CN1236064A - 推力经平衡的螺旋式压缩机 - Google Patents

Abstract

一种螺旋式压缩机的轴部承受轴向负荷以抵消螺旋转子的推力负荷,该负荷系由于流体被压缩以及趋向于使螺旋转子从排出口向吸入口运动而在螺旋转子上施加的作用力。这样就可允许取消推力轴承。较理想,转子的轮叶的排出端被削斜或倒角以便在工作过程中产生一个流体动力油膜。

Description

推力经平衡的螺旋式压缩机

在双转子螺旋式压缩机中，在工作时其压力梯度正常是这样处于一个方向上，即流体压力趋向于将转子推向吸入侧。转子通常安装在各端轴承上以提供径向和轴向的约束。在排出侧的转子的端面间隙对于密封是至关重要的，而流体压力趋向于推开该间隙。另外，轴向推力趋向于驱动转子的吸入端将它推向壳体，如果这使转子和壳体间产生接触则会损坏转子。轴承特别是推力轴承就需要大大地提高成本，使制造和装配复杂化并且增加保养要求。

本发明提供一种可产生平衡吸入侧和排出侧的螺旋转子推力的平衡力的推力支承装置。该推力支承装置包括：具有一个在其外径上加工出的单级或多级的迷宫式密封的一个平衡盘(或活塞)。该活塞安装在转子进口轴端上并由自锁螺母固定。压缩机进口壳体设计和加工成可提供一单级或多级的活塞气缸。螺栓紧固并由一O形圈或类似件密封的板覆盖该气缸，以形成一个仅具有通过该迷宫式密封的气流泄漏通路的封闭室。该盖板具有一个螺孔或者通过凸缘连接于一管子，该管子通过螺纹或凸缘连接于壳体排出侧。壳体排出端壁钻有一个通孔将该管子连接于转子排出区域以使高压气体流向活塞高压侧。在压缩机进口壳体钻有一个或一个以上的孔以将转子进口区域连接于活塞低压侧。按这样的方式可形成一个完全的流动再循环通路并且通过设计成适应迷宫式密封泄漏和压降来控制流速。或者可以通过一系列壳体内的内部钻孔形成该通路，这些钻孔交叉并具有合适的堵塞以防止泄漏。通过使活塞高压区域面积具有正确的尺寸，转子排出侧的推力可被来自活塞高压侧的作用力平衡。通过使活塞低压区域面积具有正确的尺寸，转子进口侧的推力可被来自活塞低压侧的作用力平衡。对于任何给定的进气和排气压力水平，压缩机的的合成推力都可被完全平衡和控制。

该推力支承装置还可用作使转子推力反向以所需要大小的作用力朝着转子排出侧。这个作用力使转子轴向地移抵壳体排出端壁上。对于应用润滑油浸浴的情况，转子排出端表面可在各转子末端设置锥形台阶几何结构。该锥形的台阶推力区域可在转子旋转过程中产生将相邻表面分开的液动润滑油膜。在无润滑油应用情况时，在转子排出端表面上涂有可磨掉的涂层以便产生两个相一致的表面。在两种情况下，机器在转子排出表面和壳体端壁之间可有一个很小的转动间隙。这个不透漏的间隙可减少泄漏因而提高效率。

对一个给定的螺旋式压缩机，这种推力支承装置可用于凸形转子或凹形转子或者两种转子。

本发明的一个目的是平衡螺旋式压缩机的推力负荷。

本发明的另一个目的是取消在螺旋式压缩机中使用推力轴承。

本发明的又一个目的是减小与推力轴承有关的机械损失由此提高压缩机的效率。

本发明的再一个目的是提供一种结构较紧凑的螺旋式压缩机的设计。

本发明的有关附加目的是允许将螺旋转子置靠在排出端壁上以提供转子端表面和壳体端表面之间的零转动间隙。这些目的以及下文可清楚看到的其它方面是由本发明实现的。

由于作用力是通过流体被压缩而趋向于将螺旋转子从排出侧向吸入侧运动，螺旋转子的轴部轴向地承受载荷以偏移螺旋转子的推力负荷。

图1A-F示出展开的螺旋转子以及按顺序地图示在进口关闭和排出之间的封闭容积的运动情况；

图2是采用本发明的一螺旋式压缩机的部分剖视图；

图3是图2的螺旋式压缩机的吸入端部分的放大视图；

图4是图2的螺旋式压缩机的排出端部分的放大视图；以及

图5是图4的转子的排出端视图。

在图1A-F中，标号20代表展开的凸形转子而标号21代表螺旋式压缩机10的展开的凹形转子。轴向吸入口14设置在端壁15上而轴向排出口设置16在端壁17上。图1A-F中的涂点部分代表从图1A中吸入口14关闭开始和进行到图1F中刚好在连通轴向排出口16之前处的制冷剂封闭容积。除了图1A其中封闭容积基本处于吸气压力外，封闭容积仅将轴向的或者推力负荷施加在端壁17上。当该封闭容积从图1A位置向图1F位置前进时，该封闭容积随着作用在端壁17上的轴向力或推力负荷相应增大而减小。该推力负荷趋向于使转子20和21与端壁17分开，并且如图1A-F清楚看到那样，分开将提供所有封闭容积和排出口16间的泄漏通路。如上所述，该推力负荷正常是与推力轴承相适应的。被共同转让的第5,722,163号美国专利指出使用推力轴承时与限制泄漏有关的一些困难。

