CN106640640A - 具有带有分布式冷却剂管道的转子的压缩机系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种压缩机，包括具有外部压缩表面和多个内部热交换表面的转子。冷却剂供应歧管与冷却剂入口在转子的第一轴端流体连接，并通过管道运送冷却剂流体，所述管道在转子内具有轴向分布从而将冷却剂流体运送到热交换表面。冷却剂可以是在转子内经历相变的制冷剂。

Description

具有带有分布式冷却剂管道的转子的压缩机系统和方法

技术领域

本公开总体上涉及压缩机转子，并更具体地涉及压缩机转子冷却。

背景技术

各种各样的压缩机系统被用于压缩气体。活塞压缩机、轴流压缩机、离心压缩机和旋转螺杆压缩机都是众所周知且被广泛使用的。压缩气体产生热量，且随着气体温度升高，压缩过程会损失效率。在压缩过程中移除热量可以提高效率。此外，当温度不受控制时压缩机设备会经受疲劳或性能下降。由于这些原因，压缩机通常装备有冷却机构。

压缩机冷却通常通过引入冷却剂流体进入要被压缩的气体和/或经由内部冷却剂流体通道、散热器等自行冷却压缩机设备实现。压缩机设备冷却策略对于某些应用会经受各种不利。

发明内容

压缩机系统包括壳体和能在壳体内旋转的转子。壳体具有冷却剂入口、冷却剂出口和与冷却剂入口流体连接的冷却剂歧管。转子进一步具有带有轴向和周向分布的冷却剂运送管道，所述冷却剂运送管道从歧管向外延伸以提供冷却剂流体到转子的内部热交换表面。

附图说明

根据一个实施例，图1 是压缩机系统的部分剖视示意图；

根据一个实施例，图2是适合用于如图1所示压缩机系统中的转子的剖视图；

根据一个实施例，图3是转子的部分负像图；

根据一个实施例，图4是转子中内部冷却通道的部分负像图；

根据一个实施例，图5是适合用于如图1所示压缩机系统中的转子的剖视图；

图6是沿着图5中的线6-6截取的剖视图；

图7是沿着图5中的线7-7截取的剖视图；且

图8是沿着图5中的线8-8截取的剖视图。

具体实施方式

为了促进对具有带有分布式冷却剂管道的转子的压缩机系统和方法的原理的理解，将参考附图中说明的实施例并且特定语言将用于具体描述所述实施例。然而可以理解的是，并未打算由此对本发明的范围作出限制。在所描述的实施例中的任何变化和进一步修改，以及在此描述的发明原理的任何进一步应用都是本发明所涉及领域的技术人员通常能想到的。

参考图1，此处根据一个实施例示出了压缩机系统10，所述压缩机系统包括压缩机12、压缩空气驱动装置或存储容器14以及具有冷却剂回路16、冷却剂泵18和散热器20或类似物的冷却系统。如此处进一步讨论的，压缩机12可以是双或双重旋转螺杆形式，尽管本公开没有如此限制。压缩机12包括压缩机壳体22，所述压缩机壳体在其中形成气体入口24、气体出口26以及在气体入口24和气体出口26之间延伸的流体管道28。转子30能在壳体22内绕着旋转轴31旋转，以压缩在气体入口24和气体出口26之间输送的气体。在所说明的实施例中，压缩机12包括转子30以及能绕着第二平行旋转轴133旋转的第二转子132。尽管转子30和转子132被示出具有相似的构造，可以理解的是，根据本公开的双旋转螺杆压缩机典型地包括凸形转子和凹形转子，其示例特征在此被进一步描述。除非另有说明，关于转子30和132其中之一以及此处讨论的任何其他转子的描述都应该被理解为通常可适用于本公开。正如根据下述描述可进一步显而易见的，凭借独特的冷却策略和转子结构，本公开预计对于系统稳定性和运行以及压缩气体（例如空气、天然气或其他）的效率将是有优势的。

