TWI600833B - 使用黏性阻尼來降低振動的旋轉式螺旋壓縮機 - Google Patents

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Description

使用黏性阻尼來降低振動的旋轉式螺旋壓縮機 發明領域
本發明係有關於旋轉式螺旋壓縮機，其使用用以定位及阻尼該旋轉螺桿之軸承及一阻尼流體，且更詳而言之，用以準確定位該等旋轉螺桿之徑向及軸向軸承及用以提供振動之阻尼且與抗摩擦軸承並聯的一擠壓膜阻尼器。
發明背景
旋轉式螺旋壓縮機被用來壓縮各種氣體。這些壓縮機被用於工業冷凍及空調。它們亦被用於空氣壓縮及壓縮例如天然氣等之氣體。在這些情形中，該等螺旋壓縮機可設置在遠端位置且必須以最少之維修運轉一段長時間、數星期或數月。這些壓縮機亦被用來壓縮用於其他工業應用之各種氣體。
螺旋壓縮機可使用被稱為雙螺旋設計之在平行軸上之二轉子或可為單螺旋壓縮機或單螺旋設計。雙螺旋設計使用一起轉動之二配合螺旋轉子，即一公轉子及一母轉子。一單螺旋設計使用通常與閘轉子配合之一單一旋轉螺旋轉子。在注油螺旋壓縮機型中，該等螺旋壓縮機以油 注射操作，且該油注射密封在該等轉子及在該等轉子間與該壓缸間之間隙。該潤滑劑亦有助於冷卻該壓縮機。當所使用之潤滑劑與被壓縮之該冷媒或氣體可互溶時，而這種情形經常發生，與該冷媒或氣體接觸之潤滑劑會吸收該冷媒或氣體。
大螺旋壓縮機具有振動過大之問題，特別是在以超過3000馬力之高驅動功率及高排出壓力驅動時。這問題會由於接近臨界速度之轉子激勵而產生。施加在該轉子上之力係藉由使用將該等轉子定位在該等支持殼體中之徑向及軸向(止推)軸承來對抗。現有軸承設計未提供足夠阻尼來避免轉子激勵。這些徑向及軸向軸承大致包含二基本種類：流體動力軸承及抗摩擦軸承。流體動力軸承或油膜型軸承包括套筒或軸頸軸承。這些軸承未提供準確轉子定位且導致較高摩擦功率損耗，而這產生會限制操作之較高溫度。這些因素在該壓縮機尺寸增加時影響加重，因而限制其對較大壓縮機之有用性。這些軸承亦需要全時油泵來供應潤滑劑至該等軸承。例如滾珠軸承、圓柱形滾子型軸承或錐形滾子軸承之抗摩擦軸承可克服這些問題。它們合乎需要地提供準確轉子定位。但是，抗摩擦軸承非有利地提供比低流體動力軸承低很多之相對阻尼係數。在該等轉子相對於該殼體產生振盪移動的情形中，抗摩擦軸承對該移動提供非常少之相對阻尼。阻尼係在支持或阻尼元件中產生且阻止該等轉子之相對移動的一力。該等阻力之大小與移動速度成正比。因此，當該等螺旋壓縮機之尺寸增 加，且阻尼力增加時，該抗摩擦軸承變成對於阻尼振動比較無效。這些振動會因在臨界頻率之共振而放大，且該臨界頻率被在波瓣通過頻率或其諧波中之一諧波的能量激勵。這不僅會對該等公與母轉子造成破壞，亦會在該轉子跳動而與該殼體接觸以及施加負載至止推軸承時對該轉子殼體造成破壞，這些破壞都會對該壓縮機造成破壞。
擠壓膜阻尼器係已被用來在機械系統中提供黏性阻尼的阻尼裝置。這些擠壓膜阻尼器已與上述習知軸承串聯地使用在例如噴射引擎之旋轉機器中。這些擠壓膜阻尼器提供結構隔離以減少，例如，對不平衡之噴射引擎轉子反應。但是，因為與習知軸承串聯地定位之該等擠壓膜阻尼器未提供用以將該轉子定位在一螺旋壓縮機中所需之準確性，例如在噴射引擎中使用之擠壓膜阻尼器未被使用在螺旋壓縮機中。在該等系統中之間隙太大而無法在操作時準確地支持螺旋轉子。
所需要的是用於螺旋壓縮機之一阻尼機構，該阻尼機構阻尼轉子振動使得共振效應被限制在臨界頻率，同時亦提供在該殼體內且相對於對接轉子之準確轉子定位。
發明概要
一螺旋壓縮機使用徑向及軸向或止推軸承以徑向地及軸向地維持該等轉子之位置且亦可使用一阻尼流體來阻尼轉子振動。在一螺旋壓縮機中有許多振動源。激勵 可來自轉子或耦合不平衡、軸錯位、來自排出孔孔或氣體脈動或潤滑劑注入該壓縮區域作為正常壓縮機操作之一部份。該阻尼流體可以已在該壓縮機中使用之潤滑劑的形式方便地提供以便在壓縮時密封在該等轉子間及在該等轉子與該殼體間之間隙。該阻尼機構方便地包含在對該轉子提供黏性阻尼之一擠壓膜阻尼器中。導入例如可藉由擠壓膜阻尼器所提供之另外黏性阻尼可在不論振動源為何之情形下明顯減少壓縮機振動。
