CN109690087B - 具有推力平衡负载的单螺杆式压缩机及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种高吸入压力推力负载平衡组件，构造成与单螺杆式压缩机一起使用，所述高吸入压力推力负载平衡组件包括密封挡板，该密封挡板与单螺杆式压缩机的主转子驱动轴键连接，以便可与其一起旋转。密封挡板构造成使用用于润滑压缩机的机械轴密封的加压油产生力或者负载，以抵消在主转子驱动轴旋转期间产生的主转子驱动轴的轴向力。

Description

具有推力平衡负载的单螺杆式压缩机及相关方法
技术领域
本发明总体上涉及单螺杆式压缩机，并且在至少一个方面涉及在产生或者使用高吸入压力的环境或者应用中使用的这种压缩机。在另一方面，本发明涉及在高吸入压力应用或者环境中使用和/或操作单螺杆式压缩机的方法。
背景技术
压缩机(例如，旋转螺杆式气体压缩机)被用于例如压缩***(例如，制冷***)中以压缩制冷剂气体，诸如氟利昂(或者其他R-12、R-13B1、R-22、R-502和R-503制冷剂)、氨、天然气等。一种类型的旋转式气体压缩机具有壳体，其中轴由电机驱动以驱动其上具有螺旋凹槽的单个主转子，并且该凹槽与在转子的相对侧上的一对闸门转子或者星形转子啮合以限定气体压缩室。壳体设置有两个气体吸入口(靠近每个闸门转子)和两个气体排放口(靠近每个闸门转子)。两个双滑阀组件设置在壳体上(靠近每个闸门转子)，并且每个滑阀组件包括吸入滑阀(也称为“容量滑阀”)和排放滑阀(也称为“容积滑阀”)，分别用于控制相关联的吸入口和相关联的排放口。
第4,610,612号、第4,610,613号和第4,704,069号美国专利(均转让给与本申请相同的受让人)公开了一种以上描述的类型的双滑阀旋转式气体压缩机。这些专利中的每一个的教导和公开内容通过引用整体并入本文。通常采用电动机或者发动机来驱动旋转式压缩机中的转子，并且压缩机的加载和卸载是通过对控制气体进出压缩室的滑阀进行定位来实现的。
然而，已经发现，对于目前的单螺杆式压缩机，特别是当吸入压力显著增加以使压缩机在高吸入压力应用或者环境(例如，大于或等于300psi)下操作时，主轴上的轴向负载也增加。这种在主轴上施加高轴向负载的一个结果或者后果是轴承寿命降低(即，由于轴承上的负载增加)，并且在一些情况下，显著降低。单螺杆式压缩机必须被关闭并且被取出，以更换或者修理损坏的轴承。
尽管可以添加轴承，从而进一步将负载分布在更多部件上，或者制造具有更高的耐受负载的特殊轴承，但是轴承仍将最终磨损。
因此，希望提供一种改进的单螺杆式压缩机，其能够在高吸入压力环境中长时间操作，而不需要更换或者修理由于这种高吸入压力以及其产生的主轴高轴向负载而导致磨损或者损坏的轴承。
发明内容
根据本发明的至少一个方面，提供了一种构造成与单螺杆式压缩机一起使用的高吸入压力推力负载平衡组件。高吸入压力推力负载平衡组件包括密封挡板，所述密封挡板与所述单螺杆式压缩机的主转子驱动轴键连接，以便可与所述主转子驱动轴一起旋转。所述密封挡板构造成利用用于润滑压缩机的机械轴密封件的加压油产生力或者负载，以抵消在所述主转子驱动轴旋转期间产生的所述主转子驱动轴的轴向力。
根据本发明的至少另一方面，提供了一种具有高吸入压力负载平衡组件的单螺杆式压缩机。单螺杆式压缩机包括：壳体；主转子，其固定在所述壳体内并且由主转子驱动轴围绕主转子驱动轴轴线可旋转地驱动。主转子可操作地与多个闸门转子接合，所述闸门转子也固定在所述壳体内。高吸入压力负载平衡组件包括密封挡板，所述密封挡板与所述主转子驱动轴键连接，以便可与所述主转子驱动轴一起旋转。所述密封挡板构造成产生力或者负载，以抵消在所述主转子的旋转期间产生的所述主转子驱动轴的轴向力。有利地，所述高吸入压力负载平衡组件构造成有助于在高输入或吸入压力条件(即，大于或等于300psi)下在压缩机操作期间防止一个或多个轴颈轴承上的过度负载。
