CN115596686A - 悬浮离心压缩机及空调系统 - Google Patents

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    • F25B31/00—Compressor arrangements

Abstract

本发明公开了一种悬浮离心压缩机，包括主轴、固定安装在所述主轴上的叶轮装置以及套设于所述主轴的径向气体轴承和轴向气体轴承，所述主轴上下延伸设置，所述叶轮装置转动时作用在所述主轴上的轴向推力向上。因为主轴上下延伸设置，所以轴向向上推力能够起到克服主轴的重力效果，以使得主轴的重力更少的由轴向轴承承担，有效地降低了轴向轴承的工作压力，如其中轴向气体轴承，在运行状态下，则可以有效地减小轴向气体轴承的工作压力，进而可以缩小供气量，以起到降低能耗的效果，提高了整机效率，同时径向轴承无需再承受重力，所以同样可以减小工作压力，且带来振动的最小化。本发明还公开了一种包括上述悬浮离心压缩机的空调系统。

Description

悬浮离心压缩机及空调系统
技术领域
本发明涉及压缩机技术领域，更具体地说，涉及一种悬浮离心压缩机以及一种包括上述悬浮离心压缩机的空调系统。
背景技术
目前的气悬浮离心压缩机一般水平放置，气体轴承套设于主轴上，运行过程中，主轴径向上受力均需要克服气体轴承自身的重量，而此受力的来源对于气体静压轴承来说可能是外部供气或内部压缩机排气的引入，对于气体动压轴承来说为压气的气楔；轴向力由于引入了气体轴承的支撑可能会抵消，但径向力受主轴自身重力，无法抵消；当气体供气量不足时，会引发可靠性不足的问题，供气量满足时，耗损增加，降低了整机效率。
综上所述，如何有效地解决主轴上轴承压力过大的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种悬浮离心压缩机，该悬浮离心压缩机可以有效地解决主轴上轴承压力过大的问题，本发明提供一种包括上述悬浮离心压缩机的空调系统。
本发明提供如下技术方案：
一种悬浮离心压缩机，包括主轴、固定安装在所述主轴上的叶轮装置以及套设于所述主轴的径向气体轴承和轴向气体轴承，所述主轴上下延伸设置，所述叶轮装置转动时作用在所述主轴上的轴向推力向上。
在使用上述悬浮离心压缩机时，当叶轮装置开始转动，以进行压缩空气或其它气体时，此时叶轮装置的叶轮因为气压作用，会形成轴向向上的推力，又因为主轴上下延伸设置，所以轴向向上推力能够起到克服主轴的重力效果，以使得主轴的重力更少的轴向轴承承担，有效地降低了轴向轴承的工作压力，如其中轴向气体轴承，在运行状态下，则可以有效地减小轴向气体轴承的工作压力，进而可以缩小供气量，以起到降低能耗的效果，提高了整机效率，同时径向轴承无需再承受重力，所以同样可以减小工作压力，且带来振动的最小化。综上所述，该悬浮离心压缩机能够有效地解决主轴上轴承压力过大的问题。
优选地，所述叶轮装置具有多个叶轮，所述叶轮装置的各个叶轮转动时作用在所述主轴上的轴向的总推力向上。
优选地，所述叶轮装置的各个叶轮转动时作用在所述主轴上的轴向推力均向上。
优选地，所述叶轮装置的各个叶轮均为轴向进风、径向出风。
优选地，位于所述主轴两端的所述叶轮相对设置或相背离设置。
优选地，所述叶轮装置的各个叶轮均是轴向向下进风。
优选地，所述叶轮装置的各个叶轮均设置在所述主轴的一端处或分别设置在所述主轴两端。
优选地，所述主轴竖直设置。
为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种空调系统，该空调系统包括上述任一种悬浮离心压缩机，包括蒸发器和冷凝器，所述悬浮离心压缩机连通在所述蒸发器与所述冷凝器之间。由于上述的悬浮离心压缩机具有上述技术效果，具有该悬浮离心压缩机的空调系统也应具有相应的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的悬浮离心压缩机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的叶轮相背离设置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的叶轮相对设置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的叶轮同向设置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的叶轮同侧设置的结构示意图。
