴的周向固定，所述叶轮键槽与所述主轴键槽的径向截面均为光滑曲线。

优选地，所述主轴包括第一端和第二端，所述主轴键槽位于所述第一端与所述第二端之间。

优选地，所述主轴的第一端形成有螺纹，所述主轴的第二端形成有轴肩。

优选地，所述叶轮锁紧结构还包括安装在所述第一端的锁紧螺母，所述叶轮被轴向锁紧于所述轴肩与所述锁紧螺母之间。

优选地，所述锁紧螺母的公称直径M与所述轴肩的直径D之间满足：1.3M≤D≤1.8M。

优选地，所述锁紧螺母和/或所述轴肩的与所述叶轮接触的表面的面粗糙度小于或等于3.2μm。

优选地，所述锁紧螺母和/或所述轴肩的与所述叶轮接触的表面对所述主轴的中心线的垂直度小于或等于0.05mm。

优选地，所述锁紧螺母的轴向长度L1、所述叶轮键槽的轴向长度L2、所述主轴键槽的轴向长度L3满足：L1>2(L3-L2)。

优选地，所述键为球形，且所述球形的半径R1与所述锁紧螺母的公称直径M之间满足以下关系：0.2M≤R1≤0.4M。

优选地，所述键为球形，所述键的个数n、所述主轴键槽的轴向长度L2、所述键的截面半径R1之间满足：n<(L2/(2R1))。

优选地，所述键与所述主轴键槽为过盈配合。

优选地，所述键与所述叶轮键槽为点接触。

优选地，所述键为球形，所述主轴键槽的深度t、所述键的截面半径R1及所述主轴键槽的截面半径R2之间满足：t＝R1＝R2。

优选地，所述键为球形，所述主轴键槽的轴向长度L3、所述叶轮键槽的轴向长度L2、所述键的截面半径R1之间满足：L3≥(L2+2R1)。

优选地，所述主轴键槽的轴向长度L3、所述叶轮键槽的轴向长度L2、所述键的截面半径R1之间满足：(L2+2R1)≤L3≤1.2(L2+2R1)。

优选地，所述主轴键槽为球状沟槽，所述球状沟槽的内表面由一个球体沿所述主轴键槽的延伸方向由所述主轴键槽的一端滚动至另一端的过程中所形成的轮廓面构成。

优选地，所述主轴上形成有多个所述主轴键槽，所述多个主轴键槽沿所述主轴的周向均匀分布。

优选地，所述主轴键槽的数量为偶数。

优选地，所述主轴键槽的个数为2至4个。

优选地，所述叶轮键槽与所述主轴键槽之间形成第一空间，所述第一空间沿所述叶轮径向截面的轴向投影为圆形。

优选地，所述圆形的圆心位于所述叶轮键槽的一侧。

优选地，所述键为球形、或圆柱形、或椭圆柱形。

优选地，所述叶轮锁紧结构包括多个球形的所述键，各所述键之间的直径误差小于或等于50μm。

本发明还提供了一种压缩机，包括上述的叶轮锁紧结构。

由于本发明中的叶轮键槽与主轴键槽采用圆润结构设计，突破了现有技术中传统的键及键槽的固定结构，有效地解决键配合的应力集中问题，提高了叶轮强度。本发明中的键槽减少了对主轴的削弱程度，在同等强度极限下，采用本发明能设置更多的键槽与键，从而提高载荷分布的均匀性与传递主轴力矩能力，进而提升压缩机制冷能力。本发明中的结构简单、安全可靠，且加工性好，易于推广。

附图说明

图1示意性地示出了本发明中的叶轮锁紧结构的分解图；

图2示意性地示出了本发明中的叶轮锁紧结构的剖视图；

图3示意性地示出了图2的A-A剖视图。

图中附图标记：1、叶轮；2、主轴；3、键；4、叶轮键槽；5、主轴键槽；6、轴肩；7、锁紧螺母。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

请参考图1至图3，本发明中的叶轮锁紧结构包括叶轮1、主轴2和一个或多个(2个以上)用于传递动力的键3。该叶轮锁紧结构特别适合于在离心压缩机等场合使用。

其中，叶轮1的中部具有一个轴孔，在轴孔的内壁上形成有一个或多个叶轮键槽4。此外，在主轴2的外表面上，开设一个或多个与叶轮键槽4对应设置的主轴键槽5。这样，当主轴2安装到叶轮1的轴孔内时，将键3容置安装在叶轮键槽4与主轴键槽5之间，使得叶轮1和主轴2的周向固定，从而传递运动和转矩，以及传递动力。与现有技术不同的是，本发明中的叶轮键槽4与主轴键槽5的径向截面，也是沿叶轮1或主轴2径向截面的轴向投影，均为光滑曲线。例如，叶轮键槽4与主轴键槽5之间形成第一空间，第一空间沿叶轮1径向截面的轴向投影为圆形等具有圆滑过渡形状的曲面围成。

由于本发明中的叶轮键槽与主轴键槽采用圆润结构设计，突破了现有技术中传统的键及键槽的固定结构，有效地解决键配合的应力集中问题，提高了叶轮强度。本发明中的键槽减少了对主轴的削弱程度，在同等强度极限下，采用本发明能设置更多的键槽与键，从而提高载荷分布的均匀性与传递主轴力矩能力，进而提升压缩机制冷能力。本发明中的结构简单、安全可靠，且加工性好，易于推广。

