CN212318323U - 旋转机器以及燃料电池供气系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种旋转机器，其包括轴、第一叶轮和第二叶轮。所述旋转机器还包括第一密封组件，所述第一密封组件包括绕所述轴设置的第一碳环，其中所述第一碳环具有第一碳表面。所述第一密封组件还包括绕所述轴设置的第一匹配环，其中所述第一匹配环具有面向所述第一碳表面并被配置为接触所述第一碳表面的第一匹配面。所述旋转机器另外包括第二密封组件，所述第二密封组件包括绕所述轴设置的第二碳环，其中所述第二碳环具有第二碳表面。所述第二密封组件还包括绕所述轴设置的第二匹配环，其中所述第二匹配环具有面向所述第二碳表面并被配置为接触所述第二碳表面的第二匹配环表面。本公开还涉及一种燃料电池供气系统，其包括上述旋转机器。

Description

旋转机器以及燃料电池供气系统
相关申请的交叉引用
本主题申请要求于2020年2月12日提交的美国专利申请号16/788,809的优先权和所有权益，该专利申请的披露内容通过引用以其全部内容结合在此。
技术领域
本实用新型总体上涉及一种旋转机器，并且本实用新型还涉及一种燃料电池供气系统。
背景技术
旋转机器、比如涡轮增压器、电压缩机等被用于多种不同的应用中，比如车辆、重型设备、柴油发动机、马达、冷却系统、燃料电池组件等。典型的旋转机器包括沿着轴线在第一端部与第二端部之间延伸的轴、联接到轴的第一端部的第一叶轮和联接到轴的第二端部的第二叶轮。典型的旋转机器还包括用于可旋转地支撑轴的一个或多个轴承。典型的旋转机器还包括邻近第一叶轮的第一密封组件和邻近第二叶轮的第二密封组件。第一密封组件和第二密封组件均禁止润滑剂从轴承壳体中的一个或多个轴承中流出。第一密封组件和第二密封组件通常包括活塞环密封件。
然而，包括活塞环密封件的用于旋转机器的典型密封组件经常会通过第一密封件组件和第二密封组件不希望地泄漏润滑剂和其他污染物。因此，仍然需要提供一种具有改进的第一密封组件和第二密封组件的旋转机器。
另外，典型的旋转机器可以用于燃料电池供气系统中，该系统将气流提供给燃料电池以在操作期间增加燃料电池的功率密度。当将旋转机器用于燃料电池供气系统中时，已知燃料电池对碳氢化合物(比如来自润滑剂)中毒极其敏感。有鉴于此，用于燃料电池供气系统中的许多旋转机器已经从使用润滑剂馈送轴承和活塞环密封件(导致燃料电池中的碳氢化合物中毒)转变为使用带有空气箔轴承或其他无润滑剂轴承的旋转机器(不含任何碳氢化合物)。然而，此类空气箔轴承和其他无润滑剂的轴承具有有限的工作范围，价格昂贵，导致旋转机器效率较低且寿命短，这需要更换此类空气箔轴承并降低了旋转机器的寿命。因此，仍然需要提供一种用于燃料电池供气系统中的改进的旋转机器。
实用新型内容
在一个实施例中，一种旋转机器包括：轴，所述轴沿着轴线在第一端部与第二端部之间延伸，所述第二端部沿着所述轴线与所述第一端部间隔开；第一叶轮，所述第一叶轮联接到所述轴的所述第一端部；以及第二叶轮，所述第二叶轮联接到所述轴的所述第二端部。所述旋转机器还包括第一密封组件，所述第一密封组件包括：第一碳环，所述第一碳环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述第一叶轮间隔开，其中所述第一碳环具有第一碳表面；以及第一匹配环，所述第一匹配环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述第一叶轮间隔开，使得所述第一碳环被设置在所述第一叶轮与所述第一匹配环之间，其中所述第一匹配环具有面向所述第一碳表面并被配置为接触所述第一碳表面的第一匹配表面。所述旋转机器另外包括第二密封组件，所述第二密封组件包括：第二碳环，所述第二碳环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述第二叶轮间隔开，其中所述第二碳环具有第二碳表面。所述第二密封组件还包括第二匹配环，所述第二匹配环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述第二叶轮间隔开，使得所述第二碳环被设置在所述第二叶轮与所述第二匹配环之间，其中所述第二匹配环具有面向所述第二碳表面并被配置为接触所述第二碳表面的第二匹配表面。
因此，具有所述第一匹配环和所述第一碳环的所述第一密封组件以及具有所述第二匹配环和所述第二碳环的所述第二密封组件减少了到达所述第一叶轮和所述第二叶轮的污染物的泄漏，这相应地增加了所述旋转机器的寿命。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一匹配表面面向所述轴的所述第一端部，并且所述第二匹配表面面向所述轴的所述第二端部，使得所述第一匹配表面和所述第二匹配表面相对于所述轴线面向相反的方向。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一叶轮和所述第二叶轮可移除地联接到所述轴。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一叶轮和所述第二叶轮由铝或钛构成。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一叶轮进一步被限定为配置成输送压缩空气的压缩机轮，并且其中所述第二叶轮进一步被限定为配置成接收工作流体的涡轮机轮。
在旋转机器的一个实施例中，所述旋转机器进一步包括电机，其中所述电机包括可旋转地联接到所述轴的转子以及绕所述转子设置的定子。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一叶轮进一步被限定为配置成输送压缩空气的第一压缩机轮，其中所述第二叶轮进一步被限定为配置成输送压缩空气的第二压缩机轮，并且其中，所述电机被配置为将扭矩传递到所述轴以使所述第一压缩机轮和所述第二压缩机轮旋转。
在旋转机器的一个实施例中，所述旋转机器进一步包括限定轴承壳体内部的轴承壳体，其中，所述电机设置在所述轴承壳体内部中。
在旋转机器的一个实施例中，所述旋转机器进一步包括：第一压缩机壳体，所述第一压缩机壳体限定第一压缩机内部并且联接到所述轴承壳体；以及第二压缩机壳体，所述第二压缩机壳体限定第二压缩机内部并且联接到所述轴承壳体，所述第二压缩机壳体沿着所述轴线与所述第一压缩机壳体间隔开，使得所述轴承壳体相对于所述轴线设置在所述第一压缩机壳体与所述第二压缩机壳体之间，其中，所述第一压缩机轮设置在所述第一压缩机内部中，并且所述第二压缩机轮设置在所述第二压缩机内部中。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一碳表面具有第一碳环内直径和背离所述轴线与所述第一碳环内直径径向地间隔开的第一碳环外直径，其中，所述第一匹配表面具有第一凸台部分，所述第一凸台部分被配置为在相对于所述轴线与所述第一碳环内直径径向对齐的第一内匹配直径和相对于所述轴线与所述第一碳环外直径径向对齐的第一外匹配直径之间接触所述第一碳表面，其中，所述第一凸台部分具有在所述第一内匹配直径与所述第一外匹配直径之间的第一凸台面积，其中，所述第一匹配表面限定绕所述轴线设置的第一多个开槽部分，其中，所述第一多个开槽部分具有在所述第一内匹配直径与所述第一外匹配直径之间的第一开槽面积，并且其中，所述第一凸台面积与所述第一开槽面积之比在1.3与2.9之间。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一多个开槽部分绕所述轴线呈螺旋状。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一多个开槽部分具有第一凹槽内直径，并且其中，所述第一碳环内直径与所述第一凹槽内直径之比大于1.0。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一碳环内直径与所述第一凹槽内直径的所述比在1.02与1.10之间。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一多个开槽部分具有第一凹槽外直径，并且其中，所述第一碳环外直径与所述第一凹槽外直径之比大于1.0。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一碳环外直径与所述第一凹槽外直径的所述比在1.05与1.25之间。
