CN215333481U - 一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于流体机械领域，涉及一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，包括：一级蜗壳、二级蜗壳分别安装在电机壳体的两端，主轴的两端背靠背分别安装有一级叶轮和二级叶轮，一级叶轮和二级叶轮分别位于一级蜗壳、二级蜗壳内；电机壳体和一级蜗壳之间设有一级轴封，电机壳体和二级蜗壳之间设有二级轴封。本实用新型通过调整一级轴封和二级轴封的进气压力控制一级叶轮和二级叶轮的轮背压力，分别与一级叶轮的前后压差所产生的轴向力和二级叶轮的前后压差所产生的轴向力平衡掉，避免了离心式压缩机由于轴向力不平衡而导致的磨损和故障，提高压缩机的性能和使用寿命。同时可以轮背作为止推盘，取消止推轴承，提高叶轮定位精度和整机的紧凑性。

Description

一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构

技术领域

本实用新型属于流体机械领域，涉及一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构。

背景技术

离心式压缩机中作为流体机械的一种，在冶金、石油化工、天然气输送、制冷以及动力等工业领域获得广泛应用，在推动经济发展中起着至关重要的作用。

离心式压缩机中气体压力的提高，是由于气体流经叶轮时，叶轮高速旋转对气体做功而使气体产生压力提升，与此同时气体获得高速度，在气体通过扩压器和蜗壳扩张通道时，气体的流动速度逐渐降低，动能转变为压力能使压力进一步提高。

传统的离心式压缩机在设计工况下运行平稳，但在非设计工况往往存在一些缺点和不足，比如压缩机运转时轴向力不平衡导致轴系窜动，轴向载荷增大，导致轴承磨损严重，影响压缩机的性能和寿命。另外传统的离心式压缩机在高压力的工况下，叶轮和轮背侧的压差过大时也容易出现轴向力不平衡的问题。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，以克服上述现有技术的缺陷。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特殊之处在于，包括：

电机壳体、主轴、电机、一级蜗壳、二级蜗壳；电机位于电机壳体内，电机带动主轴转动；

一级蜗壳、二级蜗壳分别安装在电机壳体的两端，主轴的两端背靠背分别安装有一级叶轮和二级叶轮，一级叶轮和二级叶轮分别位于一级蜗壳、二级蜗壳内；

所述电机壳体和一级蜗壳之间设有一级轴封，所述电机壳体和二级蜗壳之间设有二级轴封；

所述一级轴封将一级蜗壳的腔室与电机壳体内的腔室分隔开来，所述二级轴封将二级蜗壳的腔室与电机壳体内的腔室分隔开来，在减小叶轮出口气体向轮背的泄漏量的基础上保证压缩机中一级叶轮、二级叶轮运转时相对独立，互不影响。

进一步地，上述电机壳体上对应一级轴封、二级轴封的位置分别开设第一通气孔、第三通气孔；所述一级轴封、二级轴封开第二通气孔和第四通气孔，第二通气孔和第四通气孔的出口轴线与所述主轴平行并指向所述一级叶轮、二级叶轮轮背；所述第一通气孔、第三通气孔分别与第二通气孔和第四通气孔连通。

通过调节通入所述通气孔和的压力，调节一级和二级叶轮轮背的压力从而使与各级叶轮的轴向力平衡，避免单个叶轮轴向力过大带来变形量、振动过大的问题。另外，对叶轮轮背供气可以减小叶轮出口的泄漏，达到有效密封的目的。

进一步地，上述第二通气孔和第四通气孔的数量为多个，在圆周方向上均匀分布，以使一级叶轮、二级叶轮轮背具有均匀的压力。

进一步地，上述主轴上抵靠所述一级轴封内侧设有第一动压径向气体轴承；抵靠所述二级轴封内侧设有第二动压径向气体轴承，所述第一动压径向气体轴承、第二动压径向气体轴承共同支承所述主轴，并承担所述主轴的径向载荷，所述两级叶轮轮背的共同作用，承担所述主轴的轴向载荷。直接利用两级叶轮轮背面作为止推面，不仅使压缩机的结构更加紧凑，而且可以提高叶轮的定位精度，保证叶轮在小间隙的情况下也能安全稳定运行，进一步提高叶轮的效率。

