CN115126684A - 双模态压缩机 - Google Patents

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Abstract

提供了一种双模态压缩机。该双模态压缩机包括第一涡旋盘、第二涡旋盘以及叶轮。第一涡旋盘与第二涡旋盘限定涡旋压缩工作腔，叶轮限定离心压缩流道。叶轮与第二涡旋盘相对固定且同轴地布置，离心压缩流道的入口与涡旋压缩工作腔的出口连通。在大流量、高压比工况下，双模态压缩机可以工作于涡旋‑离心压缩模态，使得离开涡旋压缩工作腔的工质能够进入离心压缩流道再流出双模态压缩机，从而解决涡旋式压缩机高压比工况效率低以及离心式压缩机不能压缩气液混合工质的问题。或者，在小流量工况下，双模态压缩机可以工作于涡旋压缩模态，使得离开涡旋压缩工作腔的工质能够直接流出双模态压缩机，从而解决离心式压缩机小流量工况效率低和不稳定的问题。

Description

双模态压缩机
技术领域
本申请涉及压缩机领域，更具体地涉及一种双模态压缩机。
背景技术
用于流体工质增压或输送的压缩机主要有容积式和速度式两种。容积式压缩机通过改变工作腔容积对工质压缩来提高工质压力。速度式压缩机通过旋转叶片对工质做功来提高工质压力。
容积式压缩机具有压缩效率高、流量范围宽、可压缩气液混合工质等优势。但在高压缩比条件下工作时，由于工作腔的出口与进口的压力差较大，工质易从形成工作腔的结构的缝隙泄漏，导致压缩效率降低。另外，大流量工况下容积式压缩机的流动损失较大、效率较低。
速度式压缩机具有高压缩比、大流量条件下效率高等优势。但由于液滴会造成旋转叶片损伤，不适合用于气液混合工质压缩。另外，小流量工况下速度式压缩机的叶片通道易形成流动分离导致工作不稳定。
发明内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种双模态压缩机，其能够克服上述背景技术中说明的缺点中的至少一个缺点。
为了实现上述目的，本申请采用如下的技术方案。
本申请提供了一种如下的双模态压缩机，该双模态压缩机包括：第一涡旋盘，其包括第一涡旋齿，所述第一涡旋齿围绕所述第一涡旋盘的转动轴线螺旋状地延伸；第二涡旋盘，其包括第二涡旋齿，所述第二涡旋齿围绕所述第二涡旋盘的转动轴线螺旋状地延伸，所述第二涡旋齿与所述第一涡旋齿限定涡旋压缩工作腔，所述第二涡旋盘的转动轴线与所述第一涡旋盘的转动轴线平行且错开；以及叶轮，其包括多个叶片，在所述叶轮的周向上相邻的所述叶片限定离心压缩流道，所述叶轮与所述第二涡旋盘相对固定且同轴地布置，所述离心压缩流道的入口与所述涡旋压缩工作腔的出口连通，离开所述涡旋压缩工作腔的工质能够进入所述离心压缩流道再流出所述双模态压缩机或者直接流出所述双模态压缩机。
在一个可选的方案中，还包括第一输出流道，所述第一输出流道受控地连通所述离心压缩流道的出口和所述双模态压缩机的外部。
在另一个可选的方案中，所述第一输出流道位于所述叶轮的径向外侧，所述第一输出流道包括彼此连通的扩压段和导流段，所述扩压段沿所述叶轮的径向延伸且与所述离心压缩流道的出口连通，所述导流段围绕所述叶轮的转动轴线螺旋状地延伸。
在另一个可选的方案中，还包括第二输出流道，所述第二输出流道受控地连通所述涡旋压缩工作腔的出口和所述双模态压缩机的外部。
在另一个可选的方案中，还包括输入流道，所述输入流道连通所述涡旋压缩工作腔的入口和所述双模态压缩机的外部。
在另一个可选的方案中，所述第二涡旋盘与所述叶轮形成为一体。
在另一个可选的方案中，每个所述叶片从所述第二涡旋盘的中央部至所述第二涡旋盘的外周面连续地延伸，每个所述离心压缩流道被形成为从所述第二涡旋盘的中央部朝向所述第二涡旋盘的外周面渐扩。
在另一个可选的方案中，还包括传动件，所述传动件包括彼此固定的第一轴部和第二轴部，所述第一轴部的中心轴线与所述第二轴部的中心轴线平行且错开，所述第一轴部的中心轴线与所述第二轴部的中心轴线之间的距离等于所述第一涡旋盘的转动轴线与所述第二涡旋盘的转动轴线之间的距离，所述第一涡旋盘开设有第一传动孔，所述第一传动孔沿所述第一涡旋盘的轴向延伸，所述第一轴部伸入所述第一传动孔，所述第二涡旋盘开设有第二传动孔，所述第二传动孔沿所述第二涡旋盘的轴向延伸，所述第二轴部伸入所述第二传动孔。