根据本发明的至少另一方面，提供了一种在高输入或吸入压力环境中操作单螺杆式压缩机的方法。该方法包括提供单螺杆式压缩机并且产生高输入或吸入压力条件，在所述条件下产生吸入压力并且所述吸入压力约为大于或等于300psi。单螺杆式压缩机包括：壳体；主转子，其固定在所述壳体内并且由主转子驱动轴围绕主转子驱动轴轴线可旋转地驱动，并且可操作地与多个闸门转子接合，所述闸门转子也固定在所述壳体内；以及高吸入压力负载平衡组件。高吸入压力负载平衡组件包括密封挡板，所述密封挡板与主转子驱动轴键连接，以便可与所述主转子驱动轴一起旋转。
参考包括附图的以下说明书公开了本发明的各种其他方面、目的、特征和实施例。
尽管有上述示例，但是本发明旨在涵盖各种其他实施例，包括例如下面进一步详细描述的其他实施例以及在本文所述的权利要求的范围内的其他实施例。
附图说明
参考附图公开了本公开的实施例，并且这些实施例仅用于说明目的。本公开不将其应用受限于附图中所示出的部件的构造或者布置的细节。本公开能够具有其他实施例或者能够以其他各种方式实践或者实施。相同的附图标记用于表示相同的组件。在附图中：
图1是根据本公开的实施例的示例性旋转式气体压缩机的部分俯视、截面图并且有些部分被剖开，该旋转式气体压缩机采用单螺杆转子、一对星形转子或者闸门转子并且具有双滑阀(不可见)；
图2是沿图1中2-2线截取的放大截面图，并且显示了一组双滑阀的截面；
图3是图1的单螺杆式压缩机的一部分的示意图；
图4是根据本公开的实施例的图1的单螺杆式压缩机的示意图，但是修改为包括高吸入压力负载平衡组件；
图5是根据本公开的实施例的图4的单螺杆式压缩机的一部分的示意图，其更详细地显示了高吸入压力负载平衡组件；
图6A是根据本公开的实施例的图4和图5的密封挡板的放大视图，其更详细地显示了密封挡板的外表面；以及
图6B是根据本公开的实施例的图4和图5的密封挡板的放大视图，其更详细地显示了密封挡板的替代外表面。
具体实施方式
参考图1和图2，附图标记10指代单螺杆旋转式气体压缩机的示例性实施例，其适用于压缩***，诸如制冷***(未显示)等。压缩机10通常包括：压缩机壳体12；单个主转子14，安装成在壳体12中旋转；以及一对星形闸门转子或者星形转子16和18，安装成在壳体12中旋转并且与主转子14接合。压缩机10还包括两组双滑阀组件20和22(图1中仅显示滑阀组件20)，其安装在壳体12中并且可与主转子14配合以控制气流进出主转子14上的压缩室。
压缩机壳体12包括圆柱形镗孔24，主转子14可旋转地安装在圆柱形镗孔24中。镗孔24在其吸入端27处开口(参见图1)并且由排放端壁29(未显示)封闭。主转子14通常是圆柱形的并且具有形成在其中的多个螺旋凹槽25，其限定了压缩室，主转子14设置有转子轴26，转子轴26在相对端处可旋转地支撑在安装在壳体12上的轴承组件28、280上。在所显示的实施例中，轴承组件28包括两个角接触滚珠轴承，并且轴承组件280包括单个滚子轴承。转子轴26驱动主转子14围绕主转子轴轴线旋转。