在旋转机器的一个实施例中，所述第二碳表面具有第二碳环内直径和背离所述轴线与所述第二碳环内直径径向地间隔开的第二碳环外直径，其中，所述第二匹配表面具有第二凸台部分，所述第二凸台部分被配置为在相对于所述轴线与所述第二碳环内直径径向对齐的第二内匹配直径和相对于所述轴线与所述第二碳环外直径径向对齐的第二外匹配直径之间接触所述第二碳表面，其中，所述第二凸台部分具有在所述第二内匹配直径与所述第二外匹配直径之间的第二凸台面积，其中，所述第二匹配表面限定绕所述轴线设置的第二多个开槽部分，其中，所述第二多个开槽部分具有在所述第二内匹配直径与所述第二外匹配直径之间的第二开槽面积，并且其中，所述第二凸台面积与所述第二开槽面积之比在1.3与2.9之间。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一多个开槽部分绕所述轴线呈螺旋状，并且其中，所述第二多个开槽部分绕所述轴线呈螺旋状。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一多个开槽部分具有第一凹槽内直径，其中，所述第一碳环内直径与所述第一凹槽内直径之比大于1.0，其中，所述第二多个开槽部分具有第二凹槽内直径，并且其中，所述第二碳环内直径与所述第二凹槽内直径之比大于1.0。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一碳环内直径与所述第一凹槽内直径之比在1.02与1.10之间，并且其中，所述第二碳环内直径与所述第二凹槽内直径的所述比在1.02与1.10之间。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一多个开槽部分具有第一凹槽外直径，其中，所述第一碳环外直径与所述第一凹槽外直径之比大于1.0，其中，所述第二多个开槽部分具有第二凹槽外直径，并且其中，所述第二碳环外直径与所述第二凹槽外直径之比大于1.0。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一碳环外直径与所述第一凹槽外直径之比在1.05与1.25之间，并且其中，所述第二碳环外直径与所述第二凹槽外直径的所述比在1.05与1.25之间。
在旋转机器的一个实施例中，所述第一匹配环包括：第一圆柱形套筒，所述第一圆柱形套筒联接到所述轴并且能够随所述轴旋转；以及第一凸缘，所述第一凸缘从所述第一圆柱形套筒径向地延伸，使得所述第一匹配环被配置为护圈，其中所述第一圆柱形套筒从所述第一凸缘朝向所述第一叶轮延伸，并且其中，所述第二匹配环包括：第二圆柱形套筒，所述第二圆柱形套筒联接到所述轴并且能够随所述轴旋转；以及第二凸缘，所述第二凸缘从所述第二圆柱形套筒径向地延伸，使得所述第二匹配环被配置为护圈，其中所述第二圆柱形套筒从所述第二凸缘朝向所述第二叶轮延伸。
在旋转机器的一个实施例中，所述旋转机器进一步包括限定轴承壳体内部的轴承壳体、设置在所述轴承壳体内部中并且在所述轴的所述第一端部处可旋转地支撑所述轴的第一润滑剂馈送轴承、以及设置在所述轴承壳体内部中并且在所述轴的所述第二端部处可旋转地支撑所述轴的第二润滑剂馈送轴承。
在另一个实施例中，一种旋转机器包括限定轴承壳体内部的轴承壳体、沿着轴线在第一端部与第二端部之间延伸的轴，所述第二端部沿着所述轴线与所述第一端部间隔开，其中所述轴设置在所述轴承壳体内部中。所述旋转机器还包括叶轮壳体，所述叶轮壳体联接到所述轴承壳体，其中所述叶轮壳体限定叶轮壳体内部；以及叶轮，所述叶轮在所述第一端部处联接到所述轴、并且设置在所述叶轮壳体内部中。所述旋转机器另外包括设置在所述轴承壳体内部中的密封组件。所述密封组件包括：碳环，所述碳环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述叶轮间隔开，其中所述碳环具有碳表面；以及匹配环，所述匹配环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述叶轮间隔开，使得所述碳环被设置在所述叶轮与所述匹配环之间，其中所述匹配环具有面向所述碳表面并被配置为接触所述碳表面的匹配表面。所述旋转机器进一步包括润滑剂馈送轴承，所述润滑剂馈送轴承设置在所述轴承壳体内部中，并且在所述第一端部处可旋转地支撑所述轴，其中所述密封组件相对于所述轴线设置在所述润滑剂馈送轴承与所述叶轮之间。所述旋转机器还包括电机，所述电机包括可旋转地联接到所述轴的转子、以及绕所述转子设置的定子。所述叶轮壳体内部被适配成流体地联接到无污染物环境，其中所述碳环和所述匹配环防止润滑剂进入所述无污染物环境。
因此，所述匹配环和所述碳环防止来自所述润滑剂馈送轴承的润滑剂和其他污染物进入所述叶轮壳体内部，并且因此防止进入所述无污染物环境，从而由于利用了所述润滑剂馈送轴承而总体上提高了所述旋转机器的寿命并且提高了所述旋转机器的性能。
在旋转机器的一个实施例中，所述碳表面具有碳环内直径和背离所述轴线与所述碳环内直径径向地间隔开的碳环外直径，其中，所述匹配表面具有凸台部分，所述凸台部分被配置为在相对于所述轴线与所述碳环内直径径向对齐的内匹配直径和相对于所述轴线与所述碳环外直径径向对齐的外匹配直径之间接触所述碳表面，其中，所述凸台部分具有在所述内匹配直径与所述外匹配直径之间的凸台面积，其中，所述匹配表面限定绕所述轴线设置的多个开槽部分，其中，所述多个开槽部分具有在所述内匹配直径与所述外匹配直径之间的开槽面积，并且其中，所述凸台面积与所述开槽面积之比在1.3与2.9之间。
在另一个实施例中，一种燃料电池供气系统包括旋转机器，所述旋转机器包括限定轴承壳体内部的轴承壳体、以及沿着轴线在第一端部与第二端部之间延伸的轴，所述第二端部沿着所述轴线与所述第一端部间隔开，其中所述轴设置在所述轴承壳体内部中。所述旋转机器还包括：联接到所述轴承壳体的压缩机壳体，其中所述压缩机壳体限定压缩机壳体内部；压缩机轮，所述压缩机轮在所述第一端部联接到所述轴、并且设置在所述压缩机壳体内部中；以及密封组件，所述密封组件设置在所述轴承壳体内部中。所述密封组件包括：碳环，所述碳环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述压缩机轮间隔开，其中所述碳环具有碳表面；以及匹配环，所述匹配环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述压缩机轮间隔开，使得所述碳环被设置在所述压缩机轮与所述匹配环之间，其中所述匹配环具有面向所述碳表面并被配置为接触所述碳表面的匹配表面。所述旋转机器另外包括润滑剂馈送轴承，所述润滑剂馈送轴承设置在所述轴承壳体内部中，并且在所述第一端部处可旋转地支撑所述轴，其中所述密封组件相对于所述轴线设置在所述润滑剂馈送轴承与所述压缩机轮之间；以及电机，所述电机包括可旋转地联接到所述轴的转子、以及绕所述转子设置的定子，其中所述电机被配置为将扭矩传递到所述轴以使所述压缩机轮旋转。所述系统还包括燃料电池组件，所述燃料电池组件包括限定燃料电池内部的燃料电池壳体和设置在所述燃料电池内部中的燃料电池。所述压缩机壳体联接到所述燃料电池壳体，并且所述压缩机壳体内部流体地联接到所述燃料电池内部，以用于将压缩空气输送到所述燃料电池组件以便冷却所述燃料电池。
因此，所述匹配环和所述碳环防止来自所述润滑剂馈送轴承的润滑剂和其他污染物进入所述压缩机壳体内部，并且因此防止进入所述燃料电池内部，从而由于利用了所述润滑剂馈送轴承而总体上提高了所述旋转机器的寿命并且提高了所述旋转机器的性能。
在燃料电池供气系统的一个实施例中，所述碳表面具有碳环内直径和背离所述轴线与碳环内直径径向地间隔开的碳环外直径，其中，所述匹配表面具有凸台部分，所述凸台部分被配置为在相对于所述轴线与所述碳环内直径径向对齐的内匹配直径和相对于所述轴线与所述碳环外直径径向对齐的外匹配直径之间接触所述碳表面，其中，所述凸台部分具有在所述内匹配直径与所述外匹配直径之间的凸台面积，其中，所述匹配表面限定绕所述轴线设置的多个开槽部分，其中，所述多个开槽部分具有在所述内匹配直径与所述外匹配直径之间的开槽面积，并且其中，所述凸台面积与所述开槽面积之比在1.3与2.9之间。
附图说明
本实用新型的其他优点将是容易了解的，因为所述优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：
图1是旋转机器的截面视图，其中该旋转机器包括沿着轴线延伸的轴、联接到轴的第一叶轮、联接到轴的第二叶轮、第一密封组件以及第二密封组件；
图2是图1的第一密封组件的特写视图；
图3是图1的第二密封组件的特写视图；
图4是代表第一密封组件和第二密封组件的密封组件的透视截面视图，其中密封组件包括碳环和匹配环；
图5是限定多个开槽部分的密封组件的匹配环的透视图；
图6是匹配环的匹配表面的顶视图，其中该匹配表面具有凸台部分、以及被适配成相对于轴线与碳环内直径径向对齐的内匹配直径和被适配成相对于轴线与碳环外直径径向对齐的外匹配直径；
图7是匹配环的匹配表面的顶视图，其中凸台部分具有在内匹配直径与外匹配直径之间的凸台面积，并且其中凸台面积是带阴影的；
图8是匹配环的匹配表面的顶视图，其中凸台部分具有不在内匹配直径与外匹配直径之间的不活动凸台面积，并且其中该不活动凸台面积是带阴影的；
图9是匹配环的匹配表面的顶视图，其中该多个开槽部分具有在内匹配直径与外匹配直径之间的开槽面积，并且其中该开槽面积是带阴影的；