附图中标记如下：
主轴1、叶轮装置2、蜗壳3、定子4、径向气体轴承5、轴向气体轴承6、叶轮21。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种悬浮离心压缩机，以有效地解决主轴上轴承压力过大的问题。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，图1为本发明实施例提供的悬浮离心压缩机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的叶轮相背离设置的结构示意图；图3为本发明实施例提供的叶轮相对设置的结构示意图；图4为本发明实施例提供的叶轮同向设置的结构示意图；图5为本发明实施例提供的叶轮同侧设置的结构示意图。
在一些实施例中，如附图1所示，提供了一种悬浮离心压缩机，至少包括如下结构中的一种、多种、甚至全部：主轴1、叶轮装置2、径向气体轴承5和轴向气体轴承6，当然也可以包括一些其他结构，如定子4、蜗壳3等。如可以使压缩机包含电机部分、气动部分、机械部分。其中电机部分例如可以包括定子4、线圈、转子。其中气动部分如可以包括叶轮21、蜗壳3、主轴1和轴承，主轴1为连接叶轮21和电机转子的运动部件；轴承包括径向支撑部分和轴向支撑部分，即如上述径向气体轴承5和轴向气体轴承6，对主轴1及其连带的叶轮21与转子进行支撑；蜗壳3为一种压力容腔结构，具有进口和出口，能够收集叶轮21中产生的气体，使其流向排气口。其中机械部分为相关的连接、密封结构。需要说明的是，其中压缩机可以是上述部分结构的组合，甚至可以是全部结构的组合，具体的，可以根据需要进行设置。
其中叶轮装置2固定安装在主轴1上，其中叶轮装置2可以包括一个或多个叶轮21，以在主轴1转动时，能够带动其上的叶轮21转动。而其中主轴1转动一般可以是由定子4中线圈驱动，还可以是由其它结构驱动。其中叶轮21可以是与主轴1一体成型，也可以是可拆卸固定连接，如叶轮21套设在主轴1上，且之间键连接，并在轴上方向通过螺母锁紧，即叶轮轴向一侧可以是与主轴1的肩部相抵，另一端与主轴上螺纹连接的螺母相抵，而当拆下螺母之后，其中叶轮21可以从主轴1中拆离。当然，其中叶轮21与主轴1之间的连接关系还可以参考现有技术。
其中主轴1上套设有径向气体轴承5和轴向气体轴承6，以通过径向气体轴承5进行径向支撑，而通过其中轴向气体轴承6进行轴向支撑。其中径向气体轴承5和轴向气体轴承6可以分别根据需要选择动压气体轴承和静压气体轴承。当然在一些其它实施例中，其中主轴1上还可以设置有滚珠轴承，以可以分别作为径向轴承和轴向轴承。
其中主轴1上下延伸设置，一般为竖直设置，当然也可以是倾斜设置，如倾斜向上，具体的，可以根据需要进行设置。并使其中叶轮装置2转动时作用在主轴1上的轴向推力向上，以可以起到克服主轴1重力的效果。需要说明的是，当主轴1竖直设置时，那么叶轮装置2转动时作用在主轴1上的轴向推力向上，则是竖直向上；而若主轴1倾斜设置，那么轴向推力倾斜向上，如果倾斜向上，因为在竖直方向具有竖直向上的分力，那么也能够克服主轴1的一部分重力。为了更好的克服主轴1重力，此处优选主轴1竖直设置。
需要说明的是，其中叶轮装置2转动时，叶轮21会受到轴向推力，而这径向推力会传递至主轴1上，因此可以通过调节叶轮21设置状态，可以有效地控制叶轮21作用在主轴1上的推力方向，即控制其对主轴1上的推力沿轴向向上。需要说明的是，如果整机对底面作用力不会发生变换，那么作用叶轮21上的风压，可以反向推动整机的外壳或底座部分，以维持力平衡。
还需要说明的是，叶轮21形成的轴向推力，主要有如下两个但不限于如下两个原因：