进一步地，上述电机壳体靠近所述一级轴封内侧、二级轴封位置设置分别有上通孔和下通孔。

进一步地，上述一级蜗壳上设置一级入口和一级出口，一级入口设置在所述一级蜗壳中心位置处，所述一级出口设置在所述一级蜗壳圆周上；所述二级蜗壳上设置二级入口和二级出口，二级入口设置在所述二级蜗壳中心位置处，所述二级出口设置在所述二级蜗壳圆周上。一级出口与二级入口连通。

进一步地，上述一级蜗壳与所述一级轴封装配后形成一级叶轮扩压器，所述一级叶轮出口正对所述一级叶轮扩压器入口；所述二级蜗壳与所述二级轴封装配后形成二级叶轮扩压器，所述二级叶轮出口正对所述二级叶轮扩压器入口。

进一步地，上述电机包括电机转子和电机定子，电机定子固定在电机壳体内，电机转子带动主轴转动。

进一步地，上述电机壳体上的第一通气孔、第三通气孔分别安装有与外部设备连通的接头。

进一步地，上述电机壳体的上通孔和下通孔安装有与外部设备连通的接头。

本实用新型的优点：

1)本实用新型在工作时，一级叶轮前后的压差会产生一个轴向力，二级叶轮前后的压差也会产生一个轴向力。通过调整一级轴封和二级轴封的进气压力控制一级叶轮和二级叶轮的轮背压力，一级叶轮的前后压差所产生的轴向力和二级叶轮的前后压差所产生的轴向力能够分别平衡掉，避免了离心式压缩机由于轴向力不平衡而导致的磨损和故障，提高压缩机的性能和使用寿命。

2)紧凑、高效。本实用新型直接利用两级叶轮轮背作为止推面，不用止推轴承，提高压缩机的紧凑性，而且可以保证叶轮的精确定位，减小叶轮的振动、变形，叶轮的间隙也可以减小，从而提高叶轮的效率。同时，对轮背供气提高了轮背侧的压力，可以减小叶轮出口的泄漏。

3、)洁净、长寿命和高可靠性。本实用新型采用气体轴承，不仅无磨损，维护成本低，而且洁净性好。另外两侧叶轮的轴向载荷可主动平衡，转子的运转状态平稳，轴承的可靠性高，使用寿命长。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机的结构示意图；

图2为图1所示离心式压缩机中一级轴封的结构示意图；

图3为图1所示离心式压缩机中二级轴封的结构示意图；

图4为图1所示离心式压缩机的工作原理示意图。

其中：1、电机壳体，2、第一动压径向轴承，3、电机，5、第二动压径向轴承，6、一级叶轮扩压器，7、二级叶轮扩压器，12、一级蜗壳，13、二级蜗壳，14、主轴，15、电机转子，16、电机定子，17、上接头，18、下接头，21、一级轴封，22、二级轴封，27、一级叶轮，30、二级叶轮，31、第一通气孔， 32、第二通气孔，33、第三通气孔，34、第四通气孔，35、上通孔，36、下通孔，37、第一接头，38、第二接头，41、一级入口，42、一级出口，43、二级入口，44、二级出口，48、腔室，100、离心式压缩机，101、二级压缩机，102、一级压缩机，103、双级压缩循环冷凝器，104、经济器，105、第一节流阀，106、第二节流阀，107、双级压缩循环蒸发器，108、储液罐，109、第三节流阀，110、第四节流阀。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。

一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，如图1所示，包括电机壳体1、位于电机壳体1中的主轴14、以及安装在电机壳体1内的电机3。电机壳体1 的左侧端部处，安装有一级蜗壳12和一级轴封21。电机壳体的右侧端部处，安装有二级蜗壳13和二级轴封22。主轴14的左侧端部处，安装有一级叶轮27。主轴14的右侧端部处，安装有二级叶轮30。