在图2中的结构标号与图1中相应结构相同。然而，为了允许一个视图描述流体通路，就必需仅仅图示出凸形转子20并改变某些结构的形状以使流体连接通路完整。

在图1-5中标号10总的表示螺旋式压缩机，具体说是具有一凸形转子20和一凹形转子21的一个双转子螺旋式压缩机。然而，本发明可用于具有多于两个转子的螺旋式压缩机。转子20有一轴部20-1、一直径减小的中间部分20-4以及直径减小的外部20-6。在轴部20-1和转子20之间形成第一肩部20-2。在轴部20-1和20-4之间形成第二肩部20-3，以及在轴部20-4和20-6之间形成第三肩部20-5。滚柱轴承34的内圈34-1支承轴部20-4。

类似地，转子21有一轴部21-1、直径减小的中间部分21-4和直径减小的外部21-6。在轴部21-1和转子之间形成第一肩部21-2。在轴部21-1和21-4之间形成第二肩部21-3以及在轴部21-4和21-6之间形成第三肩部21-5。滚柱轴承35的内圈35-1支承轴部21-4。

最清楚如图4所示，转子20和21以及排出侧轴部20-8和21-8支承地容置在转子壳体内腔中，而轴部20-8和21-8分别支承在滚柱轴承32和33上。最清楚如图3所示，轴部20-1和21-1支承地容置在进气壳体13内而分别由滚柱轴承34和35支承。转子20和21之一是驱动转子，连接于一电动机或类似的动力。

在工作时，作为一个制冷压缩机，假定凸形转子20为驱动转子，转子20旋转以与转子21啮合从而使它旋转。旋转转子20和21的共同作用通过吸气进口14将制冷剂吸入转子20和21的槽中，槽封闭和压缩气体容积并将热的压缩气体供向排出口16。

迄今所述的该结构及其工作通常是传统常用的。现首先参照图2和3，进口壳体13具有分别容置滚柱轴承34和35的第一孔13-1和13-1a、分别通过肩部13-2和13-2a与第一孔13-1和13-1a分开的中间孔13-3和13-3a以及分别通过肩部13-4和13-4a与中间孔13-3和13-3a分开的外孔13-5和13-5a。本发明增设平衡盘或活塞50和/或51，它们分别定位在轴部20-6和21-6上，并通过将锁定螺母60和61分别旋紧到轴部20-6和1-6的螺纹部分20-7和21-7上以分别与肩部20-5和21-5密封结合的方式予以固定。平衡盘或活塞50有形成容纳在孔13-3内的迷宫式密封的第一直径部分50-1和形成容纳在孔13-5内的第二迷宫式密封的第二大直径部分50-2。平衡盘或活塞50与孔13-3和轴部20-4配合以形成通过低压通路14-1与吸入口14流体连通的一个环形室。

类似地，平衡盘或活塞51有形成容纳在孔13-3a内的迷宫式密封的一第一直径部分51-1和形成容纳在孔13-5a内的第二迷宫式密封的一第二大直径部分51-2。平衡盘或活塞51与孔13-3a和轴部21-4配合以形成一环形室71，它类似室70或者直接地或者通过分支通路(未图示)与吸入口14流体连通。

盖板72密封地紧固在进口壳体13上，与孔13-5和13-5a以及平衡盘或者活塞50和51配合以分别形成可直接流体连通的室80和81。室70和80通过迷宫式密封50-1和50-2使二室流体分开，这样它们间的连通仅仅是通过泄漏流经迷宫式密封51-1和51-2。同样，室71和81通过迷宫式密封50-1和50-2流体分开，这样，它们间的连通仅仅是通过泄漏流经迷宫式密封51-1和51-2。高压通路16-1将排出口16与流道74流体连通。流道74流体连通高压通路16-1，由此排出口16连同室80维持在名义排出压力上。同样，流道74和分支通路74-1流体连通高压通路16-1，由此排出口16连同室81维持在名义排出压力上。另外如果在室80和81之间存在直接的流体连通，则可去掉分支通路74-1。

如图2和4所示，排出压力作用在转子20和21的右端上而趋向于使转子20和21向左运动因而使转子20和21与端壁17分开。作用在分别固定于转子20和21的轴上的平衡盘或活塞50和51的左侧上的排出压力趋向于使转子20和21向右运动，如图2和3所示。如果暴露于室80和81的的平衡盘或活塞50和51的面积具有合适的尺寸，则由排出压力所产生的推力取消，从而无需推力轴承。吸气压力将分别作用在转子20和21的左端，即肩部20-2和21-2上，并趋向于使转子20和21向右运动而离开端壁15。由于排出压力泄漏通过迷宫式密封50-1和50-2进入室70，通过迷宫式密封51-1和51-2进入室71，在室70和71内的吸气压力将趋于升高，而在室70和71内的压力将分别作用在平衡盘或活塞50和51的右侧上，而趋向于使转子20和21以与分别作用在肩部20-2和21-2上的压力相反的方向向左运动。

