CN108999793A - 一种离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种离心式压缩机，包括壳体、位于所述壳体中的轴承、支承在所述轴承上的主轴、以及安装在所述主轴上的电机；所述主轴的一端处安装有第一叶轮、所述主轴的另一端处安装有第二叶轮；在所述壳体上靠近所述第一叶轮设置有第一入口和第一出口、在所述壳体上靠近所述第二叶轮设置有第二入口和第二出口。所述第一叶轮的前后压差和所述第二叶轮的前后压差所产生的轴向力能够相互平衡掉，避免了离心式压缩机由于轴向力不平衡而导致的故障和损失。

Description

一种离心式压缩机

技术领域

本发明涉及流体机械领域，特别是涉及一种离心式压缩机。

背景技术

透平式压缩机是一种叶片式旋转机械，它利用叶片和工质的相互作用，提高工质的压力和动能，并利用相继的通流元件使气流减速，将动能转变为压力的提高。

按照工质运动的主要方向，透平式压缩机可以分为离心式压缩机、轴流式压缩机、轴流离心组合式压缩机。离心式压缩机，顾名思义就是工质在压缩机里大致地作动压径向气体流动。作为流体机械的一种，离心压缩机在推动经济发展中起着至关重要的作用，成为航空、化工、能源等领域不可或缺的工业装备。

发明人发现，传统的离心式压缩机，往往存在一些缺点和不足。比如压缩机运转时轴承磨损严重。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种离心式压缩机，以克服上述现有技术的缺陷。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种离心式压缩机，包括壳体、位于所述壳体中的轴承、支承在所述轴承上的主轴、以及安装在所述主轴上的电机；所述主轴的一端处安装有第一叶轮、所述主轴的另一端处安装有第二叶轮；在所述壳体上靠近所述第一叶轮设置有第一入口和第一出口、在所述壳体上靠近所述第二叶轮设置有第二入口和第二出口。

在本发明的一些实施例中，在所述第一叶轮靠近所述电机一侧的主轴上设置有上密封环，所述上密封环将所述第一入口和第一出口与安装在所述主轴上的电机和轴承隔离；在所述第二叶轮靠近所述电机一侧的主轴上设置有下密封环，所述下密封环将所述第二入口和第二出口与安装在所述主轴上的电机和轴承隔离。

在本发明的一些实施例中，所述上密封环的内周面上设有至少一个凹槽/凸起，所述至少一个凹槽/凸起与设置在所述主轴上的至少一个凸起/凹槽相配合；所述下密封环的内周面上设有至少一个凹槽/凸起，所述至少一个凹槽/凸起与设置在所述主轴上的至少一个凸起/凹槽相配合。

在本发明的一些实施例中，在所述电机靠近所述第一叶轮一侧的壳体上设置有上通孔，所述上通孔内安装有与外部设备连通的上接头；在所述电机靠近所述第二叶轮一侧的壳体上设置有下通孔，所述下通孔内安装有与外部设备连通的下接头。

在本发明的一些实施例中，所述壳体包括筒体，所述筒体的一端连接有上壳体、另一端连接有下壳体；所述第一入口设置在所述上壳体的轴对称中心位置处，所述第一出口设置在所述上壳体的圆周上；所述第二入口设置在所述下壳体的轴对称中心位置处，所述第二出口设置在所述下壳体的圆周上；所述上通孔和下通孔设置在所述筒体上。

在本发明的一些实施例中，在所述电机靠近所述第一叶轮一侧的壳体内周面上设置有上衬套，所述上通孔穿过所述上衬套；在所述电机靠近所述第二叶轮一侧的壳体内周面上设置有下衬套，所述下通孔穿过所述下衬套。

在本发明的一些实施例中，在所述电机靠近所述第一叶轮一侧的主轴上设有第一止推盘，抵靠所述第一止推盘沿远离所述电机的方向设有上动压止推气体轴承和上动压径向气体轴承；在所述电机靠近所述第二叶轮一侧的主轴上设有第二止推盘，抵靠所述第二止推盘沿远离所述电机的方向设有下动压止推气体轴承和下动压径向气体轴承。

在本发明的一些实施例中，在所述上动压止推气体轴承与所述第一止推盘之间接触面的至少一者上设置有型线槽道，在所述下动压止推气体轴承与所述第二止推盘之间接触面的至少一者上设置有型线槽道；在所述上动压径向气体轴承与所述主轴之间接触面的至少一者上设置有型线槽道，在所述下动压径向气体轴承与所述主轴之间接触面的至少一者上设置有型线槽道。

