CN105992874A - 摆线转子泵压缩机和膨胀机的性能改善 - Google Patents

摆线转子泵压缩机和膨胀机的性能改善 Download PDF

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Abstract

提出了改善摆线转子泵压缩机和膨胀机性能的系统和方法。本公开某些方面降低摆线转子泵系统内的端口损耗。本公开其他方面降低摆线转子泵系统的外转子的凸角内的挠度。本公开的另一些方面减少通过摆线转子泵系统的部件间的紧密缺口的泄漏。

Description

摆线转子泵压缩机和膨胀机的性能改善
技术领域
本公开总体涉及摆线转子泵压缩机和膨胀机，更具体地涉及改善摆线转子泵压缩机和膨胀机的性能的特征。
背景技术
摆线转子泵利用内转子和外转子运行，内转子和外转子绕它们各自的轴线在壳体内转动。驱动机构使转子同步以使它们不接触。当转子转动时，内转子的齿和外转子的凸角互相相对移动，以在内转子的齿和外转子的凸角之间创造空隙，空隙打开，达到最大体积，然后关闭。流体通过外转子的凸角间的缝隙(被称为端口)进入空隙并离开空隙。
壳体包括四个区。四个区中的第一个形成适于摆线转子泵系统的进口导管。四个区中的第二个形成适于摆线转子泵系统的出口导管。四个区中的第三个和第四个位于入口导管区域和出口导管区域之间，并具有在内外转子和壳体之间的小间隙。这两个区域用于阻止在入口导管和出口导管之间围绕外转子外侧的流体流动。
对于作为压缩机运行的摆线转子泵系统，输入到驱动机构的输入动力驱动转子。当空隙打开时，流体通过一个或多个吸入口从壳体的入口导管进入。一旦捕获了流体，空隙体积下降，引起流体的压力增大。在达到期望的压力(通过两个转子的几何结构产生)后，流体通过一个或多个出口端口退出到壳体的出口导管内。
对于作为膨胀机运行的摆线转子泵系统，高压流体通过一个或多个吸入口从壳体的入口导管进入到摆线转子泵中的小空隙。流体被捕获，流体压力作用在转子上引起空隙体积随流体压力下降而增加。膨胀流体引起转子转动。达到期望的压力后，流体通过一个或多个出口端口退出到壳体的出口导管内。转子的旋转产生来自摆线转子泵驱动机构的输出动力。
摆线转子泵压缩机和膨胀机有多个适用于摆线转子泵压缩机和膨胀机两者的如下优点：
无阀门；
低振动；
紧凑；
有效率；
流体耐受性；
低制造成本；
每个阶段的高压力比；
旋转速度与传统发动机，马达和发电机匹配；
低零件数；
无油操作；和
变速下高效运行。
发明内容
根据本公开的第一个实施例，摆线转子泵系统包括内转子、有多个端口的外转子，以及壳体。多个端口包括端口的入口子集和端口的出口子集。流体通过端口的入口子集流入摆线转子泵系统，并通过端口的出口子集流出摆线转子泵系统。壳体包括与端口的入口子集流体联接的入口导管和与端口的出口子集流体联接的出口导管。入口导管包括输入管，出口导管包括出口管。入口管基于端口的入口子集中的具有通过入口端口的最高入口流体速度的入口端口的位置而位于入口导管上。出口管基于端口的出口子集中的具有通过出口端口的最高出口流体速度的出口端口的位置而位于出口导管上。
根据本公开的第二实施例，摆线转子泵系统包括内转子、有多个端口的外转子，以及壳体。多个端口包括端口的入口子集和端口的出口子集。流体通过端口的入口子集流入摆线转子泵系统，并通过端口的出口子集流出摆线转子泵系统。壳体进一步包括与端口的入口子集流体联接的入口导管和与端口的出口子集流体联接的出口导管。
入口导管包括多个从进入端延伸至入口导管的转子端的入口通道叶片。入口通道叶片形成多个入口通道，其将进入入口通道的流体的大体上相同的速度改变为在转子端处的速度，转子端处的速度大体上与通过一个或多个对应入口端口的流体的速度相匹配。
出口导管包括多个从转子端延伸至出口导管的退出端的出口通道叶片。出口通道叶片形成多个出口通道，每个出口通道配置成将在出口通道的转子端处的流体速度(视通过一个或多个对应出口端口的流体速度而定)改变为退出出口通道的流体的大体上相同的速度。
根据本公开的第三实施例，摆线转子泵系统包括内转子、有多个端口的外转子，以及壳体。多个端口包括端口的入口子集和端口的出口子集。流体通过端口的入口子集流入摆线转子泵系统，并通过端口的出口子集流出摆线转子泵系统。壳体进一步包括与端口的入口子集流体联接的入口导管和与端口的出口子集流体联接的出口导管。入口导管包括位于入口导管的第一端的输入管，出口管包括位于出口导管的第一端的出口管。入口导管的圆周部的轮廓从入口导管的第一端至第二端变化，以将入口导管中的流体速度矢量改变为更接近地匹配穿过对应入口端口的流体速度矢量。出口导管的圆周部的轮廓从出口导管的第一端至第二端变化，以将穿过一个或多个出口端口的流体速度矢量改变为与出口管中的流体速度大体相同。
根据本公开的第四实施例，摆线转子泵系统包括内转子、有多个端口的外转子，以及壳体。外转子包括多个凸角部分和至少一个盘部分。外转子进一步包括在外转子内表面上的的特征，在该内表面处，该特征配置成降低凸角部分的基部中的应力集中。
根据本公开的第五实施例，摆线转子泵系统包括内转子、有多个端口的外转子，以及壳体。外转子包括多个凸角部件和多个盘部件。每个凸角部件通过至少一个销安装至盘部件，销穿过至少一个盘部件到凸角部件内。
根据本公开的第六实施例，摆线转子泵系统包括内转子、有多个端口的外转子，以及壳体。外转子包括多个凸角部件和多个盘部件，其中凸角部件是中空的。
根据本公开的第七实施例，摆线转子泵系统包括内转子，有多个端口的外转子，以及壳体。外转子包括多个凸角部件和多个盘部件。每个凸角部件的外部包括第一材料，且每个凸角部件的内部分包括第二材料。第二材料较第一材料而言是更轻的材料。
根据本公开的第八实施例，摆线转子泵系统包括内转子，有多个端口的外转子，以及壳体。外转子包括具有接近壳体的内表面的对应区域的区域的外表面。外转子区域或壳体区域包括迷宫密封，迷宫密封配置成减少通过外转子区域和壳体区域之间的缝隙的流体泄露。
