CN112969876B - 与可往复移动的活塞杆一起使用的填充盒及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本文描述了一种用于安装在机械轴上的填料盒。根据一个方面，填料盒壳体限定：中空通道(103)和用于插入可移动机械轴的中心开口(2)，该中空通道围绕中心开口以形成用于流体冷却剂流动的路径。通道设置有流体入口端口(105)和流体出口端口(104)，该流体入口端口和该流体出口端口通向填料盒壳体的外表面上，并且该通道由单个管道或多个管道形成，该多个管道通过增材制造工艺获得并且串联或并联连接以围绕中心开口缠绕。
Description
技术领域
本文所公开的主题的实施方案涉及填充盒构件或填料盒构件，并且更具体地讲，涉及此类构件的冷却剂循环结构的改进。
背景技术
填料箱结构(也称为填充盒或填料盒)已长期用于沿着并围绕气体压缩机的可往复移动的活塞杆提供密封件，以防止气体沿着并围绕活塞杆的表面从活塞筒逸出。此类填料箱结构也已用于沿着并围绕旋转机械的可移动轴提供气密密封件。通常，已知类型的填料箱构件或填料杯是圆柱形状的，并且包含用于固定地安装在可往复移动的活塞杆上的压缩机壳体中的中心圆形开口。中心开口的直径略大于活塞杆的直径，使得中心开口的周边限定壁与活塞杆的表面间隔开，使得在活塞杆在中心开口中进行往复运动时，该中心开口不会摩擦杯。但是由于该间距可允许正被活塞压缩的气体沿着并围绕杆的表面从压缩室逸出，因此构成填料箱的一系列杯包含密封环，该密封环可滑动地抵靠杆支承以提供气密屏障。
密封环在活塞杆穿过该密封环进行往复运动时沿着该活塞杆产生滑动摩擦，该摩擦引起填料杯、活塞杆和密封元件本身的加热。虽然液体润滑剂通常通过填料箱中的通道引入到活塞杆的表面以减小此类滑动摩擦，但通常保留足够的摩擦以引起填料杯的严重加热。
为了解决该问题，圆柱形状的杯通常由两个配合的圆柱形状的部件制成。将圆形沟槽机加工成部件的配合面的相对表面部分，使得当它们接合时，在杯壳体中形成圆形通道，该杯壳体围绕中心开口的大部分周边部分延伸。通道的一个端部包含通向杯的一个平面上的入口端口，而通道的相对端部部分包含通向杯的相对平面上的出口端口。引入到圆形通道中的流体冷却剂在入口端口和出口端口之间流动以从杯壳体吸收热量。
机加工是一种复杂而精密的工艺。为了避免此类工艺，US 5,873,575教导了通过钻孔将冷却回路提供到形成填料盒的每个环中并串联连接此类回路。然而，这限制了冷却回路的形状和功能。此外，需要插塞来密封冷却回路，从而带来潜在的泄漏问题。
因此，需要一种沿着并围绕可往复移动的活塞杆提供密封件的填料盒，该可往复移动的活塞杆连接两个涡轮部件或旋转机械的可移动轴，该填料盒相对于其机加工对应件更轻且更容易操纵，允许在不需要附加插塞的情况下优化冷却回路，改善形成盒子的金属与冷却流体之间的热交换，从而改善热传递效率。
发明内容
根据第一示例性实施方案，描述了一种用于安装在机械轴上的填料盒。该填料盒包括壳体，该壳体限定：中空通道和用于托管可移动机械轴的中心开口，该中空通道围绕所述中心开口以形成用于流体冷却剂在流体入口端口和流体出口端口之间流动的路径。通道由单个管道或串联或并联连接的多个管道形成，以便基本上围绕圆形开口缠绕。单个管道或多个管道通过增材制造工艺获得。
在一个实施方案中，用于冷却剂流体的通道形成冷却回路，该冷却回路包括例如螺旋地围绕圆形开口缠绕的弯曲段以及在它们之间连接弯曲段和/或与入口端口/出口端口连接的直线段。连续的弯曲段串联连接在一起，同时该一系列的第一弯曲段和最后一个弯曲段连接到分别与入口端口和出口端口流体连通的直线段，反之亦然。
在一个有利实施方案中，润滑回路也通过增材制造工艺构造。