转子30包括暴露于流体管道28的外部压缩表面36和至少一个内部热交换表面38。在实际实施策略中，转子30包括螺杆转子，其中外部压缩表面36包括和多个螺旋沟槽37交替布置的多个螺旋凸耳35。如上述提及的，转子30可以是凸形转子和凹形转子中的一个，而转子132可以是凸形转子和凹形转子中的另一个。为此，凸耳35以已知的方式可具有由凸形侧面形成的大体凸形的横截面外形，此处转子30是凸形的。相反地，在被构造为凹形时，转子132可以具有凹形或底切的侧表面以形成凸耳。在不偏离本公开的情况下，凸耳35和沟槽37可以是任何构造或数目，只要其具有大体轴向前进方向从而足以使得当转子30旋转时外部压缩表面36撞击在流体管道28内的气体上。

转子30可以还包括在外部压缩表面36和内部热交换表面38之间延伸的外部体壁40。在运行中，经由转子30旋转的气体压缩产生热量，热量传导进入形成转子30的材料。热量因此将通过壁40从外部压缩表面36传导至热交换表面38。转子30还包括在其中形成有冷却剂入口44的第一轴端42和在其中形成有冷却剂出口48的第二轴端46。冷却剂歧管60与冷却剂入口44流体连接。第一轴端42和第二轴端46中的每一个都可以包括分别具有圆柱形外表面50和52的圆柱形轴端。轴颈轴承和/或推力轴承51和53分别定位在轴端42和46上，用来对轴向和非轴向荷载做出反应并以传统的方式用来支撑用于在壳体22内旋转的转子30。

如上文提到的，热量通过壁40传导和以其它方式进入转子30的材料。冷却剂可以被输送（例如通过泵送）进入冷却剂入口44并随后进入歧管60。合适的冷却剂包括传统的制冷剂流体、其他类型的气体、水、冷冻盐水或其他任何可以通过转子30输送的合适的气体或液体形式的流体。转子30还包括具有轴向和周向分布的多个冷却剂供应管道62。管道62从冷却剂歧管60向外延伸从而在多个轴向和周向位置将冷却剂送至热交换表面38。如从下文的描述将进一步显而易见的，转子30可以具有许多内部热交换表面，或者仅有一个内部热交换表面。在实际实施策略中，制造转子体34的材料将会典型地在热交换表面38和外部压缩表面36之间连续延伸，如此可以合理理解各自的表面被至少部分地定位在外部体壁40上。同样在实际实施策略中，转子体34是一件式转子体或者包括一件式部分，其中冷却剂歧管60和管道62被形成。在某些情况下，转子体34或者一件式部分可以具有遍布的均匀材料组成。可以想到的是转子30可以通过材料沉积形成，例如3D打印或者其他增材制造过程。本领域技术人员将会熟悉通常通过3D打印制造的一件式部件中的均匀材料组成。同样可以理解的是，在可替代的实施例中，3D打印能力可以被改变从而在转子体34或在其部件中沉积不同类型的材料，而不是均匀材料组成。类似可以想到的实施例是，转子体34可通过不可逆地附连到一起的多个部件形成（例如通过摩擦焊接或任何其他合适的过程）。

回到冷却剂运送和分布的主题，正如上文指出的，冷却剂在多个轴向和周向位置被运送到一个或多个热交换表面38。从图1可以看出，管道62相对于轴31位于多个不同轴向位置和多个不同周向位置。还可以看出，管道62可以被构造为在接近表面38时缩窄直径以形成孔。然而，是否在制造实施例中使用如此的缩窄是可变的，可以理解的是，冷却剂至少在某些情况下可被喷洒在热交换表面上或被喷洒在多个轴向和周向位置的多个热交换表面38上。当制冷剂被使用时，制冷剂可在转子30内经历相变，从液体形式转变为气体形式并在此过程中吸收热量。在其他情况下，制冷剂可以气体形式被提供或供应到转子30中，仍然可能处于低于水的凝固点的温度或者在另一个合适的温度范围之内，这取决于冷却要求。

