一种用于井下压缩系统的高速联轴结构

本发明属于联轴器领域，涉及高速旋转特种叶轮机械中转子做功部件与电机驱动部件连接方式，具体涉及一种用于井下压缩系统的高速联轴结构。

背景技术：

1、在高速旋转的叶轮机械装置中，电机驱动转子叶片高速旋转实现气体压缩做功，受限于天然气井尺寸大小，为了实现工作所需天然气抽吸流量和目标压比，需要将压缩系统中转子转速提高到40000转/分钟，高速旋转下，压缩系统转子轴因受离心负荷、热负荷发生变形，产生偏移，将对叶轮机械高速运转的安全性带来严重影响。转子轴与电机轴间需要传递扭矩实现旋转，在高转速下扭矩较高，传统的膜片式联轴装置结构强度由联轴器几何尺寸决定，受限于井下压缩系统中旋转子轴和电机转子轴尺寸，联轴器尺寸较小，结构强度很难满足要求，可能断裂引起压缩系统工作失效；另外，传统的膜片式联轴装置的转速只有8000转/分钟以下，也达不到压缩系统中转子转速的要求。

2、可见，传统的膜片式联轴装置受井下压缩系统和电机尺寸限制，无法做到足够大，因此无法满足扭矩要求，强度不足，转速不能满足高速工作需要，难以保证井下压缩系统的可靠运行。因此，有必要设计一种适用于井下压缩系统的高速联轴器。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种用于井下压缩系统的高速联轴结构，以在高转速、小尺寸约束下实现转子轴与电机轴间的大扭矩传递，提高井下压缩系统的工作稳定性和可靠性。

2、本发明的技术方案是：一种用于井下压缩系统的高速联轴结构，包括转子轴、联轴装置、电机轴；所述联轴装置同轴刚性连接转子轴和电机轴，用于将电机轴的转速传递至转子轴；

3、所述联轴装置包括壳体、第一端盖、第二端盖、第一轴承、第二轴承、弹簧夹头、固定螺母；所述壳体为空腔结构，其两端壳壁上同轴设有通孔，分别用于穿入转子轴的动力输入端和电机轴的动力输出端；所述第一轴承轴向限位套装于转子轴上，所述第一端盖套装于第一轴承的外圈，并与壳体面向转子轴1的壳壁固定连接；所述第二轴承轴向限位套装于电机轴上，所述第二端盖套装于第二轴承的外圈，并与壳体面向电机轴的壳壁固定连接；

4、所述转子轴动力输入端的端面中心沿轴线设有内凹锥孔，锥孔处的转子轴外壁上设有外螺纹；所述弹簧夹头套装于电机轴动力输出端端部，弹簧夹头外壁为两段反向锥面，面向转子轴的锥面与转子轴锥孔配合，面向电机轴的锥面与固定螺母配合；所述固定螺母套装于弹簧夹头，其内孔一端设有锥面和弹簧夹头配合，内孔另一端设有内螺纹与转子轴动力输入端的外螺纹配合；通过旋拧固定螺母将弹簧夹头和转子轴的锥孔压紧，同时弹簧夹头内孔与电机轴压紧用于联轴固定。

5、本发明的进一步技术方案是：所述联轴装置还包括挡板、连接法兰、轴套，所述转子轴在第一轴承安装处设有大径段和小径段过渡形成的限位台阶，所述第一轴承套装于转子轴的小径段，其内圈外端面与转子轴的限位台阶面相抵，其内圈内端面与轴套的外端面相抵；所述轴套套装于转子轴，位于第一轴承内侧，轴套与转子轴紧配合；所述挡板套装于转子轴大径段，位于第一轴承外侧，其内端面与第一轴承外圈的外端面接触，挡板与第一端盖外侧壁固定连接；所述连接法兰套于轴套外，连接法兰的法兰盘与第一端盖内侧壁固定连接，连接法兰的轴部端面与第一轴承的外圈内端面相抵。

6、本发明的进一步技术方案是：所述第一端盖面向壳体一端设有环状凸台，所述第一端盖的环状凸台嵌入壳体靠近转子轴一侧的壳壁通孔，所述连接法兰的法兰盘与第一端盖环状凸台的端面通过螺栓固定连接。