根据本公开的第九实施例，摆线转子泵系统包括内转子，有多个端口的外转子，以及壳体。内转子包括接近壳体的对应内面的外面。内转子面或壳体面包括迷宫密封，迷宫密封配置成减少通过内转子面和壳体面之间的缝隙的流体泄露。
在进行下面的详细说明前，阐明整个专利文件中使用的某些词和短语的定义可能是有利的：术语“包括”和“包含”以及其衍生词意味着包含而没有限制；术语“或”包括和/或的含义；短语“相关联”和“与此相关”以及其衍生词，可以意味着包括，被包括在，互相联系，包含，被包含在，连接至或与……相连接，联接至或与……相联接，与……可连通的，与……配合，交错，并列，近似于，结合于或与……结合，有，有……性质，诸如此类。
附图说明
为了更完全的理解本公开和其优点，参考结合附图进行的以下描述，其中同样的参考标记代表相同的零件：
图1显示了通过在摆线转子泵压缩机的入口和出口处的端口的径向速度矢量；
图2显示了根据本公开的导管几何结构，适于减小具有低旋转率的压缩机和具有高旋转率的压缩机的流体速度和方向的不匹配；
图3显示了根据本公开的转动叶片，转动叶片增加到导管以分别帮助将流体周向流变成径向流和将流体径向流变成周向流以进入端口和退出端口；
图4显示了根据本公开的具有入口管内的汇聚区段和出口管内的发散区段的摆线转子泵系统；
图5显示了根据本公开的在入口导管和出口导管内均具有“调谐”区段的摆线转子泵系统；
图6显示了根据本公开的在入口导管和出口导管内均具有两个“调谐”区段的摆线转子泵系统；
图7显示了根据本公开的包含分割流体流的很多通道的可替代的导管几何结构；
图8A和图8B显示了根据本公开的具有变化的横截面面积的圆周导管；
图9A和图9B显示了根据本公开的具有入口导管内的汇聚区段和出口导管内的发散区段的圆周导管；
图10显示了根据本公开的位于内转子和外转子上的切削刃；
图11A-11E显示了根据本公开的具有内圆角的外转子；
图12A-12E显示了根据本公开的外转子中的切槽；
图13A-13C显示了根据本公开的外转子，外转子内的凸角是与限定外转子的轴向端的两个盘分开的部件；
图14A-14C显示了根据本公开的另一个外转子，外转子的凸角由桥接两个盘的螺栓固定；
图15A-15D显示了根据本公开的又一个外转子，外转子的凸角适配于盘上的凹口中；
图16A-16D显示了根据本公开的又一个外转子，外转子的凸角适配于盘上的圆的凹口中；
图17显示了根据本公开的通过外转子的中空凸角的横截面图；
图18显示了根据本公开的通过外转子的凸角的横截面图，其中，凸角的外部包括第一材料，凸角的内部包括第二材料；
图19和图20显示了根据本公开的分别在外转子的圆周和壳体上的迷宫密封；
图21显示了根据本公开的示例性的迷宫密封；
图22显示了根据本公开的示例性的迷宫密封；和
图23显示了根据本公开的在内转子面上的迷宫密封。
具体实施方式
从开始应该理解的是，虽然示例的实施例在下文中进行了解释说明，本公开可能使用多种不论当前已知与否的技术实施。本公开不应限制于下文解释说明的示例实施，附图和技术。此外，附图不必按照比例绘制。
为了简单，本公开将集中于压缩机，但是，应该理解为本公开同样也适用于膨胀机。进一步的，应该理解为压缩机和膨胀机可以结合形成发动机，所以本公开下文也适用于发动机。
本公开讨论了流体流入摆线转子泵，在摆线转子泵内流动，并且流出摆线转子泵，应该理解这样的流体可以包括蒸汽，或气体，或气体和流体的混合物。的确，作为压缩机运行的摆线转子泵，气体可以进入摆线转子泵并通过压缩液化。
摆线转子泵压缩机的性能可以通过包含实现如下的特征而增强：
降低端口(porting)损耗；
切割耐磨涂层；
减少外转子凸角的挠度；和
减少通过紧密缝隙的泄露。
每个特征将会更详细的讨论。
降低端口损耗
在摆线转子泵压缩机中，流体在循环的吸入部分期间通过端口进入，并在循环的排放部分期间通过其他端口退出。和将流体带至压缩机和从压缩机带走的导管的尺寸相比，端口的尺寸相对小，因此，流体必须加速以流过端口。加速和后续的减速可能引起端口附近的湍流，这会降低效率。包含降低湍流的特征能减少转移损耗。
图1显示了通过摆线转子泵压缩机100的入口和出口处的端口的径向速度矢量。图1显示了压缩机100的剖视图。压缩机100包括内转子102，外转子104和壳体106。径向速度矢量108指示通过外转子104的入口端口107a,107b和107c的流体速度。径向速度矢量110指示通过外转子104的出口端口109a,109b和109c的流体速度。
通过端口的径向速度矢量108和110与旋转空隙体积的变化率直接相关。应该注意的是，除了径向速度矢量，还有圆周速度矢量(未显示)由转子的旋转造成。圆周速度矢量取决于内转子和外转子的旋转率。
在压缩机入口，7点钟位置和11点钟位置的体积变化小，9点钟位置的体积变化最大。图1中显示的径向速度矢量的实际长度取决于转子具体的几何结构，在此，矢量是说明性的而不是定量性的。
在压缩机的出口，1点钟位置的体积变化小，3点钟位置的体积变化最大。图1中显示的径向速度矢量的实际长度取决于转子具体的几何结构，在此，矢量是说明性的而不是定量性的。
图1也表示了膨胀机的径向速度矢量，但是对于膨胀机，箭头的方向将会颠倒。
为了提高效率，通过端口的流体速度应该更接近地匹配在端口之外的导管内的速度。当流体速度不匹配时，产生将动能转换为热能并降低效率的湍流。此外，当通过端口的速度的方向匹配通过将流体带至摆线转子泵和从摆线转子泵带走的导管的速度的方向时，效率被提高。通过导管的流动可以是大体径向的，然而，应该注意的是，有速度矢量的圆周分量，能反映出内转子和外转子在旋转。
图2显示了根据本公开的导管几何结构，适于减小具有低旋转率(图2a)的压缩机200和具有高旋转率(图2b)的压缩机250在流体速度和方向上的不匹配。图2a的压缩机200包括入口导管212和出口导管214。图2b的压缩机250包括入口导管252和出口导管254。