现在仍然参考图2，这里示出了转子30的剖视图，其说明了额外的细节，同时也包括形式上比图1所示几何形状更具体的几何形状。凸耳35和沟槽37的大体螺旋形状在图2中是显而易见的，如表面36所限定的。还可以从图2中看出，多个热交换表面38可以在用于冷却剂的多个通道80中形成，某些通道在图2的横截面视图中被示出并可见而其他通道被隐藏。表面38可具有大体弓形的形状，跟随通道80的弓形形状，其轴向和周向前进并跟随凸耳35的弓形和螺旋形。从下述描述和将被描述的额外附图中将进一步显而易见的是，每个通道80可以被管道62供应，并绕着轴31成弧形，且同时在转子体34内轴向前进，并每个典型地但不是必须地绕着轴31经过少于一整圈。

如图1和2所示，在实际的实施策略中，歧管60可以包括冷却剂供应歧管，而转子30可以还包括冷却剂排出歧管70。可以进一步看出，排出歧管70和冷却剂供应歧管60在轴向范围上重叠。这意味着在转子30内的某些轴向位置或者轴向位置范围被供应歧管60和排出歧管70两者占据。在进一步的实际实施策略中，供应歧管60和排出歧管70同轴，供应歧管60由排出歧管70径向向外。理解供应歧管60和排出歧管70间关系的另一种方法是，排出歧管70至少部分地定位在供应歧管60中。从图2可以看出，供应歧管60可具有大体环形的构造并绕着排出歧管70延伸。在本公开范围内的其他构造可被必然地想到，且供应歧管60和排出歧管70在其他实施例中可以并排而不是一个在另一个中间。可以发现的是，供应歧管60和排出歧管70的重叠轴向范围以及转子30内的冷却剂供应和冷却剂回收的重叠轴向分布关于热量管理和热量耗散是有利的。在实际的实施策略中，一些冷却剂供应管道62可被轴向定位在一些冷却剂排出出口72和冷却剂出口48之间。一些冷却剂排出管道72可被轴向定位在一些冷却剂供应管道62和冷却剂入口44之间。换句话说，冷的冷却剂可在比冷却剂已经与表面38交换热量后被收回的一些位置更接近轴端46的位置处被喷洒在表面38上。尽管本公开没有如此严格限制，该构造可以确保在沿着转子30的轴向长度上，冷却剂实际上不会比在转子30外侧已压缩的空气更热。如图1和2中已经明显的，至少一些冷却剂运送管道62可以径向通过冷却剂排出歧管70。

现在仍然参考图3，这里示出了转子体34内流体通道的负像图。换句话说，图3中的说明以固体的形式示出了转子30中实际为空隙的特征。可以看出的是，多个冷却剂供应管道62从歧管60朝向通道80径向向外延伸。通道80的弓形形状在图3中也是显而易见的。还可以看出的是，一些管道62分支从而供应不止一个通道80。在冷却剂经过通道80后，且在制冷剂可能相变的情况下，冷却剂将会通过冷却剂排出管道72并回到排出歧管70。在图3的说明中，排出歧管70仅有相对很小的一部分可见，且其所有均可能不可见，因为管道70相对管道60典型地在内部或者部分在内部。一条管道62中的分支64被示出，其中多个通道80通过单条管道62从歧管60被初始供应。还如图4所示，这里示出了又一次包括负像的部分视图，以固体形式示出了转子30的某些特征，其中这些特征实际上是转子体34内的空隙或空腔。一些排出管道72的大体弯曲的性质、排出管道72的分支和向内延伸到歧管70的排出管道72的轴向和周向分布在图4中是显而易见的。出于清晰的目的，转子30的一些冷却剂通道特征从图4的说明中被省略。

