專利名稱：液體環(huán)式壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓縮機(jī)，尤其地，本發(fā)明涉及一種液體環(huán)式壓縮機(jī)。
大多數(shù)壓縮機(jī)以合適的絕熱過程即在壓縮過期沒有熱量交換進(jìn)行工作。實(shí)際上，例如往復(fù)運(yùn)動的壓縮機(jī)散發(fā)出大量熱量，但是只有小部分的熱量在壓縮期間散發(fā)出來，大部分的熱量在壓縮期間之后或者在結(jié)束階段散發(fā)出來。透平壓縮機(jī)常常具有非常接近絕熱的過程。
一些更加特殊的壓縮機(jī)可以非常接近絕熱地進(jìn)行工作，即所產(chǎn)生的熱量連續(xù)地導(dǎo)走，并且溫度保持不變。這些例子是水驅(qū)動的噴射器和液體環(huán)式壓縮機(jī)，在這里，這兩者常常與真空一起使用。具有機(jī)油噴射的螺旋式壓縮機(jī)工作起來多變，即在絕熱和等溫之間。
與絕熱相比，等溫過程需要較少的供給能量。隨著壓力不同的增大，這種不同快速增大，如

圖1中的圖線所示。這個示出了理論值，這些值是根據(jù)理想氣體的公式對空氣計算出來的。在沒有接近臨界點(diǎn)情況下，空氣和氣體非常接近理想。
對于大多數(shù)物體而言，不希望具有壓縮之后的熱氣體，從這點(diǎn)和能量消耗來看，等溫過程在理論上是優(yōu)選的。
在這種情況下，盡管今天沒有采用上面這些，但是可以發(fā)現(xiàn)原因在現(xiàn)有的等溫或者接近等溫的壓縮機(jī)中具有太大的液壓和動態(tài)損失。除了真空泵之外，這些真空泵實(shí)際上是具有高壓差p2/p1的液體壓縮機(jī)，但是具有很小的壓力高度p2-p1。這些可以在液體環(huán)上以低圓周速度進(jìn)行工作。在現(xiàn)有技術(shù)中的另一個問題是，在壓縮期間容易連續(xù)地?fù)p失熱量。
在真空中，常常使用噴射器和水環(huán)式壓縮機(jī)。噴射器在水射流中利用較大的速度，在這種水射流中，橫截面進(jìn)行膨脹并且與它一起拉另一種介質(zhì)。噴射器把動態(tài)壓力轉(zhuǎn)換成靜態(tài)壓力。但是，噴射器系統(tǒng)在泵中、在噴嘴中由于撞擊和摩擦而具有相對較高的損失。噴射器很少用于不是真空場的其它事物中。在現(xiàn)有技術(shù)中，水環(huán)式壓縮機(jī)最接近本發(fā)明的壓縮機(jī)。
液體環(huán)式壓縮機(jī)主要包括葉輪，該葉輪在外殼內(nèi)與水環(huán)一起偏心地旋轉(zhuǎn)，離心力使該環(huán)保持在周圍的合適位置上。在正常情況下，入口設(shè)置成外殼的一個或者兩個端壁上的開口，氣體被吸入到葉輪的間隙中。相應(yīng)地，把開口布置在壓力側(cè)上的端壁上，在那里，壓縮氣體被推出。所有這些可以具有靜止的換向器，這些換向器布置在轉(zhuǎn)子內(nèi)的中央，在那里沿著徑向產(chǎn)生進(jìn)入和排出。
液體環(huán)式壓縮機(jī)不能以與噴射器相同的方式來轉(zhuǎn)換水中的能量。水環(huán)中的靜態(tài)壓力保持不變。水環(huán)在轉(zhuǎn)子的每個槽中起著活塞的作用。普通液體環(huán)式壓縮機(jī)的原理示出在圖2中，其中液體環(huán)23在靜止外殼22內(nèi)偏心地旋轉(zhuǎn)，由轉(zhuǎn)子21來驅(qū)動，在那里，位于葉輪之間的間隙在旋轉(zhuǎn)的一側(cè)上將吸入氣體并且壓縮另一側(cè)上的氣體。
