CN1130724A - 具有反转保护装置的涡旋式压缩机 - Google Patents

Abstract

在一种涡旋式压缩机中，在有利于反转运行的状态下，涡旋体环绕圈件分开时得以提供一个通过涡旋体的连续无阻的流程。弹簧偏压力，驱动接触区域和/或作用力区域的重新定位可以单独或以组合方式使用以产生环绕圈件的分离。

Description

具有反转保护装置的涡旋式压缩机

旋转式压缩机一般可以反转运行，此时它们是用作扩张器。当封闭***通过压缩机寻求平衡压力停机时，反转运行就可能发生，由此使压缩机作为具有很小负荷的扩张器运行。这个问题已经通过提供一种尽可能接近涡旋流出口处设置以将可用于提供反转运行动力的高压气体量减到最小限度的一种流出止回阀(如由共同被转让的美国专利4,904,165和5,088,905所列举的那种)而提出。只要当任何高压气体可用于提供反转运行的动力时，即使不存在对涡旋式压缩机的伴随的危险，一些轨道式涡旋运动也会伴随有噪声。即使这种噪声不达到有害程度，但它令人烦恼因而噪声的减小或消除是所期望的。这已在共同被转让的美国专利5,167,491中提出，在此专利中压缩机在停机前卸去负荷。实际问题正是由于停机反转运行时不存在负荷而产生的。在反转运行不存在负荷的情况下，压缩机零部件可由于超速和超应力而损坏。

在正常地导致通过压缩机的反向流的条件下，例如很低的转速运行、动力中断或停机，一个连续无阻碍的流程是通过若干环绕圈件(wraps)而建立的。这个无阻碍的流程可通过压缩机达到压力平衡而防止泵机组的高速反转运行。本发明还防止了由动力的操纵的单级压缩机的转反运行，其在反转运行过程中的动力是被回收的。

本发明的一个目的是防止在涡旋式压缩机中的用动力推动的反转运行。

本发明的另一个目的是防止与涡旋式压缩机的涡旋反向转动相关联的噪声的产生。

本发明的再一目的是降低启动时由于缩减涡旋偏心率所产生的起动扭矩。这些目的以及下文中可明显看到的别的目的是通过本发明的下述技术方案予以实现的。

本发明的一种涡旋式压缩机装置包括：一对涡旋体，其中之一为轨道式运行涡旋体，一滑块和一曲轴，其中，所述的轨道式涡旋体具有带孔的毂，所述孔具有一轴线(B—B)并容置所述的滑块，所述曲轴具有一旋转轴线和容置在所述滑块孔内的驱动销轴，所述销轴和滑块之一具有一个与所述销轴和滑块中的另一个正常地啮合的平面，在滑块上的所述孔大于所述销轴，通常销轴与毂孔是同轴线的，所述驱动销轴在正常运行过程中通过滑块动作以驱动所述的轨道式运行涡旋体，而在反转运行时，所述轨道式运行的涡旋体趋向于通过滑块动作以驱动销轴和曲轴，而在停机时通过所述压缩机装置平衡压力，以及所述反向旋转保护装置，其特点是，所述的轨道式运行的涡旋体和滑块沿着在第一位置和第二位置之间的所述平面相对于驱动销轴是可移动的，在所述第一位置中，所述轨道式运行的涡旋体在正常运行过程中与成对涡旋体中的另一个相啮合，而在第二位置中，所述轨道式运行涡旋体在减速和任何趋向反转运行和压力平衡时，与成对涡旋体中的另一个相分离，在正常运行过程中，完全由所述轨道式运行涡旋体及滑块的运行所产生的离心力趋向于使轨道式运行涡旋体和滑块保持在所述第一位置中；还包括一装置(36-θ)，它在与减速和反转运行相联系的工况时，使轨道式运行涡旋体和滑块沿所述平面从所述第一位置向第二位置移动，从而使所述成对的涡旋体分开，一个无阻碍的流程是通过所述压缩机装置建立的而由气体负荷产生的反转扭矩通过轨道半径的减小而减小。