图10是匹配环的匹配表面的顶视图，其中该多个开槽部分具有不在内匹配直径与外匹配直径之间的不活动凹槽面积，并且其中该不活动开槽面积是带阴影的；
图11是匹配环的匹配表面的顶视图，其中凸台面积被示为浅阴影，并且开槽面积被示为深阴影；
图12是包括旋转机器和燃料电池组件的系统的截面视图，其中该燃料电池组件包括限定燃料电池内部的燃料电池壳体和设置在燃料电池内部中的燃料电池；并且
图13是包括旋转机器的系统的截面视图，其中旋转机器包括限定叶轮壳体内部的叶轮壳体，并且其中叶轮壳体内部流体地联接到无污染物环境。
具体实施方式
参照附图，其中贯穿这几个视图，相同的附图标记指示相同的部件，图1示出了旋转机器20。旋转机器20包括：轴22，该轴沿着轴线A在第一端部26与第二端部28之间延伸，该第二端部沿着轴线A与第一端部26间隔开；第一叶轮30，该第一叶轮联接到轴22的第一端部26；以及第二叶轮32，该第二叶轮联接到轴22的第二端部28。旋转机器20还包括第一密封组件34，该第一密封组件包括绕轴22设置并沿着轴线A与第一叶轮30间隔开的第一碳环36。第一碳环36具有第一碳表面38，如图4所示。第一密封组件34还包括第一匹配环40，该第一匹配环绕轴22设置并且沿着轴线A与第一叶轮30间隔开，使得第一碳环36设置在第一叶轮30与第一匹配环40之间，如图1所示。参照图4，第一匹配环40具有面向第一碳表面38并被配置为接触该第一碳表面的第一匹配表面42。
参照图1、图3和图4，旋转机器20另外包括第二密封组件44，该第二密封组件包括绕轴22设置并沿着轴线A与第二叶轮32间隔开的第二碳环46，其中第二碳环46具有第二碳表面48。第二密封组件44还包括第二匹配环50，该第二匹配环绕轴22设置并且沿着轴线A与第二叶轮32间隔开，使得第二碳环46设置在第二叶轮32与第二匹配环50之间，其中第二匹配环50具有面向第二碳表面48并被配置为接触该第二碳表面的第二匹配表面52。第一匹配环40和第二匹配环50可以具有沿着轴线A在第一匹配端部55与同第一匹配端部55间隔开的第二匹配端部57之间延伸的内部匹配表面53，其中内部匹配表面53限定孔59。第一密封组件34和第二密封组件44通常被称为干气密封件、面密封件、脱离式面密封件、非接触面密封件、机械面密封件、薄液体缓冲垫密封件(shallow hydropad seal)、凹槽密封件、或螺旋凹槽密封件。
具有第一匹配环40和第一碳环36的第一密封组件34以及具有第二匹配环50和第二碳环46的第二密封组件44减少了到达第一叶轮30和第二叶轮32的比如润滑剂和碳沉积物的污染物的泄漏，这相应地增加了旋转机器20的寿命。另外，如下文进一步详细描述的，在旋转机器20中使用了润滑剂馈送轴承的实施例中，由于具有第一匹配环40和第一碳环36的第一密封组件34以及具有第二匹配环50和第二碳环46的第二密封组件44可以使用润滑剂馈送轴承，因此旋转机器20的性能提高。
第一匹配表面42可以面向轴22的第一端部26，并且第二匹配表面52可以面向轴22的第二端部28，使得第一匹配表面42和第二匹配表面52相对于轴线A面向相反方向。使第一匹配表面42和第二匹配表面52相对于轴线A在相反方向上面向确保了第一叶轮30和第二叶轮32与污染物(比如润滑剂和碳沉积物)隔离，这归因于第一密封组件34第二密封组件44。
第一叶轮30和第二叶轮32可以可移除地联接到轴22。例如，第一叶轮30和第二叶轮32可以通过螺母54可移除地联接到轴22。在一个实施例中，第一叶轮30和第二叶轮32由铝或钛组成。在此类实施例中，第一叶轮30和第二叶轮32可以分别被称为第一压缩机轮和第二压缩机轮。换句话说，第一压缩机轮和第二压缩机轮被配置为输送压缩空气，而不是接收工作流体，比如排气。另外，在此类实施例中，第一压缩机轮和第二压缩机轮可以是串联的(例如，针对较高的压力比)，或者是并联的(例如，针对较高的流率)。当第一叶轮30和第二叶轮32进一步被限定为第一压缩机轮和第二压缩机轮时，旋转机器20可以被称为两级压缩机。应当理解，第一叶轮30和第二叶轮32可以是轴流式或径流式叶轮(包括轴流式和径流式压缩机轮)。
在其他实施例中，第一叶轮30可以进一步被限定为压缩机轮，并且第二叶轮32可以进一步被限定为涡轮机轮。换句话说，当第一叶轮30进一步被限定为压缩机轮时，第一叶轮30被配置为输送压缩空气。当第二叶轮32进一步被限定为涡轮机轮时，第二叶轮被配置为接收工作流体，比如排气，以使轴22旋转，继而使第一叶轮30(压缩机轮)旋转以输送压缩空气。涡轮机轮可以与轴22成一体(即，一件式)。在第一叶轮30进一步被限定为压缩机轮并且第二叶轮32进一步被限定为涡轮机轮的实施例中，涡轮机轮可以是固定几何涡轮机的一部分(工作流体的流动面积保持恒定)或可变几何涡轮机(工作流体的流动面积可能会改变)。在涡轮机轮是可变几何涡轮机的一部分的实施例中，压缩机轮可以是单一可变入口压缩机的一部分。应当理解，当第二叶轮32进一步被限定为涡轮机轮时，涡轮机轮可以是轴流式或径流式涡轮机轮。
在其他实施例中，旋转机器20可以用于有机朗肯(Rankine)循环废热回收系统中，例如用作涡轮膨胀机。在此类实施例中，旋转机器20的第一叶轮30和第二叶轮32可以进一步被限定为用于接收工作流体的第一涡轮机轮和第二涡轮机轮。第一叶轮30和第二叶轮32在进一步被限定为第一涡轮机轮和第二涡轮机轮时可以彼此串联或彼此并联。还应当理解，当旋转机器20用于有机朗肯循环废热回收系统中作为涡轮膨胀机时，第一叶轮30可以进一步被限定为用于接收工作流体的涡轮机轮，并且第二叶轮32可进一步被限定为用于泵送有机朗肯循环废热回收系统中的工作流体的泵叶轮。应当理解，当第一叶轮30进一步被限定为第一涡轮机轮时，第一涡轮机轮可以是可变或固定几何涡轮机轮，并且当第二叶轮32进一步被限定为第二涡轮机轮时，第二涡轮机轮可以是可变或固定几何涡轮机轮。当旋转机器20用于有机朗肯循环废热回收系统中时，第一叶轮30和第二叶轮32可以由任何合适的材料构成，例如铝、不锈钢或镍合金比如
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旋转机器20可以包括电机56。在此类实施例中，电机56包括可旋转地联接到轴22的转子58、以及绕转子58设置的定子60。通常，当旋转机器20包括电机56时，第一叶轮30进一步被限定为配置成输送压缩空气的第一压缩机轮，第二叶轮32进一步被限定为配置成输送压缩空气的第二压缩机轮，并且电机56被配置为将扭矩传递到轴22以使第一压缩机轮和第二压缩机轮旋转。在此类实施例中，由于电机56，轴旋转，第一压缩机轮和第二压缩机轮旋转，而不是由于第一叶轮30或第二叶轮32中接收工作流体(比如排气)的一者而使第一叶轮30或第二叶轮32旋转。
在一个实施例中，第一叶轮30和第二叶轮32可进一步分别被限定为配置成接收工作流体的涡轮机轮和配置为输送工作流体的压缩机轮。在此类实施例中，电机56可以被配置为用于将旋转扭矩输送到轴22的电动马达和/或可以被配置为用于将旋转扭矩接收到轴22的发电机，以将机械能转换成电能。在旋转机器20用于有机朗肯循环废热回收系统中作为涡轮膨胀机的实施例中，第一叶轮30可以进一步被限定为涡轮机轮，并且旋转机器20可以包括被配置为发电机和/或电动马达的电机56。
参照图6，第一碳表面38可以具有第一碳环内直径CID1和背离轴线A与第一碳环内直径CID1径向地间隔开的第一碳环内外部COD1。第一匹配表面42可以具有第一凸台部分70，该第一凸台部分被配置为在相对于轴线A与第一碳环内直径CID1径向对齐的第一内匹配直径IMD1和相对于轴线A与第一碳环内外部COD1径向对齐的第一外匹配直径OMD1之间接触第一碳表面38。第一碳环36在图6中被移除，使得清楚地示出了第一匹配环40和第一匹配表面42。第一碳环内直径CID1和第一碳环内外部COD1是相对于第一匹配表面42示出的，以展示第一碳表面38接触第一匹配表面42的地方。
参照图6和图7，第一凸台部分70可以具有在第一内匹配直径IMD1与第一外匹配直径OMD1之间的第一凸台面积76，其中第一匹配表面42限定绕轴线A设置的第一多个开槽部分78。第一多个开槽部分78可以具有在第一内匹配直径IMD1与第一外匹配直径OMD1之间的第一开槽面积80。第一凸台面积76与第一开槽面积80之比通常在1.3与2.9之间。
使第一凸台面积76与第一开槽面积80之比在1.3与2.9之间确保了，第一碳环36在最佳转速下由于可以是由第一匹配环40的旋转导致的离开第一多个开槽部分78的润滑剂或空气产生的流体压力而与第一匹配环40脱离、即，变得脱离接合。例如，使第一碳环36与第一匹配环40脱离减少了旋转机器20的机械损失并且改善了旋转机器20的耐久性。确切地，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比在1.3与2.9之间改善了第一碳环36的耐久性、并且减少了由于第一碳环36与第一匹配环40保持接触太久而导致的机械损失。第一凸台面积76与第一开槽面积80之比在1.3与2.9之间最佳地确保了第一碳环36与第一匹配环40脱离不会在第一匹配环40的太低或太高转速下发生。
