CN106640641B - 用于压缩机系统的具有内部冷却剂歧管的转子 - Google Patents

Abstract

一种用于压缩机系统的转子，包括具有冷却剂歧管的转子体，所述冷却剂歧管具有入口流道和从入口流道向内部热交换表面延伸的多个冷却剂供应管道。冷却剂供应管道可以具有周向和轴向分布，并延伸通过在转子体内加强刚度的支柱。

Description

用于压缩机系统的具有内部冷却剂歧管的转子

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

用于压缩机系统的转子包括具有冷却剂歧管的转子体，所述冷却剂歧管具有入口流道和多个冷却剂供应管道，所述冷却剂供应管道从入口流道朝向内部热交换表面延伸从而将冷却剂流体引向所述内部热交换表面。

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；

图2是转子的剖视透视图，所述转子适合于用在图1所示的压缩机系统中；

图3是图2的一部分的放大视图；且

图4是沿着图2中的线4-4截取的剖视图。

具体实施方式

为了促进对用于压缩机系统的具有内部冷却剂歧管的转子的原理的理解，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和热交换器20（例如散热器或类似物）的冷却系统15。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有气体入口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。具有转子体39的转子30能在壳体22内绕着旋转轴31旋转以压缩在气体进口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其中之一以及此处想到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）的硬件稳健性和效率将是有优势的。

转子30包括外部压缩表面36，所述外部压缩表面暴露于流体管道28并构造以在旋转期间撞击在气体入口24和气体出口26之间输送的气体上。转子30还包括限定冷却空腔80的内部热交换表面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形成与多个螺旋沟槽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可以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在流体管道28内撞击在气体上。也可以想到实施例，其中系统10包括与多个所谓的门转子相关的一个工作转子。

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的第一轴向端42和在其中形成有冷却剂出口48的第二轴向端46。冷却剂歧管60与冷却剂入口44流体连接，并包括入口流道61和构造以提供冷却剂到内部热交换表面38的多个冷却剂供应管道62。在实际的实施策略中，管道62从入口流道61在多个轴向和周向位置向外延伸，使得管道62具有轴向和周向分布。如此处进一步讨论的，管道62被构造以将冷却剂引向（并在某些情况下将冷却剂喷洒在）内部热交换表面38。第一轴向端42和第二轴向端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分别定位在轴向端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和以其它方式传导进入转子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。液态、气态或者不定形式的冷却剂可以经由入口流道61在多个位置被提供至管道62。合适的冷却剂包括传统的制冷剂流体、其他类型的气体、水、冷冻盐水或可以通过转子30输送的任何其他合适流体。撞击在内部热交换表面38上的冷却剂可以吸收热量（在某些情况下在表面38上或者邻近相变），并随后通过出口48被输送出转子30。

在实际实施策略中，制造转子体34的材料（例如金属或金属合金）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。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，其中空腔80、入口流道61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。现在还参考图2和图3，可以看出，每个管道62可以被理解为包括一个或更多喷孔90或者与一个或更多喷孔90流体连通。在实际的实施策略中，每个管道62可与多个孔例如喷孔90连接，所述喷孔将对应的管道62与空腔80流体连接。冷却剂可被理解为至少在某些情况下在多个轴向和周向位置被直接喷洒在热交换表面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。冷却剂可以通过排放部72离开空腔80，所述排放部与排放通道70连接，继而流体连接到出口46。在某些实施例中，排放部72可在轴31的周向具有环形形式。

可从图2和图3中进一步看出，转子30可具有在纵向轴31上对中的纵向中心柱71。多个支柱63在柱71和内部热交换表面38之间连接。入口流道61延伸通过中心柱71，且冷却剂供应管道62延伸通过支柱63。可以进一步看出，支柱63被定向为从中心柱71向外延伸并朝着第二轴向端46轴向前进。另外多个支柱65被定向为朝着第一轴向端42轴向前进。在所说明的实施例中，每个支柱63和65可以具有方向从而相对于纵向轴31以大约45度定向。支柱65可以是实心的，而支柱63因为其中的管道62可以是空心的。还参考图4，这里示出了沿着图2中的线4-4截取的剖视图。可以看出，支柱63和支柱65延伸进和延伸出了纸面，剖面平面中不可见的特征以虚线示出。还可以看出，转子体31具有与五个沟槽37交替的五个凸耳35。如上述所暗示的，更多或者更少数目的凸耳可以在替代设计中存在。此外，尽管转子30被描述为凸形转子，在其他情况下转子30可以具有凹形构造。

操作压缩机系统10和压缩机12通常将会以通常所知的方式通过在壳体22内旋转转子30以经由外部压缩表面36在气体上的撞击压缩气体发生。在旋转转子30期间，冷却剂可以被输送进入转子30内的冷却剂歧管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的制冷剂，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。

在操作中，转子30可以经历根据特定设计和服务环境的不同程度的轴向推力载荷、弯曲载荷、扭转载荷及其他载荷。此种载荷通常经由推力轴承和/或轴颈轴承做出反应，然而，转子体本身在服务中可能偏转，同时其组成材料可能最终经历某种程度的材料疲劳，甚至可能最终导致性能下降或失效。在某些已知的转子设计中，由于各种原因，通常其中的制造转子的材料丰富，压缩机系统的服务寿命可被除了转子材料疲劳之外的因素限制。由于这个原因，转子的机械整体性通常不是系统服务寿命的限制性因素。从前述的描述将理解的是转子30可由相对小数量的材料构成，转子体31的重量相对较轻。

