CN116480600A - 一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机，其包括电机、叶轮、进气口、排气口以及连接管。其中，电机包括壳体及转子，壳体内部的两端分别设置有第一腔室及第二腔室，转子上设置有第一刻槽，转子旋转时，将气体引入第一刻槽形成气膜，以形成刻槽气浮径向轴承。叶轮固定于转子的端部，且位于第一腔室和/或第二腔室内。第一腔室的进气口与进气口连通，出气口与连接管的一端连通，第二腔室的出气口与排气口连通，进气口则与连接管的另一端连通。通过采用刻槽气浮轴承，可以消除箔片式动压轴承DN值的限制，进而使得压缩机可用于中压及高压制冷系统。

Description

一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机

技术领域

本发明涉及热管理技术领域，特别涉及一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机。

背景技术

热管理，是指对总系统、分立部件或其环境的温度进行管理和控制，其目的是维护各部件的正常运行或提高其性能或寿命。当前，在诸如电化学储能等领域中通常都需要进行热管理，热管理对储能系统的性能、寿命、安全性都有显著影响。由于液冷的热管理系统的换热能力较强，电芯温差可以做到3℃以内，因此，相对于风冷系统其可以显著提升储能系统的寿命。鉴于此，目前在储能领域多采用液冷系统。

储能液冷系统所需的制冷量通常在100kW及以下，这种小冷量的制冷循环多采用涡旋压缩机。为了提高压缩机与系统的可靠性，可在涡旋压缩机中采用气浮轴承。常见的气浮轴承为箔片式轴承，受限于工艺，其径向直径通常在20mm以上，而DN值通常在400以下，DN值等于直径(单位mm)*转速(单位krpm)，即箔片式轴承最高转速只能做到200krpm左右，限制了其应用范围。对于千瓦级制冷量中压制冷系统，或者30kW制冷量以下的高压制冷剂(R410a、CO2等)制冷系统，箔片式轴承无法满足要求。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机，包括：

电机，其包括：

壳体，其内部两端分别设置有第一腔室及第二腔室；

转子，其上设置有第一刻槽，所述转子旋转时，将气体引入所述第一刻槽形成气膜，以形成刻槽气浮径向轴承；以及

定子；

叶轮，布置于所述转子的端部，且位于所述第一腔室和/或第二腔室内；

进气口，其与所述第一腔室的进气口连通；

排气口，其与所述第二腔室的出气口连通；

连接管，其两端分别与所述第一腔室的出气口以及第二腔室的进气口连通。

进一步地，所述电机为高速永磁同步电机。

进一步地，所述气浮离心压缩机还包括：

推力盘，其设置于所述转子的端部，且所述推力盘上设置有第二刻槽，所述转子旋转时，将气体引入所述第二刻槽形成气膜，以形成刻槽气浮推力轴承。

进一步地，所述第一腔室或第二腔室内包括多级叶轮。

进一步地，所述第一腔室内的叶轮与第二腔室内的叶轮采用背靠背设计。

进一步地，所述叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子的端部。

进一步地，所述叶轮为闭式叶轮。

进一步地，所述叶轮为开式叶轮。

进一步地，所述叶轮的轮盖侧设置有密封结构。

进一步地，所述第一腔室及第二腔室的出气口处还设置有端盖。

进一步地，所述气浮离心压缩机还包括级间补气口，所述级间补气口设置于所述连接管上。

本发明提供的一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机，在转轴和/或推力盘上刻槽，以形成气浮轴承，使得不需要使用润滑油，可以省去回油管路，进而提升压缩机与系统的可靠性。同时，由于气浮轴承工作时转轴不与轴承接触，而是靠气膜悬浮电机转子，因此还可以将轴承寿命提高至少1倍。此外，在相同冷量下，基于高速永磁同步电机的离心压缩机的尺寸与重量会比涡旋压缩机小50％左右，质量可以减小90％左右，这就使得在当其应用于储能系统时，同样尺寸的集装箱内可以布置更多的电池，进而有助于提升储能系统能量密度，且随着储能系统制冷功率需求的增加，高速离心压缩机这方面的优势会更加显著。此外，由于是在转轴上刻槽，因此，所述气浮轴承不存在DN值的限制，相较于箔片式气浮离心压缩机而言，其转速可以更高，压缩机尺寸更小，应用领域更广。具体而言，刻槽所形成的气浮轴承的转速可达500krpm以上，因此可用于10kW制冷量以下的中压制冷系统以及30kW制冷量以下的高压(R410a、CO2等)制冷系统。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机的构型示意图；