图11示出了第一凸台面积76与第一开槽面积80之比，其中浅阴影面积是第一凸台面积76，并且深阴影面积是第一开槽面积80。确切地，第一开槽面积80包括图11中所有的深阴影面积，并且第一凸台面积76包括图11中所有的浅阴影面积。如上文所描述的，浅阴影面积、即第一凸台面积76与深阴影面积、即第一开槽面积80之比在1.3与2.9之间。在一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以在1.75与2.75之间。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为1.4。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为1.5。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为1.6。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为1.7。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为1.8。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为1.9。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.0。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.1。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.2。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.3。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.4。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.5。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.6。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.7。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.8。在另一个实施例中，第一凸台面积76与第一开槽面积80之比可以为2.9。
典型地，第一多个开槽部分78绕轴线A呈螺旋状，如图6至图11所示。参照图6，第一多个开槽部分78可以具有第一凹槽内直径GID1，其中第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比大于1.0。当第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比被适配成大于1.0时，第一多个开槽部分78超过第一碳环内直径CID1并且向内朝向轴线A延伸，如图6所示。如图10所示，第一多个开槽部分78超过第一碳环内直径CID1并且向内朝向轴线A延伸，这实现了第一多个开槽部分78具有第一不活动凹槽面积86(或第二多个开槽部分102的第二不活动凹槽面积106)，其在图10中被示为第一多个开槽部分78的阴影面积。使第一多个开槽部分78超过第一碳环内直径CID1并且向内朝向轴线A延伸允许第一多个开槽部分78邻近第一碳环内直径CID1与第一碳表面38维持流体连通，以促进第一碳环36的“脱离”。换言之，第一多个开槽部分78在第一凹槽内直径GID1处是开放的，使得第一多个开槽部分78能够将流体引向第一凹槽外直径GOD1，以产生足以使第一碳环36“脱离”的流体压力。典型地，第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比小于1.2。使第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比小于1.2允许第一碳环36的大小较小，这实现了第一匹配环40和第一碳环36的更好包装，这最终实现了在旋转机器20中占据更少的空间。在一个实施例中，第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比在1.02与1.10之间。在一个实施例中，第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比可以被适配成在1.03与1.09之间。在另一个实施例中，第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比可以被适配成在1.04与1.08之间。在另一个实施例中，第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比可以被适配成在1.05与1.07之间。在另一个实施例中，第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比可以被适配成1.05。使第一多个开槽部分78绕轴线A呈螺旋状允许第一匹配环40将流体向外引导，这有助于第一碳环36与第一匹配环40脱离。典型地，当旋转机器20是单向机器(即，轴22仅绕轴线A在一个方向上自旋)时，第一多个开槽部分78绕轴线A呈螺旋状。当旋转机器20不是单向机器时，第一多个开槽部分78可以具有绕轴线A不呈螺旋状的配置，比如T形或矩形凹槽。
第一多个开槽部分78可以具有第一凹槽外直径GOD1，如图6所示。第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比可以大于1.0。当第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比大于1.0时，第一碳环36背离轴线A径向地延伸超过第一凹槽外直径GOD1。如图8所示，第一匹配表面42可以具有第一不活动凸台面积88，其在图8中被示为第一匹配表面42上的阴影面积。当存在时，第一不活动凸台面积88不与第一碳表面38接触。使第一碳环36背离轴线A径向地延伸超过第一凹槽外直径GOD1允许第一多个开槽部分78在第一凹槽外直径GOD1处抵靠第一碳表面38被密封。典型地，第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比小于1.5。使第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比小于1.5实现了第一匹配环40和第一碳环36的更好包装，这最终实现了在旋转机器20中占据更少的空间。在一个实施例中，第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比在1.05与1.25之间。在一个实施例中，第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比可以被适配成在1.10与1.20之间。在另一个实施例中，第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比可以被适配成1.15。
典型地，第一多个开槽部分78进一步被限定为具有三到十个凹槽。在一个实施例中，第一多个开槽部分78具有四到九个凹槽。在另一个实施例中，第一多个开槽部分78具有五到八个凹槽。在另一个实施例中，第一多个开槽部分78具有六个凹槽。在又一个实施例中，第一多个开槽部分78具有七个凹槽。将第一多个开槽部分78进一步限定为具有三到十个凹槽(但不作要求)有助于实现第一凸台面积76与第一开槽面积80之比在1.3与2.9之间。
参照图6，第二碳表面48具有第二碳环内直径CID2、以及背离轴线A与第二碳环内直径CID2径向地间隔开的第二碳环外直径COD2。
为了便于说明，图4至图11所示的匹配环代表第一匹配环40和第二匹配环50。这样，第一匹配环40和第二匹配环50两者的元件在图4至图11中被标记。
如图6和图7所示，第二匹配表面52可以具有第二凸台部分94，该第二凸台部分被配置为在相对于轴线A与第二碳环内直径CID2径向对齐的第二内匹配直径IMD2和相对于轴线A与第二碳环外直径COD2径向对齐的第二外匹配直径OMD2之间接触第二碳表面48。第二凸台部分94可以具有在第二内匹配直径IMD2与第二外匹配直径OMD2之间的第二凸台面积100。第二匹配表面52可以限定绕轴线A设置的第二多个开槽部分102。第二多个开槽部分102可以具有在第二内匹配直径IMD2与第二外匹配直径OMD2之间的第二开槽面积104，其中第二凸台面积100与第二开槽面积104之比在1.3与2.9之间。