使被室70和80以及71和81中的流体压力作用的平衡盘或者活塞50和51以及被流体压力作用的转子20和21的末端的面积具有合适的尺寸，这至少可将推力减小到无需推力轴承的程度。

从前面的说明应清楚看到，要求流体压力作用在一定区域上，而如果不合适地控制的话就可能产生泄漏问题。一个这样的区域是转子20和21的排出端。参照图1A至1F清楚地显示在相邻的封闭容积之间存在压力梯度，它们在压缩过程中是处在不同的级上。为了有利于排出流体压力作用在转子20和21的排出端上，转子20和21的轮叶在其排出端上削斜或者倒角。具体参照图4和5，转子20和21的轮叶被被削斜角度α，以使表面20-a和21-a相对于端壁117最深的深度是处于转子的旋转方向上。除了允许排出流体压力作用在表面20-a和21-a上，形成表面20-a和21-a的斜角在转子旋转过程中产生趋向于使密封表面20-a和21-a相对于端壁17的面对表面分开的流体动力油膜。该角度α小于1度，而较理想是在20至30分之间。

虽然已具体图示说明了本发明的一个较佳实施例，但熟悉本技术的人可以想到其它的变化。例如，本发明可以应用在一三转子的螺旋式压缩机上。另外，推力平衡可仅用在凸形转子上、仅用在凹形转子上和使用在所有的转子上。因此本申请旨在仅由所附权利要求的范围来限定本发明。

Claims (9)

1．一种螺旋式压缩机(10)，它包括：一转子壳体，一固定在所述转子壳体上的进口壳体(13)，一对运转连接的转子，它们具有第一和第二端并设置在所述转子壳体内，各转子具有伸入所述进口壳体内的轴部(20-1,21-1)，支承所述转子的轴承装置(32,33,34,35)，用于将在进气压力时的气体供向所述转子的装置(14)以及用于供给来自所述转子的排气压力时的压缩气体的装置(16)，排气压力时的气体作用在各所述转子的第一端上从而趋向于使各所述转子在第一方向上运动，用于提供至少作用于所述转子之一的作用力趋向于使所述转子在与所述第一方向相反的第二方向上运动，其特征在于，所述的推力平衡结构包括：

设置在所述一转子的各轴部上以与它们一体的流体压力响应装置(50,51)；

构成第一密封室(80,81)的一部分的所述流体压力响应装置具有暴露于所述第一密封室的第一表面以使作用在所述第一表面上的流体压力趋向于使所述的一转子在所述第二方向上运动；以及

用于将排气压力时的气体供向所述第一密封室的装置(74,74-1)。

2．如权利要求1所述的螺旋式压缩机，其特征在于：

所述流体压力响应装置具有一与所述第一表面间隔的第二表面，以使作用在所述第一表面上的流体压力与作用在所述第二表面上的流体压力反方向；

所述第二表面构成一第二密封室(70,71)的一部分；以及

用于将在吸气压力时的气体供向所述第二密封室的装置(14-1)。

3．如权利要求2所述的螺旋式压缩机，其特征在于：在所述第一和第二密封室之间设置有迷宫式密封装置(50-1,50-2,51-1,51-2)。

4．如权利要求1所述的螺旋式压缩机，其特征在于：所述一转子的第一端(20-a,21-a)被削斜。

5．如权利要求4所述的螺旋式压缩机，其特征在于：所述被削斜的第一端的角度小于1度。

6．如权利要求1所述的螺旋式压缩机，其特征在于它还包括：用于在所述第二方向上提供一作用在第二转子上的作用力的推力平衡结构，用于所述第二转子的推力平衡结构包括：

设置在所述第二转子的各轴部上与它们一体的第二流体压力响应装置；

构成一第二密封室的一部分的所述第二流体压力响应装置具有一暴露于所述第二密封室的第一表面，以使作用在所述第二流体压力响应装置的所述第一表面上可使流体压力趋向于使所述第二转子在所述第二方向上运动；以及

用于将在排气压力时的气体供向所述第二密封室的装置。

7．如权利要求6所述的螺旋式压缩机，其特征在于：

所述第二流体压力响应装置具有与所述第二流体压力响应装置的所述第一表面间隔的第二表面，以使作用在所述第二流体压力响应装置的所述第一表面上的流体压力与作用在所述第二流体压力响应装置的所述第二表面上的流体压力反方向；

所述第二流体压力响应装置的所述第二表面构成一第二密封室的一部分；以及

用于将在吸气压力时的气体供向所述第二密封室的装置。

8．如权利要求6所述的螺旋式压缩机，其特征在于，所述的第二转子的第一端被削斜。

9．如权利要求8所述的螺旋式压缩机，其特征在于，所述的第二转子的被削斜的第一端的倾斜角度为小于1度。

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