CN1329699A - 叶轮与轴的联接部 - Google Patents

Abstract

一种具有一压缩机(12)的制冷装置,该压缩机包括一制冷剂气体入口(11)、一驱动轴(28)和至少一个压缩级。至少一个压缩级包括至少一个叶轮(37、41),叶轮具有一毂部,该毂部(36、42)具有一径向凸角孔。驱动轴具有一与叶轮毂部的径向凸角孔相配合的第一径向凸角部分。驱动轴的凸角部分被接纳在所述孔中,从而限定一个用于将扭矩从驱动轴传递至叶轮的联接部。联接部可以具有三个凸角。

Description

叶轮与轴的联接部

发明背景

本发明涉及制冷压缩机的齿轮驱动轴。具体地说，本发明涉及直接驱动的或齿轮驱动的离心压缩机中的齿轮驱动轴与一个或多个叶轮之间的联接。

在本发明之前，制冷压缩机的齿轮驱动轴已经具有大致为圆形的端部，并且在一处或多处有花键或连接键以便连接压缩机的一个或多个叶轮。

不同尺寸的齿轮驱动轴联接部有益于使制冷压缩机的性能最优化。但是已有技术中所采用的花键轴部分不容易在同一根轴上用机加工加工成不同的尺寸。

此外，花键或键连接的轴易于受到非常集中的应力，这是因为多平面的并且交错加工的花键和连接键会导致内在的应力升高部(stress riser)。例如，在一轴上有一个向较大直径部分以阶梯过渡的小直径部分，在该小直径部分上有一个花键。为了将轮毂的缺口(runout)安装于每个花键的凹槽，小直径部分必须延伸得超过花键，导致轴变得薄弱，或者轮毂的缺口必须伸入轴的大直径部分。后一种安装方法更难，并且可能使大直径轴部变得薄弱。

有益的是，对最佳的制冷剂气体流和压缩机的总的性能而言，最靠近制冷剂气体入口的齿轮轴一叶轮联接部具有尽可能小的横截面积。就该特征而言，为了提高系统的固有频率进而使压缩机更加稳定和平衡，重要的是，用于压缩机中的其它叶轮的齿轮轴一叶轮联接部具有逐渐增大的横截面积。类似地，随着压缩机的尺寸增大，齿轮轴的尺寸也增大，因而使轴-叶轮联接部的横截面积也增大。

用于加工“驱动构件”特别是驱动轴的德国标准DIN32711揭示了一种非圆形的、径向凸角的驱动轴部分，该驱动轴部分装配在一个与被驱动(从动)构件的形状相配的孔内，从而将一从动构件和轴联接起来。然而，不能认为制冷压缩机，特别是在一根阶梯轴上具有两个或多个这样的联接部的双级或多级压缩机，可以采用这样的凸角驱动轴。

发明概要

本发明的目的在于，提供一种能使转动更加稳定和平衡的轴一叶轮联接部，从而提高制冷压缩机的效率并改善其工作状况。

本发明的一个目的、特征和优点是，提供一种可以在一个较小的组件内携带较高扭矩的轴。

本发明的一个目的、特征和优点是，减小一支承着至少两个叶轮的阶梯轴的轴向长度。

本发明的一个目的、特征和优点是，提供一个不易像花键或键联接的轴那样产生应力和微振磨损的叶轮轴。

本发明的一个目的、特征和优点是，无论施加什么扭矩，总是能使叶轮在轴上对中。

本发明的另一个目的是，提供一种轴-叶轮联接部，与借助花键或连接键进行联接的情况(这时轴与叶轮毂部之间存在间隙)相比，该联接部可以提供更为均匀的配合。

为了至少部分地实现至少一个上述的目的，按照本发明的目的广义地作了描述。本发明的制冷机包括一压缩机，该压缩机包括一制冷剂气体入口、一驱动轴和至少一个压缩级。在一个实施例中，压缩机具有至少两个压缩级。压缩机内的叶轮包括一毂部和一在毂部内的径向凸角孔。驱动轴具有一第一径向凸角部分，该径向凸角部分与所述径向凸角孔相配合，并被接纳在所述孔中，从而限定一个用于将扭矩从驱动轴传递至叶轮的第一联接部。在一个实施例中，驱动轴的径向凸角部分具有三个凸角。

本发明的一个优点是，当(小)齿轮轴携带有两个或多个压缩级的两个或多个叶轮时，允许对轴进行可靠的加工而在该轴上形成两个或多个具有不同尺寸的凸角部分。

具有一凸角型轴一叶轮联接部的另一个优点是，可以实际上消除限定在花键的凹槽之间的连接齿的“微振磨损”或侵蚀和碎屑。一凸角型轴一叶轮联接部还能消除花键的缺口，还可以消除与多平面花键和连接键有关的所有应力升高部。

