CN107002703A - 以高速旋转的涡轮机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机构，其包括安装在轴（4）上的轮（2）以及邻近所述轮（2）且安装在同一轴上的盘（18），同时通过所述轴驱动所述盘进行旋转，所述盘（18）的制造材料的密度大于所述轮（2）的制造材料的密度。本发明还能应用于压缩机‑涡轮机。

Description

以高速旋转的涡轮机构
技术领域
本发明涉及一种以高速进行旋转的机构，其带有离心轮。更确切地，本发明涉及一种径向式压缩机或涡轮机。
背景技术
在压缩机-涡轮机型机构，也称为compander（压缩膨胀机）（此词来源于与压缩机对应的英语单词compressor以及与涡轮机或膨胀机对应的英语单词expandeur）中，存在一个或多个离心压缩机以及一个或多个涡轮机。这些不同的级通过传动组件（例如称为变速箱）例如机械地连接至共用马达（可能是共用发马达）。
同样的变速箱和同样的机构结构可以用于不同动力的不同应用。因此，需要根据新的应用来调适压缩机和涡轮机的轮。离心轮处的转速可能非常高。因此，旋转机构的一个或多个轮的运转状态会达到超临界状态，即，在支撑轮的轴的第一弯曲模式（mode deflexion）之上的运转模式中。
当针对新应用来修改旋转机构所设有的一个或多个轮时，新机构的特征可能会改变，尤其是关于机构的轴的第一弯曲模式的特征。如果将替代原有离心轮的离心轮更轻，则对应于第一弯曲模式的临界速度增加。因此，需要防止此临界速度不在所关注的机构的使用范围中。
文献US2011091324涉及涡轮机构的转子，尤其是一种排气涡轮增压器，其包括转子轮，该转子轮包括轮的后部部分，以及包括转子轴，该转子轴包括中间零件，其中转子轴经由该中间零件以刚性方式连接至转子轮，中间零件设有呈盘形的平衡台，其中该平衡台的外部直径大于转子轴的最大直径，并且其紧固在转子轮的轮的后部部分上。
关于文献FR2969722，其涉及一种压缩机组，包括马达和压缩机，其安装在对压缩气体密封的共用罩壳中。马达包括转子，盖转子与压缩机转子旋转地连接。此压缩机转子包括主轴和与该主轴同轴的联接轴，该联接轴至少部分地设置在主轴内部，使得。
发明内容
因此，本发明的目标在于，即使是在高速下，也允许在与现有的变速箱相联的旋转机构（对于压缩机或涡轮机）中使用任何类型的轮，尤其是更小和/或更轻的轮，同时还能避免任何临界速度落入期望的运转范围内。
本发明的另一个目标在于，允许在更大速度范围内使用给定的轮，并且没有进入超临界状态的风险，而且无需修改该轮（因此该轮仍是可使用的）。
为此目的，本发明提供一种涡轮机构类型的旋转机构，其包括安装在轴上的轮，其特征在于，它还包括邻近轮且以可拆卸的方式安装在同一轴上的盘，并且通过该轴驱动该盘进行旋转，该盘的制造材料的密度大于轮的制造材料的密度。
使用如此处所述的惯性盘允许实现一转子，该转子由旋转零件形成，其中包括离心轮和附加盘，具有适于离心轮的期望用途的动力特性。因此，使用例如轻合金制成的离心轮可以实现高转速，而且不会使临界速度区域处在期望的使用范围中。当将转子轮更换成具有不同特征的轮时，在必要时也可以将惯性盘更换成其特征适于新的轮的另一个盘，尤其是质量适于新的轮。
在此类旋转机构中，例如，轮由铝基合金制成。关于盘，优选地，其具有大于15的密度。例如，盘由钨或钨基合金制成。
在如上所述的涡轮机构中，盘可以通过夹持安装在轮与轴之间。
在优选实施方案中，提出轴与盘之间的联接类似于盘与轮之间的联接，从而使得在不存在盘的情况下，也能将轮连接至轴。因此，如果在足够低的速度下使用涡轮机构，则可以取下盘，使得涡轮机构不会具有在超临界状态下运转的风险。
盘的驱动能够通过摩擦来进行。但是，在优选实施方案中，可以提出，盘通过鼠牙盘（Hirth）齿类型的径向齿来联接至轮。此安装允许高力偶的传递，并确保盘与离心轮非常良好的对准。
同样，优选地，提出盘通过鼠牙盘齿类型的径向齿联接至马达轴。此处，也能实现力偶的良好传递和元件的良好对准。