基本上在承受产生反转运行支配的工况下，涡旋体的环绕圈件被分离因此提供一通过两涡旋体的连续无阻碍的流程。

图1是采用本发明的涡旋式压缩机的一部分处在无动力的或反向流动状态时的垂直剖视图；

图2是沿图1的线2—2所取的滑块机构的剖视图；

图3是示出本发明第一个经变动的实施例的相应于图2的剖视图；

图4是示出本发明的第二个经变动的实施例的相应于图2的剖视图；

图5图示出传统的驱动平面定向和作用在定向平面上的力；以及

图6至8是图4实施例的受力示意图。

在图1中，标号10总的表示仅部分图示的一个下侧气密的涡旋式压缩机。涡旋式压缩机10包括一带有一个环绕圈件12—1的轨道式运行涡旋体12和一带有一个环绕圈件14—1的固定涡旋体14。轨道式运行涡旋本12具有一带容置滑块20的孔12—3的毂12—2。A—A线代表曲轴30的轴线而B—B线代表孔12—3的轴线及轨道式运行涡旋体12的环绕圈件的中心线，所述轨道式运行涡旋体的轴线沿轨道绕固定涡旋体14的中心线运行。

最好如图2所示，曲轴30的驱动销轴部分30—1具有一由C点表示的轴线C—C，并容置在滑块20的伸长的或“D”形凹槽(20—1)内以便驱动销轴30—1的桶形驱动区域30—2可以与滑块20的平面20—2相啮合。当驱动销轴30—1处在驱动位置时，平面20—2基本与含有轴线A—A、B—B及C—C的一个平面平行。滑块20在轴承24内旋转和与曲轴30一起作为一个组件运动并具有相对于轨道式运行的涡旋体12的毂12—2的相对运动，而所述涡旋体12通过十字联轴节28保持一轨道式运行。与轴承24和毂12—2一起作为组件的滑块20的往复运动是在运行过程中可发生在滑块20和曲轴30的驱动销30—1之间的唯一有效的相对运动。这个运动范围在稳态运行时一般约为0.001英寸。在起动、停机过程中或每当被捕集在两涡旋体之间的液体驱动与固定涡旋体14分开的轨道式运行涡旋体12时，就可发生一较大的运动范围。

如图1中所示，环绕圈件12—1和14—1可径向地分开以便在流出口14—2和处在吸入压力下的壳体11的内部之间存在一个无阻碍的连续反向流程。滑块20相对于驱动销轴30—1的位置，如图1和2所示，表示当压缩机10无动力供给时或处在反向流动状态下的各零件的位置是由于多个贝氏弹簧垫圈(Belleville washers)36的偏压作用实现的。驱动销轴30—1有一横向孔30—3，它通过环形肩30—4与沉孔30—5隔离。管形嵌件32具有内螺纹并可滑动安装在孔30—3内。导向销34具有一个与凹槽20—1的弧度互补的圆形头部34—1、一通过肩34—2与所述头部34—1隔开的第一圆柱体部分34—3和一具有外螺纹且通过肩34—4与所述第一圆柱体部分34—3隔开的第二缩径圆柱体部分34—5。贝氏弹簧垫圈组36被设置在一圆柱体部分34—3上，然后将管形嵌件32拧到缩径圆柱体部分34—5上直到嵌件32与肩34—4贴合为止。由销34、贝氏弹簧垫圈组36和管形嵌件32构成的组件被设置在驱动销轴30—1内以便使管形嵌件32在孔30—3内而贝氏弹簧垫圈组36和圆柱体部分34—3至少部分地位于沉孔30—5内(如图2中所示)。当如图1和2所示那样装配好后，贝氏弹簧垫圈组就座靠在肩34—2和肩30—4上，由此通过移动毂12—2使A—A轴线与B—B轴线分开并由此轨道式移动涡旋体12。如果弹簧垫圈组36的自由长度是足够的话，则导向销34和驱动销轴30—1就可在由含有轴线A—A、B—B和C—C的平面以及沿平面20—2所确定的完全相反的位置与凹槽20—1的壁相接触。