在該螺旋壓縮機中，該等擠壓膜阻尼器與一現有抗摩擦軸承系統一起使用且與該現有抗摩擦軸承並聯地一起使用。該等擠壓膜阻尼器(SFD)係定位在在該轉子殼體內之該等軸承與該等轉子軸之間。因為該等擠壓膜阻尼器與該現有抗摩擦軸承並聯地而非串聯地放置，該等間隙未累積。該等擠壓膜阻尼器作為阻尼器而該現有抗摩擦軸承操作以維持該轉子適當對齊。
由於該等擠壓膜阻尼器使用已存在該螺旋壓縮機中之潤滑劑，該潤滑劑必須經過處理使得它適合作為一阻尼器使用。在正常操作時，當在一螺旋壓縮機中之潤滑劑如上所述地密封該等間隙時，它接觸冷媒或其他氣體且它亦由該壓縮機移除熱。這潤滑劑亦吸收在排出壓力值下之該油分離器中的冷媒或其他氣體。因此為有效地作為一阻尼流體，該潤滑劑必須飽和壓力以下以足夠次冷卻注入該等阻尼器以避免在該阻尼器中形成氣泡，這可藉由提供一潤滑劑冷卻器或一潤滑劑加壓器中之至少一者來達成。
用以阻尼在一螺旋壓縮機中之振動的系統包括：一轉子，其具有一螺旋螺桿；一殼體，該轉子具有安裝在殼體中之該螺旋螺桿，該轉子具有具一第一軸端及一第二軸端之一軸桿；多數徑向軸承，其定位在該轉子軸桿上且靠近該軸桿之各端，該等徑向軸承將該轉子準確地定位在該殼體中且在一第一預定間隙範圍內；一擠壓膜阻尼器，其與該等徑向軸承並聯，即，定位成與該等徑向軸承相鄰使得該等徑向軸承在該殼體內且在該軸桿之該端與該擠壓膜阻尼器之間，該膜阻尼器具有大於該等徑向軸承之該第一預定間隙範圍之一第二預定間隙範圍；至少一止推軸承，其安裝在該轉子之該軸桿上，該至少一止推軸承對抗在該轉子上之軸向力；一潤滑劑源；一導管，其由該潤滑劑源至該擠壓膜阻尼器；及一冷卻器及一壓力泵中之至少一者，其在該潤滑劑源與該擠壓膜阻尼器之間，由該潤滑劑源提供之該潤滑劑被冷卻或被加壓，或被冷卻及被加壓，其中提供至該擠壓膜阻尼器之該潤滑劑對該轉子施加一黏性阻尼，該潤滑劑在該擠壓膜阻尼器內且在該轉子軸桿與該擠壓膜阻尼器之一壁間佔據該第二預定公差範圍。
該擠壓膜阻尼器包含：一主阻尼體；一油/潤滑劑膜，其實質地收容在該主阻尼器體內且在該主壓縮機殼體與該阻尼器之主體間提供阻尼；及一阻尼軸承，其將一旋轉軸桿之徑向振盪移動傳送至該非旋轉主阻尼體。
這配置之一優點係該轉子之振動藉由在該擠壓 膜阻尼器中之油/潤滑劑膜的作用而被阻尼，且該旋轉轉子之振動透過該阻尼器軸承傳送至該非旋轉阻尼器。在該轉子軸桿與該擠壓膜阻尼器之壁間佔據該第二預定公差範圍的體積可在該轉子軸桿旋轉時阻尼其任何振動，因為潤滑劑透過該阻尼器油膜之緊密間隙由這體積之一側被擠壓至這體積之另一側，即使該轉子旋轉且振動時亦然。由於該擠壓膜阻尼器之該第二預定公差範圍大於該等徑向軸承之該第一預定公差範圍，即使當一振動變得足夠嚴重到在沒有阻尼之情形下透過該轉子傳送該振動進入該等徑向軸承而沒有明顯阻尼時，一潤滑劑膜仍存在該擠壓膜阻尼器之壁與該轉子之間使得該振動被阻尼且不在一臨界激勵(共振)頻率沿該轉子傳送。
本發明之另一優點係該潤滑劑供應至該擠壓膜阻尼器作為一冷卻潤滑劑或一加壓潤滑劑，使得由溶解在該潤滑劑中之任何氣體所形成的氣泡減少或消失。氣泡存在該潤滑劑中是有害的，因為來自該振動轉子之任何力會形成或產生氣泡且減少該潤滑劑作為一阻尼機構之有效性。
本發明之另一優點係該等擠壓膜阻尼器之黏性阻尼貢獻與該軸桿之振動速度成正比，使得當該軸桿之振動幅度增加時，藉由該擠壓膜阻尼器產生之該黏性阻尼的效果亦增加。對該轉子之彈簧/質量系統及其軸承與支持物增加之阻尼明顯地減少該轉子之共振回應且減少伴隨在該系統中之共振頻率之激勵的任何振動。該擠壓膜阻尼器 之黏性阻尼效果有助於阻尼側向天然頻率。雖然擠壓膜阻尼器對所有螺旋壓縮機是有效的，但它們在藉由其他手段難以阻尼共振的大型壓縮機，即，具有等於或大於355mm之轉子直徑者中，對阻尼自然頻率最為有效。