因为端口速度在3点钟位置和9点钟位置最大，压缩机出口管和入口管通常分别位于3点钟位置和9点钟位置。应该注意的是，对于比图2显示的压缩机的压缩比高的压缩机，外转子和壳体之间的圆周密封的尾缘将放置在更提前的位置，例如2点钟位置。在这样的实施例中，压缩机出口管将移动至2点钟位置以与具有最大流动的位置匹配。另一方面，对于比图2显示的压缩机的压缩比低的压缩机，圆周密封的尾缘将移动至更靠后的位置，例如4点钟位置。在这样的实施例中，压缩机出口管将保持在3点钟位置以与具有最大流动的位置匹配。
为了降低损耗，在导管内的流体方向更接近地匹配通过端口的流体流的方向是可取的。为了满足这个条件，入口管和出口管的轴线可以大体与来自外转子的主要的速度矢量对齐。如前所述，通过端口的速度矢量不是纯径向的，具有转子旋转造成的圆周分量。为了提高效率，入口管和出口管的轴线可以与通过端口的主要的速度矢量对齐，其包括径向和圆周分量。图2显示两种情况。图2a显示了适于缓慢旋转的摆线转子泵200的入口管212和出口管214的可取的轴线。图2b显示了适于迅速旋转的摆线转子泵250的入口管252和出口管254的可取的轴线。
为了服务于流体入口的整个圆周，入口导管应该从6点钟位置延伸至12点钟位置。结果，一些进入压缩机的流体一定会在圆周方向流动。通过保证在任何角度位置，流体通过端口(如图1所图示的)的速度匹配圆周方向上的速度，来限定外转子和导管间的缝隙。当指定适于压缩机出口的缝隙时，要采用相似的考虑。
虽然图2只显示了两种情况，在其它的构造中，特别构造中的入口管和出口管可以是可移动的以弥补摆线转子泵内的动态变化。作为非限制示例，对于一定的旋转速度，可为入口和/或出口设定第一方向。对于其他旋转速度，第二方向可用于入口和/或出口。任何合适的装置可以用于动态地改变包括但不限于连接至曲柄的入口/出口管的入口/出口的方向。在一定的构造中，一个或多个传感器可探测变化条件(例如主要的速度，增大的旋转速度，和/或流量)并自动改变入口管和/或出口管的方向以使效率最大化。
图3显示了根据本公开的转动叶片316，其增加到导管以分别帮助将流体周向流动变成径向流动以进入端口，和将径向流动变成流体周向流动以退出端口。摆线转子泵系统300包括外转子304，有转动叶片316的入口导管312，和有转动叶片318的出口导管314。如前所述，通过外转子304的端口的流体流不是纯径向的且具有圆周分量。转动叶片316的轮廓被设计为改变入口导管312区域内流体的径向和圆周速度矢量分量，以更接近地匹配进入外转子304的各个对应入口端口的流体速度矢量。转动叶片318的轮廓被设计为改变通过外转子304内出口端口的流体的径向和圆周速度矢量分量，以更接近地匹配出口导管314的对应区域内的流体速度矢量。
与参照图2a和图2b描述的入口管和出口管类似，特别构造的转动叶片也可以设计为基于通过摆线转子泵系统的流体流的改变情况动态地移动。在其它构造中，转动叶片可以是固定的。
图4显示了根据本公开具有增加到入口管412的汇聚区段420的摆线转子泵系统400。汇聚区段420预加速流体流动至与端口速度匹配的速度。摆线转子泵系统400也包括出口管414内的发散区段422。发散区段422使流体流动减速以匹配退出系统400的最终流体速度。系统400也包括转动叶片416和418。然而，应理解的是其他的实施例可能不包括转动叶片。
典型地，进入和退出压缩机的流体流动不是完全流畅的且具有脉冲。脉冲频率是外转子旋转率的N倍，其中N是外转子的端口的数量。图5显示了根据本公开的摆线转子泵系统500，其在入口导管512内具有“调谐”区段524，在出口导管514内具有“调谐”区段528。调节调谐区段524和528的长度，以使调谐区段524和528的共振频率匹配与外转子504的脉冲频率相关的脉冲频率。调谐区段524和528内的共振频率也取决于入口导管512和出口导管514内的流体的量。
有许多构造根据本公开的共振调谐区段的方法。图5显示了实施例，其中，机械固定在入口导管512的较大区段的端盖526限定了调谐区段524的长度。类似地，机械固定在出口导管514的较大区段的端盖530限定了调谐区段528的长度。
摆线转子泵系统500包括汇聚区段520和转动叶片516。此外，系统500包括发散区段522和转动叶片518。
图6显示了根据本公开的摆线转子泵系统600，其在入口导管和出口导管中均有两个调谐区段。摆线转子泵系统600包括由端盖626限定的第一输入调谐区段624。系统600也包括由端盖634限定的第二输入调谐区段632。此外，系统600也包括由端盖630限定的第一出口调谐区段628和由端盖638限定的第二出口调谐区段636。
图7显示了根据本公开的包含分割流体流的多个通道的可替代的导管几何结构。摆线转子泵系统700包括入口导管712和出口导管714。入口导管712包括从入口导管712的进入端延伸到入口导管712的转子端的入口通道叶片716。入口通道叶片716形成相邻入口通道叶片716之间的，以及在入口导管712的壁和最外面入口通道叶片716之间的入口通道(通常由740表明)。类似的，出口导管714包括从出口导管714的转子端延伸至出口导管714的退出端的出口通道叶片718。出口通道叶片718形成相邻出口通道叶片718之间，以及出口导管714的壁和最外面的出口通道叶片718之间的出口通道(通常由742表明)。每个入口通道740和每个出口通道742有限定通道宽度的轮廓。
设计入口通道740和出口通道742时有如下考虑：在入口导管712的入口，所有到入口导管712内的流体速度矢量大体上一致。当流体沿着入口通道740流动时，通道的宽度改变以使在通道的转子端，入口通道740内的流体速度的量级大体上匹配通过外转子704的对应端口的流体速度的量级(如上参照图1进行解释的)。类似的，流出外转子704的流体有不同的速度，取决于流体正在流过的外转子704的端口的当前位置。当流体沿着出口通道742流动时，通道的宽度改变以使在出口导管714的出口端，每个通道内的流体速度的量级大体上相同。