从在图1和2所示位置上的零件开始，假定压缩机10被关掉，并且设置在压缩机中的致冷***已允许在压力上平衡，则起动压缩机10将是比较容易的，因为此时环绕圈件12—2和14—1未接触因而不能捕集被压缩的气体。此外，由于轨道式运行的涡旋体12是从一较小的轨道半径开始的，作为扭矩减小的结果使任何摩擦扭矩阻力减到最小程度。随着曲轴30按如图1和2中箭头所示逆时针方向旋转便可产生离心力，所述离心力使B—B轴线并由此使轨道式运行的涡旋体12移离它所围绕旋转的轴线A—A。当涡旋体12在离心力作用下运行时，它便克服弹簧组36的偏压力，由此使销34的头部34—1向沉孔30—5运动，并使管形嵌件32进一步移入孔30—3中。销34的运动通过环绕圈件12—1与14—1的接触或通过弹簧组36由于其偏压力增大或被压缩到其最小高度而受到限制。只要产生足够的离心力则压缩机的运行就可满足要求。如果由于在太低的转速运行或由于无动力供给压缩机10而使曲轴30的旋转速度不能产生足够的离心力，则弹簧组36的偏压力将使轴线B—B并由此使轨道式运行涡旋体12朝向轴线A—A运动从而使环绕圈件12—1与14—1分离而产生一通过压缩机的连续无阻的流程以允许压力平衡在吸入压与流出压之间。当这个连续无阻的流程发生时，由于作用在轨道式运行涡旋体12上的力使其反转运行，扭转因力矩臂缩短而减小。在压力平衡后，扭矩为零。环绕圈件12—1和14—1将保持分开直到压缩机的转速增加到足够程度或重新起动压缩并上升到足够的转速为止。

为实现较大程度的扭矩减小，使轨道式运行的涡旋体12在设计给定的限制范围内尽可能多地径向地向内移动。这可以通过量定滑块20内的D形凹槽20—1尺寸及量定驱动销轴30—1的外径尺寸和使驱动销轴30—1相对于曲轴中心线C—C定位的组合来实现。这些变动必须与其它的设计约束一致。当然，行程不能很大以使轨道半径太小以致在起动时不能为轨道式运行涡旋体12供给能量。

滑块/偏心驱动型式的机构可以制作得使环绕圈件12—1与14—1相接触的惯性负荷是通过作用在偏心桶形驱动区域30—2的径向气体负荷和别的负荷抵消的，其大小等于Ftgtanθ，其中Ftg是切向气体负荷而角θ是一设计特征值。θ最好具有这样一个值，即在环绕圈件脱离阻止它们分开的摩擦负荷所要求的速度时可实现上述负荷的抵消。设计特征值，角θ在图3中示出，它与图2的不同点在于滑块120上的凹槽20—1是重新定位使得平面20—2处在与由A—A和B—B轴线所确定平面成一θ角的位置上。结果是含有轴线A—A和C—C的平面是处在与含有轴线B—B和C—C的平面成θ角的位置上。图3所示的结构除了运行情况不同外其它方面都与图2所示的结构相同。当电动机(未图示)被断开时，作用在弹簧36上的附加分离力将开始起作用。因此大约当：

              mR_oω²＜Ftgtanθ＋Frg－Ftgμ＋弹簧偏压力时环绕圈件12—15与14—1将分开。

其中，m是轨道式运行涡旋体12和滑块20的组合质量；R_o是在完全供给能一位置时的轨道半径；ω是在环绕圈件开始分离时，压缩机/曲轴的转速；Ftg是切向气体作用力；Frg是径向气体作用力；μ是20—2与30—2间的摩擦系数，