图2示出本发明一个实施例的推力盘的结构示意图；

图3a-3d分别示出本发明实施例的具刻槽轴承的气浮离心压缩机中不同转子系统的构型示意图；

图4示出本发明一个实施例的一种小冷量的高压冷媒气浮离心压缩机的结构示意图；以及

图5示出本发明一个实施例的一种小冷量的高压冷媒气浮离心压缩机的剖面示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

在本发明的实施例中，术语“主气路”是指气体沿进气口进入压缩机压缩后，再经由排气口排出这一气体流路。术语“高压侧”是指压缩机内部气压较高的一侧，即末级叶轮所在的一侧，术语“低压侧”则是指压缩机内部相对于高压侧的一侧。在正常情况下，气体从高压侧经气浮轴承流向低压侧后回到主气路中。

为了避免DN值的限制，提高轴承转速，进而满足中压及高压制冷系统的要求，本发明在现有的气浮离心压缩机基础上，将箔片式轴承替换为刻槽式轴承。由于刻槽式轴承是直接在转轴上刻槽，因此没有DN值的限制，这就使得对于箔片式气浮离心压缩机应用领域，刻槽式轴承仍然适用，且其转速可以更高，压缩机尺寸更小。经测试，刻槽轴承的转速可达500krpm以上，因此可用于10kW制冷量以下的中压制冷系统以及30kW制冷量以下的高压(R410a、CO2等)制冷系统。下面结合实施例附图对本发明的方案做进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机的构型示意图。如图所示，在本发明的实施例中，所述气浮离心压缩机包括电机及叶轮200。其中所述电机的转子上设置有第一刻槽111，当电机转轴旋转时，将气体引入所述第一刻槽形成气膜支撑转子高速旋转，实现气浮径向轴承的效果。

为了承受在压缩机工作过程中产生的轴向推力，在本发明的一个实施例中，如图1所示，在所述转子的一端还设置有推力盘112。图2示出本发明一个实施例的推力盘的结构示意图。如图2所示，所述推力盘的表面设置有第二刻槽113，当电机转轴旋转时，将气体引入所述第二刻槽形成气膜，使得推力转轴与轴承无接触，轴承几乎无磨损，且能大幅地降低甚至消除机械损失及噪声，实现气浮推力轴承的效果。如图所示，所述叶轮200设置于所述转子101的端部处，用于压缩来自蒸发器的低温低压制冷剂气体，以形成高温高压的制冷剂气体排入冷凝器。在此，术语“径向”和“轴向”是指转子或其旋转轴的径向和轴向。

图3a-3d分别示出本发明实施例的具刻槽轴承的气浮离心压缩机中不同转子系统的构型示意图。如图所示，在本发明的实施例中，所述转子的两端分别设置有一组第一刻槽，相当于在所述转子的两端设置有两个气浮径向轴承，所述两组第一刻槽之间存在一定间距，且可对称地分布于所述转子上。

如图3a-3d所示，所述推力盘112可以设置于所述转子的任意一端，也可以在转子的两端分别设置一个推力盘112。当仅设置一个推力盘时，可在所述推力盘112的两侧表面分别设置一组第二刻槽113，相当于在所述推力盘的两侧分别设置一个气浮推力轴承。如图所示，电机转轴旋转时，两组第二刻槽处形成气膜，可分别承受相反方向的轴向推力。当设置有两个推力盘时，可在所述两个推力盘112相对的两侧，或者相远离的两侧分别设置一组第二刻槽113，当电机转轴旋转时，两组第二刻槽处形成气膜，可分别承受相反方向的轴向推力。

