CN105492777A - 具有围带和在围带与壳体之间的动压空气轴承的径流式压缩机叶轮 - Google Patents

具有围带和在围带与壳体之间的动压空气轴承的径流式压缩机叶轮 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于热泵循环和/或制冷设备循环的压缩机，其具有壳体和能绕着旋转轴线旋转地支承的转子，其中，壳体至少部分地布置在转子的周向侧，其中，转子包括至少一个毂和至少一个在毂上在径向外侧布置的叶片，其中，叶片构造用于输送主流体流，其中，转子包括在叶片上在径向外侧布置的围带，其中，围带布置为与所述壳体径向地间隔开，其中，在所述围带上在径向外侧设置有支承结构，所述支承结构构造用于形成在围带和壳体之间的支承流体流，以构成用于将转子支承在壳体中的流体动力轴承。

Description

具有围带和在围带与壳体之间的动压空气轴承的径流式压缩机叶轮
技术领域
本发明涉及一种用于热泵循环和/或制冷设备循环的压缩机，其具有壳体和能绕着旋转轴线旋转地支承的转子，其中，壳体至少部分地布置在转子的周向侧，其中，转子包括至少一个毂和至少一个在毂上在径向外侧布置的叶片，其中，叶片构造用于输送主流体流，其中，转子包括在叶片上在径向外侧布置的围带，其中，围带布置为与所述壳体径向地间隔开，其中，在所述围带上在径向外侧设置有支承结构，所述支承结构构造用于形成在围带和壳体之间的支承流体流，以构成用于将转子支承在壳体中的流体动力轴承。
背景技术
用于热泵循环和/或制冷设备循环的压缩机具有转子，所述转子借助于滚动轴承和/或滑动轴承可旋转地支承并且通过驱动单元来驱动。在此，压缩机构造用于从输入侧朝向输出侧给流体加载压力并且由此压缩所述流体。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改善的压缩机，所述压缩机具有特别好的支承并且同时能够成本特别低廉地制造。
该目的借助于权利要求1所述的特征来实现。有利的实施方式在从属权利要求中给出。
根据本发明得出，可以通过以下方式提供一种改进的压缩机，所述压缩机包括壳体和能绕着旋转轴线旋转地支承的转子。壳体至少部分地布置在转子的周向侧。转子具有至少一个毂和至少一个在所述毂上在径向外侧布置的叶片。叶片构造用于输送主流体流。转子在叶片上在径向外侧具有在叶片上在径向外侧布置的围带。围带布置为与壳体径向地间隔开。在围带上在径向外侧设置有支承结构，所述支承结构构造用于形成在围带和壳体之间的支承流体流，以构成用于将转子支承在壳体中的流体动力轴承。
所述构型具有的优点是，可以提供使转子在壳体中的流体动力轴承，并且由此可以省去传统的滑动轴承和滚动轴承。因此，可以提供特别轻便的转子轴承，所述转子轴承不仅成本特别低廉而且同时具有特别长的使用寿命。
在一个另外的实施方式中，转子具有输入侧和输出侧。叶片构造用于将主流体流从输入侧输送至输出侧。支承结构构造用于将流体流从输出侧输送至输入侧。以所述方式可以确保，在输入侧和输出侧之间在主流体流中压力增大时，所述主流体流抵消支承流体流，并且由此确保对转子可靠的流体动力支承。此外，由此也可以在转子的低转速的情况下确保特别可靠的支承。
在一个另外的实施方式中，输入侧布置在转子的径向内侧，并且输出侧布置在转子的径向外侧，其中，所述支承结构至少部分地构造为螺旋形的。所述构型具有的优点是，可以提供特别稳定的支承流体流，所述支承流体流不仅在周向方向上旋转而且在轴向方向上朝向输入端的方向输送。
在一个另外的实施方式中，支承结构包括密封元件，其中，密封元件布置在围带和壳体之间，其中，密封元件构造用于在轴向方向上限制支承流体流。以所述方式可以确保，压缩机具有特别高的效率，并且支承流体流不会不必要地减小压缩机的输送容积。
在此特别有利的是，密封元件构造用于迷宫式密封。
在一个另外的实施方式中，支承结构构造为鱼骨形的，和/或支承结构具有在1Rz至60Rz范围内的表面粗糙度(例如根据ENISO25178，先前称为粗糙度)。因此，支承结构可以成本低廉地构造为面状的。