在另一个可选的方案中，所述传动件的数量为多个，多个所述第一传动孔在所述第一涡旋盘的周向上均匀地布置，多个所述第二传动孔在所述第二涡旋盘的周向上均匀地布置。
在另一个可选的方案中，所述第一轴部与所述第一传动孔间隙配合，所述第二轴部与所述第二传动孔间隙配合。
采用上述技术方案，双模态压缩机能够以紧凑的结构方案将容积式压缩机的结构和速度式压缩机的结构整合在一起。该双模态压缩机结构简单且体积较小，适用于安装空间有限的各种应用场合。此外，双模态压缩机能够处于不同的模态以适应不同的工况，使得双模态压缩机能具有较好的适应性和较高的效率。
附图说明
图1示出了根据本申请的一个实施例的双模态压缩机的立体图。
图2示出了图1中的双模态压缩机的立体图，其中部分结构以剖视的方式示出且省略了剖面线。
图3示出了图1中的双模态压缩机的涡旋压缩工作腔的示意图。
图4示出了图1中的双模态压缩机的离心压缩流道的示意图。
图5示出了图1中的双模态压缩机的局部结构的立体图，其中主要示出了传动件的结构。
图6示出了图1中的双模态压缩机的工质的流动路径的示意图，其中箭头表示工质的流动方向。
附图标记说明
1壳体组件；11涡壳；11a输入流道；11b第一输出流道；11c扩压段；11d导流段；11e第一封严齿；12轴承座；13盖板；14端盖；14a第二封严齿；14b排气孔；
2传动组件；21转轴；22第一轴承；
3压缩组件；31第一涡旋盘；31a第一涡旋齿；31b第一传动孔；32第二涡旋盘；32a第二涡旋齿；32b第一连通孔；32c第二传动孔；32d第三封严齿；33叶轮；33a叶片；33b第二连通孔；33c第四封严齿；33d离心压缩流道；34传动件；34a第一轴部；34b第二轴部；34c连接部；35第二轴承；3a涡旋压缩工作腔。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施例。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
图1至图6示出了根据本申请的一个实施例的双模态压缩机，特别示出了一种适用于超临界二氧化碳动力循环系统、内燃机、微型燃气轮机、燃料电池系统以及热泵空调等系统或装置的双模态压缩机。双模态压缩机可以包括壳体组件1、传动组件2以及压缩组件3。
参照图1和图2，壳体组件1可以包括涡壳11、轴承座12、盖板13以及端盖14。具体地，涡壳11可以为筒状并且与轴承座12、盖板13以及端盖14围合有内部空间，涡壳11的壁部可以开设有输入流道11a和第一输出流道11b。输入流道11a和第一输出流道11b可以受控地连通内部空间和涡壳11的外部，使用者能够控制输入流道11a和第一输出流道11b的开闭状态。输入流道11a可以沿涡壳11的径向延伸。第一输出流道11b可以包括扩压段11c和导流段11d，扩压段11c可以在涡壳11的径向上延伸并且与内部空间整周地连通，导流段11d可以位于扩压段11c的径向外侧并且围绕叶轮33的转动轴线螺旋状地连续延伸，在延伸过程中导流段11d的至少一部分的横截面积逐渐增大。涡壳11的面向第二涡旋盘32的部分的内表面可以设置有多个第一封严齿11e，端盖14的面向叶轮33的端面(在本实施例中，端面均指轴向端面)可以设置有多个第二封严齿14a。端盖14的中央部可以开设有沿端盖14的中心轴线贯通的排气孔14b。轴承座12和盖板13可以安装于涡壳11的一侧端部，端盖14可以安装于涡壳11的另一侧端部。
参照图2，传动组件2可以包括转轴21和第一轴承22。具体地，两个第一轴承22可以同轴地套装于转轴21，轴承座12可以套装于第一轴承22。盖板13可以安装于轴承座12的端部。在轴向上第一轴承22的外圈抵靠轴承座12的凸台部以及盖板13，使得第一轴承22被盖板13限制在轴承座12内。
