CN108869281B - 涡旋氢循环泵用防涡盘径向脱开结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋氢循环泵用防涡盘径向脱开结构，包括主轴处径向补偿部件、三组小曲拐处径向补偿部件和防卡环。主轴处径向补偿部件通过在主轴曲柄销、曲柄销轴套处布置永磁铁，磁极同性，彼此受排斥力，在动涡盘的离心力小于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和时，限制动、静涡盘脱开。同时，小曲拐处径向补偿部件采用小曲拐直轴贯穿上、下侧偏心轴套的两次偏心设计，能够根据主轴处径向补偿部件调节实际回转半径，在动涡盘的离心力大于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和时，使得动涡盘紧贴静涡盘。本发明能够降低涡旋氢循环泵对主轴、防自传机构等零件加工装配精度的要求，防止动、静涡盘径向脱开。

Description

涡旋氢循环泵用防涡盘径向脱开结构

技术领域

本发明涉及涡旋泵及涡旋压缩机，具体涉及一种涡旋氢循环泵用防涡盘径向脱开结构。

背景技术

在氢燃料电池汽车领域，氢循环泵用于把未完全反应的氢气从燃料电池出口带回燃料电池入口，与入口反应气汇合后进入燃料电池。氢循环不仅可以提高氢气利用率，还能提高燃料电池性能。无油涡旋氢循环泵因结构简单、可靠性高、容积效率高等优点成为氢循环用首选机型之一。由于氢循环泵的流体介质为氢气，而氢气是密度最小的气体，密度只有空气的1/14，涡旋氢循环泵的泄漏较传统涡旋泵(压比低于1.3，压比高于1.3时又称为涡旋压缩机)严重，对泄漏间隙变化更敏感。在涡旋泵中，若动涡盘与静涡盘径向脱开，会导致径向间隙变大，从而导致周向泄漏增大，泵的性能降低。

传统涡旋泵径向间隙一般依靠零件加工装配精度和润滑油密封来减小动、静涡盘之间的泄露，径向间隙的精度一般要求保证在10^-2毫米级别，但在氢燃料电池应用中需要全无油设计，若径向间隙完全依靠零件加工装配精度来控制具有很大难度，因此需要防涡盘径向脱开结构，借以保证动涡盘外壁能够紧贴静涡盘内壁，降低径向间隙的泄漏，提高涡旋泵容积效率。同时，防涡盘径向脱开结构具有退让作用，当涡盘受热膨胀轻微变形，或工作腔中存在杂质时，动涡盘能向中心退让，使杂质通过密封面，从而不会损坏压缩机。

传统的径向补偿机构在曲柄销轴套和主轴曲柄销左右两侧都留有一定间隙，动涡盘既能靠近静涡盘运动，也能远离静涡盘运动。在涡旋泵工作时，通常动涡盘的离心力大于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和，保证动涡盘在运行过程中本身具有贴向静涡盘的趋势，此时动涡盘靠近静涡盘运动，径向间隙减小，保证密封。但在低转速情况下，或各压缩腔的压力很高时，动涡盘的离心力小于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和，则动涡盘有脱离静涡盘的趋势，此时，传统的径向补偿机构因为曲柄销轴套和主轴曲柄销左右两侧的间隙，导致动涡盘远离静涡盘运动，造成了径向间隙变大，泄露增大。

目前，对于无油涡旋机械，防自传机构通常采用不需要润滑油的小曲拐，但当主轴处采用防涡盘脱开结构时，传统的小曲拐因为偏心距离确定(其只具备一次偏心)，无法根据主轴处径向补偿部件进行相应协调，并使回转半径能在一定需用范围内变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡旋氢循环泵用防涡盘径向脱开结构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