有利的是，采用一种三凸角型轴一叶轮联接部，而不是二个、四个或更多个凸角联接部，以便获得最佳的机械性能。与传统的四凸角或花键式或连接键式的齿轮轴相比，三凸角齿轮轴一叶轮联接部可大大降低叶轮在工作过程中从轴上滑落的可能性。

该齿轮驱动轴由于径向凸角部分的缘故而能携带更大的扭矩，从而可以从压缩级获得更高的能量而不必将驱动轴的尺寸增大到像花键或键连接轴所需的那样大。由于径向凸角联接部所导致的升高的同心度可使轴-叶轮组件的稳定性和平衡性升高，从而能提高压缩机的总的机械性能。

本发明的其它目的和优点将在以下的说明书中加以阐述，并且可以通过说明书或通过本发明的实践而变得明显。本发明的目的和优点可以通过特别是由所附权利要求所指出的构件和组合来实现。

应该理解，前面总的描述和所附的详细说明仅仅是示范性的和说明性的，并不对本发明造成限制。

附图构成了本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的若干个实施例，并与说明书一起解释了本发明的原理。

附图简要说明

图1是一方框示意图，示出了制冷机的主要构件以及流过制冷机的制冷剂的流动情况。

图2是一局部剖视的侧视图，示出了根据本发明的一个代表性实施例的制冷压缩机的内部特征。

图3是图1中的某个部分的放大视图，示出了齿轮驱动轴和两个叶轮。

图4是沿图3中的线4—4剖取的凸角联接部的剖视图。

图5是沿图3中的线5—5剖取的凸角联接部的剖视图。

图6是齿轮驱动轴的立体图，示出了不同的凸角直径。

发明的详细描述

下面将结合附图对本发明的较佳实施例作详细描述。附图中相同的标号表示相同或类似的部件。

虽然以下将结合一个或多个实施例来描述本发明，但应该理解，本发明并不局限于这些实施例。相反，本发明可以包括能涵盖在本发明的精神和范围内的所有变化、改型和等同物。

图1示意性地示出了一机械制冷系统10，它包括一压缩机12、一冷凝器14、一膨胀阀16和一蒸发器18。这些构件通过制冷剂管道11、13、15和17连接而形成一个制冷剂回路。制冷剂气体从管道11进入压缩机12，在压缩机12中受到压缩，从而使其温度升高。来自于压缩机12的被压缩气体通过管道13进入冷凝器14。在冷凝器14中，热的被压缩气体冷凝成为液体形式并与一散热介质(例如周围空气、地下水或其它制冷介质)相接触，以从冷凝的制冷剂中除去热量。冷凝后的制冷剂流过管道15，并流过膨胀阀16。膨胀阀16可允许有限数量的液体制冷剂进入蒸发器18，同时维持冷凝器14(高压)与蒸发器18(低压)之间的压力差。进入蒸发器18的液体制冷剂会在与一热载荷(最好是例如水之类的需冷却的流体)接触之后蒸发，藉以从该热载荷中吸收热量。制冷剂蒸气通过管道11离开蒸发器18，返回压缩机12后重复循环。

现在特别请参见图2，尤其是图中所画的齿轮驱动压缩机12的内部，该齿轮驱动制冷压缩机12包括安装在一齿轮驱动轴28上的叶轮37和41(从图3可以更清楚地看到)和一用于驱动所述驱动轴的电动机20。压缩机12具有一入口管道11、一出口管道13和一将制冷剂气体引入并通过叶轮37和41的内部通道40。

电动机20可驱动一低速输出轴22以大约3600RPM的速度旋转。一大齿轮24附连于低速轴22，并带动与(小)齿轮驱动轴28成一体的小齿轮26以大约9,000至12,000RPM(具体取决于压缩机尺寸)的速度旋转。虽然文中所述是应用于齿轮驱动的压缩机，但本发明同样适用于直接驱动的压缩机。直接驱动的压缩机，例如威斯康星州的拉克罗斯市的Trane公司生产的商标为CentraVac的产品，就具有直接联接于小齿轮驱动轴28以便驱动叶轮37和41的电动机20。

一管道11将制冷剂供给至气体入口33。内通道40包括一循环扩散通道40a，以及一位于压缩机12外周的的气体收集空间，该空间已知为一个涡旋空间44。工作时，热的制冷剂蒸气从管道11进入气体入口33，并流向第一叶轮37。一旦气体位于旋转的第一叶轮以内，这种旋转运动就会使气体加速而沿径向向外，如图3中的箭头A所示。在本发明的多级实施例中，将来自于第一叶轮37的被压缩气体直接引入第二叶轮41，如箭头B所示，并再次被径向地加速，如箭头C所示。

