一种氦气涡轮机轴系的拧紧方法及轴向加载式拧紧工装与流程

本发明属于预冷空气涡轮火箭发动机技术领域，尤其涉及一种氦气涡轮机轴系的拧紧方法及轴向加载式拧紧工装。

背景技术：

氦气涡轮机是预冷空气涡轮火箭发动机的一项关键基础技术，作为飞行器的一部分其空间尺寸和结构重量均受到了严格的约束。由于以上约束，预冷空气涡轮火箭发动机用氦气涡轮机的轴设计得细而长，且轴系上零件的布局极其紧凑，在装配过程中进行轴系拧紧时仅有两端轴头的螺纹段可资施力。若在轴两端施加大小相等、方向相反的扭矩来拧紧轴系，则可能导致细长的轴发生较大塑性变形甚至断裂，因而，如何对小型紧凑式氦气涡轮机轴系进行拧紧是本领域技术人员亟需解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种氦气涡轮机轴系的拧紧方法及轴向加载式拧紧工装，通过在轴加载状态下带紧轴端螺母，利用轴在卸载后的弹性变形恢复来产生预紧力，从而避免了通过在轴上施加扭矩来产生预紧力，保护了产品免受伤害。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种氦气涡轮机轴系的拧紧方法，包括：

将轴系各零件按照装配关系依次安装在中心轴(5)上；其中，轴系各零件，包括：中心轴(5)、涡轮轴端螺母(6)、涡轮盘(7)、压气机叶轮(15)和压气机轴端螺母(8)；

通过轴向加载式拧紧工装对涡轮轴端螺母(6)进行拧紧装配，至涡轮轴端螺母(6)不能继续转动为止；其中，轴向加载式拧紧工装，包括：拉力机(1)、拉力机轴(2)、涡轮盘支撑套筒(3)、涡轮端拉杆螺母(4)、压气机端拉杆螺母(9)、球头拉杆(10)和压气机端承力支板(11)；

通过轴向加载式拧紧工装对压气机轴端螺母(8)进行拧紧装配，至压气机轴端螺母(8)不能继续转动为止，以完成轴系各零件的装配。

在上述氦气涡轮机轴系的拧紧方法中，将轴系各零件按照装配关系依次安装在中心轴(5)上，包括：

将涡轮轴端螺母(6)、涡轮盘(7)、压气机叶轮(15)和压气机轴端螺母(8)按照装配关系依次安装在中心轴(5)上；其中，压气机轴端螺母(8)位于压气机叶轮(15)的左侧，涡轮轴端螺母(6)位于涡轮盘(7)的右侧，且，压气机轴端螺母(8)和涡轮轴端螺母(6)处于未拧紧状态。

在上述氦气涡轮机轴系的拧紧方法中，通过轴向加载式拧紧工装对涡轮轴端螺母(6)进行拧紧装配，至涡轮轴端螺母(6)不能继续转动为止，包括：

通过涡轮端拉杆螺母(4)将中心轴(5)与拉力机轴(2)相连，并保证中心轴(5)与拉力机轴(2)同心；

将涡轮盘支撑套筒(3)的一端抵住涡轮盘(7)、另一端抵住拉力机(1)的壳体，并调整涡轮盘支撑套筒(3)与中心轴(5)、拉力机轴(2)同心；

通过拉力机(1)对中心轴(5)施加拉力；

通过涡轮盘支撑套筒(3)上的方槽(12)向拧紧涡轮盘(7)的方向拨转涡轮轴端螺母(6)，至涡轮轴端螺母(6)不能继续转动为止；

卸除拉力机(1)对中心轴(5)施加的拉力，拆除涡轮盘支撑套筒(3)。

在上述氦气涡轮机轴系的拧紧方法中，通过轴向加载式拧紧工装对压气机轴端螺母(8)进行拧紧装配，至压气机轴端螺母(8)不能继续转动为止，包括：

调整压气机端承力支板(11)的位置，使压气机端承力支板(11)上的中心孔(14)与中心轴(5)、拉力机轴(2)同心，并固定压气机端承力支板(11)位置；

通过压气机端拉杆螺母(9)将中心轴(5)与球头拉杆(10)相连；

通过拉力机(1)对中心轴(5)施加拉力；

向拧紧压气机叶轮(15)的方向拨转压气机轴端螺母(8)，至压气机轴端螺母(8)不能继续转动为止。

在上述氦气涡轮机轴系的拧紧方法中，第一施加力的大小满足中心轴(5)始终处于弹性变形范围内，第二施加力的大小满足中心轴(5)始终处于弹性变形范围内；且，第二施加力不大于第一施加力；其中，第一施加力为：在过轴向加载式拧紧工装对涡轮轴端螺母(6)进行拧紧装配时，通过拉力机(1)对中心轴(5)施加的拉力；第二施加力为：在通过轴向加载式拧紧工装对压气机轴端螺母(8)进行拧紧装配时，通过拉力机(1)对中心轴(5)施加的拉力。