该防涡盘径向脱开结构包括主轴处径向补偿部件、防卡环和多组(例如，三组)小曲拐处径向补偿部件。主轴处径向补偿部件包括主轴曲柄销、曲柄销轴套、偏心轴轴承、曲柄销处永磁铁和轴套处永磁铁。其中，主轴曲柄销与主轴相连，主轴曲柄销与主轴的偏心距离为动涡盘的理论回转半径，曲柄销轴套设置在主轴曲柄销上，曲柄销轴套在主轴曲柄销偏心方向两侧与主轴曲柄销留有径向补偿间隙，该间隙一般为0.5～1.0mm，偏心轴轴承设置在动涡盘背面上，曲柄销轴套与偏心轴轴承相连，曲柄销轴套通过偏心轴轴承与动涡盘相配合。在主轴曲柄销靠近主轴中心一侧设置第一永磁铁(即曲柄销处永磁铁)，在曲柄销轴套上与曲柄销处永磁铁相对应位置设置第二永磁铁(即轴套处永磁铁)，即这两处永磁铁设于主轴曲柄销偏离主轴的内侧，这两处永磁铁的相对侧磁极相反，相互作用为排斥力，则在靠近主轴中心一侧，若动涡盘的离心力小于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和，导致动涡盘有脱离静涡盘的趋势(即主轴曲柄销和曲柄销轴套相互靠近)时，主轴曲柄销和曲柄销轴套会相互受到排斥力，靠的越近，则排斥力越大，从而阻止主轴曲柄销和曲柄销轴套靠近，解决动、静涡盘脱离导致的径向间隙变大问题。

优选的，所述小曲拐处径向补偿部件采用了小曲拐直轴贯穿上下侧(机壳及动涡盘侧)偏心轴套的分离式两次偏心小曲拐结构，不仅加工装配方便，抗疲劳强度高，而且，可作为小曲拐防自传机构，并使小曲拐处径向补偿部件实际回转半径能够根据主轴处径向补偿部件的回转半径的变化进行相应调节，提高动、静涡盘径向防脱开效果。

优选的，每组小曲拐处径向补偿部件包括小曲拐直轴、小曲拐机壳侧轴套、小曲拐机壳侧轴承、小曲拐动盘侧轴套和小曲拐动盘侧轴承。小曲拐处径向补偿部件从机壳侧延伸到动涡盘侧。小曲拐机壳侧轴套是偏心结构，其设置于小曲柺直轴的一端，通过与小曲柺直轴过盈配合形成第一偏心，小曲拐动盘侧轴套也是偏心结构，其设置于小曲柺直轴的另一端，通过与小曲柺直轴间隙配合形成第二偏心，小曲拐机壳侧轴套、小曲拐动盘侧轴套分别与小曲拐机壳侧轴承、小曲拐动盘侧轴承对应相连，小曲柺处径向补偿部件分别通过小曲拐机壳侧轴承、小曲拐动盘侧轴承与机壳、动涡盘背面对应相连。

优选的，所述小曲拐处径向补偿部件的第一偏心距离、第二偏心距离和回转半径应满足其中任意两者之和大于第三者，即第一偏心(与小曲拐机壳侧轴承中心重合)、第二偏心(与小曲拐动盘侧轴承中心重合)与小曲柺直轴中心在同一径向截面内两两连线可以组成三角形的三边，其中第一偏心到小曲柺直轴中心的最短距离为第一偏心距离，第二偏心到小曲柺直轴中心的最短距离为第二偏心距离，可以通过调整一次偏心和二次偏心的相对位置，使得实际运行时的动涡盘的回转半径可以在一定范围内调节。