如图1和图2所示，本发明中的主轴2包括第一端和第二端，在第一端与第二端之间的位置处，设置有上述的主轴键槽5。如图所示，主轴键槽5仅占据主轴2的中间的一部分长度。

为了安装的目的，本发明在主轴2的第一端上设置外螺纹，并在主轴2的第二端的一部分位置处突出地形成轴肩6，从而使主轴2形成为一个阶梯轴。安装时，将主轴2的第一端穿过叶轮1的轴孔，使叶轮1的右侧靠在轴肩6上，然后再在主轴2的第一端上安装一个锁紧螺母7。这样，便可将叶轮1轴向锁紧固定到主轴2上。优选地，锁紧螺母7的内径带有普通公制内螺纹，并通过螺纹与主轴2连接，进而实现对叶轮1轴向固定。优选地，锁紧螺母7的公称直径M与轴肩6的直径D之间满足：1.3M≤D≤1.8M。

为了保证叶轮锁紧后的装配垂直度，优选地，锁紧螺母7和/或轴肩6的与叶轮1接触的表面的面粗糙度小于或等于3.2μm，或者更优选地，锁紧螺母7和/或轴肩6的与叶轮1接触的表面对主轴2的中心线的垂直度小于或等于0.05mm。

为了保证螺纹连接的有效长度，锁紧螺母7的轴向长度L1、叶轮键槽4的轴向长度L2、主轴键槽5的轴向长度L3优选满足：L1>2(L3-L2)。

优选地，键3为球形，考虑到主轴强度和被锁紧对象之间的关系，本发明优选地，球形的半径R1与锁紧螺母7的公称直径M之间满足以下关系：0.2M≤R1≤0.4M。采用球形的键3，由于其结构常规、简单，因此易于实现批量生产。

当主轴键槽5的轴向长度L2较大、键3的数量越多时，键3的传递力矩越平稳。考虑到锁紧螺母7对叶轮1的锁紧作用，优选地，锁紧螺母7的个数n、主轴键槽5的轴向长度L2、键3的截面半径R1之间满足：n<(L2/(2R1))。

优选地，键3与主轴键槽5为过盈配合，过盈量可根据设计需要查询手册而定。键3与叶轮键槽4之间的接触副为点接触。工作时，为了使叶轮对键3的反作用力水平且经过键3的球心，优选地，主轴键槽5的深度t、键3的截面半径R1及主轴键槽5的截面半径R2之间满足：t＝R1＝R2。

为了实现键3和叶轮1的自由装配(即键3、叶轮1无先后装配顺序之分)，优选地，主轴键槽5的轴向长度L3、叶轮键槽4的轴向长度L2、键3的截面半径R1之间满足：L3≥(L2+2R1)。结合上述的保证锁紧螺母7与主轴2的螺纹有效连接长度，一般地，主轴键槽5的轴向长度L3、叶轮键槽4的轴向长度L2、键3的截面半径R1之间满足：(L2+2R1)≤L3≤1.2(L2+2R1)。

为了减少主轴键槽5的加工应力，降低对主轴2的削弱作用，主轴键槽5采用“球状沟槽”。更具体地说，球状沟槽的内表面由一个球体沿主轴键槽5的延伸方向由主轴键槽5的一端滚动至另一端的过程中所形成的轮廓面构成。图2所示，主轴键槽5的左、右两端，为刚好包裹键3的球面形状。另外的，随着主轴键槽5的深度t不同，横截面形状应为不同弧长的圆弧形状

为了改善主轴2及键3受力环境，优选地，主轴键槽5的数量为偶数。

优选地，主轴2上形成有多个主轴键槽5，多个主轴键槽5沿主轴2的周向均匀分布。考虑到键槽对轴强度削弱作用，优选地，主轴键槽5的个数为2至4个。优选地，圆形的圆心位于叶轮键槽4的一侧。

本发明中的键3应采用球类的圆润结构，这样，一方面可以减少加工应力，另一方面，当装配主轴和叶轮时，键3作为两者的连接媒介，可以改滑动装配为滚动装配，以减小摩擦、改进装配工艺。除了球状，键3还可以加工成圆柱状、椭圆柱形、或其他圆润结构的形状。

优选地，叶轮锁紧结构包括多个键3，为了保证传递力矩的可靠性以及传递载荷的均匀性，各键3之间的形状(直径)误差小于或等于5丝(50μm)。

通过上述的叶轮锁紧结构，不但能有效地锁紧叶轮，优化叶轮工作环境，而且便于装配和拆卸叶轮，提高了装配效率与售后可操作性。

本发明还提供了一种压缩机，包括上述的叶轮锁紧结构。

由于采用了上述技术方案，本发明可解决热套配合锁紧叶轮时，叶轮和主轴装配技术难度大及装配后难以拆卸的问题；键配合锁紧叶轮时，键槽及键应力集中问题。与热套配合锁紧对比，本发明简化了叶轮装配工艺、设备，提高了装配效率，拆卸方便；与热套配合锁紧对比，本发明中的柔性叶轮锁紧结构，既能有效地锁紧叶轮，优化叶轮工作环境，又能便于装配和拆卸叶轮，提高装配效率与售后可操作性。

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。