在上述氦气涡轮机轴系的拧紧方法中，还包括：卸除拉力机(1)对中心轴(5)施加的拉力，并拆除轴向加载式拧紧工装。

在上述氦气涡轮机轴系的拧紧方法中，压气机端承力支板(11)上设置有一半球形凹槽(13)，半球形凹槽(13)的球面与球头拉杆(10)的球面吻合。

在上述氦气涡轮机轴系的拧紧方法中，半球形凹槽(13)底部开有一中心孔(14)；其中，中心孔(14)的孔径大于球头拉杆(10)的杆的直径，以保证在工作过程中球头拉杆(10)能够与中心轴(5)自动同心。

本发明还公开了一种用于氦气涡轮机轴系拧紧的轴向加载式拧紧工装，包括：拉力机(1)、拉力机轴(2)、涡轮盘支撑套筒(3)、涡轮端拉杆螺母(4)、压气机端拉杆螺母(9)、球头拉杆(10)和压气机端承力支板(11)；其中，拉力机(1)固定，拉力机轴(2)从拉力机一侧伸出，在拉力机(1)驱动下可沿轴向伸缩运动；涡轮盘支撑套筒(3)一端抵在拉力机(1)壳体上另一端抵在涡轮盘凸台处；涡轮端拉杆螺母(4)套装在拉力机轴(2)上，可沿拉力机轴(2)自由活动；工作时，涡轮端拉杆螺母(4)螺纹端拧在中心轴(5)的右端；压气机端拉杆螺母(9)套装在球头拉杆(10)上，可沿球头拉杆(10)自由活动；工作时，压气机端拉杆螺母(9)螺纹端拧在中心轴(5)的左端；压气机端承力支板(11)固定，球头拉杆(10)穿过压气机端承力支板(11)的中心孔，可自由活动。

在上述用于氦气涡轮机轴系拧紧的轴向加载式拧紧工装中，压气机端承力支板(11)上设置有一半球形凹槽(13)，半球形凹槽(13)的球面与球头拉杆(10)的球面吻合；半球形凹槽(13)底部开有一中心孔(14)；其中，中心孔(14)的孔径大于球头拉杆(10)的杆的直径，以保证在工作过程中球头拉杆(10)能够与中心轴(5)自动同心。

本发明具有以下优点：

(1)本发明利用轴的弹性变形恢复来产生预紧力，避免了通过在细长轴上施加扭矩来产生预紧力而可能导致产品破坏的风险，解决了细长轴系的拧紧问题。

(2)本发明通过对轴施加轴向拉力载荷使轴发生弹性变形、并在弹性变形状态下带紧螺母、弹性变形恢复后产生预紧力的方式来拧紧轴系，拧紧过程中螺母端面与零件接触面在挤压状态下无相对运动，保护了零件与螺母接触的表面免受伤害，从而避免了零件由于装配而产生的强度损伤。

(3)本发明在进行压气机轴端螺母拧紧时，在压气机端采用了球头拉杆和带半球形凹槽的承力支板，半球形凹槽的球面与球头拉杆的球面完全吻合，并且半球形凹槽底部孔的直径显著大于球头拉杆的杆的直径，这样在对中心轴施加拉力载荷时球头拉杆和中心轴可以自动同心，避免了由于不同心而造成的轴损伤。

附图说明

图1是本发明实施例中一种氦气涡轮机轴系的拧紧方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种氦气涡轮机轴系的装配示意图；

图3是本发明实施例中一种涡轮轴端螺母的装配示意图；

图4是本发明实施例中一种压气机轴端螺母的装配示意图；

图5是本发明实施例中一种涡轮盘支撑套筒的结构示意图；

图6是本发明实施例中一种压气机端承力支板的结构示意图；

其中，1-拉力机、2-拉力机轴、3-涡轮盘支撑套筒、4-涡轮端拉杆螺母、5-中心轴、6-涡轮轴端螺母、7-涡轮盘、8-压气机轴端螺母、9-压气机端拉杆螺母、10-球头拉杆、11-压气机端承力支板、12-方槽、13-半球形凹槽、14-孔、15-压气机叶轮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

本发明公开了一种氦气涡轮机轴系的拧紧方法，可用于预冷空气涡轮火箭发动机用氦气涡轮机轴系的拧紧，特别适用于小型紧凑式氦气涡轮机轴系的拧紧。

如图1～4，在本实施例中，该氦气涡轮机轴系的拧紧方法，包括：

步骤101，将轴系各零件按照装配关系依次安装在中心轴5上。

在本实施例中，如图2，轴系各零件具体可以包括：中心轴5、涡轮轴端螺母6、涡轮盘7、压气机叶轮15和压气机轴端螺母8。具体的，可以将涡轮轴端螺母6、涡轮盘7、压气机叶轮15和压气机轴端螺母8按照装配关系依次安装在中心轴5上。其中，压气机轴端螺母8位于压气机叶轮15的左侧，涡轮轴端螺母6位于涡轮盘7的右侧，且，压气机轴端螺母8和涡轮轴端螺母6处于未拧紧状态。