在一级蜗壳12上设有一级入口41和一级出口42，一级入口41设置在一级蜗壳12中心位置，一级出口42设置在一级蜗壳12圆周上；在二级蜗壳13上设有二级入口43和二级出口44，二级入口43设置在二级蜗壳13中心位置，二级出口44设置在二级蜗壳13圆周上。

一级叶轮27位于一级蜗壳12内，一级蜗壳12与一级轴封21装配后形成一级叶轮扩压器6，一级叶轮27出口正对一级叶轮扩压器6入口。二级叶轮30 位于二级蜗壳13内，二级蜗壳13与二级轴封22装配后形成二级叶轮扩压器7，二级叶轮30出口正对二级叶轮扩压器7入口。

一级轴封21将一级蜗壳腔室12与电机3所在腔室分隔开来，二级轴封22 将二级蜗壳13腔室与电机壳体1腔室分隔开来，压缩机中一级叶轮27与二级叶轮30运转时相对独立，互不影响。

作为本实用新型的一个优选实施例，在电机壳体1端部安装一级轴封21的位置，例如在图1所示状态下的电机壳体1左侧端部处，开第一通气孔31，第一通气孔31外安装有与外部设备连通的第一接头37(图示未标出)；一级轴封 21开第二通气孔32，第二通气孔32入口轴线与主轴14垂直，第二通气孔32 出口轴线与主轴14平行并指向一级叶轮27；电机壳体1端部的第一通气孔31 与一级轴封21上的第二通气孔32连通。

在电机壳体1端部安装二级轴封22的位置，例如在图1所示状态下的电机壳体1右侧端部处，开第三通气孔33，第三通气孔33外安装有与外部设备连通的第二接头38(图示未标出)；二级轴封22开第四通气孔34，第四通气孔34 入口轴线与主轴14垂直，第四通气孔34出口轴线与主轴14平行并指向一级叶轮30；电机壳体1端部的第三通气孔33与二级轴封22上的第四通气孔34连通。

如图2和3所示，第二通气孔32和第四通气孔34可以包含多个通气孔，以使一级叶轮27、二级叶轮30轮背具有均匀的压力。

作为本实用新型的一个优选实施例，在电机壳体1靠近一级轴封21内侧位置，例如在图1所示状态下的电机壳体1左侧端部处，设置有上通孔35，上通孔35外安装有与外部设备连通的上接头17(图示未标出)；在电机壳体1靠近二级轴封22内侧位置设置有下通孔36，下通孔36外安装有与外部设备连通的下接头18(图示未标出)。通过上接头17和上通孔35可以向电机壳体1内部供给冷却剂等介质，再通过下接头18和下通孔36将电机壳体1内部的冷却剂等介质排出，这样可以对电机3进行冷却，可以防止电机3过热而导致的运行故障。

作为本实用新型的一个优选实施例，在主轴14上抵靠一级轴封21内侧，例如在图1所示状态下的主轴左侧处，设有第一动压径向气体轴承2；抵靠所述二级轴封内侧设有第二动压径向气体轴承5。所述两动压径向气体轴承共同支承所述主轴，并承担所述主轴的径向载荷，直接利用所述两级叶轮轮背面作为止推面，利用所述两级叶轮轮背的共同作用，承担所述主轴的轴向载荷。

在离心式压缩机的工作过程中，冷却介质会进入电机所在腔室48内，第一动压径向气体轴承2、第二动压径向气体轴承5与主轴14之间形成动压径向气体摩擦副；介质通过电机壳体两端的第一通气孔31、第三通气孔33，进入各级叶轮的轮背，各级叶轮高速旋转时，各级轴封与叶轮轮背之间产生气膜，提供轴向载荷和平衡叶轮的轴向力。当主轴14旋转时，进入电机所在腔室48内的介质会流过第一动压径向气体轴承2、第二动压径向气体轴承5和主轴14之间的间隙。第一动压径向气体轴承2、第二动压径向气体轴承5与主轴14的相对运动会产生动压效应，使气膜具有高压从而具有良好的承载能力，可以使压径向气体轴承达到自润滑的效果。与传统润滑油润滑相比，不仅能防止介质与润滑油的互溶导致润滑状态的恶化，还能防止润滑油流失带来的不利影响以及降低介质在热交换设备中的换热效果。