在具有抗摩擦軸承之大型螺旋壓縮機中之擠壓膜阻尼器的又一優點係明顯改良該等壓縮機在較大操作壓力下之應用範圍。此外，與抗摩擦軸承一起使用之擠壓膜阻尼器提供只在先前伴隨流體動力軸承才有之一阻尼優點，同時亦提供維修容易性及較佳公差與間隙範圍。
在螺旋壓縮機中應用擠壓膜阻尼器之另一優點係在變速應用中實現。許多螺旋壓縮機在今日與變速驅動器一起使用作為一容量控制。但是，大範圍地改變速度表示旋轉速度之激勵頻率、波瓣通過、及波瓣通過之諧波會在一非常大範圍之速度相關頻率提供可能激勵。擠壓膜阻尼器減少轉子對這激勵在可能接近在多數轉子壓縮機中該轉子或該等轉子之任何臨界振動模式之任何頻率的反應，使得轉子操作可更與速度無關。這可減少在這些速度及對應頻率之轉子振動，否則該轉子振動必須藉由跳過產生過大轉子振動之操作的該等速度及對應頻率來避免。
另一優點係擠壓膜阻尼器可容許增加該螺旋壓縮機之最大排出壓力，及/或輸出功率。對一螺旋壓縮機而言，除了振動限制以外之許多其他特性控制排出壓力及功率，該等其他特性包括但不限於殼體最大操作壓力、軸承壽命、驅動軸強度及轉子彎折。在振動成為該限制因素之 情形中，對一大型壓縮機，即具有355mm之轉子直徑的一壓縮機而言，該排出壓力及功率輸出可最多增加至可在沒有阻尼之情形下達成之值的100%以上，且不激勵在沒有阻尼之情形下在較高壓力下會產生之轉子自然頻率。排放壓力之增加可取決於其他因素且會隨轉子直徑改變。排出值之增加通常可依據這些因素而在5至50%、10至25%或5至15%之範圍內。
本發明之其他特徵及優點可由以下較佳實施例之更詳細之說明，配合透過舉例顯示本發明原理之附圖而了解。
2‧‧‧螺旋壓縮機總成
10,1010‧‧‧螺旋壓縮機
12‧‧‧排出孔
20‧‧‧馬達
22‧‧‧導管
30‧‧‧油分離器
36‧‧‧分離器排出孔
38‧‧‧潤滑劑
40,42‧‧‧雙螺旋轉子
44‧‧‧止推軸承
50‧‧‧導管
52,46,48‧‧‧徑向軸承
300‧‧‧轉子或軸桿
302‧‧‧滾珠軸承
304‧‧‧擠壓膜阻尼器(SFD)；潤滑劑
306,406‧‧‧軸頸
308‧‧‧外殼體
310‧‧‧潤滑劑入口
312,812‧‧‧防轉銷
314,714,814‧‧‧密封
404,604,804,904,1004,1304,1690‧‧‧擠壓膜阻尼器
444‧‧‧圓柱形滾子軸承
500,1000‧‧‧轉子軸桿
538‧‧‧潤滑劑
640,642,940‧‧‧轉子
744‧‧‧擠壓膜
747,847,947‧‧‧阻尼器軸承
754,854,954‧‧‧供應孔
838,844‧‧‧擠壓膜油/潤滑劑
934‧‧‧徑向滾子軸承
938,944‧‧‧擠壓膜潤滑劑
950‧‧‧潤滑劑導管
956‧‧‧壓縮機殼體
1044,1046‧‧‧滾子軸承
1150,1153‧‧‧油/潤滑劑入口
1151‧‧‧主要輸入
1154‧‧‧油泵
1157‧‧‧油供應集管
1354‧‧‧擠壓膜阻尼器供應孔
1370,1470‧‧‧潤滑劑冷卻器
1372‧‧‧潤滑劑源
1374‧‧‧過濾器
1480‧‧‧潤滑劑泵
圖式簡單說明
圖1係一習知螺旋壓縮機總成之橫截面圖。
圖2顯示例如可收容在圖1之螺旋壓縮機總成中之一雙螺旋壓縮機的部份橫截面圖。
圖3a至c係與一滾子軸承串聯地定位之一擠壓膜阻尼器的立體與部份橫截面圖，顯示該擠壓膜阻尼器之操作原理。
圖4係依據本發明之與一圓柱形滾子軸承並聯地定位在一螺旋壓縮機殼體中之一擠壓膜阻尼器的端視圖，顯示該擠壓膜阻尼器之操作原理，且該轉子已移除。
圖5係顯示該潤滑劑在該擠壓膜阻尼器中之移動效果，當該阻尼器對一振動產生反應且潤滑劑擠壓通過一擠壓膜阻尼器之緊密間隙時，因為軸桿移動迫使該油/ 潤滑劑由該阻尼器之一側移動至另一側而產生黏性阻尼。
圖6顯示藉由在最接近本發明之轉子本體之直徑安裝擠壓膜阻尼器而在該公與母轉子上產生之該擠壓膜阻尼器的等效阻尼效果。
圖7係關於該轉子軸桿之本發明之擠壓膜阻尼器觀念的橫截面圖。