在本发明的一些实施例中，在所述上动压止推气体轴承与所述第一止推盘之间设置至少一层支承箔片，在所述下动压止推气体轴承与所述第二止推盘之间设置至少一层支承箔片；在所述上动压径向气体轴承与所述主轴之间设置有至少一层支承箔片，在所述下动压径向气体轴承与所述主轴之间设置有至少一层支承箔片。

在本发明的一些实施例中，所述第一叶轮的轮背处安装有第一无叶扩压器；所述第二叶轮的轮背处安装有第二无叶扩压器。

本申请各实施例中：第一叶轮前后的压差会产生一个轴向力，该轴向力的方向为经过第一入口的来流方向的反方向；第二叶轮前后的压差也会产生一个轴向力，该轴向力的方向为经过第二入口的来流方向的反方向。由于第一叶轮和第二叶轮分别安装在所述主轴的两端，因此由第一叶轮的前后压差产生的轴向力的方向与由第二叶轮的前后压差产生的轴向力的方向相反。这样，第一叶轮的前后压差所产生的轴向力和第二叶轮的前后压差所产生的轴向力能够相互平衡掉，避免了离心式压缩机由于轴向力不平衡而导致的故障和损失。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种离心式压缩机的结构示意图。

图2(a)为图1所示离心式压缩机中上止推气体轴承的结构示意图。

图2(b)为图1所示离心式压缩机中动压止推气体箔片的结构示意图。

图3(a)为图1所示离心式压缩机中上径向气体轴承和主轴的装配结构示意图。

图3(b)为图1所示离心式压缩机中上径向气体轴承的结构示意图。

图4为图1所示离心式压缩机的工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种离心式压缩机。如图1所示，所述离心式压缩机包括壳体1、位于壳体1中的轴承2、支承在轴承2上的主轴14、以及安装在主轴14上的电机3。主轴14的一端处，例如在图1所示状态下的左侧端部处，安装有第一叶轮27。主轴14的另一端处，例如在图1所示状态下的右侧端部处，安装有第二叶轮30。在壳体1上靠近第一叶轮27设置有第一入口41和第一出口(未图示)，在壳体1上靠近第二叶轮30设置有第二入口42和第二出口(未图示)。

轴承2包括安装位置靠近第一入口41的轴承和安装位置靠近第二入口42的轴承，这两个轴承支承主轴14，并承担主轴14、第一叶轮27和第二叶轮30的动压径向气体载荷和轴向载荷。主轴14上安装的电机3包括固定在主轴14上的电机转子15和设置于电机转子15动压径向气体外侧的电机定子16。

电机3接通电源后在电机转子15和电机定子16之间形成磁场，磁场作用于电机转子15，使电机转子15带动主轴14旋转，主轴14进而带动位于第一入口41处的第一叶轮27和第二入口42处的第二叶轮30转动，从而第一叶轮27和第二叶轮30将工质分别卷入第一入口41和第二入口42，两个叶轮都对工质做功，增加工质的压力，增压后的工质通过相应的第一出口和第二出口流出壳体1。

在上述过程中，由于通过第一叶轮27和第二叶轮30对进入壳体1的工质进行增压，因此第一叶轮27和第二叶轮30的前后均存在压差。在图1中，第一叶轮27左侧为其前方，具有增压前的压力，压力较小；第一叶轮27右侧为其后方，具有增压后的压力，压力较大。该压差会对主轴14产生轴向力，该轴向力的方向为第一来流方向的反方向。类似地，在图1中，第二叶轮30右侧为其前方，具有增压前的压力，压力较小；第二叶轮30左侧为其后方，具有增压后的压力，压力较大。该压差会对主轴14产生轴向力，该轴向力的方向为第二来流方向的反方向。其中，第一来流方向和第二来流方向的方向相反，从而使第一叶轮27前后压差产生的轴向力和第二叶轮30前后压差产生的轴向力相互平衡掉，避免了轴向力不平衡导致的故障和损失，例如轴承磨损。

本发明实施例提供的这种具有两个叶轮的离心式压缩机可以称为两级离心式压缩机或双级离心式压缩机。

在本发明的一些实施例中，在第一叶轮27靠近电机3一侧的主轴14上设置有上密封环21，上密封环21将第一入口41和第一出口与安装在主轴14上的电机3和轴承2隔离；在第二叶轮30靠近电机3一侧的主轴上设置有下密封环22，下密封环22将第二入口42和第二出口与安装在主轴14上的电机和轴承隔离。主轴14上同时设置上密封环21和下密封环22，可以将第一叶轮27和第二叶轮30隔离开来，避免第一叶轮27和第二叶轮30所泵送的工质相互干扰，使得两级离心式压缩机中的两个叶轮工作相互独立，更加顺畅。