压缩机壳体12包括空间30，其中星形转子或者闸门转子16和18可旋转地安装，并且闸门转子16和18位于主转子14的相对侧(即，相隔180度)。星形转子16和18中的每个具有多个齿轮齿32并且设置有转子轴34，转子轴34在相对端处可旋转地支撑在安装在壳体12上的轴承组件34A和34B(图2)上。星形转子16和18中的每个在与主转子14的旋转轴线垂直并且与主转子14的旋转轴线间隔开的轴线上旋转。因为主转子14由电机(未显示)可旋转地驱动，所以每个星形转子16和18的每个齿32连续地接合主转子14中的凹槽25，并且与镗孔24的壁(特别是其端壁29(未显示)相配合限定了气体压缩室。
两组双滑阀组件20和22(在图1中仅显示滑阀组件20)位于主转子14的相对侧(即，相隔180度)并且布置成使其分别位于与其相关联的星形转子16和18的上方和下方(参考图2)。由于组件20和22除了位置之外彼此完全相同并且它们是彼此的镜像，所以下文仅详细描述组件20。
参考图1和图2，双滑阀组件20位于开口40中，开口40形成在壳体12的壳体壁13中，壳体12限定圆柱形镗孔24。开口40延伸镗孔24的长度并且在两端开口。开口40沿着一条边缘由构件44A界定，构件44A具有光滑表面44和弯曲的截面构造。开口40在其内侧进一步由两个轴向间隔开的弯曲平台45和平台49(未显示)界定。平台45与平台49(未显示)之间的空间是进气通道70。开口40位于其排放端并且限定了如下文所解释的进气口。组件20包括滑阀支架42，滑阀支架42刚性地安装在开口40中，并且还包括两个可移动的滑阀构件或者机构，即容积滑阀构件48和容量滑阀构件47。滑阀构件47和滑阀构件48可滑动地安装在支架42上，以便在平行于主转子14的轴线的方向上移动。至少在一些实施例中，滑阀构件47可以包括容量和容积能力，因此可以称为“双用途”滑阀构件。(例如参见美国专利US4,610,613、U.S.4,704,069、U.S.4,610,612、U.S.7,891955和U.S.8,202,060，其中的每个都通过引用全文并入本文。)
仍然参考图1和图2，后表面71(未显示)与支架42的板部分52的前侧53(未显示)相接并且在其上滑动。前表面72(未显示)与主转子14的圆柱形表面相接。滑阀构件47和滑阀构件48的内侧边缘74(未显示)可滑动地彼此接合。滑阀构件47和滑阀构件48的外侧边缘76(未显示)与镗孔24中的开口40附近的弯曲表面44相接并且可滑动地接合。滑阀构件47和滑阀构件48分别通过夹紧构件81(未显示)和夹紧构件82可滑动地固定到支架42，夹紧构件81(未显示)和夹紧构件82分别通过螺钉84(其中两个在图2中示出)固定到滑阀构件。夹紧构件81(未显示)和夹紧构件82分别具有柄部分85和柄部分86(未显示)，柄部分85和柄部分86分别在支架42中延伸穿过由附图标记/表面56和57(未显示)限定的开口并且分别抵靠滑阀构件47和滑阀构件48的后表面70。螺钉84延伸穿过夹紧构件81(未显示)和夹紧构件82中的孔83，并且拧入滑阀构件47和滑阀构件48后部的螺纹孔87中。
在一个实施例中，滑阀如第8,202,060号美国专利中所描述的构造并且起作用，该专利名称为具有高压滑阀组件的压缩机。
图3示出了图1的单螺杆式压缩机的围绕滚子轴承28的一部分，并且显示了密封压力腔94、第一密封件92a和第二密封件92b以及挡板91。如图3所示，密封压力腔94是主壳体12与主轴26之间的空间，其包含了滚子轴承280、密封件92a、密封件92b和密封壳体93。
密封件92a、密封件92b防止流体(例如，气体)从转子轴26延伸穿过壳体12的点周围泄漏。在一个实施例中，密封件92a、密封件92b的结构和位置设计成如本领域中已知的与诸如油的密封液一起工作。特别地，在这样的实施例中并且如图3中显示的，密封件92a构造成与主轴26一起旋转，而密封件92b是静止密封件。油或者任何其他合适的密封流体被引入密封压力腔94，以润滑滚子轴承280。密封流体(例如，油)处于压力下，以便被迫使进入滚子轴承280的轴承腔中。尽管在一些实施例中可以使用泵，但是通常这种压力是压差。