圖8係圖7之擠壓膜阻尼器觀念的部分橫截面圖。
圖9係安裝在一螺旋壓縮機殼體中且與一徑向滾子軸承相鄰之圖7之擠壓膜阻尼器觀念的橫截面圖。
圖10顯示安裝在圖2之螺旋壓縮機中之一組四擠壓膜阻尼器的一位置的橫截面圖。
圖11顯示與一螺旋壓縮機之潤滑劑連接的示意圖，包括擠壓膜阻尼器連接及用以提高供應至該擠壓膜阻尼器之潤滑劑之壓力的一泵P。
圖12係一螺旋壓縮機之端視圖，顯示一擠壓膜阻尼器連接。
圖13顯示一擠壓膜阻尼器迴路，其包括用以在一潤滑劑供應至該擠壓膜阻尼器前冷卻該潤滑劑的一潤滑劑冷卻器。
圖14顯示一擠壓膜阻尼器迴路，其包括用以在一潤滑劑供應至該擠壓膜阻尼器前冷卻該潤滑劑的一潤滑劑冷卻器及用以提高該潤滑劑之壓力的一潤滑劑泵。
圖15係顯示在一Frick#13潤滑劑及R-134a冷媒之系統中，溫度及壓力對在各種冷媒吸收值形成氣泡之影 響的圖。
圖16顯示該阻尼器軸承係一滾珠軸承型止推軸承的一擠壓膜阻尼器。
圖17顯示安裝在一螺旋壓縮機中之一擠壓膜阻尼器，其使用一預負載角接觸止推軸承作為該阻尼器軸承。
發明之詳細說明
圖1顯示以橫截面顯示之一習知螺旋壓縮機總成2。該總成包含一螺旋壓縮機10、驅動螺旋壓縮機10之一馬達20及一油分離器30。來自壓縮機10之壓縮冷媒及潤滑劑由螺旋壓縮機10之排出孔12通過導管22排入油分離器30，且在該油分離器30中壓縮冷媒氣體由潤滑劑分離，並且壓縮冷媒氣體係透過分離器排出孔36排出同時潤滑劑38凝結且可沈積以便回收至壓縮機10。
圖2係圖1之螺旋壓縮機10之部份橫截面圖，顯示一雙螺旋壓縮機。雖然在圖2中顯示一雙螺旋壓縮機，但所屬技術領域中具有通常知識者可了解螺旋壓縮機10亦可為一單螺旋壓縮機或一三螺旋壓縮機。這些壓縮機設計易產生振動，因此本發明之振動阻尼器適用於這些螺旋壓縮機構態之任一構態。由圖可知且所屬技術領域中具有通常知識者者可了解，為了讓該螺旋壓縮機有效，在該等部件間之裝配是重要的且該等公差小。該等公差過大之任何變化會破壞轉子之螺旋部份、該等軸承及/或該壓縮機殼體中之 一或多數者，其中任一種情形均會導致壓縮機停機。
在圖2之橫截面圖中，該等雙螺旋轉子40、42被徑向軸承52、48、46支持在其軸桿之兩端上。該等徑向軸承可為任一種抗摩擦軸承，例如圓柱形滾子軸承、錐形滾子軸承或滾珠軸承。此外，抗摩擦軸承可用潤滑劑膜型軸承取代且反之亦然。該等抗摩擦軸承有利地提供優於液體動力、油膜型軸承之某些優點在於它們提供較準確之轉子定位，這對於螺旋壓縮機而言是一重要考量。另外，由於它們損失較少功率至摩擦功率消耗，故它們較有效率。當有通常不需要使用全時潤滑劑泵來提供潤滑劑之油供應中斷或損失時，它們具有比流體動力軸承長之壽命，且可在比套筒型流體動力軸承高之溫度有效地操作。抗摩擦軸承具有比流體動力軸承低之一相對阻尼係數的缺點，這是在振動成為一問題時的一缺點，而這問題會發生在螺旋壓縮機中。亦在圖2中顯示的是導管50，其由油分離器提供潤滑劑以便在操作期間壓縮冷媒時潤滑及密封在該等轉子間之間隙。一止推軸承44亦顯示成與用以對抗軸向力之轉子或螺桿之軸桿聯結。如前所述，止推軸承可為流體動力或抗摩擦軸承。
本發明在一螺旋壓縮機中使用與該等軸桿軸承並聯之一阻尼裝置而為螺旋壓縮機振動提供阻尼以便避免破壞該螺旋壓縮機。該阻尼裝置可與該等軸桿軸承之任一者一起使用，但最好與多數抗摩擦軸承一起使用，因為該阻尼裝置提供比沒有阻尼器之該等抗摩擦軸承中固有 者好很多之阻尼能力，同時保持由該等抗摩擦軸承所提供之軸桿對齊的準確性。為了解如在此使用之與多數軸桿軸承並聯之一阻尼裝置間的差異，請參閱顯示與一軸桿軸承串聯地安裝之一擠壓膜阻尼器(SFD)的一阻尼裝置之圖3，例如在圖3a中以橫截面顯示之滾珠軸承。如圖所示，一螺旋壓縮機之轉子或軸桿300安裝在一抗摩擦軸承，例如滾珠軸承302內。滾珠軸承接著安裝在擠壓膜阻尼器304內。擠壓膜阻尼器304包括一軸頸306、一外殼體308、及送入該外殼體308與軸頸306間之體積的一潤滑劑。