CN113107876A - 气悬浮压缩机 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种气悬浮压缩机，包括：电机转子(30)；叶轮(41，42)，连接在所述电机转子(30)沿轴向上的端部，且进气部分位于所述叶轮(41，42)远离所述电机转子(30)的一侧；扩压器(51，52)，设置在所述叶轮(41，42)邻近所述电机转子(30)的一侧；和静压气体止推轴承(21，22)，设置在所述扩压器(51，52)上；其中，所述叶轮(41，42)邻近所述电机转子(30)一侧的部分与所述静压气体止推轴承(21，22)之间具有轴向间隙，用于形成位于所述轴向间隙内作为第一密封结构的压力气膜。本公开实施例能够减少工作气体向电机腔的泄漏。

Description

气悬浮压缩机

技术领域

本公开涉及压缩机领域，尤其涉及一种气悬浮压缩机。

背景技术

静压气悬浮压缩机是利用静压气体轴承实现转子支撑的压缩机，因其高转速、高效、摩擦小等优点备受欢迎。静压气悬浮压缩机技术已成为压缩机领域的研究前沿。

静压气悬浮压缩机通过叶轮、扩压器、蜗壳等结构共同实现气体压缩的过程。静压气悬浮压缩机在工作时存在气体泄漏问题，其气体泄漏问题来源于叶轮背后的间隙。叶轮背后有很多微小间隙通往电机腔，泄漏的气体最终将流向电机腔。泄漏的气体会导致压缩机功耗增大，效率降低。

为了解决上述泄漏问题，一些相关技术使用梳齿结构进行密封(又称梳齿密封方法)。泄漏的气体在经过梳齿结构时，气体在通过梳齿结构的过程中被多次节流，从而损耗能量，减小压力，这样梳齿结构可以通过多次减压来进行密封效果，但梳齿结构的密封效果只能够在一定程度上减少气体泄漏。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种气悬浮压缩机，能够减少工作气体向电机腔的泄漏。

在本公开的一个方面，提供一种气悬浮压缩机，包括：

电机转子；

叶轮，连接在所述电机转子沿轴向上的端部，且进气部分位于所述叶轮远离所述电机转子的一侧；

扩压器，设置在所述叶轮邻近所述电机转子的一侧；和

静压气体止推轴承，设置在所述扩压器上；

其中，所述叶轮邻近所述电机转子一侧的部分与所述静压气体止推轴承之间具有轴向间隙，用于形成位于所述轴向间隙内作为第一密封结构的压力气膜。

在一些实施例中，所述轴向间隙为20～50μm。

在一些实施例中，所述静压气体止推轴承邻近所述扩压器一侧的表面设有进气口，在所述扩压器的本体内部设有第一静压气体通道，与所述进气口连通。

在一些实施例中，还包括机壳和蜗壳，所述蜗壳和所述扩压器均与所述机壳固定连接，所述电机转子和所述叶轮位于所述机壳和所述蜗壳形成的内部空间，在所述机壳和/或所述蜗壳的本体内部设有第二静压气体通道，所述第二静压气体通道的一端与所述第一静压气体通道连通，另一端用于连接静压气体源。

