推力經平衡的螺旋式壓縮機的製作方法

2023-12-09 12:29:36

專利名稱：推力經平衡的螺旋式壓縮機的製作方法
在雙轉子螺旋式壓縮機中，在工作時其壓力梯度正常是這樣處於一個方向上，即流體壓力趨向於將轉子推向吸入側。轉子通常安裝在各端軸承上以提供徑向和軸向的約束。在排出側的轉子的端面間隙對於密封是至關重要的，而流體壓力趨向於推開該間隙。另外，軸向推力趨向於驅動轉子的吸入端將它推向殼體，如果這使轉子和殼體間產生接觸則會損壞轉子。軸承特別是推力軸承就需要大大地提高成本，使製造和裝配複雜化並且增加保養要求。
本發明提供一種可產生平衡吸入側和排出側的螺旋轉子推力的平衡力的推力支承裝置。該推力支承裝置包括具有一個在其外徑上加工出的單級或多級的迷宮式密封的一個平衡盤(或活塞)。該活塞安裝在轉子進口軸端上並由自鎖螺母固定。壓縮機進口殼體設計和加工成可提供一單級或多級的活塞氣缸。螺栓緊固並由一O形圈或類似件密封的板覆蓋該氣缸，以形成一個僅具有通過該迷宮式密封的氣流洩漏通路的封閉室。該蓋板具有一個螺孔或者通過凸緣連接於一管子，該管子通過螺紋或凸緣連接於殼體排出側。殼體排出端壁鑽有一個通孔將該管子連接於轉子排出區域以使高壓氣體流向活塞高壓側。在壓縮機進口殼體鑽有一個或一個以上的孔以將轉子進口區域連接於活塞低壓側。按這樣的方式可形成一個完全的流動再循環通路並且通過設計成適應迷宮式密封洩漏和壓降來控制流速。或者可以通過一系列殼體內的內部鑽孔形成該通路，這些鑽孔交叉並具有合適的堵塞以防止洩漏。通過使活塞高壓區域面積具有正確的尺寸，轉子排出側的推力可被來自活塞高壓側的作用力平衡。通過使活塞低壓區域面積具有正確的尺寸，轉子進口側的推力可被來自活塞低壓側的作用力平衡。對於任何給定的進氣和排氣壓力水平，壓縮機的的合成推力都可被完全平衡和控制。
該推力支承裝置還可用作使轉子推力反向以所需要大小的作用力朝著轉子排出側。這個作用力使轉子軸向地移抵殼體排出端壁上。對於應用潤滑油浸浴的情況，轉子排出端表面可在各轉子末端設置錐形臺階幾何結構。該錐形的臺階推力區域可在轉子旋轉過程中產生將相鄰表面分開的液動潤滑油膜。在無潤滑油應用情況時，在轉子排出端表面上塗有可磨掉的塗層以便產生兩個相一致的表面。在兩種情況下，機器在轉子排出表面和殼體端壁之間可有一個很小的轉動間隙。這個不透漏的間隙可減少洩漏因而提高效率。
對一個給定的螺旋式壓縮機，這種推力支承裝置可用於凸形轉子或凹形轉子或者兩種轉子。
本發明的一個目的是平衡螺旋式壓縮機的推力負荷。
本發明的另一個目的是取消在螺旋式壓縮機中使用推力軸承。
本發明的又一個目的是減小與推力軸承有關的機械損失由此提高壓縮機的效率。
本發明的再一個目的是提供一種結構較緊湊的螺旋式壓縮機的設計。
本發明的有關附加目的是允許將螺旋轉子置靠在排出端壁上以提供轉子端表面和殼體端表面之間的零轉動間隙。這些目的以及下文可清楚看到的其它方面是由本發明實現的。
由於作用力是通過流體被壓縮而趨向於將螺旋轉子從排出側向吸入側運動，螺旋轉子的軸部軸向地承受載荷以偏移螺旋轉子的推力負荷。


圖1A-F示出展開的螺旋轉子以及按順序地圖示在進口關閉和排出之間的封閉容積的運動情況；圖2是採用本發明的一螺旋式壓縮機的部分剖視圖；圖3是圖2的螺旋式壓縮機的吸入端部分的放大視圖；圖4是圖2的螺旋式壓縮機的排出端部分的放大視圖；以及圖5是圖4的轉子的排出端視圖。