一防轉銷312將軸承軸頸306鎖固在外殼體308上以防止軸頸306相對於外殼體308之相對旋轉。潤滑劑係藉由潤滑劑入口310送入該空間，如圖3b與3c所示，這維持在該體積內之一潤滑劑膜。當該軸桿300及軸承302旋轉時，該軸承將任一振盪徑向移動由該旋轉軸桿傳送至該軸頸306。軸頸306之徑向移動使潤滑劑304在外殼體308與軸頸306間之體積內被擠壓。密封314，如圖3c所示，有助於維持該潤滑劑在這體積內。該潤滑劑可用以阻尼軸桿300之任何過大振動；但是，在軸桿300、滾珠軸承302、該軸桿/軸承組合及該擠壓膜阻尼器間之公差疊加，即，累積。因此，螺旋軸桿300之位置不僅會因在軸桿300與滾珠軸承302間之間隙而改變，而且會另外因在該軸桿/滾珠軸承總成與該擠壓膜阻尼器間之間隙或公差而改變。這疊加在一螺旋壓縮機是不必要的，因為它增加該軸桿在產生振動時可移動之徑向距離。雖然這可減少軸承破壞可能性，但這移動在嚴重振動 下仍會對該轉子造成破壞。雖然以上顯示及說明徑向軸承操作及設計，但所屬技術領域中具有通常知識者可了解，由於螺桿300之螺旋設計，一止推軸承之一類似串連配置所產生的公差疊加亦會在軸向位移時對一螺桿造成破壞。
圖4顯示與一抗摩擦軸承並聯地配置之本發明的一阻尼裝置，且未顯示該壓縮機螺桿以更佳地顯示本發明。在圖4中，一抗摩擦徑向軸承，例如如圖所示之一圓柱形滾子軸承444，並聯地定位在一擠壓膜阻尼器404上，即，與該擠壓膜阻尼器404軸向地相鄰。可看到如圖所示之該擠壓膜阻尼器404的阻尼器軸承軸頸406。該擠壓膜阻尼器404之內徑稍大於圓柱形滾子軸承444之內徑以便組裝及拆解。在未顯示在圖4中之該轉子軸桿與擠壓膜阻尼器404間之間隙稍大於在轉子軸桿與圓柱形軸承444間之間隙。在擠壓膜阻尼器404中提供一潤滑劑薄膜以阻尼該軸桿之振動，這可保證在該轉子軸桿可在滾子軸承內且相對滾子軸承444振動之最嚴重振動下，一潤滑劑薄膜仍留在該轉子殼體與軸頸406之間以提供這些振動之阻尼，以便防止當在該殼體與該螺旋壓縮機之其他轉子或螺桿間之間隙因該振動而減少或消失時，對在該等軸承間之該轉子的破壞。阻尼減少由於該振動，即周期徑向螺桿移動所產生之間隙的損失。由擠壓膜阻尼器404產生之阻尼亦減少與作用在該等軸承上或相對該等軸承之多數振動相關的力幅度，否則該等振動會造成軸承破壞。例如，如果該擠壓膜阻尼器404具有一大約0.010英吋(10密耳)之間隙，且 軸承444具有一大約0.005英吋(5密耳)之間隙，則擠壓膜阻尼器404具有一比軸承444大5密耳之間隙。因此，在嚴重振動下，當該轉子軸桿振動時，在該擠壓膜阻尼器中仍徑向地有被油/潤滑劑佔據之一最少0.0025(2.5密耳)間隙，而該油/潤滑劑提供阻尼以阻尼該軸桿所遭遇之任何振動。即使當該螺旋壓縮機之轉子軸桿移入這間隙，在該軸頸中之潤滑劑防止該轉子軸桿移動通過該全部2.5密耳之間隙同時阻尼該螺桿之周期運動，即，振動，因此減少其對軸承444以及相鄰殼體或螺桿之影響。這容許該轉子以較小絕對位移來運轉。這些示範數字不是限制性的，因為所提供之間隙會隨著在該壓縮機中之轉子的尺寸而改變。因此，在這情形中，該擠壓膜阻尼器與該轉子之間隙係比該徑向軸承與該轉子之間隙大50%。但是，該間隙應足以阻尼該轉子之周期振動同時防止對該軸承造成破壞且該擠壓膜阻尼器可具有比該徑向軸承之間隙大5%至50%之一間隙，只要該轉子之周期振動之阻尼在不破壞該等軸承之情形下完成即可。該擠壓膜阻尼器之阻尼效果容許在該等轉子上之該等間隙公差更小。較小間隙則表示在該等螺紋間之較少氣體洩漏，使較少洩漏返回該吸引段。結果是較高之效能及效率。擠壓膜阻尼器可使絕熱效率增加達到5%。