现在参考图5，这里示出了与图1中转子132有相似形式的转子132的剖视侧视图并相应地用相同的附图标记说明。转子132包括与螺旋沟槽137交替布置的多个螺旋凸耳135，所述螺旋凸耳沿着转子体134轴向前进。如在转子30中一样，转子132可以是凹形转子形式，其中沟槽137和凸耳135被构造以啮合配对的凸形凸耳和沟槽，且其中凸耳135如图5所示被近似底切。转子132还包括用于供应冷却剂的歧管160和冷却剂排出歧管170。多个冷却剂供应管道162将冷却剂从歧管160输送至通道180，其中热交换表面138被定位，通常地类似于转子30。排出管道172被构造以将冷却剂从通道180输送到排出管道170，并随后送出转子132例如用于冷却压缩和再循环。

图5中所示的转子132和上述讨论的转子30具有某些相同点，但也有某些不同点。现在参考图6，这里示出了沿着图5中的线6-6截取的剖视图，其中冷却剂供应管道162被示出从供应歧管160径向向外延伸。在图6的视图中，可以看出歧管160绕着歧管170延伸。图6特别的剖视图也通过排出管道172延伸。由此可以理解的是，通道或类似物180在管道162和管道172之间延伸。每个通道180可在通过供应管道162供应的入口端和供给排出管道172的出口端之间弯曲。还参考图7，这里示出了沿着图5中的线7-7截取的剖视图。通道180在图7中是明显的，且被示出经由管道162供给冷却剂。管道162在径向向外位置的缩窄以形成喷孔也是可见的。还参考图8，这里示出了沿着图5中的线8-8截取的剖视图，其中可以看出通道180的顶端或端被接合到管道172，将已经与表面138交换热量的冷却剂送进管道172，并随后进入歧管170用于从转子132移除。

根据本公开，在此处可想到的每个实施例中操作压缩机系统10和压缩机12将大体会类似地发生。相应地，转子30的当前描述应该被理解为通常地应用于此处可想到的任何转子。转子30可以经由外部压缩表面36在气体上的撞击以通常所知的方式在壳体14内旋转以压缩气体。在旋转转子30期间，冷却剂可以在转子30内被输送进入冷却剂歧管60，并从歧管60送至冷却剂供应管道62。热交换表面38可以在多个轴向和周向分布的位置被喷洒来自管道62的冷却剂，从而耗散通过压缩气体产生的热量。如上述指出的，输送和喷洒可以包括输送和喷洒在转子30内经历相变的液体形式制冷剂，并随后从转子30以气体形式排出。然而，本公开不限于此，其他冷却剂和冷却方案也可以被使用。

本描述仅用于说明目的，不应以任何方式被解释为缩窄本公开的范围。因此，本领域技术人员将会理解到在不偏离本公开的全部及合理的范围和精神之下，可以对此处公开的实施例做出各种修改。在研读附图和所附权利要求后，其他的方面、特征和优势将是显而易见的。

Claims (20)

1.一种压缩机系统，包括：

壳体，所述壳体具有在其中形成的气体入口、气体出口以及在气体入口和气体出口之间延伸的流体管道；

转子，所述转子能在壳体内绕着旋转轴旋转，且转子具有暴露于流体管道的外部压缩表面、至少一个内部热交换表面、以及在外部压缩表面和所述至少一个内部热交换表面之间延伸的外部体壁；