其中一个原因是：因为内部的气体泄漏，从而使叶轮21轮盖和轮背两侧产生压力差；而压力为F＝P*S；P代表气体压强，S代表沿轴向上的作用面积或轴向投影面积；轮盖侧的压力为排气与吸气之间产生的内泄漏，即叶轮21出气口与进口之间的压力差；即如图2所示，△F＝Fa轮背-Fa轮盖；Fa轮盖＝Pa*Sa，其中“*”表示乘积，其中“＝”表示等于号；Pa为叶轮21出口与叶轮21进口间的压强；Sa为轮盖在沿轴向上的分量；Fa轮背＝Pc*Sc；Pc为叶轮21出口与电机内腔体间的压强；Sc为轮背在垂直于主轴1的截面积；Fa轮背与Fa轮盖大小受压强和截面积共同影响，大小与配合间隙带来的泄漏量、运行转速或压比及设计的截面尺寸等有关，试具体的情况而定。因此可以根据轮盖和轮背的上下位置关系，调整对应的Fa轮背或Fa轮盖，以使得综合后的作用力，为轴向向上。
其中另一个原因：根据气体动力学概念，如叶轮21的进气方向和/或出气方形为轴向。若进气方向为轴向，可以是轴向向上，也可以是轴向向下，而轴向向上进气，叶轮21可以形成向下的轴向推力，而轴向向下进气，叶轮21可以形成向上的轴向推力。而若出气方向为轴向，可以是轴向向上，也可以是轴向向下，若轴向向上出气，叶轮21可以形成向下的轴向推力，而轴向向下出气，叶轮21可以形成向下的轴向推力。为了更好的实现上述效果，如可以使叶轮21轴向向下进气，且轴向轴向下排气，可以参考直升机的螺旋桨设计原理，以实现上述效果，进而可以更好的克服上述问题。当然也可以是如附图1-5所示，叶轮装置2的各个叶轮21均为轴向进风、径向出风。
上述两个原因，均是可以通过内部结构对应的调整，以改变其轴向推力方向为向上方向，需要说明的是，可以择一或多个参数或结构进行改进，以使得综合之后，叶轮装置2的叶轮21对主轴1的轴向推力为向上。在实际设计中，可以根据目前的叶轮21的轴向作用力方向，若轴向向下，则可以基于上述原因，如改变进出气方向、改变轮盖和轮背的大小，以改变轴向作用力方向，甚至可以进一步改变轴向作用力大小。
在一些实施例中，在使用上述悬浮离心压缩机时，当叶轮装置2开始转动，以进行压缩空气时，此时叶轮装置2的叶轮21因为气压作用，会形成轴向向上的推力，又因为主轴1上下延伸设置，所以轴向向上推力能够起到克服主轴1的重力效果，以使得主轴1的重力更少的轴向轴承承担，有效地降低了轴向轴承的工作压力，如其中轴向气体轴承6，在运行状态下，则可以有效地减小轴向气体轴承6的工作压力，进而可以缩小供气量，以起到降低能耗的效果，提高了整机效率，同时径向轴承无需再承受重力，所以同样可以减小工作压力，且带来振动的最小化。综上所述，该悬浮离心压缩机能够有效地解决主轴1上轴承压力过大的问题。
在一些实施例中，如附图1-5所示，可以使其中叶轮装置2具有多个叶轮21，此时只需要叶轮装置2的各个叶轮21转动时作用在所述主轴1上的轴向的总推力向上，且优选叶轮装置2的各个叶轮21转动时作用在所述主轴1上的轴向的总推力总和接近于主轴1的重力。即，如各个叶轮21的对主轴1的作用力在竖直方向分力分别为：F1、F2……、Fn，且至少部分方向向上。那么F1+……+Fn+G＝0，其中G为重力且方向向下，n为同一主轴1上叶轮21的数量，n≥1。即使得，可以使叶轮装置2的一部分叶轮21转动时作用在所述主轴1上的轴向推力为向下，叶轮装置2的另一部分叶轮21转动时作用在所述主轴1上的轴向推力为向上，但两者总和，是形成向上的推力，且大小优选接近其重力。
需要说明的是：
对于一级压缩系统：即可以是只有一个叶轮21，当叶轮21轮背压力大于轮盖压力时，受力方向为由轮背指向轮盖，此时压力差为△F1；或者，当叶轮21轮背压力小于轮盖压力时，受力方向为由轮盖指向轮背；此时压力差为-△F1；始终要求压力差(△F1或-△F1)的受力方向要与重力G方向相反；来抵消一部分重力的影响。
对于多级压缩系统，即具有两个以上叶轮21，叶轮21可以采用对置式(即两叶轮21安装方向相反)或同向方向；或部分同向与部分对置混合的方式；至少一个叶轮21所受轴向压力方向与所受重力方向相反，使所受合力方向与重力方向相反；也可以为一个或多个叶轮21与所受重力方向相反，其余叶轮21与所受重力方向相同，其目的为使叶轮21压力与主轴1重力的合力在轴向上的分量最小化。当存在多级叶轮21时，可以使至少一组两级叶轮21中：高一级的叶轮21较低一级的叶轮21在几何尺寸上更小。优先设计在负载工况的50％±20％的范围内，考虑叶轮21推力与重力最小化或相互抵消的效果；为了在常用工况下，轴向的支撑力最小化，降低常用工况损耗。