应当理解的是，在本发明的不同实施例中，可根据实际需求，设置单级、双级或多级叶轮。仅设置单级叶轮时，所述叶轮可设置于所述转子的任意一端，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。当设置有两级叶轮时，所述两个叶轮可以分别设置于所述转子的两端，也可以全部设置于所述转子的任意一端，当分别设置于所述转子的两端时，可将设置有前一级叶轮的一侧记为低压侧，而设置有后一级叶轮的一侧记为高压侧，当全部设置于所述转子的一端时，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。类似地，当设置有多级叶轮时，所述多个叶轮可以等分或不等分地分别设置于所述转子的两端，也可以全部设置于所述转子的任意一端，当分别设置于所述转子的两端时，可将设置有前一级叶轮的一侧记为低压侧，而设置有后一级叶轮的一侧记为高压侧，当全部设置于所述转子的一端时，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。基于此，当转子转动时，主气路中经所述叶轮压缩过的高压气体的一部分会在压力作用下，进入高压侧的径向轴承，然后经过电机定子与转子之间的气隙进入低压侧的径向轴承，并回到主气路中。当设置有表面刻槽的推力盘时，所述高压气体还会经过所述第二刻槽形成气膜，承受轴向推力。为了有效降低所述推力盘所受到的轴向推力，在本发明的一个实施例中，所述低压侧的叶轮与高压侧的叶轮采用背靠背的方式设置，进而使得高压侧与低压侧的叶轮的轴向推力方向相反，以互相抵消。在本发明的实施例中，所述叶轮可为开式叶轮或闭式叶轮。其中闭式叶轮可以消除叶尖间隙引起的叶片压力面到吸力面的二次流动，有效提升压缩机气动效率，而开式叶轮则可以承受更高转速，尺寸更小。因此，在实际应用中，可根据需求选择开式或闭式叶轮。在本发明的一个实施例中，所述叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子上。

图4及图5分别示出本发明一个实施例的一种小冷量的高压冷媒气浮离心压缩机的结构示意图及剖面示意图。如图所示，一种小冷量的高压冷媒气浮离心压缩机，包括电机100、叶轮、进气口301、排气口302以及连接管303。

所述电机100包括转子101、定子102以及壳体103。所述定子102固定于所述壳体103内部，所述转子101的中心轴与所述定子102的中心轴重合。所述转子101的两端设置有两组第一刻槽111，同时在靠近所述进气口301的一侧设置有推力盘112，且所述推力盘的两侧表面分别设置有一组第二刻槽113，以分别承受指向低压侧或高压侧的轴向推力。

如图所示，所述壳体103的内部的两端分别设置有第一腔室及第二腔室。其中，所述第一腔室的进气口与所述压缩机的进气口301连通，也可理解为，所述进气口301即为所述第一腔室的进气口，所述第一腔室内设置有第一叶轮201，所述第一叶轮201固定于所述转子101的第一端。所述第一腔室与第二腔室之间设置有连接管303，经所述第一叶轮201压缩后的气体从所述第一腔室的出气口流出进入所述连接管303后，经所述第二腔室的进气口进入第二腔室内。所述第二腔室内设置有第二叶轮202，所述第二叶轮202固定于所述转子101的第二端，经所述第二叶轮202压缩后的气体大部分从所述第二腔室的出气口流出，所述第二腔室的出气口与所述压缩机的排气口302连通，也可理解为，所述排气口302即为所述第二腔室的出气口。如图所示，在本发明的实施例中，所述第一腔室及第二腔室的出气口处还分别设置有第一端盖135及第二端盖136，所述第一端盖135及第二端盖136与所述转子101之间存在间隙，同时，所述第一端盖135与所述第一叶轮201之间存在一定间隙，流经第一及第二刻槽处的气体可经由这一间隙回到主气路中，所述第二端盖136与所述第二叶轮202之间同样存在一定间隙，经第二叶轮202压缩后的气体中的一部分在压力作用下可经由这一间隙进入到第一及第二刻槽处，形成气膜，达到气浮效果。在本发明的一个实施例中，如前所述，所述第一叶轮201及第二叶轮202采用背靠背的设计方式，使得第一、第二叶轮的轴向推力方向相反，互相抵消，进而有效降低推力盘所受到的轴向推力。在本发明的一个实施例中，所述第一叶轮201及第二叶轮202分别通过第一锁紧螺母211及第二锁紧螺母221固定于所述转子101上。