在压缩机操作期间，提供有吸入压力。吸入压力将流体(例如，气体)吸入主转子14。随着吸入压力增加，它产生推力负载或者力，其将主转子驱动轴纵向推动并且轴向向外推离闸门转子16、闸门转子18。这种增加的吸入压力增加了轴承组件28上的负载，并且在一些情况下，可能使轴承组件28的轴承过早磨损或者增加磨损/负载。当在低吸入压力(例如，小于300psi)下操作时，挡板91干扰流体(例如，气体)沿着轴26的流动并且由于挡板91被固定并且附接到壳体12而不产生负载。当压缩机10在较高压力下操作时需要额外的抵消力(例如，大于或等于300psi，大于或等于500psi，或者大于300psi或等于800psi)。当在较高压力下操作时，高吸入压力负载平衡组件90可用于平衡纵向和轴向向外的力并且减小轴承组件28的负载。
图4和图5示出了根据本公开的实施例的类似于图3中显示的单螺杆式压缩机，但是修改为包括高吸入压力负载平衡组件90。如下面进一步详细描述的那样，高吸入压力负载平衡组件90利用在压缩机10的操作期间产生的密封压力腔94中的油压来产生抵抗轴26上的推力的力。
如将要理解的，高吸入压力负载平衡组件90包括与参考图3所讨论的结构类似或者完全相同(在设计或者功能上)的结构，其中相同的部分/部件标有相同的数字。如图所示，高吸入压力负载平衡组件90包括：滚子轴承280；挡板91；一对密封件92a、密封件92b；密封壳体93；密封压力腔94；以及在滚子轴承280与轴密封件92a、轴密封件92b之间定位的密封挡板95。换而言之，密封挡板95延伸到密封压力腔94中并且与滚子轴承280邻接。在所显示的实施例中，挡板91也与滚子轴承280邻接，但是与密封挡板95相对。挡板91不是在滚子轴承280暴露于密封压力腔94的一侧。
特别注意参考图4和图5，高吸入压力负载平衡组件90包括密封挡板95。密封挡板95经由或者通过在主轴26(特别是沿其外表面或者直径)与密封挡板95(特别是沿内表面或者直径)之间定位的键连接接头96与主轴26一起旋转。
在所示的实施例中，密封挡板95在轴26旋转时随轴26移动，这意味着在密封挡板95与轴26之间不存在间隙，因此不需要额外的密封件。密封挡板95接近但是不接触主壳体12的内表面。因此允许油从密封压力腔94传递到滚子轴承280。如图6A中显示的，密封挡板98的外表面可以是光滑的和/或具有与主壳体12的内表面的轮廓相匹配的光滑轮廓。在其它实施例中，如图6B中显示的，密封挡板98'的外表面可包含一个或者多凹槽以形成迷宫密封(labyrinth)。在图6B中显示的实施例中，密封挡板98'的外表面包括在图5中显示的截面处看起来是四个线性凹槽的外表面。虽然密封挡板98'的外表面实际上可以包含四个线性凹槽，但是在其他实施例中，凹槽可以是非线性的，以便产生更逼真的迷宫密封。在更进一步的实施例中，本领域技术人员将要理解的，密封挡板98'的外表面基本上是围绕轴26的环，可以具有是非线性的单个凹槽，以便在密封挡板98'的外表面上形成迷宫式密封。
在密封挡板95'的外表面98'上或者在其中的迷宫式密封或者其他管道/通道产生额外的阻力，使油从密封挡板95'的一侧传递到另一侧。在密封挡板95'的表面98'上包括迷宫式密封能够控制在腔94中的更多力来抵消轴向轴力。
密封挡板98'的外表面中的一个或者多凹槽可以在外表面98'中机械加工或者以任何其他合适的方法产生。凹槽可具有光滑或者不规则的表面。