在一个另外的实施方式中，支承结构具有至少一个凹进部和/或凸出部，所述凹进部和/或凸出部倾斜于或者横向于毂的周向方向布置。以所述方式可以实现支承流体流的特别高的周向速度。因此，可以确保将转子特别稳定地支承在壳体中。
在一个另外的实施方式中，所述转子具有另一毂，其中，在所述另一毂上设置有至少一个在径向外侧布置的另外的叶片。所述另一叶片构造用于输送另一主流体流。所述另一毂通过一个轴与毂耦合。转子包括另一围带，所述另一围带布置在所述另一叶片的径向外侧上。所述另一围带布置为与壳体径向地间隔开。壳体至少部分地在周向侧围绕所述另一围带。在所述另一围带上在径向外侧设置另一支承结构，所述另一支承结构构造用于提供在所述另一围带和壳体之间的另一支承流体流。所述构型具有的优点是，所述转子通过这两个对置地布置的结构轴向确定地固定在其位置中，而无需为此设置附加的支承结构。
在此特别有利的是，所述另一支承结构和所述支承结构相对于布置在两个毂之间的对称轴构造为轴对称的。因此可以避免由所述支承结构和所述另一支承结构产生不同的轴向支承力，所述不同的轴向支承力导致转子在压缩机中不均匀地取向。
在一个另外的实施方式中，在两个毂之间的所述轴上布置至少一个磁体，其中，所述磁体转矩锁合地与所述轴连接。在所述轴的径向外侧设置至少一个线圈环以提供交流磁场，其中，所述交流磁场构造用于与磁体作用连接，以便产生转子的旋转运动。因此，所述转子可以特别简单地被驱动。
附图说明
下面根据附图详细地说明本发明。附图中：
图1示出根据第一实施方式的压缩机的示意性剖视图；
图2示出图1中所示的剖视图的局部；
图3示出图1至2中所示的压缩机沿着图1中所示的截平面A-A的剖视图；
图4示出根据第二实施方式的压缩机的示意性剖视图；和
图5示出根据第三实施方式的压缩机的示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出根据第一实施方式的压缩机10的剖视图，并且图2示出图1中所示的剖视图的局部。图3示出图1至2中所示的压缩机10沿着图1中所示的截平面A-A的剖视图。压缩机10包括转子15和壳体20。壳体20包括第一壳体部件25，所述第一壳体部件在图1和2中布置在左侧。此外，壳体20包括在图1中布置在右侧的第二壳体部件30。转子15与驱动单元35耦合。转子15包括与驱动单元35连接的轴40。在此，所述轴40能够绕着旋转轴线45旋转。
压缩机10具有输入侧50和输出侧55。输入侧50在所述实施方式中构造为单通道的，其中，输入侧50则分支成两个输入通道51。因此，这两个输入通道51关于其通流而言并联。当然也可以考虑，压缩机10具有多个不同的输入侧50，所述输入侧具有相应地彼此分隔开的输入通道51。因此，所述输入通道51关于其通流例如也可以串联，其中，第一转子区段110的输出侧55通到第二转子区段115的输入侧50。转子15构造用于将流体60从输入侧50输送至输出侧55，并且在此将在输入侧存在的压力p1增高到在输出侧存在的压力p2。在此，流体60可以是冷却剂，例如C02、R-134a或R-410A。当然也可以考虑其他的流体。然而在此重要的是，流体60处于其气态的相态或者其液态的相态中。压缩机10被考虑作为用于制冷设备循环和/或热泵循环的涡轮增压器。当然也可以考虑其它使用目的。因此可以考虑的是，将压缩机10用于具有太阳能收集器的热循环中，并且借助于压缩机10来输送存在于热循环中的流体。
转子15在驱动单元35左侧具有第一转子区段110并且具有在驱动单元35右侧布置的第二转子区段115。第一转子区段具有第一毂65、第一叶片70和第一围带75。在此，第一叶片70在第一毂65上在径向外侧布置并且从径向内部向径向外部延伸。在此，第一叶片70在周向方向上彼此以均匀的间距布置在第一毂65上。第一围带75在径向外侧与第一叶片70连接。第一围带75在径向外侧与第一壳体部件25间隔开地布置。第一壳体部件25在周向侧围绕第一围带75，并且所述第一壳体部件对应于第一围带75的外周面77地构造在内部的朝向围带75的第一壳体表面76上。通过间隔开的布置，在第一壳体部件25和第一围带75之间设置具有间隙宽度S1的第一间隙80。第一围带75和第一毂65限定第一输送管道85的边界。通过第一毂65的和同样构造为圆锥形的第一围带75的圆锥形构型，第一输送管道85在轴向方向上从输入侧50朝向驱动单元35且径向上从内向外地延伸并且具有径向向外逐渐缩窄的横截面。