使第二凸台面积100与第二开槽面积104之比在1.3与2.9之间确保了，第二碳环46在最佳转速下由于可以是由第二匹配环50的旋转导致的离开第二多个开槽部分102的润滑剂或空气产生的流体压力而与第二匹配环50脱离、即，变得脱离接合。例如，使第二碳环46与第二匹配环50脱离减少了旋转机器20的机械损失并且改善了旋转机器20的耐久性。确切地，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比在1.3与2.9之间改善了第二碳环46的耐久性、并且减少了由于第二碳环46与第二匹配环50保持接触太久而导致的机械损失。第二凸台面积100与第二开槽面积104之比在1.3与2.9之间最佳地确保了第二碳环46与第二匹配环50脱离不会在第二匹配环50的太低或太高转速下发生。
图11示出了第二凸台面积100与第二开槽面积104之比，其中浅阴影面积是第二凸台面积100，并且深阴影面积是第二开槽面积104。确切地，第二开槽面积104包括图11中所有的深阴影面积，并且第二凸台面积100包括图11中所有的浅阴影面积。如上文所描述的，浅阴影面积、即第二凸台面积100与深阴影面积、即第二开槽面积104之比在1.3与2.9之间。在一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以在1.75与2.75之间。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为1.4。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为1.5。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为1.6。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为1.7。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为1.8。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为1.9。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.0。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.1。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.2。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.3。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.4。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.5。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.6。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.7。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.8。在另一个实施例中，第二凸台面积100与第二开槽面积104之比可以为2.9。
在第一凸台面积76与第一开槽面积80之比在1.3与2.9之间并且第二凸台面积100与第二开槽面积104之比在1.3与2.9之间的实施例中，第一多个开槽部分78可以绕轴线A呈螺旋状，并且第二多个开槽部分102可以绕轴线A呈螺旋状。在此类实施例中，如图6所示，第一多个开槽部分78可以具有第一凹槽内直径GID1，其中第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比大于1.0，其中第二多个开槽部分102具有第二凹槽内直径GID2，并且其中第二碳环内直径CID2与第二凹槽内直径GID2之比大于1.0。第一碳环内直径CID1与第一凹槽内直径GID1之比可以在1.02与1.10之间，并且第二碳环内直径CID2与第二凹槽内直径GID2之比可以在1.02与1.10之间。
在第一凸台面积76与第一开槽面积80之比在1.3与2.9之间并且第二凸台面积100与第二开槽面积104之比在1.3与2.9之间的实施例中，第一多个开槽部分78可以具有第一凹槽外直径GOD1，其中第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比大于1.0，并且第二多个开槽部分102可以具有第二凹槽外直径GOD2，其中第二碳环外直径COD2与第二凹槽外直径GOD2之比大于1.0。在此类实施例中，第一碳环内外部COD1与第一凹槽外直径GOD1之比可以在1.05与1.25之间，并且第二碳环外直径COD2与第二凹槽外直径GOD2之比可以在1.05与1.25之间。如上文关于第一多个开槽部分78所述，应当理解，第二多个开槽部分102可以进一步被限定为具有三到十个凹槽。如图8所示，第二匹配表面52可以具有第二不活动凸台面积108，其在图8中被示为第二匹配表面52上的阴影面积。当存在时，第二不活动凸台面积108不与第二碳表面48接触。
典型地，第一多个开槽部分78被限定到第一匹配表面42中。应当理解，下文对第一多个开槽部分78的各种特征的描述也可以适用于第二多个开槽部分102。例如，第二多个开槽部分102可以被限定到第二匹配表面52中。可以在第一匹配表面42中比如通过蚀刻或激光蚀刻来蚀刻第一多个开槽部分78。可以在第一匹配表面42中以直角来蚀刻或激光蚀刻第一多个开槽部分78。应当理解，第一多个开槽部分78可以具有不均匀的深度，这可以实现在第一匹配表面42中以非直角蚀刻第一多个开槽部分78。典型地，第一多个开槽部分78具有被限定到第一匹配表面42中的大于0.005mm的深度。使第一多个开槽部分78具有被限定到第一匹配表面42中的大于0.005mm的深度允许在操作期间尽管碳沉积在第一多个开槽部分78中，第一多个开槽部分78仍然有效。典型地，第一多个开槽部分78具有被限定到第一匹配表面中的小于0.040mm的深度。使第一多个开槽部分78具有被限定到第一匹配表面42中的小于0.040mm的深度减少了例如通过蚀刻或激光蚀刻来制造第一多个开槽部分78所需要的时间。这样，第一多个开槽部分78典型地具有被限定到第一匹配表面42中的在0.005mm与0.040mm之间的深度。使第一多个开槽部分78的深度在0.005mm与0.040mm之间既允许在操作过程中尽管碳沉积在第一多个开槽部分50中第一多个开槽部分78仍然有效、又减少例如通过蚀刻或激光蚀刻来制造第一多个开槽部分50所需要的时间。在一个实施例中，第一多个开槽部分78的深度可以在0.010mm与0.035mm之间。在另一个实施例中，第一多个开槽部分78的深度可以在0.015mm与0.030mm之间。在另一个实施例中，第一多个开槽部分78的深度可以在0.020mm与0.025mm之间。
参照图2，第一匹配环40可以包括联接到轴22并可与其一起旋转的第一圆柱形套筒110、以及从第一圆柱形套筒110径向延伸的第一凸缘112，使得第一匹配环40被配置为护圈，其中第一圆筒形套筒110从第一凸缘112朝向第一叶轮30延伸。第一凸缘112可以具有第一凸缘内直径FID1以及相对于轴线A与第一凸缘内直径FID1径向地间隔开的第一凸缘外直径FOD1，如图6所示。此外，当第一匹配环40被配置为护圈时，第一匹配环40在轴22旋转的过程中将流体向外引导以引导流体将第一碳环36和第一匹配环40分开。应当理解，当第一匹配环40被配置为护圈时，第一匹配环40还可以被称为护圈套筒。应当理解，背向第一匹配表面42的表面可以被配置为止推轴承滚道表面。类似地，如图3所示，第二匹配环50可以包括联接到轴22并可与其一起旋转的第二圆柱形套筒118、以及从第二圆柱形套筒118径向延伸的第二凸缘120，使得第二匹配环50被配置为护圈，其中第二圆筒形套筒118从第二凸缘120朝向第二叶轮32延伸。类似地，第二凸缘120可以具有第二凸缘内直径FID2以及相对于轴线A与第二凸缘内直径FID2径向地间隔开的第二凸缘外直径FOD2，如图6所示。