为了提高上密封环21的密封性能，可以在上密封环21的内周面上设有至少一个凹槽，该至少一个凹槽与设置在主轴14上的至少一个凸起相配合。类似地，下密封环22的内周面上设有至少一个凹槽，该至少一个凹槽与设置在主轴14上的至少一个凸起相配合。虽然设置一个相互配合的凹槽和凸起也能够提高上密封环21和下密封环22的密封性能，但是设置多个凹槽和凸起更佳。需要说明的是，上述凹槽和凸起的设置位置可以互换，也就是说，凹槽也可以设置在主轴14上，凸起也可以设置在相应的密封环上。即，“凹槽/凸起”指的是凹槽或凸起。类似地，“凸起/凹槽”指的是凸起或凹槽。

在本发明的一些实施例中，在电机3靠近第一叶轮27一侧的壳体1上设置有上通孔43，上通孔43内安装有与外部设备连通的上接头17；在电机3靠近第二叶轮30一侧的壳体1上设置有下通孔44，下通孔44内安装有与外部设备连通的下接头18。通过上接头17和上通孔43可以向壳体1内部供给诸如冷却剂等介质，然后再通过下接头18和下通孔44将壳体1内部的冷却剂等介质排出，这样可以对电机3进行冷却，可以防止电机3过热而导致的运行故障。

在本发明的一些实施例中，壳体1包括筒体11，筒体11的一端连接有上壳体12、另一端连接有下壳体13。第一入口41设置在上壳体11的轴对称中心位置处，第一出口(未图示)设置在上壳体11的圆周上。第二入口42设置在下壳体13的轴对称中心位置处，第二出口(未图示)设置在下壳体13的圆周上。而上通孔43和下通孔44设置在筒体11上。即，第一入口41、第一出口、以及第一叶轮27设置在上壳体12中；第二入口42、第二出口、以及第二叶轮30设置在下壳体13中。上密封环21、轴承2、电机3、以及下密封环22设置在筒体11中，上密封环21将上壳体12和筒体11密封隔离开、下密封环22将下壳体13和筒体11密封隔离开。从而，可以实现两级离心式压缩机。

在本发明的一些实施例中，在电机3靠近第一叶轮27一侧的壳体1内周面上设置有上衬套19，上通孔43穿过上衬套19；在电机3靠近第二叶轮30一侧的壳体1内周面上设置有下衬套20，下通孔44穿过下衬套20。在图1所示的状态下，电机定子16的左侧与上衬套19相配合，电机定子16的右侧与下衬套20相配合。通过上衬套19和下衬套20可以使主轴14上安装的各零部件位置牢固紧凑。

在本发明的一些实施例中，在电机3靠近第一叶轮27一侧的主轴14上设有第一止推盘45，抵靠第一止推盘45沿远离电机3的方向设有上动压止推气体轴承25和上动压径向气体轴承23；在电机3靠近第二叶轮30一侧的主轴14上设有第二止推盘46，抵靠第二止推盘46沿远离电机3的方向设有下动压止推气体轴承26和下动压径向气体轴承24。其中，第一止推盘45和第二止推盘46也可以使用轴肩、套筒或垫圈来代替。在图1中，第一止推盘45和第二止推盘46实现为轴肩。在图1所示的状态下，上密封环21的右侧安装有上动压径向气体轴承23，上动压径向气体轴承23的右侧与上动压止推气体轴承25相配合；下密封环22的左侧安装有下动压径向气体轴承24，下动压径向气体轴承24的左侧与下动压止推气体轴承26相配合。动压径向气体轴承和动压止推气体轴承后，由于动压气体轴承的摩擦系数极低，因此离心式压缩机可以达到很高的转速。传统离心式压缩机的转速范围为每分钟几千至一万转左右的范围，而本发明实施例提供的离心式压缩机的转速可达每分钟五万转或者更高。因此，同样的质量流量下，本发明实施例提供的离心式压缩机的体积和重量可显著减小，为传统离心式压缩机体积和重量的三分之一至四分之一。