优选的，所述防卡环包括设置于主轴外侧的圆环体，各组小曲拐处径向补偿部件以相同的偏心相位，并通过与该圆环体相连而同步运动。

优选的，所述圆环体上设置有三个均匀分布的防卡环轴承，各组小曲拐处径向补偿部件的小曲拐直轴通过对应防卡环轴承与防卡环相连，防卡环轴承的位置处在同一小曲拐直轴上的小曲拐机壳侧轴套和小曲拐动盘侧轴套之间，从而防卡环可同时控制三组小曲拐直轴和小曲拐动盘侧轴套的相对位置，保证三组小曲拐处径向补偿部件的同相位运动，防止卡死。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述防涡盘径向脱开结构，在动涡盘的离心力大于压缩腔中气体力在径向上的分力之和时，动涡盘具有贴向静涡盘运动的趋势，通过主轴曲柄销、曲柄销轴套在偏心方向上设置的径向补偿间隙，实现了主轴处径向补偿部件自动调节，使得动涡盘外壁紧靠静涡盘内壁，从而减小动涡盘和静涡盘径向泄漏间隙。在主轴曲柄销、曲柄销轴套处布置的永磁铁具有平衡动涡盘受力不均匀的作用，且随不均匀强度调整平衡力的大小。在动涡盘受力不均匀，离心力小于压缩腔中气体力在径向上的分力之和时，动涡盘具有远离静涡盘运动趋势，在主轴曲柄销、曲柄销轴套处布置的永磁铁，磁极同性，彼此受排斥力，平衡动涡盘上受力。且动涡盘受力越不均匀，间隙变化越小，所受永磁铁的排斥力越大，对动涡盘的平衡作用越强，保证实际回转半径不增大，防止动、静涡盘脱开，从而防止径向泄漏间隙增大。与传统的径向补偿机构相比，本发明能够降低径向间隙的泄漏，提高涡旋泵、涡旋压缩机的容积效率，同时降低涡旋氢循环泵对主轴、防自传机构等零件加工精度的要求。

进一步的，本发明中，小曲拐处径向补偿部件本身采用小曲拐直轴贯穿、上下侧分离式两次偏心结构，加工装配方便，抗疲劳强度高，且能提高动、静涡盘径向防脱开效果。

进一步的，本发明中，采用三组小曲拐处径向补偿部件，结构更稳定。

进一步的，本发明中，防卡环一方面准确和方便多组小曲拐处径向补偿部件装配，另一方面在小曲拐处径向补偿部件运行过程中，保证小曲拐动盘侧偏心轴套同相位运动，防止卡死。

附图说明

图1是本发明实施例中涡旋氢循环泵压缩腔的动、静涡盘啮合部位(横截面)示意图；

图2是本发明实施例中涡旋氢循环泵用防涡盘径向脱开结构的示意图；

图3是所述主轴处径向补偿部件剖视图(A-A剖面)；

图4是所述主轴处径向补偿部件剖视图(C-C剖面)；

图5是所述小曲拐处径向补偿部件剖视图(B-B剖面)；

图6是所述小曲拐处径向补偿部件偏心距离关系示意图(径向截面)；

图中：1.主轴，2.偏心轴轴承，3.曲柄销轴套，4.主轴曲柄销，5.防卡环，6.小曲拐机壳侧轴承，7.小曲拐机壳侧轴套，8.小曲拐动盘侧轴承，9.小曲拐动盘侧轴套，10.小曲拐直轴，11.曲柄销处永磁铁，12.轴套处永磁铁，13.防卡环轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，实施例仅用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，以涡旋氢循环泵为例(图1中，F、F`表示对应工况A、B下的作用力，X表示脱开方向)，动、静涡盘涡圈侧组成压缩腔。静涡盘与机壳固定，即相对主轴固定。动涡盘非涡圈侧(背侧)通过曲柄销轴套与曲柄销连接，所以曲柄销轴套与主轴的相对位置确定了动涡盘与静涡盘的相对位置，即动涡盘的实际回转半径。在涡旋氢循环泵工作时，若动涡盘的离心力大于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和，此时动涡盘靠近静涡盘运动，径向间隙减小保证密封。在低转速情况下，或各压缩腔的压力很高时，动涡盘的离心力小于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和，则动涡盘有脱离静涡盘的趋势，导致动涡盘脱离静涡盘运动，造成了径向间隙变大，泄露增大。