水環(huán)中的靜態(tài)壓力不得不與壓縮壓力相同，否則水被壓出槽，即水環(huán)將變形。因此，假設(shè)具有一定的壓力高度p2-p1，需要最小的離心力。液體環(huán)式壓縮機(jī)常常具有明顯更高的壓力高度，因此與真空式泵相比，需要更高的旋轉(zhuǎn)速度。
傳統(tǒng)水環(huán)式壓縮機(jī)中的最大摩擦損失產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子接觸外殼的壁的時候?？臻g一定得非常小，包括作用在外殼邊緣上的水在內(nèi)的一些東西具有與轉(zhuǎn)子的葉輪端部相同的速度。此外，在轉(zhuǎn)子的側(cè)部和外殼之間一定是非常小的間隙。此外，在這些間隙中具有較大的摩擦。
通常地，摩擦損失隨著速度增加量的平方而提高，實(shí)際上，即使在相對較小的壓力比時，水環(huán)式壓縮機(jī)不受相對于絕熱式壓縮機(jī)的能量大小的約束。
在沒有這些摩擦損失的情況下，液體環(huán)式壓縮機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)。它非常簡單并且可以一步到達(dá)相對較大的壓力比。
明顯的是，如果環(huán)繞著水環(huán)的外殼與這個一起進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，那么液壓摩擦損失將是最小的。因此，這種壓縮機(jī)對于正常的壓力比而言幾乎在所有的地方可以利用等溫能量的優(yōu)點(diǎn)。
早期建議公開了，通過外部的、旋轉(zhuǎn)的氣缸來解決摩擦問題，而這個不能導(dǎo)致切實(shí)可行的解決方案。美國專利5100300和美國專利5370502描述了具有氣缸的液體環(huán)式壓縮機(jī)，該氣缸浮在位于氣缸和外部靜止外殼之間的液體或者氣體膜上。借助浮在液體膜上，值得可疑的是，它是否能減少摩擦，并且通過氣體它可能不會得到足夠的支承能力和穩(wěn)定性，以致氣缸不能接觸外殼。
在以后的專利中，在同一公司的美國專利5395215中，它建議，把氣缸支撐在外殼中，許多輥?zhàn)颖徊迦氲酵鈿さ谋谥?，在那里，氣缸借助輥?zhàn)觼碇?。這個以實(shí)際的旋轉(zhuǎn)速度好象是不能實(shí)現(xiàn)的，得到輥?zhàn)印：罄m(xù)專利US5653582返回到流體作為旋轉(zhuǎn)氣缸的邊緣支承并且建議基本解決方案。
作為以前的申請，US5251593公開了，錯綜復(fù)雜的問題是相對于相互與氣體的入口和排出口的靜止通道相結(jié)合以得到偏心軸承。這個專利文獻(xiàn)表明，外部旋轉(zhuǎn)氣缸支撐在一側(cè)上，并且轉(zhuǎn)子支撐在相對側(cè)上，在那里，靠近轉(zhuǎn)子的敞開端的靜止板具有入口和出口的通道。這種設(shè)計主要具有兩個明確的缺點(diǎn)。第一個是，這個方案給出了倒向一側(cè)的軸承，在那里，軸承負(fù)荷變得不均勻并且太大。同時，產(chǎn)生了較大的軸向止推力。另一個缺點(diǎn)是。在外部旋轉(zhuǎn)氣缸和板之間難以得到明顯的氣體緊密封，在板那里，入口和出口通道設(shè)置在圓形板中，該圓形板嵌入到轉(zhuǎn)子的開口端中。氣體從槽到槽中產(chǎn)生向后泄漏，此外，通過位于靜止板和轉(zhuǎn)子之間的圓形間隙泄漏出來。出于實(shí)際目的，這個原理不能實(shí)現(xiàn)。