此外，入口导管712内的通道740的角度变化以将圆周分量引入适应转子702的旋转速度的入流流体的速度(如参照图2和图3所讨论的)。类似的，出口导管714的通道742的角度变化以移除退出出口导管714的流体的速度的圆周分量。
图8A和图8B显示了根据本公开的具有变化的横截面面积的圆周导管。图8A描绘了具有入口导管812A和出口导管814A的摆线转子泵压缩机800A。变化入口导管812A的圆周部分844A的轮廓，以使入口导管812A内的入流流体的速度在圆周部分844A中变化不同的量，以大体上匹配通过外转子804A的进入端口的速度，如上参照图1所描述的。类似的，变化出口导管814A的圆周部分846A的轮廓，以使在外转子804A的排出端口的流出流体的不同速度降低对应的量，至在出口导管814A内的大体上同样速度。
图8B描绘了具有入口导管812B和出口导管814B的摆线转子泵膨胀机800B。变化入口导管812B的圆周部分844B的轮廓，以使入口导管812B内的入流流体的速度在圆周部分844B中变化不同的量，以大体上匹配通过外转子804B的进入端口的速度。类似的，变化出口导管814B的圆周部分846B的轮廓，以使在外转子804B的排出端口的流出流体的不同速度降低对应的量，至在出口导管814B内的大体上同样速度。
图9A和图9B显示了根据本公开的入口导管，其中汇聚区段在入口导管内预加速流体速度以匹配在圆周导管内的速度。图9A描绘了具有入口导管912A和出口导管914A的摆线转子泵膨胀机900A。汇聚区段920A在入口导管914A内使流体流动从较低到来速度预加速至进入入口导管912A的圆周部分944A的较高速度。类似的，发散区段922A使离开出口导管914A的圆周部分946A的流体流动减速至期望的排出速度。
图9B描述了具有入口导管912B和出口导管914B的摆线转子泵膨胀机900B。汇聚区段920B使在入口导管912B内的流体流动从较低入流速度预加速至进入入口导管912B的圆周部分944B的较高速度。类似的，发散区段922B使离开出口导管914B的圆周部分946B的流体流动减速至期望的排出速度。
在该实施例中，入口导管912A和912B有迅速汇聚的轮廓，而出口导管914A和914B有逐渐发散的(例如圆锥的)轮廓。在其它实施例中，入口导管可以有逐渐汇聚的轮廓和/或出口导管可以有迅速发散的轮廓。为了阻止流体分离，这样的汇聚和偏离轮廓优选小于大约7度的角。
切割耐磨涂层
为了降低泄露损耗，摆线转子泵系统在内外转子和摆线转子泵壳体间应该有小的间隙。在运行期间，转子受到引起转子热膨胀的温度。如转子互相接触或接触壳体，会对转子和/或壳体产生损害。
为了防止这样接触发生时的损害，可取的是一个接触元件有硬表面，另一个接触元件有耐磨涂层，例如二硫化钼，聚合物(如多孔环氧树脂)，或软金属(如巴氏合金，黄铜或紫铜)。特别有效的涂层是通过热喷涂实施的镍/石墨。多孔镍的空隙由石墨填满。如果有大的干涉，硬表面接触镍/石墨涂层且导致一部分涂层被移除。如果有小的干涉，硬表面接触镍/石墨涂层且将镍推入空隙，移位石墨。
当硬表面和耐磨涂层有接触时，优选的硬表面是粗糙的，例如通过喷砂获得。粗糙化的表面实现两个目的：(1)其像砂纸一样作用并帮助移除耐磨涂层，(2)所得缝隙是粗糙化的，引起湍流并因此减少通过缝隙的流动。
粗糙化的表面能特别好地和较软涂层一起工作，然而，与较硬涂层(例如镍/石墨)一起工作会产生拉毛。为了避免拉毛(galling)，硬表面可结合切削刃。这样的切削刃可包括粗糙化的边缘，配置成使耐磨涂层粗糙化。
图10显示了根据本公开的位于内转子和外转子上的切削刃。摆线转子泵系统1000包括内转子1002，外转子1004和壳体1006。如在图10D中可见的，内转子1002包括在内转子1002上边缘和下边缘上的切削刃1062，在内转子1002的顶表面，底表面和外表面上形成切削刃。如在图10B和10C中可见的，外转子1004包括在外转子1004的每个凸角的外表面上的切削刃1060。切削刃1060和1062可以由司太立(Stellite)合金或其他特别硬的金属形成。
内转子1002上的切削刃1062可接触到外转子1004和/或壳体1006的配合表面。配合表面有如上所述的耐磨涂层。切屑刃1062从内转子1002的上下表面被升得足够高(优选约0.002英寸)，使来自耐磨涂层的碎片可以排出，但是不能太高以在内转子1002和壳体1006之间造成显著的死体积。
外转子1004上的切削刃1060位于凸角的边缘上。壳体1006的配合表面有如上所述的耐磨涂层。切屑刃从外转子1004的表面被升得足够高(优选约0.002英寸)，使来自耐磨涂层的碎片可以排出，但是不能太高以在外转子1004和壳体1006之间造成显著的死体积。调节切削刃1060的倾斜角使切削刃1060切削而不是涂抹耐磨涂层，从而减少或防止拉毛。而且，敞开的凹口1064形成于在切削刃1060的前面的外转子1004上，以收集耐磨涂层产生的碎片，其也能减少或防止拉毛。
降低外转子凸角的挠度
摆线转子泵系统的外转子的凸角桥接限定外转子的轴向端的两个盘。当外转子旋转时，离心力作用使其变形。因为两个盘很好地在径向上得到支持，它们不会经受由于离心力的严重变形。相反，凸角没能在很好地径向上得到支持，会由于离心力显著地变形，特别是如果凸角桥接两个盘之间的长距离。
如果盘和凸角由单块材料制成，然后由于施加了离心力，在凸角的根部(盘和凸角的界面)会有显著的应力集中。如果不处理，这样的应力集中会引起形成在外转子的凸角的裂纹，这可导致灾难性故障。可通过降低外转子的旋转率来降低或消除这种故障的可能性，然而这样的解决方案会不利地影响压缩机容量。
为了解决外转子的凸角的根部的应力，可以开展很多如下描述的策略。