这样，实际上图3的装置对图2结构添加了另一个环绕圈件的分离机构。

图4的装置，除了弹簧偏压结构已被去掉外与图3的装置相同。因而当

                      mR_oω²＜Ftgtanθ＋Frg－Ftgμ时环绕圈件12—1与14—1的分开将大致地发生。

由角θ确定的驱动销轴130—1的桶形驱动区域130—2的取向对压缩机效率具有实质性作用，因为这个取向能够影响到环绕圈件12—1与14—1的侧面是否相互接触并有效地密封。如上面所讨论那样，在停机或动力中断过程中，由于环绕圈件12—1与14—1的分开并使它们保持分开，上述相同作用可有助于防止轨道式运行的涡旋体12的反向转动。然而，对于正常运行中与对于在停机过程中使环绕圈件12—1与14—1保持分开的最佳平面取向不一定是相同的，因此就可以要求一个在这两个目标之间的折衷办法。

图5示出图2取样弹簧后的传统驱动平面的取向。如图5中所示，作用在滑块上的驱动力F_驱动直接抵消切向气体作用力F_切向。它们大小相等但方向相反。相反，在图6图示的结构中，驱动平面30—2已经以图3和4所示方式重新取向并已在前面已予以说明。如图6中所示，所述驱动力F_驱动垂直于驱动面30—2和从动面20—2。然而，如图所示，F_驱动具有一个与F_切向大小相等方向相反的矢量分力F’_驱动和一个由径向气本作用力F_切向作用的第二矢量分力F″_驱动，F_径向趋向于使环绕圈件12—1与14—1分开。

现参照图7，点A是轴的旋转中心线，点X是在正常运行(完全供给能量的位置)时滑块20的中心线，而点Y是当滑块通过沿平面20—2滑动而移动，已发生有轨道式运行的环绕圈件侧面的分离且存在有从流出口向吸入口的气体通路时的滑块20的中心线。角θ代表平面20—2相对于与通过点A和X的直线平行的一条直线的取向。因此它是一个固定的设计特征值。角α是在通过点A和X的直线与通过点A和Y的直线之间形成的角度。在切向气体作用力F切向的作用线与驱动力F_驱动的作用线间的角度用α＋θ表示。现参照图8，在α＋θ与滑块20已运动的量之间的关系可由三角公式推导出：即α＋θ＝sin^-1〔(R_o/r)sinθ〕；这里R_o＝在完全供给能量位置(滑块中心线在X)时的轨道半径，R_o＝从X至A的距离而r＝当某种程度的环绕圈件侧面存在分离(滑块中心线在Y点上)(r＝从Y至A的距离)时的轨道半径。

对此公式的研究表明，驱动力F_驱动和切向气体作用力F_切向之间的角度α＋θ随着滑块沿平面运动且相应地发生涡旋环绕圈件分离的变化而变化的。

明确地说，当θ＞O的情况时，(正角θ在图7中确定)，随着轨道半径的r减小，α＋θ增大，即环绕圈件侧面分离增大，其结果是，当环绕圈件分离量增大(此处图7中所示的符号惯例这样定，即正值增加分离，而负值与之相反)时，在图6中所确定的用于分开环绕圈件的法向反作用力的分力F″_驱动增大。

这种作用情况只是存在于具有θ＞O的设计中。再考察上述公式，当θ＝O时，不管在环绕圈件侧面分离过程中滑块20运动量多大，α＋θ等于O。这样，当图5中所示的具有θ＝O的传统设计不能显示上面所讨论的作用情况。

这种工作情况的意义是θ＞O的那些设计可实现两方面的好处。首先是可产生一个使环绕圈件分离的分力(这在前面已予以说明)。第二，由于一旦分离开始，在分离进展时，分离力大小是增大的，从而实现正值的分开作用。这两上好处对本发明的目的都是有用的。

上面应用于图4的说明如增加弹簧偏压力可适用于图3。

虽然上面图示说明了本发明的一些较佳实施例，但是熟悉本技术的人还可想到别的改进。因此本发明仅仅要由所附权利要求书的范围来限制。

Claims (9)