在圖1A-F中，標號20代表展開的凸形轉子而標號21代表螺旋式壓縮機10的展開的凹形轉子。軸向吸入口14設置在端壁15上而軸向排出口設置16在端壁17上。圖1A-F中的塗點部分代表從圖1A中吸入口14關閉開始和進行到圖1F中剛好在連通軸向排出口16之前處的製冷劑封閉容積。除了圖1A其中封閉容積基本處於吸氣壓力外，封閉容積僅將軸向的或者推力負荷施加在端壁17上。當該封閉容積從圖1A位置向圖1F位置前進時，該封閉容積隨著作用在端壁17上的軸向力或推力負荷相應增大而減小。該推力負荷趨向於使轉子20和21與端壁17分開，並且如圖1A-F清楚看到那樣，分開將提供所有封閉容積和排出口16間的洩漏通路。如上所述，該推力負荷正常是與推力軸承相適應的。被共同轉讓的第5,722,163號美國專利指出使用推力軸承時與限制洩漏有關的一些困難。
在圖2中的結構標號與圖1中相應結構相同。然而，為了允許一個視圖描述流體通路，就必需僅僅圖示出凸形轉子20並改變某些結構的形狀以使流體連接通路完整。
在圖1-5中標號10總的表示螺旋式壓縮機，具體說是具有一凸形轉子20和一凹形轉子21的一個雙轉子螺旋式壓縮機。然而，本發明可用於具有多於兩個轉子的螺旋式壓縮機。轉子20有一軸部20-1、一直徑減小的中間部分20-4以及直徑減小的外部20-6。在軸部20-1和轉子20之間形成第一肩部20-2。在軸部20-1和20-4之間形成第二肩部20-3，以及在軸部20-4和20-6之間形成第三肩部20-5。滾柱軸承34的內圈34-1支承軸部20-4。
類似地，轉子21有一軸部21-1、直徑減小的中間部分21-4和直徑減小的外部21-6。在軸部21-1和轉子之間形成第一肩部21-2。在軸部21-1和21-4之間形成第二肩部21-3以及在軸部21-4和21-6之間形成第三肩部21-5。滾柱軸承35的內圈35-1支承軸部21-4。
最清楚如圖4所示，轉子20和21以及排出側軸部20-8和21-8支承地容置在轉子殼體內腔中，而軸部20-8和21-8分別支承在滾柱軸承32和33上。最清楚如圖3所示，軸部20-1和21-1支承地容置在進氣殼體13內而分別由滾柱軸承34和35支承。轉子20和21之一是驅動轉子，連接於一電動機或類似的動力。
在工作時，作為一個製冷壓縮機，假定凸形轉子20為驅動轉子，轉子20旋轉以與轉子21嚙合從而使它旋轉。旋轉轉子20和21的共同作用通過吸氣進口14將製冷劑吸入轉子20和21的槽中，槽封閉和壓縮氣體容積並將熱的壓縮氣體供向排出口16。
迄今所述的該結構及其工作通常是傳統常用的。現首先參照圖2和3，進口殼體13具有分別容置滾柱軸承34和35的第一孔13-1和13-1a、分別通過肩部13-2和13-2a與第一孔13-1和13-1a分開的中間孔13-3和13-3a以及分別通過肩部13-4和13-4a與中間孔13-3和13-3a分開的外孔13-5和13-5a。本發明增設平衡盤或活塞50和/或51，它們分別定位在軸部20-6和21-6上，並通過將鎖定螺母60和61分別旋緊到軸部20-6和1-6的螺紋部分20-7和21-7上以分別與肩部20-5和21-5密封結合的方式予以固定。平衡盤或活塞50有形成容納在孔13-3內的迷宮式密封的第一直徑部分50-1和形成容納在孔13-5內的第二迷宮式密封的第二大直徑部分50-2。平衡盤或活塞50與孔13-3和軸部20-4配合以形成通過低壓通路14-1與吸入口14流體連通的一個環形室。