图11A显示了根据本公开的外转子1104。外转子1104演示了降低外转子1104的凸角根部的应力的第一策略。图11B是沿线A-A的穿过外转子1104的第一截面。图11C是沿线B-B的穿过外转子1104的第二截面。外转子1104有内圆角1170，其是外转子1104的内表面上的降低外转子1104内凸角1168的根部或基部应力集中的特征。
外转子1104包括能像“蛤壳”一样连接的部件1104A和部件1104B。部件1104A包括盘/肩部分1166A，内圆角1170A，和凸角部分1168A。部件1104B包括盘/肩部分1166B，内圆角1170B，和凸角部分1168B。如图11B显示的部件1104A和部件1104B由缝隙分开，应该理解的是，在运行中，部件1104A和部件1104B互相机械地联接在一起以形成连续的转子。如图11B和11C显示的外转子1104包括两个部件，应该理解的是，在其它实施例中，外转子1104可能制造为单个部件或三个或多个部件。
图11D描绘了与外转子1104一起使用的内转子1102。内转子1102放置在通过连接部件1104A和连接部件1104B形成的内部。图11E显示了沿线C-C的穿过内转子1102的截面。内转子1102包括部件1102A和部件1102B。如图11E显示的部件1102A和部件1102B由缝隙分开，应该理解的是，在运行中，部件1102A和部件1102B互相机械地联接在一起以形成连续的转子。如图11E显示的内转子1102包括两个部件，应该理解的是，在其它实施例中，内转子1102可能制造为单个部件或三个或多个部件。
如图11E中可以看出的，内转子1102的上下边缘变圆以匹配外转子1104的内圆角1170A和内圆角1170B的轮廓。如果外转子1104在端口区域是完全平坦的(如图12C显示的外转子1204)，则内转子1102的变圆边缘可能引入口附近的死体积，会不利地影响效率。
为了降低或消除该影响，内圆角连续到端口区域，如图B所示。部件1102A和部件1102B与端口区域内的肩部分1166A和肩部分1166B一起制造。肩部分1166A和肩部分1166B使内圆角1170A和内圆角1170B连续到外转子1104的端口区域内，以配合内转子1102的圆形上下边缘，以便降低端口附近的死体积和提高利用外转子1104和内转子1102的摆线转子泵系统的效率。
图12A显示了根据本公开的外转子1204。外转子1204演示了降低外转子1204的凸角根部的应力的第二策略。图12B是沿线A-A的穿过外转子1204的第一截面。图12C是沿线B-B的通过外转子1204的第二截面。外转子2104有切槽1272，其是外转子1204的内表面上的配置为降低外转子1204内凸角1268的根部应力集中的特征。如可在图12C中看到的，外转子1204在其端口区域是平坦的。
外转子1204包括互相机械联接以形成连续的外转子1204的部件1204A和部件1204B。部件1204A包括切槽1272A和凸角部1268A。部件1204B包括切槽1272A和凸角部1268A。图12B和图12C中所示的外转子1204包括两个部件，应该理解的是，在其它实施例中，外转子1204可能制造为单个部件或三个或多个部件。
图12D描绘了与外转子1204一起使用的内转子1202。图12E显示了沿线C-C的穿过内转子1202的截面。内转子1202包括互相机械联接以形成内转子1202的部件1202A和部件1202B。如图12E中显示的内转子1202包括两个部件，应该理解的是，在其它实施例中，内转子1202可能制造为单个部件或三个或多个部件。
图13A至13C显示了包括盘1374A和盘1374B以及凸角1376的外转子1304。凸角1376通过销1378A和销1378B分别连接至盘1374A和盘1374B。图13B是沿线A-A的穿过外转子1304的第一截面。图13C是沿线B-B的穿过外转子1304的第二截面。如可在图13C中看到的，外转子1304在其端口区域是平坦的。
外转子1304通过形成作为与盘1374A和盘1374B分离的部件的凸角1376来消除在其凸角的应力。反而，由于凸角1376上的离心力，销1378A和销1378B经受剪切力。为了降低离心力，凸角1376可由轻量材料制成，例如钛，而盘1374A和盘1374B可以由比较便宜的材料制成，例如钢。在优选实施例中，凸角1376由轻量及坚硬的材料制成，例如碳纤维复合材料或碳化硅。为了降低在外转子的凸角上的离心力的影响，凸角的重要材料性能是比模量，也被认为是刚度重量比或比刚度。
图14A至14C显示了包括盘1474A和盘1474B以及凸角1479的外转子1404。凸角1479通过螺栓1480连接至盘1474A和盘1474B。图14B是沿线A-A的通过外转子1404的第一截面。图14C是沿线B-B的通过外转子1404的第二截面。如可在图14C中看到的，外转子1404在其端口区域是平坦的。
螺栓1480完全穿过盘1474A，凸角1479和盘1474B。如对图13中显示的外转子1304的描述，外转子1404通过形成作为与盘1474A和盘1474B分离的部件的凸角1479来消除在其凸角的应力，使螺栓1480经受由凸角1479上的离心力产生的剪切力。此外，由来自螺栓1480的夹紧力造成的凸角1479与盘1474A和盘1474B的配合表面之间的摩擦，降低螺栓1480上的剪切力且帮助将凸角1479稳固在适当位置。除了螺栓1480，可用销(未显示)来确保凸角1479适当地位于盘1474A和盘1474B上。如参考图13A至13C所述的可替代实施例的元件也能用于图14A至14C中显示的实施例。
图15A至15D显示了包括盘1582A和盘1582B，凸角1576(图15B中)和凸角1584(图15D中)的外转子1504。图15B是沿线A-A的穿过外转子1504的截面，显示了通过短螺栓1578连接至盘1582A和盘1582B的凸角1576。图15C是沿线B-B的通过外转子1504的截面。如图15C中可见的，外转子1504在其端口区域是平坦的。图15D是沿线A-A的通过外转子1504的截面，显示了通过贯穿螺栓1580连接至盘1582A和盘1582B的凸角1584。