为了限制与周围环境的摩擦，有利地是盘的直径小于轮的直径。
此文中提出的用于涡轮机构的结构尤其良好地适于盘和轮安装在轴的端部的情况。于是，可以提出，将销钉紧固在轴上，使得轴向地延长其，并且盘和轮借助于螺母紧固抵靠轴的端部，该螺母拧紧在销钉的与轴相对的螺纹端部上。可选地，还可以提出，销钉拧紧在轴向盲凹槽中，该轴向盲凹槽时通过在轴的接纳盘的前表面中攻丝钻出并且通向该前表面中。在此后者变型中，成型套头实现覆盖螺母，使得不干扰相对应的轮的空气流（或其它流体流）。
本发明还涉及一种压缩机-涡轮机或压缩膨胀机，其特征在于，它包括至少一个如上所述的旋转机构。此类压缩机-涡轮机包括（例如）三个离心压缩机和一个涡轮机，这些压缩机和涡轮机通过齿轮系机械地连接至共用的马达。
附图说明
通过下文参照所附示意图，从说明书能够更清楚地看出本发明的细节和优点，在附图中：
唯一的图示出了根据本发明的压缩机。
具体实施方式
在此图上可以看出（例如）由轻的铝基合金制成的离心轮2，其安装在轴上，该轴例如是马达轴4（在将能量提供给离心轮的情况下：如果其对应于涡轮机，则它也可以是通过离心轮所带动的轴）。马达轴4通过（例如）齿轮系（下文中称为变速箱，未示出）联接至马达（未示出）。
离心轮2通过销钉8安装在马达轴4上，位于轴的端部处。此后者具有拧紧在螺纹孔10中的带螺纹的第一端部，此螺纹孔10纵向地设在马达轴4的端部，且因此轴向地延长马达轴4。销钉8的另一个端部也是带螺纹的，并且接纳螺母14。当将此螺母14拧紧在销钉8上时，在销钉8上施加牵引力，这样允许实现具有离心轮2的预应力的安装。成型套头16（也称为轮的鼻部）实现覆盖螺母14以便于流体在离心轮2处的流动。此类安装是本领域技术人员已知的安装示例，但是此处也可以使用其它已知的方式将轮安装在轴上。
在图示的示例中，注意到，马达轴4与离心轮2之间存在盘18。此盘18的制造材料的密度大于离心轮2的制造材料的密度。
在图示的优选实施方案中，盘18插置在马达轴4与离心轮2之间，且离心轮2的紧固也实现盘18的紧固。如上所述，借助于销钉8并且通过螺母14的紧固，可以实现盘18与轮2所形成的组件的安装。由此，可以实现完全可拆卸的安装，从而允许容易地实现盘18和/或轮2的更换。
通过盘18进行在离心轮2与马达轴4之间的力偶的传递。此处若干变型是可能的。在此处提出的将盘18紧固在离心轮2与马达轴4之间的安装方式中，简单的摩擦驱动是可能的。优选地，在盘18与离心轮2之间以及马达轴4与盘18之间所使用的联轴器可以与离心轮2和马达轴4之间最初设计（没有盘18）的联轴器相同。在图示的实施方案中，每次具有通过径向齿20（也称为鼠牙盘齿）实现的联轴器。因此，一方面在马达轴4与盘18之间，且另一方面在盘18与离心轮2之间，设置鼠牙盘齿。此类型的联轴器允许实现优良的驱动并且还允许实现零件的良好对准。
盘18由高密度材料制成，该材料的密度大于例如15（即，单位体积质量大于15 kg/dm-3）。例如，盘18由钨基合金制成。
为了没有问题地集成在涡轮机构中，并且为了限制由盘引起的摩擦，提出盘18的直径始终小于离心轮2的外部直径。
盘18的存在允许调适旋转组件的固有频率，使得调适临界转速，并且尤其允许避免机构的额定运转范围包括此类临界转速。
离心轮2设计成以高速进行旋转，速度高于20,000 tr.min-1（转/分钟）甚至高于40,000 tr.min-1。为了在离心轮2上添加附加的盘18，可以通过改变旋转组件或转子的物理性质，将对应于第一临界速度的第一弯曲模式降低至低于旋转机构的操作范围。当然，对于此类转速，实现了盘18和离心轮2所形成的组件的每个元件的平衡，优选地，动态的平衡。
通过使用高密度材料制造盘18，这样允许限制盘18的体积，且因此限制安装后的组件的体积，并且还允许限制旋转机构使用过程期间的由于摩擦所引起的损失。
还可以使用具有给定的变速箱的已有的压缩机或膨胀机的轮，而无需改动轮（也无需改动变速箱）。只需如上所述在其上添加附加的盘，则能调适转子的在预期使用条件下如此获得的动力学性质。