电机3接通电源后在电机转子15和电机定子16之间产生交变磁场，磁场作用于电机转子15，使电机转子15带动主轴14旋转，主轴14进而带动一级叶轮27和二级叶轮30转动，将工质分别从一级入口41和二级口43吸入并对工质做功，提高工质压力，增压后的工质流出叶轮后还具有较大的动能。分别通过一级叶轮扩压器6和二级叶轮扩压器7后，大部分动能转变为压力能使工质压力进一步提高，最后通过位于一级蜗壳12圆周上的一级出口42和二级蜗壳 13圆周上的二级出口44排出。

在上述过程中，由于通过一级叶轮27和二级叶轮30对进入一级蜗壳12和二级蜗壳13的工质进行增压，因此一级叶轮27和二级叶轮30的轮前和轮背侧均存在压差。在图1中，一级叶轮27左侧为轮前右侧为轮背，因为增压过程发生在轮前，所以轮前平均压强低于增压后的压强，轮背具有增压后的压强。轮背压力与轮前压力产生的压差会对主轴14产生轴向力，该轴向力的方向会因一级叶轮27截面积、主轴14截面积、运行工况等因素发生改变。类似地，在图1 中，二级叶轮30轮背压力与轮前压力产生的压差也会对主轴14产生轴向力，该轴向力的方向也会因二级叶轮截面积、主轴14截面积、运行工况等因素发生改变。设计过程中尽量使一级叶轮27轮前轮背压差产生的轴向力和二级叶轮30 轮前轮背压差产生的轴向力相互平衡掉，避免了轴向力不平衡导致的故障和损失。

为了说明本实用新型实施例轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构的工作原理，仅使用带经济器一级节流两级压缩循环为例对其原理进行阐述。本实用新型实施例并不局限于此循环，也可以应用在多种其他种类的两级压缩循环。

参照图4，本实用新型实施例离心式压缩机的工作原理为：

本实用新型实施例提供的离心式压缩机100接通电源，工质首先流经一级压缩机102的一级蜗壳12中心位置的一级入口41进入一级蜗壳12的内部空腔。一级压缩机102的一级叶轮27对吸入的气体工质做工，增加气体工质的压力。增压后的气体工质通过一级蜗壳12圆周方向的出口42流出一级压缩机102，从二级蜗壳13中心位置的二级入口43进入二级压缩机101。二级压缩机101的二级叶轮30对气体工质做功后从二级蜗壳13圆周方向的二级出口44流出二级压缩机。在一级压缩机102的工作过程中，随着主轴14转速的逐步提升，第一动压径向气体轴承2和第二动压径向气体轴承5分别与主轴14形成气膜，润滑形式变为气体润滑。

经过二级压缩机101加压后的高温高压气态制冷剂流经双级压缩循环冷凝器103冷却降温为液体状态进入储液罐108，随后流出的制冷剂分为两路进入经济器104。一路制冷剂流经第一节流阀105后进入经济器104吸收热量降低经济器内另一路制冷剂的温度，随后制冷剂由离心式压缩机100上的上接头17进入电机壳体1，冷却电机壳体1内的电机3后由下接头18流出。随后与一级压缩机102出口气体混合后一起进入二级压缩机101中心位置二级入口43进行二级压缩。另一路制冷剂先流过经济器104降温后(被上一路制冷剂吸收热量)流经第二节流阀106后再流入双级压缩循环蒸发器107蒸发吸热产生制冷量，随后被一级压缩机102吸入进行下一循环。