凸角1576和1584适配入盘1574A和1574B的凹口或凹处1577。这样的设计通过使一些凸角1576和1584经历的离心力被除了螺栓1578和1580上的力之外的凹口1577侧壁上的力抵抗，而降低螺栓1578和1580上的应力。如参考图13A至13C和图14A至14C所述的可替代实施例的效益和合适的元件也能用于图15A至15D中显示的实施例。
图16A至16D显示了包括盘1686A和盘1686B，凸角1688(图16B中)和凸角1690(图16D中)的外转子1604。图16B是沿线A-A的通过外转子1604的截面，显示了通过短螺栓1678A和1678B连接至盘1686A和盘1686B的凸角1688。图16C是沿线B-B的通过外转子1604的截面。如图16C中可见的，外转子1604在其端口区域是平坦的。图16D是沿线A-A的通过外转子1604的截面，显示了通过贯穿螺栓1680连接至盘1686A和盘1686B的凸角1690。
凸角1688和凸角1690被变圆并适配入盘1686A和盘1686B内的圆形凹口或凹处1687内。凹处1687的圆轮廓对应凸角1688和1690的圆轮廓。如参考图15A至15D的所描述的外转子1504，外转子1604的设计通过使一些凸角1688和1690经历的离心力被除螺栓1678和1680上的力之外的凹口1687侧壁上的力抵抗，而降低螺栓1678和1680上的应力。此外，当由于凸角1688和凸角1690上的离心力造成凸角1688和凸角1690的中心部相对于端部退出时，外转子1604的该设计元素通过使凸角1688和凸角1690在凹处1687内旋转，进一步降低外转子1604的元件上的应力。如参考图13A至13C，图14A至14C和图15A至15D所述的可替代实施例的效益和合适的元件也能用于图16A至16D中显示的实施例。
图17显示了根据本公开的通过外转子1704的中空凸角1792的横截面图。制造作为中空元件的外转子的凸角降低了凸角的质量，因此降低由于离心力的它的挠度，而保持着凸角的强度。中空凸角1792可以与如参考图13A至13C，图14A至14C，图15A至15D和图16A至D所述的，有单独盘和凸角元件的外转子实施例一起使用。
图18显示了根据本公开的通过外转子1804的凸角1894的横截面图，其中，凸角的外部分包括第一材料1896，凸角的内部分包括第二材料1898。第二材料1898可以是在提供刚度的同时降低重量的泡沫金属。在其它实施例中，第二金属1898可以是轻且坚硬的材料，例如碳纤维复合材料或陶瓷。填充的凸角1894可以与如参考图13A至13C，图14A至14C，图15A至15D和16A至16D所述的，任何有单独盘和凸角元件的外转子实施例一起使用。
降低通过紧密缝隙的泄露
图19A至19C显示根据本公开的外转子圆周上的迷宫密封。如图19A中可见的，根据本公开的摆线转子泵系统1900包括外转子1904和壳体1906。图19B是沿线A-A的穿过外转子1904和壳体1906的第一截面。图19C是沿线B-B的穿过外转子1904和壳体1906的第二截面。
如图19B中可见的，外转子1904包括像蛤壳一样连接的部件1904A和部件1904B。部件1904A和部件1904B均具有接近壳体1906的对应内表面区域的外表面区域。这些外表面区域由创造扭曲路径的迷宫密封1903制造，扭曲路径降低通过部件1904A和部件1904B的外表面区域与壳体1906的对应内表面区域之间的缝隙的流体泄露。参考图21更详细地论述示例性的迷宫密封。
图20A至20C显示了具有外转子2004和壳体2006之间的迷宫密封2003的类似系统的摆线转子泵系统2000。如在图20B和20C中可见的，迷宫密封2003被制造在接近外转子2004的外表面区域的壳体2006的内表面区域内。
图21显示了根据本公开的示例性的迷宫密封。如可见的，很多构造可适于根据本公开的迷宫密封。如图21中所描绘的，迷宫密封的上侧离外转子凸角最远，而迷宫密封的下侧离外转子凸角最近。离外转子凸角最近的狭槽是不连续的，这能阻止从圆周的高压区域到低压区域的气体“短路”。
在图21中所示的实施例中，离凸角最远的狭槽是连续的，这使压力沿着圆周相等。在该最远狭槽内的压力介于压缩机入口压力和出口压力之间，但是更接近入口压力。例如，如果压缩机的入口压力是20psia(磅/平方英寸(绝对值))，出口压力是50psia，最远狭槽内的压力可以是约25psia。
外转子的外面联接至轴承和齿轮，轴承和齿轮都用最终排放到集油槽的油润滑。典型地，油槽内的压力参考压缩机入口(本例中20psia)，这是系统中最低的连续压力。该策略确保油从轴承和齿轮流回集油槽。临时地，给定的空隙空间在扩大和将燃气吸引进去的时候，空隙空间的压力降到压缩机入口压力以下(例如18psia)。在该临时吸气活动期间，空隙空间能通过缝隙将油吸引到空隙空间中。一般的，期望阻止气体被油污染，所以那是不期望有的结果。通过确保最远的狭槽一直有比集油槽压力稍高的压力，可确保气体泄漏一直是向压缩空间的外面，因此油不能进入压缩空间。
图22A和22B显示了包括外转子2204和壳体2206的摆线转子泵系统2200的俯视图。摆线转子泵系统2200具有在壳体和外转子凸角之间的圆周缝隙的迷宫密封2203。在图24A中，迷宫密封2203被制造在接近外转子2204的外表面区域的壳体2206的内表面区域内。在图22B中，迷宫密封2203被制造在接近壳体2206的内表面区域的外转子2204的外表面区域内。狭槽2203在轴向上可为连续的或非连续的。