如图2所示，本发明提出的涡旋氢循环泵用防涡盘径向脱开结构包括主轴处径向补偿部件、三组小曲拐处径向补偿部件和防卡环5。所述主轴处径向补偿部件包括主轴曲柄销4、曲柄销轴套3和偏心轴轴承2。主轴曲柄销4与涡旋氢循环泵主轴1的偏心距离为理论回转半径，曲柄销轴套3在主轴曲柄销4偏心方向两侧与主轴曲柄销4留有径向补偿间隙，一般为0.5～1.0mm。每组小曲拐处径向补偿部件包括小曲拐直轴10、小曲拐机壳侧轴套7、小曲拐机壳侧轴承6、小曲拐动盘侧轴套9和小曲拐动盘侧轴承8。三组小曲拐处径向补偿部件成120°均布在动涡盘背面，使用防卡环5控制三组小曲拐处径向补偿部件的相对位置，并保证偏心相位角度一致(例如，角ABC，另参见图5、图6)，防卡环5在对应小曲拐直轴10处设有对应小环，小环通过防卡环轴承13与小曲拐直轴10连接(另参见图5)。

如图3、4所示，在主轴曲柄销4靠近主轴1中心一侧设置曲柄销处永磁铁11，在曲柄销轴套3相对应位置设置轴套处永磁铁12，这两处永磁铁磁极相反，相互作用为排斥力，在靠近主轴1中心一侧，若主轴曲柄销4和曲柄销轴套3相互靠近，则会相互受到排斥力，靠的越近，则排斥力越大。在图1所示工况A受力情况下，动涡盘的离心力大于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和时，动涡盘在径向上有贴向静涡盘运动的趋势，此时，在动涡盘径向受力作用下，主轴曲柄销4向-X方向运动，主轴曲柄销4离主轴1中心距离减小，及实际回转半径减小，动涡盘在径向上贴向静涡盘运动，泄露间隙减小。在图1所示工况B受力情况下，例如低转速情况下，或各压缩腔的压力很高时，动涡盘的离心力小于各压缩腔中气体力在径向上的分力之和，主轴曲柄销4向X方向运动，在曲柄销处永磁铁11和轴套处永磁铁12间排斥力的作用下，动涡盘在离心力方向上获得磁铁的排斥力，限制主轴曲柄销4向X方向运动，防止实际回转半径增大，即限制泄露间隙增大。

如图5所示，小曲柺直轴10从机壳侧延伸到动涡盘侧，小曲柺直轴10轴心为B，小曲拐机壳侧轴套7是偏心结构，小曲拐机壳侧轴套7的轴心为A，与小曲柺直轴10是过盈配合，与小曲柺直轴10轴心B形成第一偏心距离AB。小曲拐动盘侧轴套9是偏心结构，小曲拐动盘侧轴套9轴心为C，与小曲柺直轴10是间隙配合，与小曲柺直轴10轴心B形成第二偏心距离BC。小曲拐机壳侧轴承6与小曲拐机壳侧轴套7同轴，并与机壳连接。小曲拐动盘侧轴承8与小曲拐动盘侧轴套9同轴，并与动涡盘背面连接。实际回转半径是动涡盘偏离静涡盘(机架)的距离AC。

如图6所示，由于小曲拐动盘侧轴套9与小曲柺直轴10是间隙配合，点C可在以点B为圆心BC为半径的圆上运动，即实际回转半径可以调节。当主轴处径向补偿部件由于动涡盘受力使得实际回转半径变小，则小曲拐处径向补偿部件做相应调整，小曲拐动盘侧轴套9由C点绕小曲柺直轴10轴心(B点)转到C’点，使得实际回转半径由AC变小为AC’。第一偏心距离AB、第二偏心距离BC和回转半径应满足任意两者之和大于第三者，即A、B、C三点两两连线可以组成三角形。