如图2(a)和2(b)所示，在上动压止推气体轴承25与第一止推盘45相接触的接触面上设置有型线槽道53。或者，也可以在第一止推盘45与上动压止推气体轴承25相接触的接触面上设置有型线槽道。或者，在二者之间的接触面上均设置型线槽道。类似地，在下动压止推气体轴承26与第二止推盘46之间接触面的至少一者上设置有型线槽道。

如图3(a)和3(b)所示，在上动压径向气体轴承23与主轴14相接触的接触面上设置有型线槽道51。或者，也可以在主轴14与上动压径向气体轴承23相接触的接触面上设置有型线槽道。或者，在二者之间的接触面上均设置有型线槽道。类似地，在下动压径向气体轴承24与主轴14之间接触面的至少一者上设置有型线槽道。

继续参考图2(a)和2(b)所示，在上动压止推气体轴承25与第一止推盘45之间设置有动压止推气体箔片50；类似地，可以在下动压止推气体轴承26与第二止推盘46之间设置有动压止推气体箔片。

继续参考图3(a)和3(b)所示，在上动压径向气体轴承23与主轴14之间设置有动压径向气体箔片52；类似地，可以在下动压径向气体轴承24与主轴14之间设置有动压径向气体箔片。

在离心式压缩机的工作过程中，上动压止推气体轴承25与第一止推盘45之间、以及下动压止推气体轴承26与第二止推盘46之间形成动压止推气体摩擦副，上动压径向气体轴承23与主轴14之间、以及下动压径向气体轴承24与主轴14之间形成动压径向气体摩擦副。当主轴14旋转时，进入筒体11内的介质会流过动压止推气体轴承与止推盘之间的间隙、以及动压径向气体轴承和主轴之间的间隙，动压止推气体轴承与止推盘的相对运动、以及动压径向气体轴承与主轴的相对运动会产生动压效应，即由于介质的粘性作用，在动压止推气体轴承与止推盘之间、以及在动压径向气体轴承与主轴之间产生液膜，液膜具有高压从而具有良好的承载能力，可以使动压止推气体轴承和动压径向气体轴承达到自润滑的效果。

当使用动压气体箔片时，各动压气体轴承形成为柔性箔片结构。当加工有型线槽道时，各动压气体轴承形成为刚性结构。无论是柔性的箔片结构还是刚性的型线槽道结构，动压止推气体轴承与止推盘之间、以及动压径向气体轴承与主轴之间的介质都会沿着箔片或型线槽道向中央挤压，从而使上述产生的液膜具有高压。

在该离心式压缩机的结构中，轴承2设置在壳体1内部，并利用进入壳体1内的介质进行润滑，没有润滑油的参与。与传统润滑油润滑相比，不仅能防止冷媒与润滑油的互溶导致润滑状态的恶化，还能防止润滑油的流失以及降低冷媒在热交换设备中的换热效果。

继续参考图1，为了增大离心式压缩机的增压效果，在第一叶轮27的轮背处安装有第一无叶扩压器28，在第二叶轮30的轮背处安装有第二无叶扩压器31。

继续参考图1，在上壳体12的第一入口41处设置有进口导叶29。采用可转动的进口导叶29，可以使工质流量的调节范围变宽，因此工况覆盖范围广，经济性好。虽然未图示，可以理解的是，也可以在下壳体13的第二入口42处设置进口导叶。

为了说明本发明实施例离心式压缩机的工作原理，仅使用一级节流中间完全冷却两级压缩循环为例对其原理进行阐述。本发明实施例并不局限于此循环，也可以应用在多种其他种类的两级压缩循环。参照图4，本发明实施例离心式压缩机的工作原理为：

本发明实施例提供的离心式压缩机100接通电源，工质首先流经第一级压缩机101的上壳体12中心位置的第一入口41和进口导叶29进入上壳体12的内部空腔。第一级压缩机101对吸入的气体工质做工，增加气体工质的压力。增压后的气体工质通过上壳体12圆周方向的出口流出第一级压缩机101。在第一级压缩机101的工作过程中，随着主轴14转速的逐步提升，上动压径向气体轴承23和下动压径向气体轴承24分别与主轴14形成气膜，润滑形式变为气体润滑。同样地，上动压止推气体轴承25和下动压止推气体轴承26也分别与止推盘45、46形成气膜，润滑形式变为气体润滑。