经二级压缩机101二级出口44流出的高温高压气体除大部分流入冷凝器参与主循环外，还有分出两路制冷剂。一路制冷剂流经第三节流阀109后通过接头37流经第一通气孔31、第二通气孔32后到达一级叶轮27轮背，调节一级叶轮27轮前与轮背的压力差，随后部分制冷剂随一级压缩排出，部分流经一级轴封进入电机壳体后进入二级压缩。另一路制冷剂流经第四节流阀110后通过接头38流经第三通气孔33、第四通气孔34后到达二级叶轮30轮背，调节二级叶轮30轮前与轮背的压力差，随后部分制冷剂随二级压缩排出，部分流经二级轴封22进入电机壳体1后进入二级压缩。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非以此限制本实用新型的保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

包括电机壳体(1)、主轴(14)、电机(3)、一级蜗壳(12)、二级蜗壳(13)；电机(3)位于电机壳体(1)内，电机(3)带动主轴(14)转动；

一级蜗壳(12)、二级蜗壳(13)分别安装在电机壳体(1)的两端，主轴(14)的两端背靠背分别安装有一级叶轮(27)和二级叶轮(30)，一级叶轮(27)和二级叶轮(30)分别位于一级蜗壳(12)、二级蜗壳(13)内；

所述电机壳体(1)和一级蜗壳(12)之间设有一级轴封(21)，所述电机壳体(1)和二级蜗壳(13)之间设有二级轴封(22)；

所述一级轴封(21)将一级蜗壳(12)的腔室与电机壳体(1)内的腔室进行分隔，所述二级轴封(22)将二级蜗壳(13)的腔室与电机壳体(1)内的腔室进行分隔开来。

2.根据权利要求1所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述电机壳体(1)上对应一级轴封(21)、二级轴封(22)的位置分别开设第一通气孔(31)、第三通气孔(33)；所述一级轴封(21)、二级轴封(22)开有第二通气孔(32)和第四通气孔(34)，第二通气孔(32)和第四通气孔(34)的出口轴线与所述主轴(14)平行并指向所述一级叶轮(27)、二级叶轮(30)的轮背；所述第一通气孔(31)、第三通气孔(33)分别与第二通气孔(32)和第四通气孔(34)连通。

3.根据权利要求2所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述第二通气孔(32)和第四通气孔(34)的数量为多个，在圆周方向上均匀分布。

4.根据权利要求3所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述主轴(14)上抵靠所述一级轴封(21)内侧设有第一动压径向气体轴承(2)；抵靠所述二级轴封(22)内侧设有第二动压径向气体轴承(5)，所述第一动压径向气体轴承(2)、第二动压径向气体轴承(5)共同支承所述主轴(14)。

5.根据权利要求4所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述电机壳体(1)靠近所述一级轴封(21)内侧、二级轴封(22)位置设置分别有上通孔(35)和下通孔(36)。

6.根据权利要求5所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述一级蜗壳(12)上设置一级入口(41)和一级出口(42)，一级入口(41)设置在所述一级蜗壳(12)中心位置处，所述一级出口(42)设置在所述一级蜗壳(12)圆周上；所述二级蜗壳(13)上设置二级入口(43)和二级出口(44)，二级入口(43)设置在所述二级蜗壳(13)中心位置处，所述二级出口(44)设置在所述二级蜗壳(13)圆周上，一级出口(42)与二级入口(43)连通。

7.根据权利要求6所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述一级蜗壳(12)与所述一级轴封(21)装配后形成一级叶轮扩压器(6)，所述一级叶轮(27)出口正对所述一级叶轮(27)扩压器(6)入口；所述二级蜗壳(13)与所述二级轴封(22)装配后形成二级叶轮扩压器(7)，所述二级叶轮(30)出口正对所述二级叶轮扩压器(7)入口。

8.根据权利要求7所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述电机(3)包括电机(3)转子和电机(3)定子，电机(3)定子固定在电机壳体(1)内，电机(3)转子带动主轴(14)转动。

9.根据权利要求8所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述电机壳体(1)上的第一通气孔(31)、第三通气孔(33)分别安装有与外部设备连通的接头。

10.根据权利要求9所述的一种轴向力可自动平衡的离心式压缩机结构，其特征在于：

所述电机壳体(1)的上通孔(35)和下通孔(36)安装有与外部设备连通的接头。

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