参照图4，第一密封组件34可以包括限定密封壳体内部128的密封壳体126。应当理解，第一密封组件34的各种特征的描述同样适用于第二密封组件44。例如，第一密封组件34可以包括密封壳体126，并且第二密封组件44可以包括单独的密封壳体126。当存在密封壳体126时，第一碳环36被设置在密封壳体内部128中。第一密封组件34还可以包括设置在密封壳体内部128中的偏置构件130。当存在时，偏置构件130联接到密封壳体126和第一碳环36，使得偏置构件130被适配成使第一碳环36朝向第一匹配环40偏置。确切地，当存在时，偏置构件130被适配成使第一碳表面38朝向第一匹配表面42偏置。在一个实施例中，偏置构件130是弹簧。第一密封组件34可以包括辅助密封件132，该辅助密封件联接到第一密封壳体126和第一碳环36以防止润滑剂泄漏。在一个实施例中，辅助密封件132是O形环密封件。
应当理解，下文对第一碳环36的描述可以同样适用于第二碳环46和对应的部件。第一碳环36可以在第一位置与第二位置之间可移动，在该第一位置时，第一碳表面38与第一匹配表面42相接合(即，启动之前)，并且在该第二位置时，第一碳表面38与第一匹配表面42间隔开而使得第一碳表面38和第一匹配表面42脱接合以允许第一匹配环40旋转(即，启动之后)。典型地，当第一碳环36处于第二位置时，第一碳表面38和第一匹配表面42彼此之间限定空隙。该空隙可以在0.5微米与4微米之间。当第一碳环36处于第二位置时在第一碳表面38与第一匹配表面42之间限定的空隙实现了“脱离”之后的最小效率损失。当第一碳环36处于第二位置时，第一碳表面38和第一匹配表面42可以具有由第一匹配环40的旋转而形成的气体膜。如上文所描述的，空隙典型地在0.5微米与4微米之间。在第一碳表面38与第一匹配表面42之间限定空隙允许旋转机器20是竖直或水平定向的，而标准的活塞环密封系统要求将旋转机器水平地布置。此外，当第一碳环36处于第二位置时，在轴22的旋转过程中，第一匹配环40背离轴线A径向地引导润滑剂，这防止润滑剂泄漏到旋转机器20的不希望区域(比如，第一叶轮30或其他密封系统)，并且帮助将润滑剂流引向排润滑剂口。
参照图1至图3，旋转机器20可以包括限定轴承壳体内部136的轴承壳体134、设置在轴承壳体内部136中并且在轴的第一端部26处可旋转地支撑轴22的第一润滑剂馈送轴承138、以及设置在轴承壳体内部136中并且在轴22的第二端部28处可旋转地支撑轴22的第二润滑剂馈送轴承140。可以从润滑剂通道141向第一润滑剂馈送轴承138和/或第二润滑剂馈送轴承140提供润滑剂，该润滑剂通道可以被限定在轴承壳体134内。当旋转机器包括第一润滑剂馈送轴承138和第二润滑剂馈送轴承140时，具有第一匹配环40和第一碳环36的第一密封组件34以及具有第二匹配环50和第二碳环46的第二密封组件44减少了到达第一叶轮30和第二叶轮32的润滑剂的泄漏，这相应地增加了旋转机器20的寿命。另外，旋转机器20的性能得以提高，因为由于具有第一匹配环40和第一碳环36的第一密封组件34以及具有第二匹配环50和第二碳环46的第二密封组件44可以使用第一润滑剂馈送轴承138和第二润滑剂馈送轴承140。第一润滑剂馈送轴承138和第二润滑剂馈送轴承140可以是任何合适的润滑剂馈送轴承，比如球轴承。例如，如下文更详细地描述的，利用润滑剂馈送轴承改善了旋转机器20的性能和寿命，并且具有第一密封组件34和第二密封组件44允许旋转机器20利用润滑剂馈送轴承作为第一密封组件34和第二密封组件44减少(如果不能消除的话)来自润滑剂的任何污染物以免其到达第一叶轮30和第二叶轮32。
为了便于说明，应当理解，下文描述的密封组件、碳环、碳表面、匹配环、润滑剂馈送轴承、碳环内直径、碳环外直径、凸台部分、内匹配直径、外匹配直径、凸台面积、多个开槽部分以及开槽面积在图4至图12中使用第一密封组件34、第一碳环36、第一碳表面38、第一匹配环40、第一润滑剂馈送轴承138、第一碳环内直径CID1、第一碳环外直径COD1、第一凸台部分70、第一内匹配直径IMD1、第一外匹配直径OMD1、第一凸台面积76、第一多个开槽部分78以及第一开槽面积80的元件标号进行标记。
在另一个实施例中，如图13所示，旋转机器20包括限定轴承壳体内部136的轴承壳体134、沿着轴线A在第一端部26与第二端部28之间延伸的轴22，该第二端部沿着轴线A与第一端部26间隔开，其中轴22设置在轴承壳体内部136中。旋转机器20还包括联接到轴承壳体134的叶轮壳体150。应当理解，叶轮壳体150和轴承壳体134可以彼此成一体(即，一件式)，或者可以是分开的部件(即，两件或更多件)。叶轮壳体150限定叶轮壳体内部152。旋转机器20进一步包括叶轮154，该叶轮在第一端部26处联接到轴22、并且设置在叶轮壳体内部152中。旋转机器20另外包括设置在轴承壳体内部136中的密封组件34。密封组件34包括：碳环36，该碳环绕轴22设置并且沿着轴线A与叶轮154间隔开，其中碳环36具有碳表面38；以及匹配环40，该匹配环绕轴22设置并且沿着轴线A与叶轮154间隔开，使得碳环36设置在叶轮154与匹配环40之间，其中匹配环40具有面向碳表面38并被配置为接触碳表面的匹配表面42。旋转机器20进一步包括设置在轴承壳体内部136中并且在第一端部26处可旋转地支撑轴22的润滑剂馈送轴承138，其中密封组件34相对于轴线A设置在润滑剂馈送轴承138与叶轮154之间。旋转机器20还包括电机56，该电机包括可旋转地联接到轴22的转子58以及绕转子58设置的定子60。电机56可以被配置为用于将旋转扭矩输送到轴22以使叶轮154旋转的电动马达和/或可以被配置为用于将旋转扭矩接收到轴22以将机械能转换成电能的发电机。叶轮壳体内部152被适配成流体地联接到无污染物环境156，其中碳环36和匹配环40防止润滑剂进入无污染物环境156。
具有防止润滑剂和其他污染物进入叶轮壳体内部152的匹配环40和碳环36允许叶轮壳体内部152流体地联接到无污染物环境156。无污染物环境的一个示例是燃料电池，如下文进一步详细描述的。无污染物环境的另一个示例是有机朗肯循环废热回收系统。
当旋转机器20用于有机朗肯循环废热回收系统中时，叶轮154可进一步被限定为配置成接收工作流体的涡轮机轮，并且叶轮壳体150可进一步被限定为涡轮机壳体。在此类实施例中，涡轮机壳体限定涡轮机壳体内部，该涡轮机壳体内部流体地联接到无污染物环境。此外，在此类实施例中，旋转机器20可以包括电机56，其中电机56被配置为发电机。另外，在此类实施例中，涡轮机轮可以是唯一可旋转地联接到轴22的叶轮。当叶轮壳体150进一步被限定为涡轮机壳体时，流体地联接到无污染物环境的涡轮机壳体内部然后也可以被认为是无污染物环境的一部分。
对任何形式的碳氢化合物和其他污染物敏感的任何无污染物环境，匹配环40和碳环36会减少(如果不能消除的话)来自润滑剂的碳氢化合物和其他污染物进入无污染环境。无污染物环境的另一个示例可以是在大气水发生器中，其中从空气蒸气中回收水。
在一个实施例中，叶轮壳体150进一步被限定为压缩机壳体，叶轮壳体内部152进一步被限定为压缩机壳体内部，并且叶轮154进一步被限定为配置成输送工作流体(比如空气)的压缩机轮。当叶轮壳体150进一步被限定为压缩机壳体时，流体地联接到无污染物环境156的压缩机壳体内部然后也可以被认为是无污染物环境156的一部分。
在此类实施例中，在叶轮壳体内部152被适配成流体地联接到无污染物环境156的情况下，如上所述，旋转机器20可以包括第二叶轮32。在此类实施例中，第一叶轮30可以进一步被限定为配置成输送工作流体的压缩机轮，或者可以进一步被限定为配置成接收工作流体的涡轮机轮。此外，在此类实施例中，第二叶轮32可以进一步被限定为配置成输送工作流体的压缩机轮，或者被限定为配置成接收工作流体的涡轮机轮。应当理解，当存在第二叶轮32时，旋转机器20可以可选地包括如上所述的第二密封组件44。如上所述，在旋转机器20用于有机朗肯废热回收系统中的实施例中，第二叶轮32可以进一步被限定为用于泵送有机朗肯循环废热回收系统中的工作流体的泵叶轮。在此类实施例中，叶轮壳体150可以进一步被限定为限定泵内部的泵壳体。此外，在此类实施例中，流体地联接到无污染物环境156的泵壳体内部然后也可以被认为是无污染物环境156的一部分。
在其中叶轮壳体内部152被适配成流体地联接到无污染物环境156的实施例中，其中碳环36和匹配环40防止润滑剂进入无污染物环境，碳表面38可以具有碳环内直径CID1和背离轴线A与碳环内直径CID1径向地间隔开的碳环外直径COD1。在此类实施例中，匹配表面42具有凸台部分70，该凸台部分被配置为在相对于轴线A与碳环内直径CID1径向对齐的内匹配直径IMD1和相对于轴线A与碳环外直径COD1径向对齐的外匹配直径OMD1之间接触碳表面38。在此类实施例中，凸台部分70具有在内匹配直径IMD1与外匹配直径OMD1之间的凸台面积76，匹配表面42限定绕轴线A设置的多个开槽部分78，并且多个开槽部分78具有在内匹配直径IMD1与外匹配直径OMD1之间的开槽面积80，并且其中凸台面积76与开槽面积80之比在1.3与2.9之间。