随后，经过压缩的高温高压气体流入中间冷却器104后完全冷却为液态。此时，中间冷却器104内饱和压力对应的饱和气态制冷剂由中间冷却器104的上部出口流出后进入第二级压缩机102。经第二级压缩机102加压后的高温高压气态制冷剂流经双级压缩循环冷凝器103冷却降温为液体状态，随后流出的制冷剂分为两路。一路制冷剂流经节流阀105后进入中间冷却器104，降低冷却器内的温度。另一路制冷剂先流过中间冷却器104降温后，再流如双级压缩循环蒸发器107蒸发吸热产生冷量，随后制冷剂由离心式压缩机100上的下接头18进入筒体11，冷却筒体11内的电机3后由上接头17流出。随后流经双级压缩循环气液分离器108后最终又回到第一级压缩机101的入口进行下一个循环。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离心式压缩机，其特征在于，包括壳体、位于所述壳体中的轴承、支承在所述轴承上的主轴、以及安装在所述主轴上的电机；

所述主轴的一端处安装有第一叶轮、所述主轴的另一端处安装有第二叶轮；在所述壳体上靠近所述第一叶轮设置有第一入口和第一出口、在所述壳体上靠近所述第二叶轮设置有第二入口和第二出口。

2.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其特征在于，

在所述第一叶轮靠近所述电机一侧的主轴上设置有上密封环，所述上密封环将所述第一入口和第一出口与安装在所述主轴上的电机和轴承隔离；

在所述第二叶轮靠近所述电机一侧的主轴上设置有下密封环，所述下密封环将所述第二入口和第二出口与安装在所述主轴上的电机和轴承隔离。

3.根据权利要求2所述的离心式压缩机，其特征在于，

所述上密封环的内周面上设有至少一个凹槽/凸起，所述至少一个凹槽/凸起与设置在所述主轴上的至少一个凸起/凹槽相配合；

所述下密封环的内周面上设有至少一个凹槽/凸起，所述至少一个凹槽/凸起与设置在所述主轴上的至少一个凸起/凹槽相配合。

4.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其特征在于，

在所述电机靠近所述第一叶轮一侧的壳体上设置有上通孔，所述上通孔内安装有与外部设备连通的上接头；

在所述电机靠近所述第二叶轮一侧的壳体上设置有下通孔，所述下通孔内安装有与外部设备连通的下接头。

5.根据权利要求4所述的离心式压缩机，其特征在于，所述壳体包括筒体，所述筒体的一端连接有上壳体、另一端连接有下壳体；

所述第一入口设置在所述上壳体的轴对称中心位置处，所述第一出口设置在所述上壳体的圆周上；

所述第二入口设置在所述下壳体的轴对称中心位置处，所述第二出口设置在所述下壳体的圆周上；

所述上通孔和下通孔设置在所述筒体上。

6.根据权利要求5所述的离心式压缩机，其特征在于，

在所述电机靠近所述第一叶轮一侧的壳体内周面上设置有上衬套，所述上通孔穿过所述上衬套；

在所述电机靠近所述第二叶轮一侧的壳体内周面上设置有下衬套，所述下通孔穿过所述下衬套。

7.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其特征在于，

在所述电机靠近所述第一叶轮一侧的主轴上设有第一止推盘，抵靠所述第一止推盘沿远离所述电机的方向设有上动压止推气体轴承和上动压径向气体轴承；

在所述电机靠近所述第二叶轮一侧的主轴上设有第二止推盘，抵靠所述第二止推盘沿远离所述电机的方向设有下动压止推气体轴承和下动压径向气体轴承。

8.根据权利要求7所述的离心式压缩机，其特征在于，

在所述上动压止推气体轴承与所述第一止推盘之间接触面的至少一者上设置有型线槽道，在所述下动压止推气体轴承与所述第二止推盘之间接触面的至少一者上设置有型线槽道；

在所述上动压径向气体轴承与所述主轴之间接触面的至少一者上设置有型线槽道，在所述下动压径向气体轴承与所述主轴之间接触面的至少一者上设置有型线槽道。

9.根据权利要求7所述的离心式压缩机，其特征在于，

在所述上动压止推气体轴承与所述第一止推盘之间设置至少一层支承箔片，在所述下动压止推气体轴承与所述第二止推盘之间设置至少一层支承箔片；

在所述上动压径向气体轴承与所述主轴之间设置有至少一层支承箔片，在所述下动压径向气体轴承与所述主轴之间设置有至少一层支承箔片。

10.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其特征在于，

所述第一叶轮的轮背处安装有第一无叶扩压器；

所述第二叶轮的轮背处安装有第二无叶扩压器。