图23显示了包括内转子2302和壳体2306的摆线转子泵系统2300。内转子2302包括在内转子2302的上面和下面(未示出)的迷宫密封。图23的迷宫密封减少了沿着内转子2302的面和壳体2306的部分的内面之间的缝隙的流体泄露。在图23中，迷宫密封表示为错列的像砖块图案的浅矩形凹陷。其他图案也是可行的，例如，六边形和圆形或非连续狭槽的阵列。
尽管迷宫密封在图23中显示为在内转子面上，可以理解的是，在其它实施例中，迷宫密封可能在壳体的内表面上。
在不脱离本发明的范围的情况下可以对在此描述的系统，装置和方法进行变型，添加或省略。系统和装置的部件可整合或分离。而且，系统和装置的操作可以由更多，更少或其他部件来执行。方法可以包括更多，更少，或其它的步骤。此外，可以以任何合适的顺序执行步骤。在本文件中使用的“每个”指的是集合的每个构件，或集合的子集的每个构件。
为了帮助专利局和关于本申请发布的任何专利的读者理解在此附加的权利要求，申请人希望他们注意，不要试图将任何附加权利要求或权利要求元素援引此申请日存在的35U.S.C.112条第六段，除非在特别的权利要求中明确地使用了“手段为”或“步骤为”的语句。

Claims (44)

1.一种摆线转子泵系统，包括内转子、有多个端口的外转子以及壳体，多个端口包括端口的入口子集和端口的出口子集，其中流体通过端口的入口子集流入摆线转子泵系统，并通过端口的出口子集流出摆线转子泵系统，
壳体进一步包括与端口的入口子集流体联接的入口导管，和与端口的出口子集流体联接的出口导管，入口导管包括输入管，出口导管包括出口管，以及
其中入口管基于端口的入口子集中的具有通过入口端口的最高入口流体速度的入口端口的位置而位于入口导管上，出口管基于端口的出口子集中的具有通过出口端口的最高出口流体速度的出口端口的位置而位于出口导管上。
2.根据权利要求1所述的摆线转子泵系统，其中，(a)入口管的轴线与通过一个或多个入口端口的主要流体速度矢量对齐，或(b)出口管的轴线与通过一个或多个出口端口的主要流体速度矢量对齐。
3.根据权利要求1所述的摆线转子泵系统，其中，(a)入口导管的一个或多个区域的轮廓基于通过一个或多个对应入口端口的流体速度而变化，或(b)出口导管的一个或多个区域的轮廓基于通过一个或多个对应出口端口的流体速度而变化。
4.根据权利要求1所述的摆线转子泵系统，其中，(a)入口导管中包括转向叶片，转向叶片将入口导管的一个或多个区域内的流体速度矢量改变为更接近地匹配穿过一个或多个对应入口端口的流体速度矢量，或(b)出口导管包括转向叶片，转向叶片将穿过出口端口的流体速度矢量改变为更接近地匹配出口导管的对应区域内的流体速度矢量。
5.根据权利要求1所述的摆线转子泵系统，其中，(a)入口管包括汇聚区段，汇聚区段配置成基于通过至少一个入口端口的流体速度矢量使入口管内的流体流动加速，或(b)出口管包括发散区段，发散区段配置成基于通过至少一个出口端口的流体速度矢量使出口管内的流体流动减速。
6.根据权利要求1所述的摆线转子泵系统，其中，(a)入口管包括具有基于摆线转子泵系统的脉冲频率的共振频率的调谐区段，或(b)出口管包括具有基于摆线转子泵系统的脉冲频率的共振频率的调谐区段。
7.根据权利要求1所述的摆线转子泵系统，其中，摆线转子泵系统作为压缩机和膨胀机中的一种运行。
8.一种壳体，配置成包围摆线转子泵系统，摆线转子泵系统包括内转子和有多个端口的外转子，多个端口包括端口的入口子集和端口的出口子集，其中流体通过端口的入口子集流入摆线转子泵系统，并通过端口的出口子集流出摆线转子泵系统，壳体包括：
与端口的入口子集流体联接的入口导管，入口导管包括输入管；和
与端口的出口子集流体联接的出口导管，出口导管包括出口管，
其中入口管基于端口的入口子集中的具有通过入口端口的最高入口流体速度的入口端口的位置而位于入口导管上，出口管基于端口的出口子集中的具有通过出口端口的最高出口流体速度的出口端口的位置而位于出口导管上。
9.根据权利要求8所述的壳体，其中(a)入口管的轴线与通过一个或多个入口端口的主要流体速度矢量对齐，或(b)出口管的轴线与通过一个或多个出口端口的主要流体速度矢量对齐。
10.根据权利要求8所述的壳体，其中，(a)入口导管的一个或多个区域的轮廓基于通过一个或多个对应入口端口的流体速度而变化，或(b)出口导管的一个或多个区域的轮廓基于通过一个或多个对应出口端口的流体速度而变化。
11.根据权利要求8所述的壳体，其中，(a)入口导管包括转向叶片，转向叶片将入口导管的一个或多个区域内的流体速度矢量改变为更接近地匹配穿过一个或多个对应入口端口的流体速度矢量，或(b)出口导管包括转向叶片，转向叶片将穿过出口端口的流体速度矢量改变为更接近地匹配出口导管的对应区域内的流体速度矢量。
12.根据权利要求8所述的壳体，其中，(a)入口管包括汇聚区段，汇聚区段配置成基于通过至少一个入口端口的流体速度矢量而使入口管内的流体流动加速，或(b)出口管包括发散区段，发散区段配置成基于通过至少一个出口端口的流体速度矢量而使出口管内的流体流动减速。
13.根据权利要求8所述的壳体，其中，(a)入口管包括具有基于摆线转子泵系统的脉冲频率的共振频率的调谐区段，或(b)出口管包括具有基于摆线转子泵系统的脉冲频率的共振频率的调谐区段。
14.根据权利要求1所述的壳体，其中，摆线转子泵系统作为压缩机和膨胀机中的一种运行。
15.一种摆线转子泵系统，包括内转子、有多个端口的外转子，以及壳体，多个端口包括端口的入口子集和端口的出口子集，其中流体通过端口的入口子集流入摆线转子泵系统，并通过端口的出口子集流出摆线转子泵系统，壳体进一步包括与端口的入口子集流体联接的入口导管和与端口的出口子集流体联接的出口导管，
入口导管包括多个入口通道叶片，多个入口通道叶片从入口导管的进入端延伸至入口导管的转子端并形成对应的多个入口通道，每个入口通道配置成将进入入口通道的流体的大体上相同的速度改变为在入口通道的转子端处的流体的速度，入口通道的转子端处的流体的速度大体上匹配通过一个或多个对应入口端口的流体的速度，以及