参照图2至图5，压缩组件3可以包括第一涡旋盘31、第二涡旋盘32、叶轮33、传动件34以及第二轴承35。
具体地，第一涡旋盘31的面向第二涡旋盘32的端面可以设置有第一涡旋齿31a，第一涡旋齿31a可以围绕第一涡旋盘31的转动轴线螺旋状地连续延伸。第一涡旋盘31可以开设有四个第一传动孔31b，四个第一传动孔31b可以设置在第一涡旋齿31a的外侧且在第一涡旋盘31的周向上均匀地布置。第一涡旋盘31可以与转轴21同轴地布置并且与转轴21固定，使得第一涡旋盘31可以与转轴21一体地转动，第一涡旋盘31的中心轴线与第一涡旋盘31的转动轴线重合。
第二涡旋盘32的面向第一涡旋盘31端面可以设置有第二涡旋齿32a，第二涡旋齿32a可以围绕第二涡旋盘32的转动轴线螺旋状地连续延伸。参照图3，第二涡旋齿32a可以与第一涡旋齿31a彼此嵌套配合以在第一涡旋齿31a和第二涡旋齿32a之间限定双螺旋状的涡旋压缩工作腔3a。涡旋压缩工作腔3a可以通过上述内部空间与输入流道11a连通。第二涡旋盘32可以开设有四个第二传动孔32c，四个第二传动孔32c可以设置在第二涡旋齿32a的外侧且在第二涡旋盘32的周向上均匀地布置。第二涡旋盘32可以开设有第一连通孔32b，第一连通孔32b可以沿第二涡旋盘32的转动轴线贯通第二涡旋盘32。第一连通孔32b可以经由涡旋压缩工作腔3a和上述内部空间与输入流道11a连通。第二涡旋盘32的外周部可以设置有多个第三封严齿32d，多个第三封严齿32d可以与多个第一封严齿11e交错，使得第二涡旋盘32与涡壳11迷宫密封。第二涡旋盘32的中心轴线与第二涡旋盘32的转动轴线重合。
参照图4，叶轮33的端面可以设置多个叶片33a，叶片33a可以从叶轮33的中央部例如以贝塞尔曲线的形状连续地延伸至叶轮33的外周面。多个叶片33a可以在叶轮33的周向上彼此间隔开地均匀布置，相邻的叶片33a之间可以形成从入口朝向出口渐扩的离心压缩流道33d。离心压缩流道33d的入口可以位于叶轮33的中央部，离心压缩流道33d的出口可以位于叶轮33的外周面并且对准扩压段11c。叶轮33可以与第二涡旋盘32同轴地布置并且与第二涡旋盘32形成为一体，使得第一连通孔32b可以连通涡旋压缩工作腔3a的出口和离心压缩流道33d的入口。叶轮33可以开设有第二连通孔33b，第二连通孔33b可以沿叶轮33的转动轴线贯通叶轮33。第二连通孔33b可以对准排气孔14b，使得第二连通孔33b和排气孔14b形成第二输出流道。第二输出流道可以受控地连通离心压缩流道33d的入口与双模态压缩机的外部，使用者可以控制第二输出流道的开闭状态。涡旋压缩工作腔3a的出口可以受控地通过第一连通孔32b和第二输出流道与双模态压缩机的外部连通。叶轮33的表面可以设置有多个第四封严齿33c，多个第四封严齿33c可以与多个第二封严齿14a交错，使得叶轮33与端盖14迷宫密封。
第二轴承35可以同轴地套装于叶轮33，端盖14可以套装于第二轴承35。第二轴承35可以限定第二涡旋盘32的转动轴线。第二涡旋盘32的转动轴线可以与第一涡旋盘31的转动轴线平行且错开。
参照图5，传动件34可以具有与曲拐大致相同的形状，具体包括第一轴部34a、第二轴部34b和连接部34c。连接部34c可以为板状，第一轴部34a和第二轴部34b可以从连接部34c朝向连接部34c的两侧延伸。第一轴部34a的中心轴线可以与第二轴部34b的中心轴线平行且错开，第一轴部34a的中心轴线与第二轴部34b的中心轴线之间的距离(最短距离)可以等于第一涡旋盘31的转动轴线与第二涡旋盘32的转动轴线之间的距离。第一轴部34a可以伸入第一传动孔31b，第二轴部34b可以伸入第二传动孔32c。
进一步地，第一轴部34a可以与第一传动孔31b间隙配合，第二轴部34b可以与第二传动孔32c间隙配合，使得传动件的自转倾向能够被抑制。当然，这不是必须的。