如图所示，所述电机的两端的外侧还分别设置有第一压壳131及第二压壳132，所述第一压壳131与所述第一叶轮201之间设置有第一密封圈133，以及所述第二压壳132与所述第二叶轮202之间设置有第二密封圈134，所述第一、第二密封圈可显著降低第一、第二叶轮出口到进口的回流效应，可进一步提升压缩机效率。

为了降低所述第二叶轮202的压缩功耗，在本发明的一个实施例中，在所述连接管303上还设置有级间补气孔331，以接入来自经济器的排气，对所述第一叶轮压缩后的气体进行冷却，进而达到降低高压叶轮的压缩功耗、提升系统的效率的目的。

在本发明的一个实施例中，所述电机100采用高速永磁同步电机，其轴承工作时为非接触式轴承，因此可以承受比通常的球轴承更高的转速，根据压缩机欧拉公式Δh＝U₂Cu₂-U₁Cu₁可知，同样做功能力的压缩机，转速越大，径向尺寸越小，因此采用永磁同步电机能够提升压缩机的功率密度。

如前所述的气浮离心压缩机其工作原理在于：经所述第二叶轮压缩后的气体经由所述第二叶轮与第二端盖之间空隙、所述第二端盖与转子之间的间隙进入高压侧，并在高压侧的第一刻槽处形成气膜，达到气浮效果，然后经过所述定子与转子之间的气隙到达低压侧的第一刻槽处形成气膜，随后通过推力盘与电机壳体之间的间隙以及推力盘与第一端盖之间的间隙，进而分别在推力盘两侧的第二刻槽处形成气膜，达到气浮效果，最后依次经过第一端盖与转子之间的间隙、第一叶轮与第一端盖之间的间隙进入第一腔室，即第一叶轮的排气口，回到主气路中实现内循环。相对于静压气浮轴承，所述气浮离心压缩机可以省略外接的补气通道，简化系统结构，提高可靠性。而刻槽式动压气浮轴承消除了箔片式动压轴承DN值的限制，转速可达500krpm，可用于10kW制冷量以下的中压制冷系统及30kW制冷量以下的高压制冷系统。其转速更高，对于箔片式轴承的应用领域，压缩机体积可以减小20％-30％。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种具刻槽轴承的气浮离心压缩机，其特征在于，包括：

电机，其包括：

壳体，其在端部处分别设置有第一腔室及第二腔室；以及

转子，其上设置有第一刻槽，其中所述转子在旋转时将气体引入所述第一刻槽以形成气膜，以便形成刻槽气浮径向轴承；

叶轮，布置于所述转子的端部，且位于所述第一腔室和/或第二腔室内；

进气口，其与所述第一腔室的进气口连通；

排气口，其与所述第二腔室的出气口连通；以及

连接管，其两端分别与所述第一腔室的出气口以及第二腔室的进气口连通。

2.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，所述电机为高速永磁同步电机。

3.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，还包括：

推力盘，其设置于所述转子的端部，且所述推力盘上设置有第二刻槽，所述转子旋转时，将气体引入所述第二刻槽形成气膜，以形成刻槽气浮推力轴承。

4.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，所述第一腔室内的叶轮与第二腔室内的叶轮采用背靠背设计。

5.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，所述第一腔室或第二腔室内包括多级叶轮。

6.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，所述叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子的端部。

7.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，所述叶轮为闭式叶轮或开式叶轮。

8.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，所述叶轮的轮盖侧设置有密封结构。

9.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，所述第一腔室及第二腔室的出气口处还设置有端盖。

10.如权利要求1所述的气浮离心压缩机，其特征在于，所述气浮离心压缩机还包括级间补气口，所述级间补气口设置于所述连接管上。