参照图12，系统142包括旋转机器20，该旋转机器包括限定轴承壳体内部136的轴承壳体134、以及沿着轴线A在第一端部26与第二端部28之间延伸的轴22，该第二端部沿着轴线A与第一端部26间隔开，其中轴22设置在轴承壳体内部136中。在系统142中，旋转机器20还包括：联接到轴承壳体134的压缩机壳体158，其中压缩机壳体158限定压缩机壳体内部160；压缩机轮162，该压缩机轮在第一端部26联接到轴22、并且设置在压缩机壳体内部160中；以及密封组件34，该密封组件设置在轴承壳体内部136中。密封组件34包括：碳环36，该碳环绕轴22设置并且沿着轴线A与压缩机轮162间隔开，其中碳环36具有碳表面38；以及匹配环40，该匹配环绕轴22设置并且沿着轴线A与压缩机轮162间隔开，使得碳环36设置在压缩机轮162与匹配环40之间，其中匹配环40具有面向碳表面38并被配置为接触碳表面的匹配表面42。旋转机器20另外包括设置在轴承壳体内部136中并且在第一端部26处可旋转地支撑轴22的润滑剂馈送轴承138，其中密封组件34相对于轴线A设置在润滑剂馈送轴承138与压缩机轮162之间，并且电机56包括可旋转地联接到轴22的转子58以及绕转子58设置的定子60，其中电机56被配置为将扭矩传递到轴22以使压缩机轮162旋转。系统142还包括燃料电池组件144，其在图12中示意性地示出，包括限定燃料电池内部148的燃料电池壳体146和设置在燃料电池内部148中的燃料电池145。压缩机壳体158联接到燃料电池壳体146，并且压缩机壳体内部160流体地联接到燃料电池内部148，以用于将压缩空气输送到燃料电池组件144以便冷却燃料电池145。
在此类环境中，重要的是减少任何种类的污染物进入燃料电池内部148。已知燃料电池对碳氢化合物中毒非常敏感。有鉴于此，包括具有第一匹配环40和第一碳环36的第一密封组件34，以及可选地第二叶轮32和具有第二匹配环50和第二碳环46的第二密封组件44的旋转机器20减少了污染物向第一叶轮30和第二叶轮32(如果存在的话)的泄漏，这总体上提高了旋转机器20的性能和寿命。特别地，包括第一密封组件34和可选地第二密封组件44的旋转机器20极大地减少(如果不能消除的话)碳氢化合物和其他污染物进入燃料电池内部148。在旋转机器20包括第一润滑剂馈送轴承138和第二润滑剂馈送轴承140的实施例中，第一密封组件34和第二密封组件44允许旋转机器20将更便宜、更有效且寿命更长的润滑剂馈送轴承用作第一密封组件34和第二密封组件44极大地减少(如果不能消除的话)比如碳氢化合物的任何污染物进入燃料电池内部148。
具有匹配环40和碳环36防止来自润滑剂馈送轴承138的润滑剂和其他污染物进入压缩机壳体内部152，并且因此防止进入燃料电池内部148，从而总体上提高了旋转机器20的性能和寿命。另外，如上所述，燃料电池对任何形式的碳氢化合物污染物高度敏感，并且匹配环40和碳环36减少(如果不能消除的话)来自润滑剂的碳氢化合物污染物进入燃料电池内部148。防止来自润滑剂的碳氢化合物污染物进入燃料电池内部148提高了燃料电池145的效率和寿命，因为碳氢化合物和其他污染物无法使燃料电池145毒化并随时间降低效率。
在系统142的一些实施例中，碳表面38具有碳环内直径CID1和背离轴线A与碳环内直径CID1径向地间隔开的碳环外直径COD1，并且匹配表面42具有凸台部分70，该凸台部分被配置为在相对于轴线A与碳环内直径CID1径向对齐的内匹配直径IMD1和相对于轴线A与碳环外直径COD1径向对齐的外匹配直径OMD1之间接触碳表面38。此外，在此类实施例中，凸台部分70具有在内匹配直径IMD1与外匹配直径OMD1之间的凸台面积76，匹配表面42限定绕轴线A设置的多个开槽部分78，并且多个开槽部分78具有在内匹配直径IMD1与外匹配直径OMD1之间的开槽面积80，其中凸台面积76与开槽面积之比在1.3与2.9之间。
应当理解，系统142包括这样的实施例，其中旋转机器20仅具有一个叶轮(例如，第一叶轮30)，并且因此仅具有第一密封组件34，并且旋转机器20具有两个叶轮(例如，第一叶轮30和第二叶轮32)。在系统142的旋转机器20包括第一叶轮30和第二叶轮32的此类实施例中，应当理解，第二叶轮32可以进一步被限定为配置成输送压缩空气的压缩机轮或者配置为接收工作流体(比如排气)的涡轮机轮。在任一实施例中，应当理解，系统142的旋转机器20可以包括第二密封组件44，该第二密封组件包括第二碳环46和第二匹配环50，如上文详细描述的。
已经以展示性的方式描述了本实用新型，并且应理解的是，已经使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于上述传授内容，本实用新型的许多修改和变化是可能的，并且本实用新型可以以具体描述的之外的方式来实施。

Claims (27)

1.一种旋转机器，其特征在于，所述旋转机器包括：
轴，所述轴沿着轴线在第一端部与第二端部之间延伸，所述第二端部沿着所述轴线与所述第一端部间隔开；
第一叶轮，所述第一叶轮联接到所述轴的所述第一端部；
第二叶轮，所述第二叶轮联接到所述轴的所述第二端部；
第一密封组件，所述第一密封组件包括：
第一碳环，所述第一碳环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述第一叶轮间隔开，其中所述第一碳环具有第一碳表面，以及
第一匹配环，所述第一匹配环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述第一叶轮间隔开，使得所述第一碳环被设置在所述第一叶轮与所述第一匹配环之间，其中所述第一匹配环具有面向所述第一碳表面并被配置为接触所述第一碳表面的第一匹配表面；以及
第二密封组件，所述第二密封组件包括：
第二碳环，所述第二碳环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述第二叶轮间隔开，其中所述第二碳环具有第二碳表面，以及
第二匹配环，所述第二匹配环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述第二叶轮间隔开，使得所述第二碳环被设置在所述第二叶轮与所述第二匹配环之间，其中所述第二匹配环具有面向所述第二碳表面并被配置为接触所述第二碳表面的第二匹配表面。
2.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述第一匹配表面面向所述轴的所述第一端部，并且所述第二匹配表面面向所述轴的所述第二端部，使得所述第一匹配表面和所述第二匹配表面相对于所述轴线面向相反的方向。
3.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述第一叶轮和所述第二叶轮可移除地联接到所述轴。
4.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述第一叶轮和所述第二叶轮由铝或钛构成。
5.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述第一叶轮进一步被限定为配置成输送压缩空气的压缩机轮，并且其中所述第二叶轮进一步被限定为配置成接收工作流体的涡轮机轮。
6.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器进一步包括电机，其中所述电机包括可旋转地联接到所述轴的转子以及绕所述转子设置的定子。
7.根据权利要求6所述的旋转机器，其特征在于，所述第一叶轮进一步被限定为配置成输送压缩空气的第一压缩机轮，其中所述第二叶轮进一步被限定为配置成输送压缩空气的第二压缩机轮，并且其中，所述电机被配置为将扭矩传递到所述轴以使所述第一压缩机轮和所述第二压缩机轮旋转。
8.根据权利要求7所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器进一步包括限定轴承壳体内部的轴承壳体，其中，所述电机设置在所述轴承壳体内部中。
9.根据权利要求8所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器进一步包括：第一压缩机壳体，所述第一压缩机壳体限定第一压缩机内部并且联接到所述轴承壳体；以及第二压缩机壳体，所述第二压缩机壳体限定第二压缩机内部并且联接到所述轴承壳体，所述第二压缩机壳体沿着所述轴线与所述第一压缩机壳体间隔开，使得所述轴承壳体相对于所述轴线设置在所述第一压缩机壳体与所述第二压缩机壳体之间，其中，所述第一压缩机轮设置在所述第一压缩机内部中，并且所述第二压缩机轮设置在所述第二压缩机内部中。