填料盒可包括如在常规解决方案中的单独填料环或形成单件式装置的整体填料环。在前一种情况下，插塞或O形环用于连接每个填料环的冷却回路以避免冷却剂泄漏，而在后一种情况下，不需要插塞或O形环，从而获得非常有利的构型。
增材制造工艺的使用允许设计具有任何类型几何形状的冷却回路和润滑回路，从而在润滑和冷却方面带来高效率。
根据另外的示例性实施方案，公开了一种用于制造填充盒的方法，该方法包括通过增材制造加工来增长：多个填料杯，该多个填料杯具有用于将可移动机械轴插入其中的中心开口；和一个或多个冷却管道，该一个或多个冷却管道围绕中心开口并包封在填料杯中。管道围绕中心开口的大部分周边部分以形成用于基本上完全围绕所述圆形开口的流体冷却剂在流体入口端口和流体出口端口之间流动的路径。另外，可沿着中心开口增长一个或多个润滑管道以形成用于润滑流体在润滑入口端口和润滑出口端口之间流动的路径。
附图说明
通过下面结合附图考虑的示例性实施方案的描述，本公开将变得更加显而易见，附图中：
图1示出了根据第一实施方案的填充盒的剖视图；
图2示出了根据本文实施方案的冷却回路的立体图；
图3示出了图2的冷却回路的剖视图。
图4示出了根据另一个实施方案的填充盒的剖视图；
图5示出了具有附加热电偶的图2的冷却回路的立体图，并且
图6示出了根据本文实施方案的具有附加润滑回路的图2的冷却回路的立体图。
示例性实施方案的以下描述参照附图。不同附图中的相同参考标号标识相同或类似的元件。以下具体实施方式不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。
具体实施方式
填充盒或填料盒是用于防止流体在机器元件的滑动部分或转动部分之间泄漏的组件。例如，填充盒用于沿着并围绕气体压缩机的可往复移动的活塞杆提供密封件，以防止气体沿着并围绕活塞杆的表面从活塞筒逸出。填充盒的结构由于需要循环润滑剂流体和冷却剂流体而变得复杂，因此制造填充盒所需的传统机加工工艺可能复杂、精密，并且代表可制得的拓扑结构的限制。因此，本文所述的实施方案提供了一种具有沿着并围绕可往复移动的活塞杆的密封件的填料盒，该可往复移动的活塞杆连接两个涡轮部件或旋转机械的可移动轴，该填料盒相对于其机加工对应件更轻且更容易操纵，允许在不需要附加插塞的情况下优化冷却回路，改善形成盒子的金属与冷却流体之间的热交换，从而改善热传递效率。
在图1中，示出了根据第一实施方案的组装填充盒1的剖视图的示意图。
填充盒1(下文也称为填料箱组件)包括一系列填料杯101(附图中所示的具体构型中的八个)和凸缘201。包含在任何给定填料箱1中的填料杯101的数量显然是常规设计选择的问题，并且可从2到20。
杯101中的每个杯可由钢、铸铁、青铜、复合材料或其他合适的材料构造，注意特定应用的耐化学品性和机械强度要求。本示例的杯101包括盘或环形壳体11并且包含圆形中心开口2，该圆形中心开口允许其松散地且同心地安装在可移动机械轴上，诸如往复式压缩机的旋转轴或可往复移动的活塞杆。开口2的直径应当充分大于轴的直径，使得开口的周边在轴旋转或往复运动到开口中或穿过开口时(视情况而定)与该轴间隔开并且不摩擦轴。
L形横截面的环形延伸凹口16形成于杯101的一个端部的表面部分中以及其周围，常规密封环18放置在该端部中。因此，密封环18在杆或轴移动时摩擦该杆或轴，并且形成密封件以防止气体沿着杆或轴通过杯101的间隔开的开口2逸出。通常，密封环18可由多种不同的材料构造，诸如例如青铜、铸铁或各种塑料、复合材料和金属合金。通道7可延伸穿过壳体的主体以提供用于润滑流体润滑密封环18抵靠其支承的杆或轴的表面的路径。此类润滑通道形成用于流体润滑剂在润滑剂入口端口和润滑剂出口端口之间流动的路径，所述润滑剂入口端口和所述润滑剂出口端口通向所述壳体的至少一个外表面上。
润滑通道可采用填料组件中的孔的形式或管道的形式。在图6所示的构型中，润滑通道7由单个管道或串联连接的多个管道形成，以便基本上沿着填料盒1的中心开口2延伸。