圖5進一步顯示與一擠壓膜阻尼器交互作用之一轉子之軸桿的觀念。圖5係在一擠壓膜中之一轉子軸桿的橫截面圖。當轉子軸桿500旋轉時，它可在由垂直線所示之方向上產生一振動，但該振動可在任何方向上產生。 在正常情況下，一均一體積之潤滑劑環繞該軸桿。當該軸桿同時旋轉與振動時，在該阻尼器間隙中之潤滑劑538由擠壓膜之一側被擠壓至另一側。該潤滑劑同時緩衝與阻尼該振動。阻尼係由阻止一結構，在此為該轉子或螺桿之相對移動之一支持或阻尼元件所產生的一相對力，且由該阻尼元件所提供之該阻力的大小與該結構之移動速度成正比，而該結構在此為沿圖5中之箭號所示之方向移動的轉子或螺桿。在此使用之轉子、軸桿或螺桿全部表示在一螺旋壓縮機中之相同旋轉結構。
圖6顯示由該擠壓膜阻尼器604所提供之阻尼效果。擠壓膜阻尼器604作為避震器。在圖6中，該等擠壓膜阻尼器604作為在一雙螺旋系統中之各轉子640、642上的避震器，且對在任一方向上之任一轉子振動產生一阻力。該等擠壓膜阻尼器604不是軸承，例如前述之流體動力軸承，因為它們不支持一負載。它們只提供在徑向產生移動之振動的阻尼。可了解的是多數擠壓膜阻尼器亦可設置成與止推軸承並聯之一配置以阻尼在一軸向上產生移動之振動。
圖7、8與9進一步顯示該擠壓膜阻尼器觀念。圖7揭露一擠壓膜阻尼器之橫截面圖，顯示關於該轉子軸桿之關鍵特徵。在圖7中顯示的是該等潤滑劑供應孔754中之一潤滑劑供應孔以及在供應孔754之各側上的擠壓膜744、阻尼器軸承747、密封714。圖8亦以橫截面圖顯示擠壓膜阻尼器804之一實施例，且顯示密封814、潤滑劑供應 孔854、在供應孔之各側的擠壓膜油/潤滑劑838、844、阻尼器軸承847及防轉銷812。圖9顯示關於一徑向滾子軸承934之一擠壓膜阻尼器904，而潤滑劑導管950延伸穿過壓縮機殼體956，與該油分離器排出孔(未圖示)及供應孔954，以及其中一轉子940、供應孔954連通，並且提供在供應孔954之各側之擠壓膜潤滑劑938、944至該擠壓膜阻尼器904之軸頸及阻尼器軸承947。
圖10顯示安裝成與在一螺旋壓縮機殼體，例如在圖2中所示之一螺旋壓縮機殼體中之徑向軸承相鄰之一組擠壓膜阻尼器1004。在這實施例中，該等徑向軸承，例如滾子軸承1044、1046係安裝在該轉子軸桿1000之該端與擠壓膜阻尼器1004之間。
圖11顯示用以對該螺旋壓縮機1010提供潤滑劑流之一配置。當提供時，油供應集管1157由該油分離器及油泵1154提供油。用於該等螺桿之潤滑劑流的主要輸入1151為該壓縮機之正常操作提供潤滑劑以密封在該等螺桿間之體積。油/潤滑劑入口1150為該等擠壓膜阻尼器提供潤滑劑。油/潤滑劑入口1153為在該螺旋壓縮機中需要潤滑之其他組件提供潤滑劑。圖12由一端顯示該螺旋壓縮機殼體，以顯示油/潤滑劑入口1153與1150。
供應至該等軸承，例如徑向及止推軸承之潤滑劑將在壓縮機操作時接觸該氣體或冷媒，且可互溶之潤滑劑會吸收該氣體或冷媒。在操作該壓縮機時，當該氣體或冷媒由於被送入該壓縮機之潤滑劑的壓降而形成氣泡 時，溶解在潤滑劑中之氣體或冷媒會起泡。油分離器30由冷媒分離潤滑劑且減少起泡。當然，雖然起泡不是在潤滑劑中之一所欲性質，但它在擠壓膜阻尼器中是不可忍受的，因為該潤滑劑執行一阻尼功能，作為一阻尼器。氣泡存在會干擾該阻尼功能，因為該等氣泡在受到來自更微小振動之力時輕易地破裂。因此，為有效地作為一阻尼器，供應至該擠壓膜阻尼器之潤滑劑必須被處理以減少氣泡形成之可能性。
以下請參閱圖13至15。圖15係顯示對潤滑劑與冷媒之一組合而言溫度及壓力對氣泡形成之影響的圖。其行為顯示在圖15中之該潤滑劑/冷媒組合係與例如R-134a冷媒之氫氟碳化物(HFC)冷媒一起使用的例如Frick#13潤滑劑之一聚酯油。所屬技術領域中具有通常知識者可了解的是可使用其他潤滑劑/冷媒組合。圖15之圖表示潤滑劑與冷媒、以一類似方式表現之其他組合的關係。如圖所示，提高該潤滑劑之壓力減少氣泡之形成，因為增加之壓力容許該潤滑劑在溶液中保持一較高濃度之冷媒。此外，減少該潤滑劑冷媒組合之溫度亦減少氣泡之形成。這是因為當溫度降低時，該潤滑劑可在溶液中保持一較高百分比之吸收冷媒。在兩種情形中，該潤滑劑/冷媒混合物被次冷卻至該起泡點溫度以下或壓力增加至起泡點壓力以下，該起泡點溫度及該起泡點壓力在此定義為對一特定百分比之吸收冷媒的一冷媒/潤滑劑組合而言，氣泡將形成之溫度及壓力，只要該冷媒仍留在溶液中即可，因為在該起泡點溫度 以下或在該起泡點壓力以上發生時，氣泡形成被抑制。該次冷卻及/或加壓之潤滑劑/冷媒混合物可供應至該等擠壓膜阻尼器，且在該等擠壓膜阻尼器中，它可在再到達氣泡開始形成之該混合物之起泡點前進行另外之壓降或加熱。因此，為藉由在一螺旋壓縮機中之擠壓膜阻尼器有效地提供黏性阻尼，在該潤滑劑供應至該等擠壓膜阻尼器前，必須處理該潤滑劑。