另外实际中发现，在第一偏心距离AB、第二偏心距离BC设计过程中，应避免角ACB在80°～100°范围内，防止径向调节过程中由于多组小曲拐径向补偿部件不同相位运动导致出现卡死现象。

Claims (3)

1.一种涡旋泵或涡旋压缩机用防涡盘径向脱开结构，其特征在于：该防涡盘径向脱开结构包括主轴处径向补偿部件；所述主轴处径向补偿部件包括主轴曲柄销(4)、曲柄销轴套(3)和偏心轴轴承(2)；主轴曲柄销(4)与涡旋泵或涡旋压缩机的主轴(1)相连，主轴曲柄销(4)与所述主轴(1)的偏心距离为涡旋泵或涡旋压缩机的动涡盘理论回转半径，曲柄销轴套(3)设置在主轴曲柄销(4)上，曲柄销轴套(3)在主轴曲柄销(4)偏心方向两侧与主轴曲柄销(4)留有径向间隙，偏心轴轴承(2)设置在涡旋泵或涡旋压缩机的动涡盘上，曲柄销轴套(3)与偏心轴轴承(2)相连；在主轴曲柄销(4)靠近所述主轴(1)中心一侧设置第一永磁铁，在曲柄销轴套(3)上与第一永磁铁相对位置设置有第二永磁铁，第一永磁铁与第二永磁铁的相对侧磁极相反；

所述防涡盘径向脱开结构还包括多组小曲拐处径向补偿部件，小曲拐处径向补偿部件采用小曲拐直轴贯穿机壳及动涡盘侧偏心轴套的分离式两次偏心小曲拐结构；

所述小曲拐处径向补偿部件包括小曲拐直轴(10)、小曲拐机壳侧轴套(7)、小曲拐机壳侧轴承(6)、小曲拐动涡盘侧轴套(9)和小曲拐动涡盘侧轴承(8)；小曲拐机壳侧轴套(7)及小曲拐动涡盘侧轴套(9)为偏心结构，并分别设置于小曲柺直轴(10)的两端，小曲拐机壳侧轴套(7)通过与小曲柺直轴(10)过盈配合形成第一偏心，小曲拐动涡盘侧轴套(9)通过与小曲柺直轴(10)间隙配合形成第二偏心，小曲拐机壳侧轴套(7)、小曲拐动涡盘侧轴套(9)分别与小曲拐机壳侧轴承(6)、小曲拐动涡盘侧轴承(8)对应相连，小曲柺处径向补偿部件分别通过小曲拐机壳侧轴承(6)、小曲拐动涡盘侧轴承(8)与涡旋泵或涡旋压缩机的机壳、动涡盘对应相连；

所述小曲拐处径向补偿部件的第一偏心距离、第二偏心距离和动涡盘实际回转半径应满足所述第一偏心、第二偏心与小曲柺直轴(10)中心在同一径向截面内两两连线可以组成三角形的三边，其中第一偏心到小曲柺直轴(10)中心的最短距离为第一偏心距离，第二偏心到小曲柺直轴(10)中心的最短距离为第二偏心距离；

所述防涡盘径向脱开结构还包括防卡环(5)，防卡环(5)包括设置于涡旋泵或涡旋压缩机的主轴(1)外侧的环体，小曲拐处径向补偿部件的小曲柺直轴(10)通过设置于环体上的防卡环轴承(13)与防卡环(5)相连，防卡环轴承(13)的位置在小曲拐机壳侧轴套(7)和小曲拐动涡盘侧轴套(9)之间。

2.根据权利要求1所述一种涡旋泵或涡旋压缩机用防涡盘径向脱开结构，其特征在于：所述径向间隙为0.5～1.0mm。

3.根据权利要求1所述一种涡旋泵或涡旋压缩机用防涡盘径向脱开结构，其特征在于：所述三角形中，以第二偏心为顶点的对应角取值为小于80°或大于100°。