转子还包括在其中形成有冷却剂入口的第一轴端、在其中形成有冷却剂出口的第二轴端、以及与冷却剂入口流体连接的冷却剂歧管；且

转子还包括具有轴向和周向分布且从冷却剂歧管向外延伸的多个冷却剂供应管道，以在多个轴向和周向位置提供冷却剂到所述至少一个内部热交换表面。

2.如权利要求1所述的系统，其中，冷却剂歧管和所述多个冷却剂供应管道在转子体的一件式部分中形成。

3.如权利要求1所述的系统，其中，冷却剂歧管包括冷却剂供应歧管，且转子还包括冷却剂排出歧管。

4.如权利要求3所述的系统，其中，转子还包括多个冷却剂排出管道，所述冷却剂排出管道具有轴向和周向分布并向内延伸至冷却剂排出歧管。

5.如权利要求4所述的系统，其中，冷却剂供应歧管和冷却剂排出歧管在轴向范围重叠。

6.如权利要求5所述的系统，其中，冷却剂供应歧管和冷却剂排出歧管同轴。

7.如权利要求1所述的系统，其中，外部压缩表面形成螺旋形状。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述系统包括双旋转螺杆压缩机，所述双旋转螺杆压缩机包括与第一转子平行并与之啮合的第二转子。

9.如权利要求1所述的系统，其中，多个冷却剂供应管道包括定向为喷洒冷却剂到所述至少一个内部热交换表面的终端喷嘴孔。

10.一种用于压缩机系统的转子，包括：

转子体，所述转子体限定在第一轴向体端和第二轴向体端之间延伸的纵向轴，并包括外部压缩表面、至少一个内部热交换表面、以及在外部压缩表面和所述至少一个内部热交换表面之间延伸的外部体壁；

转子体还包括在第一轴向体端内形成的冷却剂入口、在第二轴向体端内形成的冷却剂出口、以及与冷却剂入口流体连接的冷却剂歧管；且

转子体还包括具有轴向和周向分布且从冷却剂歧管向外延伸的多个冷却剂供应管道，以在多个轴向和周向位置提供冷却剂到所述至少一个内部热交换表面。

11.如权利要求10所述的转子，其中，第一和第二轴向体端的每个都包括用于在压缩机壳体中可转动地支承转子体的圆柱形轴端，外部压缩表面在第一和第二轴向体端之间轴向延伸并限定螺旋形状。

12.如权利要求11所述的转子，其中，所述至少一个热交换表面包括多个轴向和周向前进的热交换表面，每个热交换表面具有弓形形状。

13.如权利要求11所述的转子，其中，冷却剂歧管和多个冷却剂供应管道在具有遍布的均匀材料组成的转子体的一件式部分中形成。

14.如权利要求11所述的转子，所述转子包括螺杆转子，其中，外部压缩表面包括与多个螺旋沟槽交替布置的多个螺旋凸耳。

15.如权利要求10所述的转子，其中，冷却剂歧管包括冷却剂供应歧管，并还包括与冷却剂供应歧管在轴向范围上重叠的冷却剂排出歧管，以及具有轴向和周向分布并向内延伸至冷却剂排出歧管的多个冷却剂排出管道。

16.如权利要求15所述的转子，其中，一些冷却剂运送管道被轴向布置在冷却剂排出管道和冷却剂出口之间，而一些冷却剂排出管道被轴向布置在冷却剂运送管道和冷却剂入口之间。

17.如权利要求15所述的转子，其中，至少一些冷却剂运送管道通过冷却剂排出歧管。

18.一种操作流体压缩机的方法，包括：

在压缩机壳体内旋转转子，从而经由转子的外部压缩表面在气体上的撞击压缩气体；

输送冷却剂进入转子内的冷却剂歧管，并从所述歧管送至转子内的冷却剂供应管道；且

用来自所述管道的冷却剂在多个轴向和周向分布的位置喷洒转子的至少一个内部热交换表面，从而耗散通过压缩气体产生的热量。

19.如权利要求18所述的方法，其中，输送和喷洒包括输送和喷洒在转子内经历相变的液体形式的制冷剂，并还包括从转子以气体形式排出制冷剂。

20.如权利要求19所述的方法，其中，排出制冷剂包括经由与冷却剂供应歧管的轴向范围有轴向范围重叠的冷却剂排出歧管排出制冷剂，所述冷却剂供应歧管供应所述多个冷却剂运送管道。