如上所述，可由該油分離器30提供潤滑劑至該等擠壓膜阻尼器，容許該等擠壓膜阻尼器使用供壓縮機操作使用之該系統的已可用油。但是，另一種方式是提供該等擠壓膜阻尼器一專用潤滑劑源，這需要密封該等擠壓膜阻尼器至最大可能程度且在該密封系統中循環該潤滑劑。但是，即使在密封時，加壓之冷媒氣體仍可滲入該密封系統中。
不論用以提供潤滑劑至該等擠壓膜阻尼器之系統為何，均必須處理該潤滑劑。以下請參閱圖13，在潤滑劑可提供至該擠壓膜阻尼器供應孔前，一潤滑劑冷卻器1370設置在導管50中。當在該潤滑劑中之冷媒循環通過該系統時，它形成氣泡。該潤滑劑冷卻器1370定位在導管線50中在該潤滑劑源1372與擠壓膜阻尼器供應孔1354之間。潤滑劑冷卻器1370降低該潤滑劑之溫度至該起泡點溫度以下，且至足以在提供該潤滑劑至擠壓膜阻尼器1304前減少或避免氣泡在該潤滑劑中形成的一溫度。亦在圖13中顯示的是一過濾器1374，該過濾器1374過濾供應至該擠壓 膜阻尼器之潤滑劑且移除可累積在該潤滑劑中之任何渣、金屬碎片或其他碎屑。
圖14類似於圖13，但它進一步包括一潤滑劑泵1480，該潤滑劑泵1480充分地增加該潤滑劑之壓力使得氣泡形成被減少或防止。較佳地設置一潤滑劑冷卻器1470及一潤滑劑泵1480以便在提供該潤滑劑至該等擠壓膜阻尼器前處理該潤滑劑。這提供用以黏性地阻尼可因操作該等螺旋壓縮機而在該等轉子軸桿中產生之振動的一更有效阻尼流體。
圖16顯示一擠壓膜阻尼器1690，該擠壓膜阻尼器1690可與一螺旋壓縮機一起使用以阻尼在該止推軸承附近之徑向振動，該等止推軸承作為用以傳送軸桿徑向移動至該擠壓膜阻尼器之阻尼器軸承。圖17顯示例如圖10中所示之一轉子，該轉子另外地包括與止推軸承52組合用以阻尼在該止推軸承之徑向激勵的擠壓膜阻尼器1690。
雖然本發明已參照一較佳實施例說明過了，但所屬技術領域中具有通常知識者可了解的是在不偏離本發明之範疇的情形下可進行各種改變且多數等效物可取代其元件。此外，在不偏離本發明之實質範圍的情形下可進行許多修改以使一特定情形或材料適合本發明之教示。因此，意圖是本發明不受限於揭露作為預期用以實施本發明之最佳模式的特定實施例，且本發明可包括落在附加申請專利範圍之範疇內的所有實施例。
300‧‧‧轉子或軸桿
302‧‧‧滾珠軸承
304‧‧‧擠壓膜阻尼器(SFD)；潤滑劑
306‧‧‧軸頸
308‧‧‧外殼體
312‧‧‧防轉銷

Claims (20)

  1. 一種用以阻尼在一螺旋壓縮機中之振動的系統，包含：一壓縮機殼體；至少一轉子，其更包含安裝在該殼體中之一螺旋螺桿，該轉子具有具一第一軸端及一第二軸端之一軸桿；多數徑向軸承，其定位於靠近該軸桿之各端之位置，該等徑向軸承將該至少一轉子沿一徑向準確地定位在該殼體中且在一第一預定間隙範圍內；一固定擠壓膜阻尼器，其定位於與各徑向軸承並聯且與該等徑向軸承相鄰之位置，該擠壓膜阻尼器具有與該轉子之一第二預定內間隙範圍，該第二預定內間隙範圍大於該等徑向軸承與該轉子之該第一預定間隙範圍之；一阻尼器軸承，其選自於由流體動力軸承及抗摩擦軸承構成之群組，該阻尼器軸承將該轉子軸桿之徑向移動傳送至該擠壓膜阻尼器；至少一止推軸承，其安裝在該轉子之該軸桿上，該至少一止推軸承對抗在該轉子上之軸向力；一潤滑劑源；一由該潤滑劑源至各擠壓膜阻尼器之導管，其由該源提供潤滑劑至各阻尼器；一冷卻器及一壓力泵中之至少一者，其相對於自該 潤滑劑源至該擠壓膜阻尼器之一潤滑劑流，位在該潤滑劑源之下游與該擠壓膜阻尼器之上游，其中由該潤滑劑源提供之該潤滑劑維持在其起泡點以下；其中提供至該擠壓膜阻尼器之該潤滑劑提供該至少一轉子之周期徑向運動的一黏性阻尼，該潤滑劑在該擠壓膜阻尼器內且在該轉子與該擠壓膜阻尼器之一壁間佔據該第二預定公差範圍。