参照图6，双模态压缩机可以具有涡旋-离心压缩模态和涡旋模态。具体地，当工质的流量较大时，可以开启第一输出流道11b而关闭第二输出流道，使得双模态压缩机处于涡旋-离心压缩模态。在该模态下，工质可以从输入流道11a进入内部空间，进入内部空间的工质可以被吸入涡旋压缩工作腔3a。当转轴21转动时，转轴21可以直接带动第一涡旋盘31转动，第一涡旋盘31可以通过传动件34带动第二涡旋盘32和叶轮33转动。与此同时，第二涡旋盘32可以相对于第一涡旋盘31周期性地平动，使得涡旋压缩工作腔3a的容积周期性地变化，从而使得涡旋压缩工作腔3a中的工质被第一次压缩。
被第一次压缩的工质可以从涡旋压缩工作腔3a的出口排出，随后经由第一连通孔32b进入离心压缩流道33d。离心压缩流道33d内的工质可以在离心力的作用下以较高的速度被甩入扩压段11c，从而工质能够在离心压缩流道33d被第二次压缩。最终，经过两次压缩的工质可以在导流段11d的引导下离开双模态压缩机。
在该模态下，涡旋压缩可以被配置为具有较低的压缩比，离心压缩可以被配置为具有较高的压缩比。这样，在不损失双模态压缩机的压缩比的前提下，涡旋压缩工作腔3a能够具有较小的泄漏损失，使得双模态压缩机具有较高的效率。此外，对于气液混合工质，涡旋压缩能够预先提高工质的压力和温度，使得工质在进入离心压缩流道33d时不会冷凝，从而叶片33a不易被损伤。
当工质的流量较小时，可以关闭第一输出流道11b而开启第二输出流道，使得双模态压缩机处于涡旋压缩模态。在该模态下，在涡旋压缩工作腔3a中被压缩的工质可以经由第二输出流道直接离开双模态压缩机而不经过离心压缩流道33d，使得工质仅经过一次压缩。这样，在流量较小的情况下，可以避免离心压缩的低效率和不稳定现象。
这样，通过控制第一输出流道11b和第二输出流道的开闭状态，工质在涡旋-离心压缩模态下经由第一输出流道11b离开双模态压缩机，在涡旋压缩模态下经由第二输出流道离开双模态压缩机，使得离开涡旋压缩工作腔3a的工质能够选择性地进入离心压缩流道33d。
此外，在本申请的双模态压缩机中，第二涡旋盘32与涡壳11迷宫密封，使得输入流道11a不会避开上述连通路径而与第一输出流道11b和第二输出流道直接连通。叶轮33与端盖14迷宫密封，使得第二输出流道不会避开上述连通路径而与输入流道11a和第一输出流道11b直接连通。这样，输入流道11a、第一输出流道11b和第二输出流道能够按目标路径连通，由此工质能够按目标路径流动。
本申请至少具有以下优点：
(i)通过使涡旋压缩和离心压缩耦合，双模态压缩机能够处于涡旋-离心压缩模态，使得双模态压缩机能够具有较高的效率并且能够用于压缩气液混合工质。
(ii)通过设置第二输出流道，双模态压缩机能够处于涡旋压缩模态，使得双模态压缩机能够适应小流量的工况。
(iii)通过设置传动件34，第二涡旋盘32可以从动于第一涡旋盘31，使得第一涡旋盘31、第二涡旋盘32和叶轮33能够由同一驱动源驱动，进而使双模态压缩机的驱动结构简单且结构紧凑。
应当理解，上述实施例仅是示例性的，不用于限制本申请。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施例做出各种变型和改变，而不脱离本申请的范围。以下进行补充说明。
应当理解，第二涡旋盘32不限于通过传动件34从动于第一涡旋盘31。例如，第二涡旋盘32可以通过齿轮从动于第一涡旋盘31。第二涡旋盘32不限于从动于第一涡旋盘31。例如，第一涡旋盘31和第二涡旋盘32可以由同一驱动源驱动，该驱动源可以通过不同的传动机构驱动第一涡旋盘31和第二涡旋盘32。或者，第一涡旋盘31和第二涡旋盘32可以由不同的驱动源驱动。
应当理解，叶轮33不限于与第二涡旋盘32形成为一体。例如，叶轮33和第二涡旋盘32可以彼此独立，叶轮33可以与第二涡旋盘32抗扭连接，也就是叶轮33和第二涡旋盘32之间能够传递扭矩地连接。或者，叶轮33可以通过紧固件固定于第二涡旋盘32。
应当理解，传动件34的数量不限于为四个。例如，传动件34的数量可以为单个或多个。

Claims (10)

1.一种双模态压缩机，其特征在于，包括：
第一涡旋盘(31)，其包括第一涡旋齿(31a)，所述第一涡旋齿(31a)围绕所述第一涡旋盘(31)的转动轴线螺旋状地延伸；