一个重要方面是冷却剂流动装置3，其被提供以从每个杯带走热量。如图2中最佳地示出，对于具有六个填料杯的构型，在本实施方案中，流动装置采用六个管道103a至103f的形式，该六个管道围绕每个杯101的中心开口2双缠绕并且串联连接以形成图3所示的构型。每个管道103a至103f在每个环的相对侧上具有输入端口203a至203f和输出端口303a至303f以允许此类串联连接。输入端口和输出端口相对于对应管道103a至103f取向为90°，其中输入端口203a至203f具有平坦接头403a至403f以有利于与前一环的输出端口插入，从而获得图3所示的结构。
第一管道103a(即接近凸缘201的管道)具有连接到纵向延伸的第一流动路径4的输出端口303a，即平行于组件的轴线延伸，以到达设置在凸缘201中的输出端口104，而最后一个管道103f(即远离凸缘201的管道)的输入端口203f连接到纵向延伸的第二流动路径5，以使冷却剂流体通过设置在凸缘201中的输入端口105进入，如在图1所示的横截面中最佳所见。
因此，冷却流体进入凸缘201中的输入端口105，到达叠堆的最后一个管道103f，从远侧到近侧连续地流过每个管道到达凸缘201，并且如图2中的箭头所示在输出端口104处离开。热电偶6可例如设置在冷却回路103的缠绕物之间，以测量组件在操作中的温度，如图5所示。
在图4所示的实施方案中，填充盒为一体式的，即每个环被制成与另一个环成一整体。这允许防止流体回路(冷却回路和润滑回路)在形成叠堆的环之间的泄漏。对于剩余部分，该图中所示的构型与图1中所示的构型完全相同，即堆叠在凸缘201上的多个环或填料杯101，环或填料杯中的每一者包封冷却回路103a至103f，该冷却回路包括由中间接头503连接的内部圆形管道113和外部圆形管道114，以围绕圆形开口2形成双缠绕结构，如图1的截面D-D最佳地示出。内部圆形管道113和外部圆形管道114具有终端端口203、303，该终端端口用于与堆叠的一个或多个冷却回路和/或与壳体的入口端口104/出口端口105流体连通的输入管道4/输出管道5连接。
每个环或填料杯101以及包封在其中的对应管道是通过增材制造工艺构造成单件然后堆叠在一起的整体元件。另选地，形成冷却回路的所有环或填料杯101和管道是通过增材制造工艺构造成单件的整体元件，以形成单件式填充盒。
由于使用允许增长冷却回路3以及通常任何种类的流动回路(诸如例如润滑回路7，其为管道的形式，而不必钻出或机加工形成盒的主要材料)的增材制造技术制造填充盒的创造性且有用的想法，可容易地实现单件解决方案或多件堆叠解决方案。此外，由于该技术，此类管道可制造成具有任意形状的横截面诸如椭圆形、三角形、正方形，从而允许在不改变部件的机械强度的情况下改善热交换。
术语“增材制造”是指一次增长一层三维物体的技术。每个连续层粘结到前一熔融或部分熔融的材料层。有可能使用不同的物质来分层材料，包括金属粉末、热塑性塑料、陶瓷、复合材料、玻璃以及甚至可食料如巧克力。
物体由用于创建.stl文件的计算机辅助设计(CAD)软件以数字方式定义，该.stl文件基本上将物体“切片”成超薄层。该信息引导喷嘴或打印头的路径，因为其将材料精确地沉积在前一层上。或者，激光或电子束在粉末材料床中选择性地熔融或部分熔融。在材料冷却或固化时，它们熔合在一起以形成三维物体。
尽管所有增材制造(AM)工艺的特征在于三维物体的逐层制造，但生产技术有所不同。2010年，美国材料与试验协会(ASTM)将AM工艺分组成新的标准中的七个类别-“ASTMF42-增材制造”。每年，ASTM委员会F42的成员满足考虑新的或更新的标准。
增材制造工艺的当前类别为：
材料挤出；定向能量沉积；材料喷射；粘结剂喷射；薄片层叠；光固化；粉末床熔合。
材料挤出