在此，第一叶片70构造用于在径向内侧抽吸流体60，并且在运行时在轴向方向上朝向输出侧55或驱动单元35的方向输送所述流体。为了进一步增高压力，转子15构造为径流式压缩机并且径向上从内向外地输送流体60，其中，压力p从输入侧50向输出侧55升高。为了避免转子15不平衡，第一毂65和第一围带75也构造为相对于旋转轴线45旋转对称。此外，第一叶片70在周向方向上以均匀的间距布置在第一毂65上。
转子15具有第二毂90、第二叶片95和第二围带100。第二毂90与左侧的毂65对置地布置在右侧。在第二毂90上在径向外侧设置第二叶片95。第二围带100在叶片95的与第二毂90对置的端部上在径向外侧与第二叶片95连接。第二围带100布置为通过第二间隙105以间隙宽度S2与第二壳体部件30间隔开。内部的朝向第二围带100的外周面107的第二壳体表面108对应于第二围带100的外周面107构造。第二毂90与第二围带100同样地构造为圆锥形的。所述第二围带100和第二毂90限界第二输送管道106。第二输送管道106在轴向方向上从输入侧50朝向输出侧55且在径向上从内部通向径向外部。第二输送管道106也构造为从输入侧50朝向输出侧55逐渐缩窄。当然也可以考虑，输送管道85，106具有恒定的或变宽的横截面。为了避免转子15不平衡，第二毂90和第二围带100也构造为相对于旋转轴线45旋转对称。此外，第二叶片95在周向方向上以均匀的间距布置在第二毂90上。第二叶片95与第一叶片70同样地用于通过第二输送管道106将流体60从输入侧50朝向输出侧55输送并且在此给所述流体60加载压力p。
在所述实施方式中，布置在驱动单元35左侧的转子区段110与布置在驱动单元右侧的第二转子区段115相对于布置在这两个转子区段110，115之间的对称轴120轴对称地构造。转子区段110，115分别与输入侧50的对应的输入通道51连接。
当然也可以考虑转子15的不对称的构型。如果压缩机10具有多个输入侧50，那么可以例如为每个转子区段110，115分别分配一个输入侧50。通过转子15的不对称的构型，转子15可以与不同的输入侧50相匹配。
驱动单元35具有至少一个磁体125，所述磁体布置在两个转子区段110，115之间并且与所述轴40转矩锁合地连接。此外，驱动单元35包括具有多个线圈155的线圈环130，所述线圈环在周向侧在磁体125的区域中围绕轴40。线圈环130通过连接装置135与控制单元140连接。控制单元140通过一个另外的连接装置145与电源150连接。控制单元140构造用于这样给布置在线圈环130中的线圈155通电，即通过线圈环130提供交流磁场，所述交流磁场与磁体125作用连接并且实现使所述轴40旋转，以便使转子15处于旋转运动中。
如果转子15绕着旋转轴线45旋转，那么通过第一叶片70使第一主流体流160经过第一输送管道85从输入侧50输送至输出侧55。通过所述第一叶片70的构型，第一主流体流160径向上从内向外地被引导并且在此被加载压力p2。因此，在输出侧55上的压力p2高于在输入侧50上的压力。
在第二转子区段115中进行类似于第一转子区段110的输送。在第二转子区段115中，第二主流体流161借助于第二叶片95在驱动单元35的轴向方向上并且径向上从内向外地被输送并且被加载压力。
由于输出侧55和输入侧50之间的压力差，在输出侧55中压缩的流体60流入到第一或第二间隙80，105中以作为围带75，100和壳体部件25，30之间的第一或第二支承流体流165，166。在此这样选择间隙宽度s1，s2，以使得在壳体部件25，30和围带75，100之间的支承流体流165，166少于主流体流160，161。支承流体流165，166的流动方向是从输出侧55朝向输入侧50的方向。