  2. 如請求項1之系統，其中該等徑向軸承係定位在該軸桿之該端與該擠壓膜阻尼器之間。
  3. 如請求項1之系統，其中該等徑向軸承係抗摩擦軸承。
  4. 如請求項1之系統，其中該潤滑劑源係一螺旋壓縮機油分離器。
  5. 如請求項4之系統，其中該潤滑劑係壓縮機潤滑劑。
  6. 如請求項1之系統，其中該潤滑劑及該潤滑劑源係與該擠壓膜阻尼器串聯之一封閉系統，該潤滑劑源專用於供應潤滑劑至該擠壓膜阻尼器。
  7. 如請求項1之系統，包括多數擠壓膜阻尼器，該等擠壓膜阻尼器設置在各轉子之兩端上。
  8. 如請求項1之系統，更包括一冷媒，其中該冷媒可溶於該潤滑劑中。
  9. 如請求項8之系統，其中該潤滑劑係一聚酯油且該冷媒係一氫氟碳化物流體。
  10. 如請求項9之系統，其中該HFC冷媒係R-134a冷媒。
  11. 如請求項1之系統，其中相對於自該潤滑劑源至該擠壓 膜阻尼器之一潤滑劑流定位在該潤滑劑源之下游與該擠壓膜阻尼器之上游之冷卻器在一起泡點溫度以下之一溫度提供潤滑劑至該擠壓膜阻尼器，一冷媒在該溫度下在該潤滑劑中保持為溶液，以減少氣泡形成。
  12. 如請求項1之系統，其中相對於自該潤滑劑源至該擠壓膜阻尼器之一潤滑劑流定位在該潤滑劑源之下游與該擠壓膜阻尼器之上游之該壓力泵在一起泡點壓力以上之一壓力提供潤滑劑至該擠壓膜阻尼器，一冷媒在該壓力下在該潤滑劑中保持為溶液中，以減少氣泡形成。
  13. 如請求項1之系統，包括相對於自該潤滑劑源至該擠壓膜阻尼器之一潤滑劑流定位在該潤滑劑源之下游與該擠壓膜阻尼器之上游之一潤滑劑冷卻器，及相對於自該潤滑劑源至該擠壓膜阻尼器之一潤滑劑流定位在該潤滑劑源之下游與該擠壓膜阻尼器之上游之一壓力泵，該壓力泵及該潤滑劑冷卻器在一起泡點溫度以下之一溫度及在一起泡點壓力以上之一壓力提供潤滑劑至該擠壓膜阻尼器。
  14. 如請求項1之系統，其中該擠壓膜阻尼器之該第二預定間隙範圍大於該相鄰徑向軸承之該第一預定間隙範圍且足以阻尼該轉子之一徑向移動同時防止對該相鄰軸承造成破壞。
  15. 如請求項14之系統，其中該擠壓膜阻尼器具有與該轉子之一間隙，且該間隙在比該相鄰徑向軸承之間隙大5%至50%的範圍內。
  16. 如請求項1之系統，更包括相對於自該潤滑劑源至該擠壓膜阻尼器之一潤滑劑流定位在該潤滑劑源之下游與該擠壓膜阻尼器之上游之一過濾器，該過濾器在該潤滑劑供應至該擠壓膜阻尼器前移除在該潤滑劑中之渣、金屬碎片及碎屑。
  17. 如請求項1之系統，其中該擠壓膜阻尼器在螺旋壓縮機操作時未支持負載。
  18. 如請求項1之系統，更包括一止推軸承擠壓膜阻尼器，該止推軸承擠壓膜阻尼器定位於與一止推軸承並聯之位置以便在該止推軸承阻尼該轉子軸桿沿該軸向之振動。
  19. 一種用以支持在壓縮機中之轉子的軸承系統，包含：一抗摩擦徑向軸承，具有與該轉子之一第一預定間隙範圍；一阻尼裝置，其定位成沿該轉子之一軸與該徑向軸承並聯，該阻尼裝置具有與該轉子之一第二預定間隙；其中該阻尼裝置與該轉子之該第二預定間隙大於該抗摩擦徑向軸承與該轉子之該第一預定間隙；且其中該阻尼裝置更包括：一軸頸；一阻尼器軸承；一潤滑劑源；一由該源提供潤滑劑至該軸頸之導管；且其中該潤滑劑在該軸頸與一殼體間形成一薄 膜，及一冷卻器及一壓力泵中之至少一者，其沿著該導管，相對於自該潤滑劑源至該阻尼裝置之一潤滑劑流，位在該潤滑劑源之下游與該阻尼裝置之上游，其中由該潤滑劑源提供之該潤滑劑維持在其起泡點以下。
  20. 如請求項19之軸承系統，其中該阻尼裝置更包括將潤滑劑保持在該軸頸內之多數密封件。
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