材料挤出是最熟知的增材制造工艺中的一种。将成卷的聚合物挤出，或通过安装在可移动臂上的加热喷嘴拉出。在床竖直移动的同时，喷嘴水平移动，从而允许熔融的材料逐层构建。层之间的适当粘附通过精确的温度控制或使用化学粘合剂而发生。
定向能量沉积
定向能量沉积(DED)的工艺类似于材料挤出，但其可与更多种材料(包括聚合物、陶瓷和金属)一起使用。安装在四轴或五轴臂上的电子束枪或激光器熔融线材或长丝原料或粉末。
材料喷射
利用材料喷射，打印头来回移动，非常类似于2D喷墨打印机上的头。然而，其通常在x轴、y轴和z轴上移动以产生3D物体。层在其冷却或通过紫外光固化时硬化。
粘结剂喷射
粘结剂喷射工艺类似于材料喷射，不同的是打印头铺设粉末材料和液体粘结剂的交替层。
薄片层叠
分层实体制造(LOM)和超声增材制造(UAM)是两个薄片层叠方法。LOM使用纸材和粘合剂的交替层，而UAM采用通过超声焊接连结的薄金属片材。LOM在产生对于视觉或美学建模而言理想的物体方面是优异的。UAM是与各种金属(包括钛、不锈钢和铝)一起使用的相对低温、低能的工艺。
光聚合
利用光固化，在液体树脂光致聚合物的槽中产生物体。称为光聚合的工艺使用由反射镜精确地导向的紫外(UV)光来固化每个微细树脂层。
粉末床熔合
粉末床熔合(PBF)技术用于多种AM工艺，包括直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、选择性热烧结(SHS)、电子束熔融(EBM)和直接金属激光熔融(DMLM)。这些系统使用激光、电子束或热打印头在三维空间中熔融或部分熔融超细材料层。在工艺结束时，将过量的粉末从物体喷出。
关于增材制造的全面参考文献可参考以引用方式并入本文的项“3D打印”下的Wikipedia。
由于增材制造技术，冷却回路(以及任选地润滑回路)的任何几何形状均可以单件式和环堆叠构型获得，因此允许设计用于任何应用的优化流动路径，其中附图中表示的那些应用仅是示例(双缠绕物串联连接的管道)。显然可制造单个缠绕物或多于两个缠绕物串联连接的管道，以及并联连接到以并联或混合解决方案密集延伸的输入流动路径和输出流动路径的单个或多个缠绕物管道，其中管道的部分串联连接并且部分并联连接以获得非常灵活且强大的解决方案。
根据一个方面，存在一种用于制造填充盒的方法，该方法包括通过增材制造加工来增长：
a.多个填料杯101，该多个填料杯具有用于将可移动机械轴插入其中的中心开口2；
b.一个或多个冷却管道103，该一个或多个冷却管道围绕中心开口2并包封在填料杯101中，所述管道围绕所述中心开口2的大部分周边部分以形成用于基本上完全围绕所述圆形开口2的流体冷却剂在流体入口端口105和流体出口端口104之间流动的路径3。
该方法还可有利地包括使沿着中心开口2延伸的一个或多个润滑管道7增长以形成用于润滑流体在润滑入口端口107和润滑出口端口207之间流动的路径。
根据一个实施方案，该方法包括：增长具有相关冷却管道103a至103f的多个单独填料杯101，该冷却管道具有中间入口端口203/中间出口端口303；以及将此类填料杯101堆叠到凸缘201上，以便串联连接连续环的冷却管道，从而形成基本上围绕中心开口2的冷却回路。也可增长冷却回路以获得并联连接或混合的串行结构和并行结构。
根据另一个实施方案，该方法包括整体地增长填料杯101以及冷却回路和/或润滑回路的管道以形成单件式填充盒。
有利的是，该方法可包括使冷却回路3和/或润滑回路7的管道增长成具有任意形状的横截面诸如椭圆形、三角形、正方形等，以在不改变部件的机械强度的情况下改善热交换。
本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在本说明书通篇多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