7、本发明的进一步技术方案是：所述壳体外形为圆柱体，壳体的外圆周壁上套设有环形外壳，所述外壳与壳体之间通过多个支板固定连接；所述支板均布于壳体外圆周壁，并沿壳体的径向设置，两个相邻支板之间形成通气孔。

8、本发明的进一步技术方案是：所述电机轴的动力输出端为三段阶梯轴，从轴端依次为小径段、中径段、大径段，电机轴的中径段和大径段过渡形成第二轴承限位台阶面；所述第二轴承套装于电机轴的中径段，其轴承内圈的外端面与第二轴承限位台阶面相抵；所述第二端盖的内孔为阶梯孔，内部阶梯孔的大径段与第二轴承的轴承外圈紧密配合，内部阶梯孔的小径段与电机轴的中径段间隙配合，内部阶梯孔台阶面与第二轴承的外圈内端面相抵；所述第二端盖面向壳体一端与其阶梯孔同轴设有环状凸台，第二端盖的环状凸台嵌入壳体靠近电机轴一侧的壳壁通孔。

9、本发明的进一步技术方案是：所述弹簧夹头套装于电机轴的小径段，所述弹簧夹头外壁的两段反向锥面之间设有卸压槽，用于释放受力过程中的应力。

10、本发明的进一步技术方案是：所述转子轴靠近端部外螺纹处设有卸压槽，用于释放受力过程中的应力。

11、本发明的进一步技术方案是：所述壳体上设有操作窗口，用于观察壳体内状况并便于操作者对壳体内零件进行操作；所述窗口上可拆卸安装有盖板。

12、本发明的进一步技术方案是：所述弹簧夹头的材料选用0cr17ni4cu4nb不锈钢，具有高耐压强度和抗腐蚀性能。

13、本发明的进一步技术方案是：所述第一轴承、第二轴承均为深沟球轴承。

14、有益效果

15、本发明的有益效果在于：本发明所述的一种用于井下压缩系统的高速联轴结构，将电机轴的动力输出端和转子轴的动力输入端在联轴装置的壳体内腔通过弹簧夹头和固定螺母联轴对接，实现电机轴向转子轴的动力传递。通过第一轴承、第一端盖实现联轴装置壳体在转子轴端的支撑，通过挡板、轴套实现第一轴承和转子轴的轴向限位。通过第二轴承和第二端盖实现联轴装置壳体在电机轴端的支撑。所述的弹簧夹头和固定螺母将转子轴与电机轴压紧，实现转子轴、电机轴、弹簧夹头和固定螺母间的紧密连接，形成了弹簧锥套式的刚性联轴效果，该装置避免使用膜片联轴装置，利用轴本身的强度和弹性实现扭矩传递和适量不对心度的自适应调节。联轴时，通过旋拧固定螺母，带动弹簧夹头向转子轴压紧，转子轴内锥孔和弹簧夹头外锥面产生挤压，进而压紧电机轴实现联轴配合，转子轴内锥孔和弹簧夹头外锥面的斜面配合，将旋转过程中因不同心产生的惯性力分解到轴向进行平衡，进而提高了电机轴和转子轴对心度的自适应调节。

16、本发明结构可以在高转速(40000转/分钟)、小尺寸约束下实现电机轴与转子轴间较大扭矩传递，最大传递扭矩为4n·m，并能保证转子轴和电机轴间的同轴度误差不超过5丝，从而提高了井下压缩系统的工作稳定性和可靠性。

技术特征：

1.一种用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：包括转子轴(1)、联轴装置(2)、电机轴(3)；所述联轴装置(2)同轴刚性连接转子轴(1)和电机轴(3)，用于将电机轴(3)的转速传递至转子轴(1)；