1.一种涡旋式压缩机装置(10)，它包括：一对涡旋体(12，14)，其中之一为轨道式运行涡旋体，一滑块(20)和一曲轴(30)，其中，所述的轨道式涡旋体具有带孔的毂(12—2)，所述孔具有一轴线(B—B)并容置所述的滑块(20)，所述曲轴(30)具有一旋转轴线(A—A)和容置在所述滑块孔(20—1)内的驱动销轴(30—1)，所述销轴和滑块之一具有一个与所述销轴和滑块的另一个正常地啮合的平面(20—2，30—2)，在滑块上的所述孔大于所述销轴，通常销轴与毂孔是同轴线的，所述驱动销轴在正常运行过程中通过滑块动作以驱动所述的轨道式运行涡旋体，而在反转运行时，所述轨道式运行的涡旋体趋向于通过滑块动作以驱动销轴和曲轴，而在停机时通过所述压缩机装置平衡压力，以及所述反向旋转保护装置，其特征在于，所述的轨道式运行的涡旋体和滑块沿着在第一位置和第二位置之间的所述平面相对于驱动销轴是可移动的，在所述第一位置中，所述轨道式运行的涡旋体在正常运行过程中与成对涡旋体中的另一个相啮合，而在第二位置中，所述轨道式运行涡旋体在减速和任何趋向反转运行和压力平衡时，与成对涡旋体中的另一个相分离，在正常运行过程中，完全由所述轨道式运行涡旋体及滑块的运动所产生的离心力趋向于使轨道式运行旋涡体和滑块保持在所述第一位置中；还包括一装置(36-θ)，它在与减速和反转运行相联系的工况时，使轨道式运行涡旋体和滑块沿所述平面从所述第一位置向第二位置移动，从而使所述成对的涡旋体分开，一个无阻碍的流程是通过所述压缩机装置建立的而由气体负荷产生的反转扭矩通过轨道半径的减小而减小。

2.如权利要求1所述的涡旋式压缩机装置，其特征在于，所述用于使轨道式运行涡旋体和滑块从所述第一位置向第二位置移动的装置包括弹簧装置(36)。

3.如权利要求2所述的涡旋式压缩机装置，其特征在于，所述弹簧装置以一种能使所述成对的涡旋体径向分离的方式作用在所述滑块与所述驱动销轴之间。

4.如权利要求2所述的涡旋式压缩机装置，其特征在于，所述用于使轨道式运行涡旋体和滑块从所述第一位置移向第二位置的装置还包括以由所述旋转轴线和所述孔的轴线限定的平面与所述驱动销轴和所述滑块之间的一作用线形成一锐角(θ)。

5.如权利要求4所述的涡旋式压缩机装置，其特征在于，所述锐角是在5°与30°之间。

6.如权利要求1所述的涡旋式压缩机装置，其特征在于，所述用于使轨道式运行涡旋体和滑块从所述第一位置移向第二位置的装置包括以由所述旋转轴线和所述孔轴线所限定的平面与所述驱动销轴和所述滑块之间一作用线形成一锐角(θ)。

7.如权利要求6所述的涡旋式压缩机装置，其特征在于，所述锐角是在5°与30°之间。

8.如权利要求1所述的涡旋式压缩机装置，其特征在于，所述用于使轨道式运行涡旋体和滑块从所述第一位置移向所述第二位置的装置包括在所述第一位置中的在所述驱动销轴和所述滑动块之间的第一作用线与在所述第二位置中的在所述驱动销轴和所述滑块之间的第二作用线。

9.如权利要求1所述的涡旋式压缩机装置，其特征在于，所述用于使轨道式运行涡旋体和滑块从所述第一位置移向所述第二位置的装置，包括当所述成对的旋涡体在所述第一和第二位置之间径向分离时所述驱动销轴与滑块之间有连续变化的作用线。

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