步骤102，通过轴向加载式拧紧工装对涡轮轴端螺母6进行拧紧装配，至涡轮轴端螺母6不能继续转动为止。

在本实施例中，如图2～4，轴向加载式拧紧工装具体可以包括：拉力机1、拉力机轴2、涡轮盘支撑套筒3、涡轮端拉杆螺母4、压气机端拉杆螺母9、球头拉杆10和压气机端承力支板11。

优选的，可以通过涡轮端拉杆螺母4将中心轴5与拉力机轴2相连，并保证中心轴5与拉力机轴2同心；将涡轮盘支撑套筒3的一端抵住涡轮盘7、另一端抵住拉力机1的壳体，并调整涡轮盘支撑套筒3与中心轴5、拉力机轴2同心；通过拉力机1对中心轴5施加拉力，使中心轴5的涡轮端局部发生弹性变形；通过涡轮盘支撑套筒3上的方槽12向拧紧涡轮盘7的方向拨转涡轮轴端螺母6，至涡轮轴端螺母6不能继续转动为止；卸除拉力机1对中心轴5施加的拉力，中心轴5弹性变形恢复，涡轮轴端螺母6上产生一定大小的预紧力，拆除涡轮盘支撑套筒3。

步骤103，通过轴向加载式拧紧工装对压气机轴端螺母8进行拧紧装配，至压气机轴端螺母8不能继续转动为止，以完成轴系各零件的装配。

在本实施例中，可以调整压气机端承力支板11的位置，使压气机端承力支板11上的中心孔14与中心轴5、拉力机轴2同心，并固定压气机端承力支板11位置；通过压气机端拉杆螺母9将中心轴5与球头拉杆10相连；通过拉力机1对中心轴5施加拉力，使中心轴5发生弹性变形；向拧紧压气机叶轮15的方向拨转压气机轴端螺母8，至压气机轴端螺母8不能继续转动为止。

步骤104，卸除拉力机1对中心轴5施加的拉力，中心轴5弹性变形恢复，压气机轴端螺母8上产生一定大小的预紧力。

步骤105，拆除轴向加载式拧紧工装。

在本发明的一优选实施例中，可将在过轴向加载式拧紧工装对涡轮轴端螺母6进行拧紧装配时，通过拉力机1对中心轴5施加的拉力定义为：第一施加力；将在通过轴向加载式拧紧工装对压气机轴端螺母8进行拧紧装配时，通过拉力机1对中心轴5施加的拉力定义为：第二施加力。

优选的，第一施加力和第二施加力的大小可根据实际情况确定，但须保证中心轴5始终处于弹性变形范围内，且，第二施加力不大于第一施加力。例如，第一施加力和第二施加力均可为20kn。

在本发明的一优选实施例中，如图6，压气机端承力支板11上设置有一半球形凹槽13，半球形凹槽13的球面与球头拉杆10的球面吻合。半球形凹槽13底部开有一中心孔14；其中，中心孔14的孔径大于球头拉杆10的杆的直径，以保证在工作过程中球头拉杆10能够与中心轴5自动同心。

在上述实施例基础上，本发明还公开了一种用于氦气涡轮机轴系拧紧的轴向加载式拧紧工装，包括：拉力机1、拉力机轴2、涡轮盘支撑套筒3、涡轮端拉杆螺母4、压气机端拉杆螺母9、球头拉杆10和压气机端承力支板11；其中，拉力机1固定，拉力机轴2从拉力机一侧伸出，在拉力机1驱动下可沿轴向伸缩运动；涡轮盘支撑套筒3一端抵在拉力机1壳体上另一端抵在涡轮盘凸台处；涡轮端拉杆螺母4套装在拉力机轴2上，可沿拉力机轴2自由活动；工作时，涡轮端拉杆螺母4螺纹端拧在中心轴5的右端；压气机端拉杆螺母9套装在球头拉杆10上，可沿球头拉杆10自由活动；工作时，压气机端拉杆螺母9螺纹端拧在中心轴5的左端；压气机端承力支板11固定，球头拉杆10穿过压气机端承力支板11的中心孔，可自由活动。

优选的，压气机端承力支板11上设置有一半球形凹槽13，半球形凹槽13的球面与球头拉杆10的球面吻合；半球形凹槽13底部开有一中心孔14；其中，中心孔14的孔径大于球头拉杆10的杆的直径，以保证在工作过程中球头拉杆10能够与中心轴5自动同心。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。