在一些实施例中，所述静压气体源的供气压力为0.15～0.6Mpa。

在一些实施例中，所述第一静压气体通道包括与所述电机转子的轴线平行、且具有与所述进气口至少部分地对正的气体出口的通道段。

在一些实施例中，所述扩压器邻近所述叶轮的一侧表面设有沿所述电机转子的轴向内凹的凹槽，所述静压气体止推轴承固定设置在所述凹槽的底部。

在一些实施例中，所述凹槽的底部呈圆环形，所述圆环形的内圆直径大于所述电机转子与所述叶轮连接的部位的直径，所述圆环形的外圆直径大于所述叶轮的直径。

在一些实施例中，所述静压气体止推轴承邻近所述凹槽的底部一侧的表面与所述凹槽的底部紧贴，并通过连接件与所述扩压器进行固定连接。

在一些实施例中，所述扩压器在径向上邻近所述电机转子的部分具有第二密封结构。

在一些实施例中，所述第二密封结构包括沿所述电机转子的轴向间隔排布的多个梳齿。

在一些实施例中，所述气悬浮压缩机包括：

两个所述叶轮，作为一级叶轮和二级叶轮分别连接在所述电机转子沿轴向的两端；

两个所述扩压器，作为一级扩压器和二级扩压器，分别位于所述一级叶轮和所述二级叶轮邻近所述电机转子的一侧，且分别与所述机壳的两端固定连接；

两个所述静压气体止推轴承，作为一级静压气体止推轴承和二级静压气体止推轴承，分别设置在所述一级扩压器和所述二级扩压器上；和

两个所述蜗壳，作为一级蜗壳和二级蜗壳并通过管路连通，以便将所述一级蜗壳输出的工作气体输入到所述二级蜗壳内进行二次做功。

在一些实施例中，还包括：电机定子、第一径向轴承和第二径向轴承，所述电机定子固定在所述机壳内，所述电机转子设置在所述电机定子的中心，所述第一径向轴承连接在所述电机转子与所述机壳之间，所述第二径向轴承连接在所述电机转子与所述二级扩压器之间。

因此，根据本公开实施例，通过在叶轮邻近电机转子一侧的部分与静压气体止推轴承之间设置轴向间隙，并在压缩机工作时向静压气体止推轴承供气来形成轴向间隙内的压力气膜，利用压力气膜作为第一密封结构来实现密封作用，减少泄漏到电机腔的气体量，从而提高叶轮侧与电机腔之间的密封效果。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1是根据本公开气悬浮压缩机的一些实施例的结构示意图；

图2是图1中圆圈A的局部放大示意图；

图3是图1中圆圈B的局部放大示意图。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

如图1所示，是根据本公开气悬浮压缩机的一些实施例的结构示意图。参考图1，并结合参考图2和图3，在一些实施例中，气悬浮压缩机包括：机壳10、电机转子30、叶轮、扩压器和静压气体止推轴承。机壳10可以为不规则腔体零件，可通过铸造而成，并起到支撑、保护、减震等作用。电机转子30设置在所述机壳10内。为了驱动电机转子30转动，气悬浮压缩机的机壳10内可设置包括绕组的电机定子60，其能够给电机转子提供磁场，从而使电机转子在磁场中高速转动。机壳10内部可通过冷媒气体对电机定子和电机转子进行冷却。

叶轮连接在所述电机转子30沿轴向上的端部，且进气部分位于所述叶轮远离所述电机转子30的一侧。扩压器设置在所述叶轮邻近所述电机转子30的一侧。

静压气体止推轴承可采用多孔材料制成，例如石墨等，在对静压气体止推轴承进行供气时，可在多孔材料的表面形成很薄的气膜。静压气体止推轴承可设置在所述扩压器上，以靠近叶轮。所述叶轮邻近所述电机转子30一侧的部分与所述静压气体止推轴承之间具有微小的轴向间隙，用于形成位于所述轴向间隙内作为第一密封结构的压力气膜(在图2和图3中通过多个平行的带箭头的线段对气流方向进行示意性表示)。该轴向间隙的尺寸优选为20～50μm，即静压气体止推轴承沿电机转子的轴线方向到叶轮背部的距离。

本实施例通过在压缩机工作时向静压气体止推轴承供气来形成轴向间隙内的压力气膜，并利用压力气膜作为第一密封结构来实现密封作用，使得泄漏到叶轮背后的气体更少地进入到电机腔，从而提高叶轮背后轴向间隙与电机腔之间的密封效果，并减少因泄漏导致的压缩机功耗，提高压缩机效率。