在周向侧在围带75，100上在朝向壳体部件25，30的外周面上设置一个支承结构170，175。支承结构170，175使流入到间隙80，105中的支承流体流165，166在转子15的旋转方向上加速。在此，在壳体部件25，30和围带75，100之间形成流体膜176。在此，支承结构170，175可以不同地构造，以便在周向方向上加速支承流体流165，166。因此，支承结构170，175可以构造有表面粗糙度。在图1至3中，借助于围带75，100的表面粗糙度产生所述加速。在此根据转速，表面粗糙度在1Rz至60Rz的范围内是足够的。替代地也可以考虑的是，支承结构170，175具有凸出部(参见图5)和/或凹进部(参见图4)，所述凸出部和凹进部构造用于在周向方向上输送支承流体流165，166。因此，支承流体流165，166不仅具有在轴向方向上的速度分量而且具有在周向方向上的速度分量，其中，在周向方向的速度分量是主要的。
如果通过转子15的旋转使支承流体流165在周向方向上达到预定的速度，那么在第一/第二围带75，100上建立流体膜176或者支承流体流165，166的具有支承力P1，P2的压力垫。围带75，100和壳体20的弯曲的构型导致，支承力P1，P2倾斜于坐标系190的各个轴延伸。坐标系190例如构造为直角坐标系，并且用于便于表示力的方向。因此，支承力P1，P2具有在轴向方向x上延伸的支承力Ρx1，Ρx2和垂直于旋转轴线45并且垂直于x轴延伸的支承力Py1，Py2。在此，在y方向上的支承力Py1，Py2反向于转子15的重力F取向。如果在y方向上的支承力Py1，Py2或者压力垫185是足够强的，那么转子15抬起并且仅仅通过压力垫185支承。因此，支承流体流165，166形成在第一围带75和第一壳体部件25之间以及在第二围带100和第二壳体部件30之间的、流体动力的流体轴承，通过所述流体动力的流体轴承可以将转子15无接触地支承在壳体20中。这特别是在下述情况中实现，即在压缩机10运行期间，间隙80，105在所述间隙80，105的任何位置上的间隙宽度s1，s2处于1至30μm、优选地在1至20μm之间的范围内。
由于转子15的重量或者也由于其他影响，使旋转轴线45例如在重力F的方向上相对于壳体轴线195偏移地布置。在此，壳体轴线195在坐标系190的x轴上延伸。由于转子15的偏移，在周向方向上的间隙宽度s1，s2在压缩机10运行期间也是不同的，其中，在转子下侧的间隙宽度s1，s2小于在转子15上侧的间隙宽度。
在转子15起动或者加速到运行转速期间，即当在y方向上的支承力Py1，Py2总体小于重力F时，支承结构170，175贴靠在壳体部件25，30下侧。在起动期间，支承结构170，175与壳体部件25，30一起构成滑动轴承，以便将转子15支承在壳体20中。
基于围带75，100和对应的壳体部件25，30的对称构型以及基于出现的间隙宽度s1和s2，两个转子区段110，115的轴向支承力Ρx1，Ρx2抵消，因为所述轴向支承力基于在对称轴两侧相背流动的支承流体流165，166而在相反的方向上取向。因此，不需要将转子15另外轴向地固定在壳体20中。
在流过间隙80，105之后，支承流体流165，166又在转子15的输入侧被抽吸，并且与主流体流160，161一起再次被压缩。
基于驱动单元35的无刷构型以及线圈环130与轴40间隔开的布置，转子15可以借助于支承流体流165可靠地支承在壳体20中并且同时补偿转子15的旋转轴线45相对于壳体轴线195的偏移，所述壳体轴线平行于旋转轴线45延伸。
通过流体轴承180可以省去用于支承转子15的滑动轴承或滚动轴承，从而压缩机10成本特别低廉地构造。此外，特别是在转子15特别快地旋转的情况中可以实现特别简单的支承。由于省去了滑动轴承或滚动轴承，压缩机10总体上更小地构造，从而压缩机10具有紧凑的安装空间需求。
通过提供相对于对称轴120对称的两个转子区段110，115，可以完全地省去另外的支承系统。此外，所述构型具有特别高的输送效率。