气体从第二叶轮41进入一循环扩散通道40a，随后再进入压缩机12外周的已知为“涡旋空间”的气体收集空间。随着气体流入涡旋空间44，通道内可供气体流动的体积增大，从而能降低气体的流动速度。气体的压力随着其通过叶轮37、41而升高。最后，气体到达所需的压缩比率，被引出压缩机12至冷凝器14。

现请参见图3-6，齿轮驱动轴28包括两个径向的凸角部分30和31，它们是以通常的机加工方式制作在轴28上的。由图4和5清楚可见，叶轮37和41的毂部36和42分别具有径向凸角孔35和39。如图3所示，第一叶轮37的孔35和第二叶轮41的孔39分别与齿轮驱动轴28的第一径向凸角部分30和轴28的第二径向凸角部分31相配合，形成一第一联接部38和一第二联接部48。

图3示出了齿轮驱动轴28与压缩机12的其余部分的关系。图中所示的齿轮驱动轴28的第一径向凸角部分30的横截面积小于齿轮驱动轴28的第二径向凸角部分31。

图4示出了齿轮驱动轴28的第二径向凸角部分31，该凸角部分联接于第二叶轮41的径向凸角孔39。如图所示的径向凸角部分31具有三个凸角60、61和62，每个凸角均具有半径r2。如图所示的第二叶轮41的毂部42中的径向凸角孔39具有类似的凸角，从而限定了用于将扭矩从齿轮驱动轴28传递至第二叶轮41的第二联接部48。

图5示出了齿轮驱动轴的第一径向凸角部分30，该部分联接于最靠近气体入口33的第一叶轮37的径向凸角孔35。如图所示的齿轮驱动轴28的径向凸角部分30具有三个凸角63、64和65，它们的半径都是r1。图中所示的第一叶轮37的毂部36的径向凸角孔35具有类似的凸角，从而限定了用于将扭矩从齿轮驱动轴28传递至第一叶轮37的第一联接部38。

半径r2大于r1，从而提高了压缩机的稳定性和固有频率，并允许制冷剂流体更高效地从气体入口33流向第一叶轮37。利用三个凸角可以将叶轮37和41更牢靠地安装到齿轮驱动轴28上。

图4和6示出了根据本发明较佳实施例的齿轮驱动轴28。图中所示的第一联接部38小于第二联接部48，因而径向凸角孔35也小于径向凸角孔39。各附图还示出了驱动轴28的径向凸角部分30和31与叶轮37和41的径向凸角部分35和39之间的相互配合关系。

当齿轮驱动轴28旋转时，驱动轴28的径向凸角部分30和31与相应的叶轮37和41的径向凸角孔35和39相配合。借助这种配合即可将叶轮37和41定位在齿轮驱动轴28上，不必使叶轮37、41对准或对中。此外，齿轮驱动轴28在径向凸角部分30、31与径向凸角孔35、39互配情况下的旋转可限制叶轮37、41沿齿轮驱动轴28作轴向移动。

该较佳实施例涉及的是一种齿轮驱动的压缩机12，它采用制冷剂R134a，并包括至少一个第二压缩级的叶轮41，该叶轮具有一毂部42和一在毂部42中的径向凸角孔39。驱动轴28具有一第二径向凸角部分31，它与径向凸角孔39相配合，并且可以接纳在孔39中以限定一个将扭矩从驱动轴28传递至叶轮41第二联接部。该较佳实施例还具有一比第二级叶轮41更靠近气体入口33的第一级叶轮37，第一径向凸角部分30的横截面积大于第二径向凸角部分31的横截面积。

以上仅仅是以举例的方式对本发明的较佳形式进行了描述，还可以在本发明的实质范围内做出很多变型。这样的变型包括：将本发明应用于直接驱动压缩机、单级压缩机和采用R134a以外的制冷剂的压缩机。其它的变型包括：改变图中的配置，使其从第一径向凸角部分30的各凸角与第二径向凸角部分31的各凸角对准的布置转变成为各凸角在任何位置上都错开0°—120°。其它潜在的变化包括：与较佳实施例不同，可以对一个或多个凸角重新定尺寸和重新定形，以使每个凸角均具有一略微不同的尺寸和/或形状。叶轮中的接配孔当然也要以类似的方式来改动，以使叶轮只能以一种方式安置到轴上(与较佳实施例不同，在较佳实施例中可以用三种不同的方式将叶轮安置到轴上)。另一种变化包括：在整个轴上机加工凸角，而不是只在部分30、31上进行机加工。另一种变化形式包括：使轴28的径向直径从气体入口33起逐渐增大。在此情况下，孔35、39也以相应互配的方式逐渐增大。因此，应该理解，本发明并不限于任何特定的实施例，只是迄今为止的这些限制都应该包括在所附各权利要求中。