10.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述第一碳表面具有第一碳环内直径和背离所述轴线与所述第一碳环内直径径向地间隔开的第一碳环外直径，其中，所述第一匹配表面具有第一凸台部分，所述第一凸台部分被配置为在相对于所述轴线与所述第一碳环内直径径向对齐的第一内匹配直径和相对于所述轴线与所述第一碳环外直径径向对齐的第一外匹配直径之间接触所述第一碳表面，其中，所述第一凸台部分具有在所述第一内匹配直径与所述第一外匹配直径之间的第一凸台面积，其中，所述第一匹配表面限定绕所述轴线设置的第一多个开槽部分，其中，所述第一多个开槽部分具有在所述第一内匹配直径与所述第一外匹配直径之间的第一开槽面积，并且其中，所述第一凸台面积与所述第一开槽面积之比在1.3与2.9之间。
11.根据权利要求10所述的旋转机器，其特征在于，所述第一多个开槽部分绕所述轴线呈螺旋状。
12.根据权利要求11所述的旋转机器，其特征在于，所述第一多个开槽部分具有第一凹槽内直径，并且其中，所述第一碳环内直径与所述第一凹槽内直径之比大于1.0。
13.根据权利要求12所述的旋转机器，其特征在于，所述第一碳环内直径与所述第一凹槽内直径的所述比在1.02与1.10之间。
14.根据权利要求10所述的旋转机器，其特征在于，所述第一多个开槽部分具有第一凹槽外直径，并且其中，所述第一碳环外直径与所述第一凹槽外直径之比大于1.0。
15.根据权利要求14所述的旋转机器，其特征在于，所述第一碳环外直径与所述第一凹槽外直径的所述比在1.05与1.25之间。
16.根据权利要求10所述的旋转机器，其特征在于，所述第二碳表面具有第二碳环内直径和背离所述轴线与所述第二碳环内直径径向地间隔开的第二碳环外直径，其中，所述第二匹配表面具有第二凸台部分，所述第二凸台部分被配置为在相对于所述轴线与所述第二碳环内直径径向对齐的第二内匹配直径和相对于所述轴线与所述第二碳环外直径径向对齐的第二外匹配直径之间接触所述第二碳表面，其中，所述第二凸台部分具有在所述第二内匹配直径与所述第二外匹配直径之间的第二凸台面积，其中，所述第二匹配表面限定绕所述轴线设置的第二多个开槽部分，其中，所述第二多个开槽部分具有在所述第二内匹配直径与所述第二外匹配直径之间的第二开槽面积，并且其中，所述第二凸台面积与所述第二开槽面积之比在1.3与2.9之间。
17.根据权利要求16所述的旋转机器，其特征在于，所述第一多个开槽部分绕所述轴线呈螺旋状，并且其中，所述第二多个开槽部分绕所述轴线呈螺旋状。
18.根据权利要求17所述的旋转机器，其特征在于，所述第一多个开槽部分具有第一凹槽内直径，其中，所述第一碳环内直径与所述第一凹槽内直径之比大于1.0，其中，所述第二多个开槽部分具有第二凹槽内直径，并且其中，所述第二碳环内直径与所述第二凹槽内直径之比大于1.0。
19.根据权利要求18所述的旋转机器，其特征在于，所述第一碳环内直径与所述第一凹槽内直径之比在1.02与1.10之间，并且其中，所述第二碳环内直径与所述第二凹槽内直径的所述比在1.02与1.10之间。
20.根据权利要求16所述的旋转机器，其特征在于，所述第一多个开槽部分具有第一凹槽外直径，其中，所述第一碳环外直径与所述第一凹槽外直径之比大于1.0，其中，所述第二多个开槽部分具有第二凹槽外直径，并且其中，所述第二碳环外直径与所述第二凹槽外直径之比大于1.0。
21.根据权利要求20所述的旋转机器，其特征在于，所述第一碳环外直径与所述第一凹槽外直径之比在1.05与1.25之间，并且其中，所述第二碳环外直径与所述第二凹槽外直径的所述比在1.05与1.25之间。
22.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述第一匹配环包括：第一圆柱形套筒，所述第一圆柱形套筒联接到所述轴并且能够随所述轴旋转；以及第一凸缘，所述第一凸缘从所述第一圆柱形套筒径向地延伸，使得所述第一匹配环被配置为护圈，其中所述第一圆柱形套筒从所述第一凸缘朝向所述第一叶轮延伸，并且其中，所述第二匹配环包括：第二圆柱形套筒，所述第二圆柱形套筒联接到所述轴并且能够随所述轴旋转；以及第二凸缘，所述第二凸缘从所述第二圆柱形套筒径向地延伸，使得所述第二匹配环被配置为护圈，其中所述第二圆柱形套筒从所述第二凸缘朝向所述第二叶轮延伸。
23.根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，所述旋转机器进一步包括限定轴承壳体内部的轴承壳体、设置在所述轴承壳体内部中并且在所述轴的所述第一端部处可旋转地支撑所述轴的第一润滑剂馈送轴承、以及设置在所述轴承壳体内部中并且在所述轴的所述第二端部处可旋转地支撑所述轴的第二润滑剂馈送轴承。
24.一种旋转机器，其特征在于，所述旋转机器包括：
轴承壳体，所述轴承壳体限定轴承壳体内部；
轴，所述轴沿着轴线在第一端部与第二端部之间延伸，所述第二端部沿着所述轴线与所述第一端部间隔开，其中所述轴设置在所述轴承壳体内部中；
叶轮壳体，所述叶轮壳体联接到所述轴承壳体，其中所述叶轮壳体限定叶轮壳体内部；
叶轮，所述叶轮在所述第一端部处联接到所述轴、并且设置在所述叶轮壳体内部中；
密封组件，所述密封组件设置在所述轴承壳体内部中，并且包括：
碳环，所述碳环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述叶轮间隔开，其中所述碳环具有碳表面，以及
匹配环，所述匹配环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述叶轮间隔开，使得所述碳环被设置在所述叶轮与所述匹配环之间，其中所述匹配环具有面向所述碳表面并被配置为接触所述碳表面的匹配表面；
润滑剂馈送轴承，所述润滑剂馈送轴承设置在所述轴承壳体内部中，并且在所述第一端部处可旋转地支撑所述轴，其中所述密封组件相对于所述轴线设置在所述润滑剂馈送轴承与所述叶轮之间；以及
电机，所述电机包括可旋转地联接到所述轴的转子、以及绕所述转子设置的定子；
其中，所述叶轮壳体内部被适配成流体地联接到无污染物环境，其中所述碳环和所述匹配环防止润滑剂进入所述无污染物环境。
25.根据权利要求24所述的旋转机器，其特征在于，所述碳表面具有碳环内直径和背离所述轴线与所述碳环内直径径向地间隔开的碳环外直径，其中，所述匹配表面具有凸台部分，所述凸台部分被配置为在相对于所述轴线与所述碳环内直径径向对齐的内匹配直径和相对于所述轴线与所述碳环外直径径向对齐的外匹配直径之间接触所述碳表面，其中，所述凸台部分具有在所述内匹配直径与所述外匹配直径之间的凸台面积，其中，所述匹配表面限定绕所述轴线设置的多个开槽部分，其中，所述多个开槽部分具有在所述内匹配直径与所述外匹配直径之间的开槽面积，并且其中，所述凸台面积与所述开槽面积之比在1.3与2.9之间。
26.一种燃料电池供气系统，其特征在于，所述燃料电池供气系统包括：
旋转机器，所述旋转机器包括：
轴承壳体，所述轴承壳体限定轴承壳体内部，
轴，所述轴沿着轴线在第一端部与第二端部之间延伸，所述第二端部沿着所述轴线与所述第一端部间隔开，其中所述轴设置在所述轴承壳体内部中；
压缩机壳体，所述压缩机壳体联接到所述轴承壳体，其中所述压缩机壳体限定压缩机壳体内部；
压缩机轮，所述压缩机轮在所述第一端部处联接到所述轴、并且设置在所述压缩机壳体内部中；
密封组件，所述密封组件设置在所述轴承壳体内部中，并且包括：
碳环，所述碳环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述压缩机轮间隔开，其中所述碳环具有碳表面，以及
匹配环，所述匹配环绕所述轴设置并且沿着所述轴线与所述压缩机轮间隔开，使得所述碳环被设置在所述压缩机轮与所述匹配环之间，其中所述匹配环具有面向所述碳表面并被配置为接触所述碳表面的匹配表面，
润滑剂馈送轴承，所述润滑剂馈送轴承设置在所述轴承壳体内部中，并且在所述第一端部处可旋转地支撑所述轴，其中所述密封组件相对于所述轴线设置在所述润滑剂馈送轴承与所述压缩机轮之间，以及
电机，所述电机包括可旋转地联接到所述轴的转子、以及绕所述转子设置的定子，其中所述电机被配置为将扭矩传递到所述轴以使所述压缩机轮旋转；以及
燃料电池组件，所述燃料电池组件包括：
限定燃料电池内部的燃料电池壳体，以及
设置在所述燃料电池内部中的燃料电池；
其中，所述压缩机壳体联接到所述燃料电池壳体，并且其中，所述压缩机壳体内部流体地联接到所述燃料电池内部，以用于将压缩空气输送到所述燃料电池组件以便冷却所述燃料电池。
27.根据权利要求26所述的燃料电池供气系统，其特征在于，所述碳表面具有碳环内直径和背离所述轴线与碳环内直径径向地间隔开的碳环外直径，其中，所述匹配表面具有凸台部分，所述凸台部分被配置为在相对于所述轴线与所述碳环内直径径向对齐的内匹配直径和相对于所述轴线与所述碳环外直径径向对齐的外匹配直径之间接触所述碳表面，其中，所述凸台部分具有在所述内匹配直径与所述外匹配直径之间的凸台面积，其中，所述匹配表面限定绕所述轴线设置的多个开槽部分，其中，所述多个开槽部分具有在所述内匹配直径与所述外匹配直径之间的开槽面积，并且其中，所述凸台面积与所述开槽面积之比在1.3与2.9之间。
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