随着压缩机10的操作压力增加至大于或等于300psi(例如，300psi至800psi，或者大于或等于500psi)，吸入压力产生推力负载或者力，其将主转子驱动轴26纵向推动并且轴向向外推离闸门转子16、闸门转子18。如之前所描述的，有利地，在密封压力腔94中产生的力抵消了轴26的主轴向力。在图4和图5中显示的实施例中，密封挡板95接收在密封压力腔94中产生的大部分压力。由于密封挡板95与主轴26牢固地连接，所以施加在密封挡板95上的压力也抵消了主轴26的主轴向力。密封挡板95构造成利用用于润滑压缩机10的机械轴密封件92a的加压油来产生力或者负载，以抵消主转子驱动轴26的轴向力。结果，减小或者消除了轴承组件28上的力。
特别地在图5中显示的，密封挡板95接合到主轴26，以便经由键槽96与主轴26一起旋转。键槽是用于将旋转元件(在这种情况下是密封挡板95)连接到的轴(诸如主轴26)的机械接头。在所示的实施例中，轴26被修改成在其外表面或者直径上包括称为键座的凹槽。密封挡板95的构造成与轴26接合的表面具有称为键槽的对应凹槽。通常，并且特别是当将旋转元件接合到轴时，键座和键槽与轴26平行。当键座和键槽对齐时，它们形成空腔，该空腔具有由键座和键槽所限定的形状。用于接合轴26和密封挡板95的键是结构元件，该结构元件具有对应于由键槽和键槽形成的中空部的形状。
虽然可以使用其他结构、部件和组件将密封挡板95固定到轴26，使得密封挡板95与轴26一起旋转，但是本领域技术人员将要理解，利用键槽96将允许现有的压缩机用高吸入压力负载平衡组件90进行改装，而不产生显著的影响。
如本领域技术人员将进一步理解的，高吸入压力负载平衡组件90利用现有结构和单螺杆式压缩机的操作，因此不适用于其他类型的压缩机(例如，双螺杆压缩机)。
在一个实施例中，本公开提供了一种在高输入或吸入压力环境中操作单螺杆式压缩机的方法。单螺杆式压缩机可以是根据本文所描述的任何一个实施例或者实施例的组合的压缩机。
在一个实施例中，在高输入或者吸入压力环境中操作单螺杆式压缩机的方法包括提供单螺杆式压缩机。在一个实施例中，单螺杆式压缩机包括：壳体；主转子，其固定在所述壳体内并且由主转子驱动轴围绕主转子驱动轴轴线可旋转地驱动，并且可操作地与多个闸门转子接合，所述闸门转子也固定在所述壳体内；以及高吸入压力负载平衡组件，所述组件包括密封挡板，所述密封挡板与主转子驱动轴键连接，以便可与所述主转子驱动轴一起旋转。
在高输入或吸入压力环境中操作单螺杆式压缩机的方法中，该方法接下来需要产生高输入或吸入压力条件，在所述条件下产生吸入压力。在一个实施例中，高输入或吸入压力条件为约大于或等于300psi、或者约大于或等于500psi、或者约大于或等于300psi至约800psi的操作压力。
在一个实施例中，产生高输入或吸入压力条件的步骤在主转子上产生高推力负载。
在一个实施例中，该方法还包括利用高压吸入负载平衡组件来平衡或者抵消推力负载的步骤，从而减小在主转子和轴承(例如轴颈轴承)上的净推力负载。
在一个示例性实施例中，根据本公开的一个或者多个方面，提供单螺杆式压缩机的步骤包括提供一种单螺杆式压缩机，所述单螺杆式压缩机还包括在所述壳体与所述主转子驱动轴之间定位的至少一个轴承、密封壳体、相对于所述密封壳体定位的至少两个密封件、以及由所述至少一个轴承、所述壳体、所述密封壳体、所述至少两个密封件和所述主转子驱动轴限定的密封压力腔，其中所述密封压力腔包括流体体积(例如，油或者其他润滑剂)。在这样的实施例中，该方法还包括在密封压力腔中产生流体压力。