熟悉本领域的人员应该可以从说明书以及本发明的实践中认识到其它的实施例。因此，这些描述和实施例只应该是举例性质的，本发明真实的范围和精神应由所附权利要求书来限定。

Claims (24)

1.一种制冷压缩机，包括一制冷剂气体入口、一驱动轴和至少一个压缩级，所述压缩级包括至少一个具有一毂部的叶轮，在所述毂部内有一个径向凸角孔，所述驱动轴具有一第一径向凸角部分，该径向凸角部分与所述径向凸角孔相配合，并被接纳在所述孔中，从而限定一个用于将扭矩从所述驱动轴传递至所述叶轮的第一联接部。

2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述驱动轴的所述径向凸角部分具有三个凸角。

3.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述径向凸角部分具有大致恒定的直径。

4.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，还包括至少一个第二压缩级，该压缩级包括一第二叶轮，第二叶轮具有一第二毂部以及一在所述第二毂部内的径向凸角孔，所述驱动轴具有一第二径向凸角部分，该凸角部分与所述第二毂部的径向凸角孔相配合，并被接纳在所述第二毂部的所述孔内，从而限定一个用于将扭矩从所述驱动轴传递至所述第二叶轮的第二联接部。

5.如权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述驱动轴的所述第一和第二径向凸角部分各具有三个凸角。

6.如权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述第一和第二径向凸角部分的各凸角是轴向对准的。

7.如权利要求6所述的压缩机，其特征在于，所述第一径向凸角部分的各凸角基本上具有相同的尺寸和形状。

8.如权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述第二径向凸角部分的各凸角具有基本相同的尺寸和形状。

9.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机采用制冷剂R134a。

10.如权利要求5所述的压缩机，其特征在于，所述第一叶轮比所述第二叶轮更靠近所述气体入口。

11.如权利要求10所述的压缩机，其特征在于，所述第一径向凸角部分的横截面积大于所述第二径向凸角部分的横截面积。

12.如权利要求11所述的压缩机，其特征在于，所述驱动轴是齿轮驱动的。

13.如权利要求11所述的压缩机，其特征在于，所述驱动轴是由一电动机直接驱动的。

14.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述径向凸角部分与所述径向凸角孔相配合，并限制所述叶轮在驱动轴上的轴向移动。

15.一种离心压缩机，包括：

一驱动轴；

一可操作地连接于所述驱动轴并对其加以驱动的电动机；

一可操作地连接于所述驱动轴并由其驱动的大齿轮；

一小齿轮驱动轴；

一可操作地连接于所述小齿轮轴的小齿轮，该小齿轮与所述大齿轮相啮合，藉以将转动从驱动轴传递至小齿轮轴；

至少一个在所述小齿轮轴上的径向凸角部分，其中所述径向凸角部分具有三个凸角；

以及至少一个叶轮，该叶轮具有一相配的径向凸角孔，用于配合所述小齿轮轴的径向凸角部分。

16.如权利要求15所述的压缩机，其特征在于，所述至少一个径向凸角部分包括第一和第二径向凸角部分，它们分别包括三个凸角，第一和第二叶轮具有与所述第一和第二凸角部分相配合的相配的径向凸角孔。

17.如权利要求16所述的压缩机，其特征在于，所述电动机可以使驱动轴以大约3600RPM的速度旋转，其中小齿轮轴的转速范围是9000至12000RPM。

18.如权利要求16所述的压缩机，其特征在于，所述第一径向凸角部分的横截面积小于第二径向凸角部分。

19.如权利要求18所述的压缩机，其特征在于，所述第一径向凸角部分与所述第二径向凸角部分由一个驱动轴部分间隔开来，该驱动轴部分的横截面是圆的。

20.一种操作齿轮驱动离心压缩机的方法，包括如下步骤：

设置一高速轴和一低速轴；

驱动所述低速轴以3600RPM的速度旋转；

驱动通过齿轮连接于低速轴的高速轴以大约9000至12000RPM速度旋转；

在所述高速轴上设置一第一径向凸角部分，并提供一相配的叶轮，该叶轮具有一与所述第一径向凸角部分相配的第一径向凸角孔。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

在所述高速轴上与所述第一径向凸角部分轴向间隔的位置上设置一第二径向凸角部分；以及

设置一第二叶轮，该叶轮具有一与所述第二凸角部分相配的径向凸角孔。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述各径向凸角部分均具有三个凸角。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：使所述各径向凸角部分与所述各径向凸角孔压配合，以限制所述各叶轮在高速轴上的轴向移动。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括在所述压缩机中利用制冷剂R134a的步骤。

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