如此处描述构造转子30可以从材料的角度使转子30能够相对便宜，且相对高效地冷却。为了补偿减少的机械整体性（否则可能在减少材料的轻重量转子中被观察到），支柱63和65可用来增强转子体31。在某些情况下，支柱63和65交叉并可以通过将材料布置在管理系统上的预期载荷最佳需要的地方而形成内部增强框架。理解该原理的另一种方法是，通过多于提供足够用于结构考虑的冷却可以显著地驱动材料的布置而不是冷却需求。可以想到的替代实施例是，提供只在一个方向轴向前进的支柱，换句话说支柱仅在一个方向延伸。支柱还在其他情况下被定向为螺旋型式，与凸耳35和沟槽37的螺旋形式或者相同或者相反。

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 (21)

1.一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端和第二轴向端之间延伸的纵向轴，且具有外部压缩表面，所述外部压缩表面被构造成在转子体的旋转期间撞击在壳体内的气体入口和气体出口之间输送的气体上；

转子体还包括内部热交换表面，所述内部热交换表面限定冷却空腔并在其中形成有冷却剂入口、与冷却空腔流体连通的冷却剂出口以及冷却剂歧管；和

冷却剂歧管，具有与冷却剂入口流体连接的入口流道和多个冷却剂供应管道，所述多个冷却剂供应管道具有轴向和周向分布并从入口流道向外延伸从而将冷却剂流体引向所述内部热交换表面，

所述冷却空腔构造成收集离开所述多个冷却剂供应管道的冷却剂流体。

2.如权利要求1所述的转子，其中，转子体还包括纵向中心柱和在中心柱与内部热交换表面之间连接的多个支柱，且其中，入口流道延伸通过中心柱，所述多个冷却剂供应管道延伸通过多个支柱。

3.如权利要求2所述的转子，其中，所述多个支柱被定向为朝着第二轴向端前进。

4.如权利要求3所述的转子，其中，转子体还包括另外多个支柱，所述另外多个支柱在中心柱和内部热交换表面之间连接并被定向为朝着第一轴向端轴向前进。

5.如权利要求3所述的转子，其中，所述多个支柱中的每个包括将对应的冷却剂供应管道流体连接到冷却空腔的喷孔。

6.如权利要求1所述的转子，其中，转子体包括一件式部分，在所述一件式部分中，支柱被定位。

7.如权利要求6所述的转子，其中，转子体具有遍布的均匀材料组成。

8.如权利要求6所述的转子，所述转子包括螺杆转子，其中，外部压缩表面形成与多个螺旋沟槽交替布置的多个螺旋凸耳，且其中，内部热交换表面具有与外部压缩表面互补的形状。

9.如权利要求8所述的转子，其中，转子体还包括将冷却空腔与排放出口流体连接的排放环面。

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端和第二轴向端之间延伸的纵向轴，并包括外部压缩表面和限定冷却空腔的内部热交换表面；

转子体还包括延伸通过冷却空腔的纵向柱和从中心柱延伸至内部热交换表面的多个支柱；和

冷却剂歧管，包括在纵向柱中形成的入口流道和构造成提供冷却剂到内部热交换表面并延伸通过所述多个支柱的多个冷却剂供应管道，

所述冷却空腔构造成收集离开所述多个冷却剂供应管道的冷却剂流体。

11.如权利要求10所述的转子，其中，每个支柱具有在其中形成并与对应的流体供应管道流体连接的喷孔。

12.如权利要求11所述的转子，其中，所述多个支柱具有轴向和周向分布。

13.如权利要求11所述的转子，其中，所述多个支柱被定向为朝着第二轴向端轴向前进。

14.如权利要求13所述的转子，还包括被定向为朝着第一轴向端轴向前进的多个实心支柱。

15.如权利要求14所述的转子，其中，转子包括螺杆转子，其中，外部压缩表面形成与多个螺旋沟槽交替布置的多个螺旋凸耳，且其中，内部热交换表面具有与外部压缩表面互补的形状。

16.一种压缩机系统，包括：

壳体，在其中形成有气体入口和气体出口；

转子，能在壳体内旋转以压缩在气体入口和气体出口之间输送的气体，并包括转子体，所述转子体限定在第一轴向端和第二轴向端之间延伸的纵向轴；

转子体还包括外部压缩表面、限定冷却空腔的内部热交换表面、在第一轴向端中形成的冷却剂入口和在第二轴向端形成并与冷却空腔流体连通的冷却剂出口；以及

转子体还包括冷却剂歧管，所述冷却剂歧管具有与冷却剂入口流体连接的入口流道和多个冷却剂供应管道，所述多个冷却剂供应管道具有轴向和周向分布并从入口流道向外延伸从而将冷却剂输送进入冷却空腔以接触内部热交换表面，

所述冷却空腔构造成收集离开所述多个冷却剂供应管道的冷却剂流体。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述多个冷却剂供应管道在轴向和径向前进方向上从入口流道向外突出，使得轴向和周向分布大体上是均匀的。

18.如权利要求17所述的系统，其中，转子体还包括在第一轴向端和第二轴向端之间轴向延伸通过冷却空腔的纵向中心柱，且入口流道延伸通过中心柱。

19.如权利要求18所述的系统，其中，转子体还包括在中心柱和内部热交换表面之间延伸的多个支柱，且所述多个冷却剂供应管道在多个支柱中的每个中一个地形成。

20.如权利要求19所述的系统，其中，所述多个支柱中的每个具有在其中形成并被定向为将冷却剂喷流引向内部热交换表面的喷孔。

21.如权利要求16所述的系统，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，且其中，转子包括凸形转子和凹形转子中的一种，且还包括凸形转子和凹形转子中的另一种，能在壳体中旋转并与凸形转子和凹形转子中的一种啮合。

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