第二涡旋盘(32)，其包括第二涡旋齿(32a)，所述第二涡旋齿(32a)围绕所述第二涡旋盘(32)的转动轴线螺旋状地延伸，所述第二涡旋齿(32a)与所述第一涡旋齿(31a)限定涡旋压缩工作腔(3a)，所述第二涡旋盘(32)的转动轴线与所述第一涡旋盘(31)的转动轴线平行且错开；以及
叶轮(33)，其包括多个叶片(33a)，在所述叶轮(33)的周向上相邻的所述叶片(33a)限定离心压缩流道(33d)，所述叶轮(33)与所述第二涡旋盘(32)相对固定且同轴地布置，所述离心压缩流道(33d)的入口与所述涡旋压缩工作腔(3a)的出口连通，离开所述涡旋压缩工作腔(3a)的工质能够进入所述离心压缩流道(33d)再流出所述双模态压缩机或者直接流出所述双模态压缩机。
2.根据权利要求1所述的双模态压缩机，其特征在于，还包括第一输出流道(11b)，所述第一输出流道(11b)受控地连通所述离心压缩流道(33d)的出口和所述双模态压缩机的外部。
3.根据权利要求2所述的双模态压缩机，其特征在于，所述第一输出流道(11b)位于所述叶轮(33)的径向外侧，所述第一输出流道(11b)包括彼此连通的扩压段(11c)和导流段(11d)，所述扩压段(11c)沿所述叶轮(33)的径向延伸且与所述离心压缩流道(33d)的出口连通，所述导流段(11d)围绕所述叶轮(33)的转动轴线螺旋状地延伸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的双模态压缩机，其特征在于，还包括第二输出流道，所述第二输出流道受控地连通所述涡旋压缩工作腔(3a)的出口和所述双模态压缩机的外部。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的双模态压缩机，其特征在于，还包括输入流道(11a)，所述输入流道(11a)连通所述涡旋压缩工作腔(3a)的入口和所述双模态压缩机的外部。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的双模态压缩机，其特征在于，所述第二涡旋盘(32)与所述叶轮(33)形成为一体。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的双模态压缩机，其特征在于，每个所述叶片(33a)从所述第二涡旋盘(32)的中央部至所述第二涡旋盘(32)的外周面连续地延伸，每个所述离心压缩流道(33d)被形成为从所述第二涡旋盘(32)的中央部朝向所述第二涡旋盘(32)的外周面渐扩。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的双模态压缩机，其特征在于，
还包括传动件(34)，所述传动件(34)包括彼此固定的第一轴部(34a)和第二轴部(34b)，所述第一轴部(34a)的中心轴线与所述第二轴部(34b)的中心轴线平行且错开，所述第一轴部(34a)的中心轴线与所述第二轴部(34b)的中心轴线之间的距离等于所述第一涡旋盘(31)的转动轴线与所述第二涡旋盘(32)的转动轴线之间的距离，
所述第一涡旋盘(31)开设有第一传动孔(31b)，所述第一传动孔(31b)沿所述第一涡旋盘(31)的轴向延伸，所述第一轴部(34a)伸入所述第一传动孔(31b)，
所述第二涡旋盘(32)开设有第二传动孔(32c)，所述第二传动孔(32c)沿所述第二涡旋盘(32)的轴向延伸，所述第二轴部(34b)伸入所述第二传动孔(32c)。
9.根据权利要求8所述的双模态压缩机，其特征在于，所述传动件(34)的数量为多个，多个所述第一传动孔(31b)在所述第一涡旋盘(31)的周向上均匀地布置，多个所述第二传动孔(32c)在所述第二涡旋盘(32)的周向上均匀地布置。
10.根据权利要求8所述的双模态压缩机，其特征在于，所述第一轴部(34a)与所述第一传动孔(31b)间隙配合，所述第二轴部(34b)与所述第二传动孔(32c)间隙配合。
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