另一方面，在本实施例中可取消止推盘，而由叶轮实现止推盘的功能。当电机转子发生轴向窜动时，压力气膜可作用于叶轮来抵消导致轴向窜动的轴向力，从而使电机转子在轴向上保持平衡。

参考图1，气悬浮压缩机还包括机壳10和蜗壳。蜗壳和所述扩压器均与所述机壳10固定连接，所述电机转子30和所述叶轮位于所述机壳10和所述蜗壳形成的内部空间。在一些实施例中，气悬浮压缩机可包括：作为一级叶轮和二级叶轮的两个所述叶轮41和42、作为一级扩压器和二级扩压器的两个所述扩压器51和52、作为一级扩压器和二级扩压器的两个所述扩压器51和52、作为一级静压气体止推轴承和二级静压气体止推轴承的两个所述静压气体止推轴承21和22以及作为一级蜗壳和二级蜗壳的两个所述蜗壳11和12。

叶轮41和42分别连接在所述电机转子30沿轴向的两端，可以分别对进入蜗壳11和12内的工作气体做功。分别作为一级叶轮和二级叶轮的叶轮41和42可以作为止推盘来维持电机转子30的轴向位置。当电机转子发生轴向窜动时，叶轮与静压气体止推轴承之间形成的较高压力的静压气膜能够作用于叶轮来调节电机转子的轴向位置，使电机转子保持平衡状态。在另一些实施例中，也可以在电机转子的一端取消止推盘并使用叶轮作为止推盘，另一端仍然使用止推盘来配合该叶轮来使电机转子保持平衡状态。

扩压器51和52分别位于所述一级叶轮和所述二级叶轮邻近所述电机转子30的一侧，且分别与所述机壳10沿电机转子30的轴线方向的两端固定连接。扩压器51和52可以分别对经叶轮41和42做功的工作气体进行扩压，以形成更高压力的工作气体。

静压气体止推轴承21和22分别设置在所述一级扩压器和所述二级扩压器上。在叶轮41和42被电机转子30带动而高速转动时，静压气体止推轴承21与叶轮41之间以及静压气体止推轴承22与叶轮42之间均可形成压力气膜，通过压力气膜对相邻的静压气体止推轴承与叶轮的轴向间隙进行封堵，从而到一定的密封效果。

蜗壳11和12之间通过管路连通，作为一级蜗壳的蜗壳11可吸入工作气体(例如气体冷媒)，一级叶轮和一级扩压器可对工作气体进行做功，使工作气体被压缩。压缩后的工作气体通过管路被输入到作为二级蜗壳的蜗壳12内由二级叶轮和二级扩压器进行二次做功。二级蜗壳可通过自身的出气口将二级扩压器扩压后的工作气体向外输出。蜗壳11和12可分别沿电机转子30的轴线方向固定连接在机壳10的两端。

除此之外，参考图1，气悬浮压缩机还可以包括：电机定子60、第一径向轴承81和第二径向轴承82。电机定子60固定在所述机壳10内，所述电机转子30设置在所述电机定子60的中心。

第一径向轴承81和第二径向轴承82可对电机转子30实现稳定的支撑，并且均可通过设置在机壳10内的轴承座进行支撑。在一些实施例中，轴承座可以与机壳和/或扩压器一体制成。例如在图1中，支撑第一径向轴承81的轴承座可以与机壳10一体制成，而支撑第二径向轴承82的轴承座可以与二级扩压器一体制成，即所述第一径向轴承81连接在所述电机转子30与所述机壳10之间，所述第二径向轴承82连接在所述电机转子30与所述二级扩压器之间。

为了实现静压气体止推轴承的供气，参考图2和图3，在一些实施例中，静压气体止推轴承21邻近所述扩压器51一侧的表面设有进气口21a。在所述扩压器51的本体内部设有第一静压气体通道51a，与所述进气口21a连通。静压气体止推轴承22邻近所述扩压器52一侧的表面设有进气口22a。在所述扩压器52的本体内部设有第一静压气体通道52a，与所述进气口22a连通。扩压器不仅给静压气体止推轴承提供了支撑作用，还给静压气体止推轴承提供了稳定的供气通道。