在上述实施方案中，需要选择合适的质量的盘和足够长的销钉以便同时接纳附加的盘和轮。因此，后者以与不存在盘的情况下相同的方式安装在马达轴上，区别仅在于，只需要记得在安装此后者时将此盘插置在马达轴与轮之间即可。
还应注意到，相对于没有附加的盘的安装过程，只需要改动上述实施方案中使用的销钉以便安装轮。
具有离心轮和惯性盘的压缩机或涡轮机可以例如用于压缩机-涡轮机（也称为压缩膨胀机）。于是，每个压缩级与膨胀级对应于一个离心轮，并且所有轮都通过所有级共用的变速箱所驱动。在此类压缩膨胀机中，存在例如三个压缩级和一个膨胀级。
当然，本发明不限于上文描述并在图中示出的优选实施方案，本发明还涉及所有提到的变型以及在所附权利要求书范围内的本领域的技术人员能想到的变型。

Claims (15)

1.一种涡轮机构，其包括安装在轴（4）上的轮（2），其特征在于，它还包括邻近所述轮（2）且以可拆卸方式安装在同一轴上的盘（18），并且通过所述轴驱动所述盘进行旋转，所述盘（18）的制造材料的密度大于所述轮（2）的制造材料的密度。
2.根据权利要求1所述的涡轮机构，其特征在于，所述轮（2）由铝基合金制成。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的涡轮机构，其特征在于，所述盘（18）具有大于15的密度。
4.根据权利要求3所述的涡轮机构，其特征在于，所述盘（18）由钨或者钨基合金制成。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的涡轮机构，其特征在于，所述盘（18）通过夹持安装在所述轮（2）与所述轴（4）之间。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的涡轮机构，其特征在于，所述轴（4）与所述盘（18）之间的联接类似于所述盘（18）与所述轮（2）之间的联接，从而使得在盘（18）不存在的情况下，所述轮（2）也能联接至所述轴（4）。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的涡轮机构，其特征在于，所述盘（18）通过鼠牙盘齿类型的径向齿（20）联接至所述轮（2）。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的涡轮机构，其特征在于，所述盘（18）通过鼠牙盘齿类型的径向齿（20）联接至所述轴（4）。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的涡轮机构，其特征在于，所述盘（18）的直径小于所述轮（2）的直径。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的涡轮机构，其特征在于，所述盘（18）和所述轮（2）安装在所述轴（4）的端部处。
11.根据权利要求10所述的涡轮机构，其特征在于，销钉（8）紧固在所述轴上，使得轴向地延长所述轴，并且所述盘（18）和所述轮（2）借助于螺母（14）紧固抵靠所述轴（4）的端部，所述螺母拧紧在所述销钉（8）的与所述轴（4）相对的带螺纹的端部上。
12.根据权利要求10或11中的一项所述的涡轮机构，其特征在于，所述销钉（8）拧紧在轴向盲凹槽（10）中，所述轴向盲凹槽是在所述轴（4）的接纳所述盘（18）的前表面上攻丝钻出并且通向所述前表面中。
13.根据权利要求12所述的涡轮机构，其特征在于，成型套头（16）实现覆盖所述螺母（14）。
14.一种压缩机-涡轮机，其特征在于，它包括至少一个根据权利要求1至13中的一项所述的涡轮机构。
15.根据权利要求14所述的压缩机-涡轮机，其特征在于，它包括三个离心压缩机和一个涡轮机，所述离心压缩机和所述涡轮机通过齿轮系机械地连接至共用的马达。
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