图4示出根据第二实施方式的压缩机200的示意性剖视图。在此，在转子15的旋转轴线45的上方剖切，并且在旋转轴线45的下方以俯视图示出。压缩机200基本上与图1中所示的压缩机10相同地构造。与其区别在于，支承结构175附加地具有布置为鱼骨形的凹进部205，所述凹进部在周向侧以均匀的间距布置在围带75，100上。由此指出，在图4中转子15相对于对称轴120轴对称地构造，并且凹进部205也设置在布置在右侧的第二转子区段115(未示出)上。此外，凹进部205当然也可以构造为凸出部，所述凸出部朝向壳体部件25的方向径向地向外延伸。
在所述实施方式中，支承结构175单行地布置在围带75，100上。当然也可以考虑，多行的支承结构175以布置为鱼骨形的凹进部205或者凸出部的形式在周向侧设置在围带75，100的朝向壳体部件25，30的外周面上。凹进部205具有第一凹进部区段206和第二凹进部区段207。凹进部区段206，207围成张角α。所述张角小于180°。凹进部区段206，207这样布置，以使得凹进部205朝向转子15的旋转方向敞开。因此，可以在支承流体流165中引起特别高的周向速度，从而特别是在凹进部205的区域中可以通过支承流体流165形成特别稳定的压力垫，所述压力垫特别好地支承转子15。
图5示出根据第三实施方式的压缩机300的剖视图，其中，以俯视图示出转子15。压缩机300基本上与图1至4中所示的压缩机10，200相同地构造。与其区别在于，支承结构175具有凸出部305，所述凸出部螺旋状地在周向侧布置在围带75上。在此，凸出部305构造为叶片状的。替换地，凸出部305可以在周向方向上连接以构成螺栓。因此，在逆时针旋转时，支承流体流165特别好地朝向支承结构170，175的布置在输入侧径向内侧的密封元件310的方向被输送。在所述实施方式中，密封元件310构造为迷宫式密封件，由此可以避免转子15和壳体20之间的摩擦接触。因此，可以确保压缩机300特别高的效率。此外，密封元件310具有的优点是，支承流体流165不仅可以从输出侧55输送至输入侧50，而且同时可以通过凸出部305的螺旋形的构型在周向方向上加速。同时，支承流体流165在密封元件310之前积聚，从而使在第一间隙80内部的压力ps可以保持特别高。因此，在转子15的低转速情况下也已经可以确保稳定的支承。
在所述实施方式中，第一/第二间隙80，105构造为从输出侧55朝向输入侧50逐渐缩窄。当然也可以考虑，间隙80，105具有在整个间隙80，105上恒定的间隙宽度s1，s2。
由此指出，密封元件310也可以不是布置在输入侧，而是在其它位置上在周向侧在壳体部件25，30或转子15上布置。当然也可以考虑，密封元件设置在转子15的在图1或2中所示的构型中。也可考虑省去密封元件310。
支承结构175在图1至4中示例性地构造。当然也可以考虑，设置不同地构造的支承结构，然而在此重要的是，通过支承结构175加强的支承流体流165，所述支承流体流提供转子15和壳体20之间的流体动力支承部位置，以便可以省去用于支承转子15的滑动轴承或滚动轴承。
驱动单元35在所述实施方式中是示例性的。当然也可以考虑，驱动单元35构造为其他类型。然而图1至5中所示的驱动单元35具有的优点是，通过驱动单元35的在所述轴40和线圈环130之间的不接触的构型，所述轴40能够在径向方向上以间隙宽度s1，s2偏移，从而根据转子15的负荷，支承流体流165可以与压缩机10，200，300的定向无关地不仅在轴向方向上而且在径向方向上支承转子15。

Claims (10)

1.一种用于热泵循环和/或制冷设备循环的压缩机(10；200；300；400)，其具有壳体(20)和能绕着旋转轴线(45)旋转地支承的转子(15)，
-其中，所述壳体(20)至少部分地布置在所述转子(15)的周向侧，
-其中，所述转子(15)包括至少一个毂(65，90)和至少一个在所述毂(65，90)上在径向外侧布置的叶片(70，95)，
-其中，所述叶片(70，95)构造用于输送主流体流(160，161)，
-其中，所述转子(15)包括在所述叶片(70，95)上在径向外侧布置的围带(75，100)，
-其中，所述围带(75，100)布置为与所述壳体(20)径向地间隔开，