類似地，平衡盤或活塞51有形成容納在孔13-3a內的迷宮式密封的一第一直徑部分51-1和形成容納在孔13-5a內的第二迷宮式密封的一第二大直徑部分51-2。平衡盤或活塞51與孔13-3a和軸部21-4配合以形成一環形室71，它類似室70或者直接地或者通過分支通路(未圖示)與吸入口14流體連通。
蓋板72密封地緊固在進口殼體13上，與孔13-5和13-5a以及平衡盤或者活塞50和51配合以分別形成可直接流體連通的室80和81。室70和80通過迷宮式密封50-1和50-2使二室流體分開，這樣它們間的連通僅僅是通過洩漏流經迷宮式密封51-1和51-2。同樣，室71和81通過迷宮式密封50-1和50-2流體分開，這樣，它們間的連通僅僅是通過洩漏流經迷宮式密封51-1和51-2。高壓通路16-1將排出口16與流道74流體連通。流道74流體連通高壓通路16-1，由此排出口16連同室80維持在名義排出壓力上。同樣，流道74和分支通路74-1流體連通高壓通路16-1，由此排出口16連同室81維持在名義排出壓力上。另外如果在室80和81之間存在直接的流體連通，則可去掉分支通路74-1。
如圖2和4所示，排出壓力作用在轉子20和21的右端上而趨向於使轉子20和21向左運動因而使轉子20和21與端壁17分開。作用在分別固定於轉子20和21的軸上的平衡盤或活塞50和51的左側上的排出壓力趨向於使轉子20和21向右運動，如圖2和3所示。如果暴露於室80和81的的平衡盤或活塞50和51的面積具有合適的尺寸，則由排出壓力所產生的推力取消，從而無需推力軸承。吸氣壓力將分別作用在轉子20和21的左端，即肩部20-2和21-2上，並趨向於使轉子20和21向右運動而離開端壁15。由於排出壓力洩漏通過迷宮式密封50-1和50-2進入室70，通過迷宮式密封51-1和51-2進入室71，在室70和71內的吸氣壓力將趨於升高，而在室70和71內的壓力將分別作用在平衡盤或活塞50和51的右側上，而趨向於使轉子20和21以與分別作用在肩部20-2和21-2上的壓力相反的方向向左運動。
使被室70和80以及71和81中的流體壓力作用的平衡盤或者活塞50和51以及被流體壓力作用的轉子20和21的末端的面積具有合適的尺寸，這至少可將推力減小到無需推力軸承的程度。
從前面的說明應清楚看到，要求流體壓力作用在一定區域上，而如果不合適地控制的話就可能產生洩漏問題。一個這樣的區域是轉子20和21的排出端。參照圖1A至1F清楚地顯示在相鄰的封閉容積之間存在壓力梯度，它們在壓縮過程中是處在不同的級上。為了有利於排出流體壓力作用在轉子20和21的排出端上，轉子20和21的輪葉在其排出端上削斜或者倒角。具體參照圖4和5，轉子20和21的輪葉被被削斜角度α，以使表面20-a和21-a相對於端壁117最深的深度是處於轉子的旋轉方向上。除了允許排出流體壓力作用在表面20-a和21-a上，形成表面20-a和21-a的斜角在轉子旋轉過程中產生趨向於使密封表面20-a和21-a相對於端壁17的面對表面分開的流體動力油膜。該角度α小於1度，而較理想是在20至30分之間。
雖然已具體圖示說明了本發明的一個較佳實施例，但熟悉本技術的人可以想到其它的變化。例如，本發明可以應用在一三轉子的螺旋式壓縮機上。另外，推力平衡可僅用在凸形轉子上、僅用在凹形轉子上和使用在所有的轉子上。因此本申請旨在僅由所附權利要求的範圍來限定本發明。
權利要求