根据本公开的实施例，使用高压吸入负载平衡组件来平衡或者抵消推力负载的步骤包括利用在密封压力腔中的流体压力来产生平衡或者抵消推力负载的力。
需要具体指出，本发明不受限于本文包含的实施例和说明，而是包括那些实施例的经修改的形式，所述经修改的形式包括落入所附权利要求范围内的实施例的一部分以及不同实施例的要素的组合。

Claims (11)

1.一种单螺杆式压缩机，包括：
壳体；
主转子，其固定在所述壳体内并且由主转子驱动轴围绕主转子驱动轴轴线可旋转地驱动，并且可操作地与多个闸门转子接合，所述闸门转子也固定在所述壳体内；以及
高吸入压力负载平衡组件，所述组件包括密封挡板，所述密封挡板与所述主转子驱动轴键连接，以便可与所述主转子驱动轴一起旋转，
并且其中所述密封挡板构造成产生负载，以抵消在所述主转子的旋转期间产生的所述主转子驱动轴的轴向力，
其中所述压缩机还包括在所述壳体与所述主转子驱动轴之间定位的至少一个轴承、密封壳体、相对于所述密封壳体定位的至少两个密封件、以及密封压力腔，所述密封压力腔由所述至少一个轴承、所述壳体、所述密封壳体、所述至少两个密封件和所述主转子驱动轴限定。
2.根据权利要求1所述的单螺杆式压缩机，其中所述密封挡板突出到所述密封压力腔中。
3.根据权利要求2所述的单螺杆式压缩机，其中所述密封挡板与所述至少一个轴承邻接。
4.根据权利要求3所述的单螺杆式压缩机，其中所述至少一个轴承是滚子轴承。
5.根据权利要求1所述的单螺杆式压缩机，其中所述压缩机还包括至少一个挡板，所述挡板与所述密封挡板相对的所述至少一个轴承邻接。
6.根据权利要求1所述的单螺杆式压缩机，其中所述密封压力腔包含流体体积。
7.根据权利要求1所述的单螺杆式压缩机，其中所述密封挡板构造成产生力，以抵消在所述主转子的旋转期间产生的所述主转子驱动轴的轴向力。
8.一种在高输入或吸入压力环境中操作单螺杆式压缩机的方法，所述方法包括：
提供单螺杆式压缩机，所述单螺杆式压缩机包括：壳体；主转子，其固定在所述壳体内并且由主转子驱动轴围绕主转子驱动轴轴线可旋转地驱动，并且可操作地与多个闸门转子接合，所述闸门转子也固定在所述壳体内；以及高吸入压力负载平衡组件，所述组件包括密封挡板，所述密封挡板与所述主转子驱动轴键连接，以便可与所述主转子驱动轴一起旋转；
产生高输入或吸入压力条件，在所述条件下产生吸入压力并且所述吸入压力为大于或等于300psi；
利用高吸入压力负载平衡组件来平衡或者抵消推力负载的步骤，从而减小在所述主转子上的净推力负载；
其中所述单螺杆式压缩机还包括在所述壳体与所述主转子驱动轴之间定位的至少一个轴承、密封壳体、相对于所述密封壳体定位的至少两个密封件、以及密封压力腔，所述密封压力腔由所述至少一个轴承、所述壳体、所述密封壳体、所述至少两个密封件和所述主转子驱动轴限定，其中所述密封压力腔包括流体体积；
其中所述产生高输入或吸入压力条件在所述主转子上产生高推力负载。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个轴承是滚子轴承。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述密封压力腔中产生流体压力的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述利用高吸入压力负载平衡组件来平衡或者抵消所述推力负载的步骤包括利用在所述密封压力腔中的所述流体压力来产生平衡或者抵消所述推力负载的力。
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