在一些实施例中，第一静压气体通道可包括与所述电机转子30的轴线平行、且具有与静压气体止推轴承21的进气口至少部分地对正的气体出口的通道段。这样可以简化第一静压气体通道在扩压器上的加工。

在图1中，气悬浮压缩机还可以包括第二静压气体通道，用来连通第一静压气体通道和静压气体源。这里的静压气体源可以来自压缩机外部，也可以来自压缩机内部的其他位置，静压气体源的供气压力优选为0.15～0.6Mpa，以满足形成静压气膜的需要。第二静压气体通道可设置在与扩压器存在接触面的结构本体，例如在机壳10内、蜗壳11和蜗壳12中的至少一个的本体内部设置第二静压气体通道。在图1中，左侧的第二静压气体通道10a形成在机壳10的本体内，右侧的第二静压气体通道12a形成在蜗壳12的本体内。

扩压器51邻近叶轮41的一侧表面设有沿所述电机转子30的轴向内凹的凹槽，其内凹的方向为远离叶轮41的方向。扩压器52邻近叶轮42的一侧表面设有沿所述电机转子30的轴向内凹的凹槽，其内凹的方向为远离叶轮42的方向。静压气体止推轴承21和22分别固定设置在所述凹槽51b和52b的底部。

为了不影响电机转子的转动，扩压器设有供电机转子穿过的通孔，相应地，凹槽的底部可呈圆环形，该通孔即为所述圆环形的内圆，其直径大于所述电机转子30与所述叶轮连接部位的直径，从而避免对电机转子30的转动造成干涉。另外，该凹槽底部的外圆直径大于所述叶轮的直径，这样叶轮的背部可以部分地进入凹槽中，以控制轴向间隙的合适尺寸，并且也能够减少包括叶轮和电机转子的整体轴向尺寸。

为了使静压气体止推轴承的工作更加可靠，可将静压气体止推轴承邻近所述凹槽底部一侧的表面与所述凹槽的底部紧贴，并通过连接件(例如螺纹件)与所述扩压器进行固定连接。静压气体止推轴承也可呈圆环形，其外圆直径小于等于所述凹槽的底部的外圆直径。静压气体止推轴承的内圆直径大于所述电机转子30与所述叶轮连接部位的直径。在一些实施例中，静压气体止推轴承的内圆直径可以与扩压器的通孔直径相同，以形成较大面积的压力气膜，并获得更好的工作稳定性。在另一些实施例中，静压气体止推轴承的内圆直径也可以与扩压器的通孔直径不同。

为了进一步提高密封性能，参考图2和图3，在一些实施例中，所述扩压器在径向上邻近所述电机转子30的部分还可具有第二密封结构。第二密封结构可以与作为第一密封结构的压力气膜进行配合，来实现更好的密封效果，减少泄漏到电机腔的工作气体。在一些实施例中，第二密封结构可以包括沿所述电机转子30的轴向间隔排布的多个梳齿。通过梳齿密封结构可以进一步减少工作气体向电机腔的泄漏。

在图2中，第二密封结构51a位于扩压器51在径向上邻近所述电机转子30的部分，即扩压器51通孔的孔壁上。第二密封结构52b位于扩压器52在径向上邻近所述电机转子30的部分，即扩压器52通孔的孔壁上。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种气悬浮压缩机，其特征在于，包括：