出口导管包括多个出口通道叶片，多个出口通道叶片从出口导管的转子端延伸至出口导管的退出端并形成对应的多个出口通道，每个出口通道配置成将在出口通道的转子端处的流体速度改变为退出出口通道的流体的大体上相同的速度，出口通道的转子端处的流体速度由通过一个或多个对应出口端口的流体速度确定。
16.根据权利要求15所述的摆线转子泵系统，其中，入口通道配置为大体上匹配通过一个或多个对应的入口端口的流体的速度的圆周分量，出口通道配置成大体上移除通过一个或多个对应的出口端口的流体的速度的圆周分量。
17.根据权利要求15所述的摆线转子泵系统，其中，摆线转子泵系统作为压缩机和膨胀机中的一种运行。
18.一种摆线转子泵系统，包括内转子、有多个端口的外转子以及壳体，多个端口包括端口的入口子集和端口的出口子集，其中流体通过端口的入口子集流入摆线转子泵系统，并通过端口的出口子集流出摆线转子泵系统，
壳体进一步包括与端口的入口子集流体联接的入口导管和与端口的出口子集流体联接的出口导管，入口导管包括位于入口导管第一端的输入管，出口导管包括位于出口导管的第一端的出口管，
其中，入口导管的圆周部分的轮廓从入口导管的第一端至入口导管的第二端变化，以将入口导管的一个或多个区域内的流体速度矢量改变为更接近地匹配穿过一个或多个对应入口端口的流体速度矢量，以及
其中，出口导管的圆周部分的轮廓从出口导管的第一端至出口导管的第二端变化，以将穿过一个或多个出口端口的流体速度矢量改变对应的量至与出口管中的速度大体相同。
19.根据权利要求18所述的摆线转子泵系统，其中，(a)入口管包括汇聚区段，汇聚区段配置成基于通过至少一个入口端口的流体速度矢量使入口管内的流体流动加速，或(b)出口管包括发散区段，发散区段配置成基于通过至少一个出口端口的流体速度矢量使出口管内的流体流动减速。
20.根据权利要求19所述的摆线转子泵系统，其中，入口管和出口管中的一个包括迅速汇聚或发散的轮廓和逐渐汇聚或发散的轮廓中的一种。
21.根据权利要求19所述的摆线转子泵系统，其中，入口管和出口管中的一个包括小于7度的汇聚或发散轮廓。
22.根据权利要求18所述的摆线转子泵系统，其中，摆线转子泵系统作为压缩机和膨胀机中的一种运行。
23.一种摆线转子泵系统，包括内转子、外转子和壳体，其中，外转子包括多个凸角部分和至少一个盘部分，外转子进一步包括在外转子内表面上的、配置成降低凸角部分的基部内的应力集中的特征。
24.根据权利要求23所述的摆线转子泵系统，其中，特征是内圆角和切槽中的一种。
25.根据权利要求23所述的摆线转子泵系统，其中，特征是内圆角，内转子包括变圆以匹配内圆角的轮廓的边缘。
26.根据权利要求25所述的摆线转子泵系统，其中，相邻凸角部分之间的缝隙限定了外转子中的端口，每个端口包括肩部分，肩部分有配置成减小内转子和外转子之间的端口内的死体积的内圆角。
27.根据权利要求23所述的摆线转子泵系统，其中，摆线转子泵系统作为压缩机和膨胀机中的一种运行。
28.一种摆线转子泵系统，包括内转子、外转子和壳体，外转子包括多个凸角部件和多个盘部件，其中每个凸角部件通过至少一个销安装至盘部件，销穿过至少一个盘部件到凸角部件内。
29.根据权利要求28所述的摆线转子泵系统，其中，每个凸角部件通过至少两个销安装至盘部件，第一销穿过第一盘部件到凸角部件内，第二销穿过第二盘部件到凸角部件内。
30.根据权利要求28所述的摆线转子泵系统，其中，每个凸角部件通过至少一个销安装至盘部件，销穿过第一盘部件、凸角部件和第二盘部件。
31.根据权利要求28所述的摆线转子泵系统，其中，每个凸角部件位于至少一个盘部件中的对应凹处中。
32.根据权利要求31所述的摆线转子泵系统，其中，位于凹处中的凸角部件的一部分变圆，凹处的圆形轮廓对应凸角部件的圆形轮廓。
33.根据权利要求28所述的摆线转子泵系统，其中，摆线转子泵系统作为压缩机和膨胀机中的一种运行。
34.一种摆线转子泵系统，包括内转子、外转子和壳体，外转子包括多个凸角部件和多个盘部件，其中凸角部件是中空的。
35.根据权利要求34所述的摆线转子泵系统，其中，摆线转子泵系统作为压缩机和膨胀机中的一种运行。
36.一种摆线转子泵系统，包括内转子、外转子和壳体，外转子包括多个凸角部件和多个盘部件，其中，每个凸角部件的外部分包括第一材料，每个凸角部件的内部分包括第二材料，其中第二材料较第一材料而言是更轻的材料。
37.根据权利要求36所述的摆线转子泵系统，其中，第二材料是泡沫金属、碳纤维复合材料和陶瓷中的一种。
38.根据权利要求36所述的摆线转子泵系统，其中，摆线转子泵系统作为压缩机和膨胀机中的一种运行。
39.一种摆线转子泵系统，包括内转子、外转子和壳体，外转子包括具有接近壳体内表面的对应区域的区域的外表面，外转子区域和壳体区域中的一个包括迷宫密封，迷宫密封配置成减少通过外转子区域和壳体区域之间的缝隙的流体泄露。
40.根据权利要求39所述的摆线转子泵系统，其中，外转子包括多个凸角，迷宫密封包括第一部分和第二部分，第一部分比第二部分离凸角更远，其中第一部分包括至少一个连续的狭槽，第二部分包括至少一个非连续的狭槽。
41.根据权利要求40所述的摆线转子泵系统，其中，迷宫密封配置成维持连续狭槽内的介于摆线转子泵系统的入口压力和出口压力之间的压力。
42.根据权利要求39所述的摆线转子泵系统，外转子包括多个凸角部分和至少一个盘部分，其中，外转子区域位于多个凸角部分和至少一个盘部分中的一个上。
43.一个摆线转子泵系统，包括内转子、外转子和壳体，内转子包括接近壳体的对应内面的外面，内转子面和壳体面中的一个包括迷宫密封，迷宫密封配置成减少通过内转子面和壳体面之间的缝隙的流体泄露。
44.根据权利要求43所述的摆线转子泵系统，其中，迷宫密封包括由错列的矩形、六边形、圆形和非连续狭槽中的一种构成的浅凹陷的阵列。
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