2.根据权利要求1所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述联轴装置(2)还包括挡板(28)、连接法兰(29)、轴套(210)，所述转子轴(1)在第一轴承(24)安装处设有大径段和小径段过渡形成的限位台阶，所述第一轴承(24)套装于转子轴(1)的小径段，其内圈外端面与转子轴(1)的限位台阶面相抵，其内圈内端面与轴套(210)的外端面相抵；所述轴套(210)套装于转子轴(1)，位于第一轴承(24)内侧，轴套(210)与转子轴(1)紧配合；所述挡板(28)套装于转子轴(1)的大径段，位于第一轴承(24)外侧，挡板(28)的内端面与第一轴承(24)外圈的外端面接触，挡板(28)与第一端盖(22)外侧壁固定连接；所述连接法兰(29)套装于轴套(210)外，连接法兰(29)的法兰盘与第一端盖(22)内侧壁固定连接，连接法兰(29)的轴部端面与第一轴承(24)的外圈内端面相抵。

3.根据权利要求2所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述第一端盖(22)面向壳体(21)一端设有环状凸台，所述第一端盖(22)的环状凸台嵌入壳体(21)靠近转子轴(1)一侧的壳壁通孔，所述连接法兰(29)的法兰盘与第一端盖(22)环状凸台的端面通过螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述壳体(21)外形为圆柱体，壳体(21)的外圆周壁上设有环形外壳(211)，所述外壳(211)与壳体(21)之间通过多个支板(212)固定连接；所述支板(212)均布于壳体(21)外圆周壁，并沿壳体(21)的径向设置，两个相邻支板(212)之间形成通气孔。

5.根据权利要求1所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述电机轴(3)的动力输出端为三段阶梯轴，从轴端依次为小径段、中径段、大径段，电机轴3的中径段和大径段过渡形成第二轴承(25)的限位台阶面；所述第二轴承(25)套装于电机轴(3)的中径段，其轴承内圈的外端面与第二轴承(25)限位台阶面相抵；所述第二端盖(23)的内孔为阶梯孔，所述阶梯孔的大径段与第二轴承(25)的轴承外圈紧配合，阶梯孔的小径段与电机轴(3)的中径段间隙配合，阶梯孔台阶面与第二轴承(25)的外圈内端面相抵；所述第二端盖(23)面向壳体(21)一端与其阶梯孔同轴设有环状凸台，所述第二端盖(23)的环状凸台嵌入壳体(21)靠近电机轴(3)一侧的壳壁通孔。

6.根据权利要求5所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述弹簧夹头(26)套装于电机轴(3)的小径段，所述弹簧夹头(26)外壁的两段反向锥面之间设有卸压槽，用于释放受力过程中的应力。

7.根据权利要求1所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述转子轴(1)靠近端部外螺纹(12)处设有卸压槽，用于释放受力过程中的应力。

8.根据权利要求1所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述壳体(21)上设有操作窗口(213)，用于观察壳体(21)内状况并便于操作者对壳体(21)内零件进行装卸操作；所述窗口(213)上可拆卸安装有盖板(214)。

9.根据权利要求1所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述弹簧夹头(26)的材料选用0cr17ni4cu4nb不锈钢，具有高耐压强度和抗腐蚀性能。

10.根据权利要求1所述用于井下压缩系统的高速联轴结构，其特征在于：所述第一轴承(24)、第二轴承(25)均为深沟球轴承。

技术总结本发明一种用于井下压缩系统的高速联轴结构，属于联轴器领域，包括转子轴、联轴装置、电机轴。联轴装置的空腔壳体将转子轴的输入端、电机轴的动力输出端转动支撑，并在壳体内同轴对接，通过联轴装置中的弹簧夹头、固定螺母将二者刚性联轴。转子轴输入端设有内凹锥孔，锥孔处设有外螺纹。弹簧夹头固定于电机轴动力输出端，弹簧夹头外壁设有两段反向锥面，分别与转子轴锥孔、固定螺母内孔配合。固定螺母套于弹簧夹头，其内孔设有内螺纹与转子轴的外螺纹配合。通过旋拧固定螺母将弹簧夹头和转子轴的锥孔压紧实现刚性联轴。本发明能够在高转速、小尺寸约束下实现转子轴与电机轴间的大扭矩传递，提高井下压缩系统的工作稳定性和可靠性。技术研发人员：王掩刚,刘乾,王庆勇,秦宇奇受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/26