电机转子(30)；

叶轮(41，42)，连接在所述电机转子(30)沿轴向上的端部，且进气部分位于所述叶轮(41，42)远离所述电机转子(30)的一侧；

扩压器(51，52)，设置在所述叶轮(41，42)邻近所述电机转子(30)的一侧；和

静压气体止推轴承(21，22)，设置在所述扩压器(51，52)上；

其中，所述叶轮(41，42)邻近所述电机转子(30)一侧的部分与所述静压气体止推轴承(21，22)之间具有轴向间隙，用于形成位于所述轴向间隙内作为第一密封结构的压力气膜。

2.根据权利要求1所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述轴向间隙为20～50μm。

3.根据权利要求1所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述静压气体止推轴承(21，22)邻近所述扩压器(51，52)一侧的表面设有进气口(21a，22a)，在所述扩压器(51，52)的本体内部设有第一静压气体通道(51a，52a)，与所述进气口(21a，22a)连通。

4.根据权利要求3所述的气悬浮压缩机，其特征在于，还包括机壳(10)和蜗壳(11，12)，所述蜗壳(11，12)和所述扩压器(51，52)均与所述机壳(10)固定连接，所述电机转子(30)和所述叶轮(41，42)位于所述机壳(10)和所述蜗壳(11，12)形成的内部空间，在所述机壳(10)和/或所述蜗壳(11，12)的本体内部设有第二静压气体通道(10a，12a)，所述第二静压气体通道(10a，12a)的一端与所述第一静压气体通道(51a，52a)连通，另一端用于连接静压气体源。

5.根据权利要求4所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述静压气体源的供气压力为0.15～0.6Mpa。

6.根据权利要求4所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述第一静压气体通道(51a，52a)包括与所述电机转子(30)的轴线平行、且具有与所述进气口(21a，22a)至少部分地对正的气体出口的通道段。

7.根据权利要求1所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述扩压器(51，52)邻近所述叶轮(41，42)的一侧表面设有沿所述电机转子(30)的轴向内凹的凹槽，所述静压气体止推轴承(21，22)固定设置在所述凹槽的底部。

8.根据权利要求7所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述凹槽的底部呈圆环形，所述圆环形的内圆直径大于所述电机转子(30)与所述叶轮(41，42)连接的部位的直径，所述圆环形的外圆直径大于所述叶轮(41，42)的直径。

9.根据权利要求7所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述静压气体止推轴承(21，22)邻近所述凹槽的底部一侧的表面与所述凹槽的底部紧贴，并通过连接件与所述扩压器(51，52)进行固定连接。

10.根据权利要求1所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述扩压器(51，52)在径向上邻近所述电机转子(30)的部分具有第二密封结构(51b，52b)。

11.根据权利要求10所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述第二密封结构(51b，52b)包括沿所述电机转子(30)的轴向间隔排布的多个梳齿。

12.根据权利要求4所述的气悬浮压缩机，其特征在于，所述气悬浮压缩机包括：

两个所述叶轮(41，42)，作为一级叶轮和二级叶轮分别连接在所述电机转子(30)沿轴向的两端；

两个所述扩压器(51，52)，作为一级扩压器和二级扩压器，分别位于所述一级叶轮和所述二级叶轮邻近所述电机转子(30)的一侧，且分别与所述机壳(10)的两端固定连接；

两个所述静压气体止推轴承(21，22)，作为一级静压气体止推轴承和二级静压气体止推轴承，分别设置在所述一级扩压器和所述二级扩压器上；和

两个所述蜗壳(11，12)，作为一级蜗壳和二级蜗壳并通过管路连通，以便将所述一级蜗壳输出的工作气体输入到所述二级蜗壳内进行二次做功。

13.根据权利要求12所述的气悬浮压缩机，其特征在于，还包括：电机定子(60)、第一径向轴承(81)和第二径向轴承(82)，所述电机定子(60)固定在所述机壳(10)内，所述电机转子(30)设置在所述电机定子(60)的中心，所述第一径向轴承(81)连接在所述电机转子(30)与所述机壳(10)之间，所述第二径向轴承(82)连接在所述电机转子(30)与所述二级扩压器之间。

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