1．一種螺旋式壓縮機(10)，它包括一轉子殼體，一固定在所述轉子殼體上的進口殼體(13)，一對運轉連接的轉子，它們具有第一和第二端並設置在所述轉子殼體內，各轉子具有伸入所述進口殼體內的軸部(20-1,21-1)，支承所述轉子的軸承裝置(32,33,34,35)，用於將在進氣壓力時的氣體供向所述轉子的裝置(14)以及用於供給來自所述轉子的排氣壓力時的壓縮氣體的裝置(16)，排氣壓力時的氣體作用在各所述轉子的第一端上從而趨向於使各所述轉子在第一方向上運動，用於提供至少作用於所述轉子之一的作用力趨向於使所述轉子在與所述第一方向相反的第二方向上運動，其特徵在於，所述的推力平衡結構包括設置在所述一轉子的各軸部上以與它們一體的流體壓力響應裝置(50,51)；構成第一密封室(80,81)的一部分的所述流體壓力響應裝置具有暴露於所述第一密封室的第一表面以使作用在所述第一表面上的流體壓力趨向於使所述的一轉子在所述第二方向上運動；以及用於將排氣壓力時的氣體供向所述第一密封室的裝置(74,74-1)。
2．如權利要求1所述的螺旋式壓縮機，其特徵在於所述流體壓力響應裝置具有一與所述第一表面間隔的第二表面，以使作用在所述第一表面上的流體壓力與作用在所述第二表面上的流體壓力反方向；所述第二表面構成一第二密封室(70,71)的一部分；以及用於將在吸氣壓力時的氣體供向所述第二密封室的裝置(14-1)。
3．如權利要求2所述的螺旋式壓縮機，其特徵在於在所述第一和第二密封室之間設置有迷宮式密封裝置(50-1,50-2,51-1,51-2)。
4．如權利要求1所述的螺旋式壓縮機，其特徵在於所述一轉子的第一端(20-a,21-a)被削斜。
5．如權利要求4所述的螺旋式壓縮機，其特徵在於所述被削斜的第一端的角度小於1度。
6．如權利要求1所述的螺旋式壓縮機，其特徵在於它還包括用於在所述第二方向上提供一作用在第二轉子上的作用力的推力平衡結構，用於所述第二轉子的推力平衡結構包括設置在所述第二轉子的各軸部上與它們一體的第二流體壓力響應裝置；構成一第二密封室的一部分的所述第二流體壓力響應裝置具有一暴露於所述第二密封室的第一表面，以使作用在所述第二流體壓力響應裝置的所述第一表面上可使流體壓力趨向於使所述第二轉子在所述第二方向上運動；以及用於將在排氣壓力時的氣體供向所述第二密封室的裝置。
7．如權利要求6所述的螺旋式壓縮機，其特徵在於所述第二流體壓力響應裝置具有與所述第二流體壓力響應裝置的所述第一表面間隔的第二表面，以使作用在所述第二流體壓力響應裝置的所述第一表面上的流體壓力與作用在所述第二流體壓力響應裝置的所述第二表面上的流體壓力反方向；所述第二流體壓力響應裝置的所述第二表面構成一第二密封室的一部分；以及用於將在吸氣壓力時的氣體供向所述第二密封室的裝置。
8．如權利要求6所述的螺旋式壓縮機，其特徵在於，所述的第二轉子的第一端被削斜。
9．如權利要求8所述的螺旋式壓縮機，其特徵在於，所述的第二轉子的被削斜的第一端的傾斜角度為小於1度。
全文摘要
一種螺旋式壓縮機的軸部承受軸向負荷以抵消螺旋轉子的推力負荷,該負荷系由於流體被壓縮以及趨向於使螺旋轉子從排出口向吸入口運動而在螺旋轉子上施加的作用力。這樣就可允許取消推力軸承。較理想,轉子的輪葉的排出端被削斜或倒角以便在工作過程中產生一個流體動力油膜。
文檔編號F04C18/16GK1236064SQ9910672
公開日1999年11月24日 申請日期1999年5月13日 優先權日1998年5月18日
發明者鍾建平 申請人:運載器有限公司