Claims (13)
1.一种被构造成安装在机械轴上的填料盒，所述盒包括壳体，所述壳体限定穿过其的用于将可移动机械轴插入其中的圆形开口，所述壳体还限定围绕所述圆形开口的大部分周边部分的中空通道，以形成用于基本上完全围绕所述圆形开口的流体冷却剂在流体入口端口和流体出口端口之间流动的路径，所述入口端口和所述流体出口端口通向所述壳体的至少一个外表面上，所述通道由单个管道或串联和/或并联连接的多个管道形成，以便基本上围绕所述圆形开口缠绕，所述填料盒的特征在于包括堆叠在凸缘上的多个环或填料杯，所述环或填料杯中的每一者包封冷却回路，所述冷却回路包括由中间接头连接的内部圆形管道和外部圆形管道，以围绕所述圆形开口形成双缠绕结构，其中所述堆叠的每个环或填料杯和包封在其中的对应管道均为通过增材制造工艺构造成单件的整体元件，还包括位于所述冷却回路的缠绕物之间的至少一个温度传感器。
2.根据权利要求1所述的填料盒，其中所述内部圆形管道和所述外部圆形管道通过增材制造工艺获得。
3.根据权利要求1或2所述的填料盒，其中用于所述流体冷却剂的所述通道形成冷却回路，所述冷却回路包括螺旋地围绕所述圆形开口缠绕的弯曲段以及在它们之间连接所述弯曲段和/或与所述流体入口端口/流体出口端口连接的直线段。
4.根据权利要求3所述的填料盒，其中连续的弯曲段串联连接在一起，其中一系列的第一弯曲段和最后一个弯曲段连接到与所述流体入口端口和所述流体出口端口流体连通的直线段。
5.根据权利要求1所述的填料盒，其中所述内部圆形管道和所述外部圆形管道具有终端端口，所述终端端口用于与所述堆叠的一个或多个冷却回路连接和/或连接到与所述壳体的所述流体入口端口/所述流体出口端口流体连通的输入管道/输出管道。
6.根据权利要求1或2所述的填料盒，其中形成所述冷却回路的所有所述环或填料杯和所述管道是通过增材制造工艺构造成单件的整体元件，以形成单件式填充盒。
7.根据权利要求1或2所述的填料盒，还包括润滑通道，所述润滑通道形成用于流体润滑剂在润滑剂入口端口和润滑剂出口端口之间流动的路径，所述润滑剂入口端口和所述润滑剂出口端口通向所述壳体的至少一个外表面上，所述润滑通道由单个管道或串联连接的多个管道形成，以便基本上沿着所述填料盒的所述圆形开口延伸，一个或多个润滑通道通过增材制造工艺获得。
8.根据权利要求1或2所述的填料盒，其中所述内部圆形管道和所述外部圆形管道具有任意形状的横截面。
9.一种用于制造如权利要求1-8的任一项所述的填料盒的方法，所述方法包括通过增材制造加工来增长：
a.多个填料杯，所述多个填料杯具有用于将可移动机械轴插入其中的圆形开口；
b.一个或多个冷却回路，所述一个或多个冷却回路围绕所述圆形开口并包封在所述填料杯中，所述一个或多个冷却回路围绕所述圆形开口的大部分周边部分以形成用于基本上完全围绕所述圆形开口的流体冷却剂在流体入口端口和流体出口端口之间流动的路径。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括沿着所述圆形开口增长一个或多个润滑通道以形成用于润滑流体在润滑剂入口端口和润滑剂出口端口之间流动的路径。
11.根据权利要求9或10所述的方法，包括：增长具有相关冷却回路的多个单独填料杯，所述冷却回路具有中间入口端口/中间出口端口；以及将此类填料杯堆叠到凸缘上，以便串联连接填料环的所述冷却回路，从而形成基本上围绕所述圆形开口的冷却回路。
12.根据权利要求9或10所述的方法，包括整体地增长所述填料杯以及冷却回路和/或润滑通道的所述管道以形成单件式填充盒。
13.根据权利要求9或10所述的方法，包括使所述冷却回路和/或所述润滑通道的管道增长成具有任意形状的横截面。
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