其中高一级的叶轮21较低一级的叶轮21在几何尺寸上更小，具体的，可以据：Qm＝Qv*ρ；其中Qm为质量流量(压缩过程不变)，Qv为体积流量，ρ为气体密度；Qv＝V*S；V为气体线速度，S为流经截面面积(或出口截面)；V＝W*R；W＝2πf；W为气体角速度，R为叶轮半径；f为旋转频率。
上述表达式也可整理为一个表达式；即Qm＝2πf*R*S*ρ；
在系统内的质量流量Qm基本不变的条件下，低一级的叶轮压缩后，压缩气体的体积缩小，密度增加；对应同轴同转速下，那么f不变，也即W不变，V减小或S缩小，而V缩小也即对应叶轮半径缩小；通常高一级的叶轮的R与出口截面S同时缩小调整；否则，还是等尺寸高一级压缩时，易带来大直径与大截面下，内部流体易发生涡流损失等其他损失，效率下降和成本增加的问题。
在一些实施例中，所述叶轮装置2的各个叶轮21转动时作用在所述主轴1上的轴向推力均向上，这使得有效地扩大总推力，以更好的保证总推力大小接近主轴1的重力大小。
在一些实施例中，如附图1-3所示，叶轮装置2的各个叶轮21均为轴向进风、径向出风。此时可以使位于所述主轴1两端的所述叶轮21相对设置或相背离设置，即主轴1两端的叶轮21轴向进风方向相反。其中
相对设置是，如图3，下端的叶轮21进风方向轴向向下，上端的叶轮21进风方向轴向向上；而其中相反设置是，如图1-2，下端的叶轮21进风方向轴向向上，而下端的叶轮21进风方向轴向向下。
在一些实施例中，如附图4-5所示，可以使其中叶轮装置2的各个叶轮21均是轴向向下进风。其中叶轮装置2的各个叶轮21均设置在所述主轴1的一端处或分别设置在所述主轴1两端。如附图4所示，其中叶轮装置2的各个叶轮21分别设置在所述主轴1两端，如附图5所示，其中叶轮装置2的各个叶轮21均设置在所述主轴1的一端处。
在一些实施例中，优选其中，所述主轴1竖直设置。径向力被设置成沿水平方向；径向力的来源可以是外部供气，也可以是内部自形成的气楔。
基于上述实施例中提供的悬浮离心压缩机，本发明还提供了一种空调系统，该空调系统包括上述实施例中任意一种悬浮离心压缩机，还包括蒸发器和冷凝器所述悬浮离心压缩机连通在所述蒸发器与所述冷凝器之间。由于该空调系统采用了上述实施例中的悬浮离心压缩机，所以该空调系统的有益效果请参考上述实施例。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种悬浮离心压缩机，包括主轴、固定安装在所述主轴上的叶轮装置以及套设于所述主轴的径向气体轴承和轴向气体轴承，其特征在于，所述主轴上下延伸设置，所述叶轮装置转动时作用在所述主轴上的轴向推力向上。
2.根据权利要求1所述的悬浮离心压缩机，其特征在于，所述叶轮装置具有多个叶轮，所述叶轮装置的各个叶轮转动时作用在所述主轴上的轴向的总推力向上。
3.根据权利要求2所述的悬浮离心压缩机，其特征在于，所述叶轮装置的各个叶轮转动时作用在所述主轴上的轴向推力均向上。
4.根据权利要求3所述的悬浮离心压缩机，其特征在于，所述叶轮装置的各个叶轮均为轴向进风、径向出风。
5.根据权利要求4所述的悬浮离心压缩机，其特征在于，位于所述主轴两端的所述叶轮相对设置或相背离设置。
6.根据权利要求4所述的悬浮离心压缩机，其特征在于，所述叶轮装置的各个叶轮均是轴向向下进风。
7.根据权利要求6所述的悬浮离心压缩机，其特征在于，所述叶轮装置的各个叶轮均设置在所述主轴的一端处或分别设置在所述主轴两端。
8.根据权利要求1-7任一项所述的悬浮离心压缩机，其特征在于，所述主轴竖直设置。
9.一种空调系统，包括蒸发器和冷凝器，其特征在于，还包括如权利要求1-8任一项所述的悬浮离心压缩机，所述悬浮离心压缩机连通在所述蒸发器与所述冷凝器之间。
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