-其中，在所述围带(75，100)上在径向外侧设置有支承结构(170，175)，所述支承结构构造用于形成在所述围带(75，100)和所述壳体(20)之间的支承流体流(165，166)，以构成用于将所述转子(15)支承在所述壳体(20)中的流体动力轴承(180)。
2.根据权利要求1所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，所述转子(15)包括输入侧(50)和输出侧(55)，其中，所述叶片(70，95)构造用于将所述主流体流(160，161)从所述输入侧(50)输送至所述输出侧(55)，其中，所述支承结构(170，175)构造用于将所述支承流体流(165，166)从所述输出侧(55)输送至所述输入侧(50)。
3.根据权利要求2所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，所述输入侧(50)布置在所述转子的径向内侧，并且所述输出侧(55)布置在所述转子(15)的径向外侧，其中，所述支承结构(170，175)至少部分地构造为螺旋形的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，所述支承结构(170，175)包括密封元件(310)，其中，所述密封元件(310)布置在所述围带(75，100)和所述壳体(20)之间，其中，所述密封元件(310)构造用于在轴向方向上限制所述支承流体流(165，166)。
5.根据权利要求4所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，所述密封元件(310)构造为迷宫式密封。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，所述支承结构(170，175)构造为鱼骨形的，和/或所述支承结构(170，175)具有在1Rz至60Rz范围内的表面粗糙度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，所述支承结构(170，175)具有至少一个凹进部(205)和/或凸出部(305)，所述凹进部和/或所述凸出部倾斜于或者横向于所述毂(65，90)的周向方向布置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，所述转子(15)包括另一毂(90)，其中，在所述另一毂(90)上设置有至少一个在径向外侧布置的另外的叶片(95)，
-其中，所述另一叶片(95)构造用于输送另一主流体流(161)，
-其中，所述另一毂(90)通过一个轴(40)与所述毂(65)耦合，
-其中，所述转子(15)包括另一围带(100)，所述另一围带布置在所述另一叶片(95)的径向外侧上，
-其中，所述另一围带(100)布置为与所述壳体(20)径向地间隔开，
-其中，所述壳体(20)至少部分地在周向侧围绕所述另一围带(100)，
-其中，在所述另一围带(75，100)上在径向外侧设置另一支承结构(175)，所述另一支承结构构造用于提供在所述另一围带(75，100)和所述壳体(20)之间的另一支承流体流(166)。
9.根据权利要求8所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，所述另一支承结构(175)和所述支承结构(170)相对于布置在两个毂(65，90)之间的对称轴(120)轴对称地构造。
10.根据权利要求8或9所述的压缩机(10；200；300；400)，其中，在两个毂(65，90)之间的所述轴(40)上布置有至少一个磁体(125)，其中，所述磁体(125)转矩锁合地与所述轴(40)连接，其中，在所述轴(40)的径向外侧设置有至少一个线圈环(130)以提供交流磁场，其中，所述交流磁场构造用于与所述磁体(125)作用连接，以便促使所述转子(15)旋转运动。
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