盡管許多年來進(jìn)行了研究和建議，但是明顯地沒有可能實(shí)現(xiàn)滿足功能較好的要求的設(shè)計。因此，目前沒有具有共同旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的液體環(huán)式壓縮機(jī)。上面提及的文獻(xiàn)表明，開始研究轉(zhuǎn)子和連通器系統(tǒng)，與傳統(tǒng)真空泵和壓力相對較大的壓縮機(jī)的這些相類似，但是速度具有上述限制。這個表現(xiàn)在相對較寬的轉(zhuǎn)子在每側(cè)上具有連通器，這導(dǎo)致軸承距離較長并且軸承負(fù)荷較大。在外部共轉(zhuǎn)子中具有流體環(huán)的壓縮機(jī)中，幾何形狀不合適，這導(dǎo)致軸承關(guān)系不適合于現(xiàn)有的軸承類型。通過每側(cè)上的連通器，它借助間隙變成四個部分，在那里，在壓力側(cè)上，這些區(qū)域中具有泄漏。
本發(fā)明的壓縮機(jī)能夠解決這些問題，這個問題公知為防止了水環(huán)式壓縮機(jī)具有液體環(huán)的共轉(zhuǎn)子的上述優(yōu)點(diǎn)。另一目的是在整個壓縮過程期間通過新的、非常有效地把液體直接噴射到氣體中來實(shí)現(xiàn)幾乎等溫的壓縮。
作為噴射液體的水具有非常好的熱性能，并且希望與允許這些的這些氣體一起使用。但是，就泵和類似物而言，具有共轉(zhuǎn)子的液體壓縮機(jī)的設(shè)計需要在水和共轉(zhuǎn)子的軸承之間具有明顯的分開。從具有水噴射的螺旋式壓縮機(jī)的發(fā)展來看，這是公知的，并且在螺旋的壓力側(cè)上進(jìn)行密封具有一些問題。首先，水太小因此對密封幾乎沒有潤滑效果，因此向著軸具有相對較大的壓力并且磨損較大。此外，即使在最小的間隙中，水也容易穿過，尤其是高壓下更是如此。下面明顯的是，本發(fā)明的壓縮機(jī)借助消除了這些問題的原因而解決了密封問題。上述目的通過附加權(quán)利要求中所限定出的本發(fā)明的液體環(huán)式壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在，參照附圖，借助例子來描述本發(fā)明，在這些附圖中，圖1示出了與壓力關(guān)系無關(guān)的、具有理論能量需求量的圖象，圖2示意性地示出了水環(huán)式壓縮機(jī)的原理，圖3以分開的縱向視圖示出了本發(fā)明的水環(huán)式壓縮機(jī)，圖4是圖4的橫截面，圖5示出了作為安裝好的、剖開的設(shè)計的壓縮機(jī)，圖6示出了轉(zhuǎn)子的細(xì)節(jié)，圖7a和7b示出了連通裝置，及圖8示出了共同轉(zhuǎn)子的軸承、密封件和用來給軸承處的區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)的系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。
圖3中的主要零件包括兩個外殼1和2、兩個共同的轉(zhuǎn)子3和4、轉(zhuǎn)子6和轉(zhuǎn)子軸5、連通裝置7、共同轉(zhuǎn)子3和4的兩個軸承11、用于轉(zhuǎn)子軸5的兩個軸承12、及外部和內(nèi)部軸承12的軸8和9。在圖4中，沿著順時針方向，具有吸入作用的扇形區(qū)I-II，壓縮和噴射扇區(qū)II-III，和用于氣體排出的扇形區(qū)。在扇形區(qū)II-III中，從連通器(communicator)中把液體直接噴射到轉(zhuǎn)子槽中，并且壓縮和冷卻該槽中的氣體。
通過大量減少共轉(zhuǎn)子的水環(huán)中的摩擦，可以使轉(zhuǎn)子明顯變窄，同時排出容積隨著速度的明顯增大而得到補(bǔ)償。因此，水環(huán)中的內(nèi)部壓力增大了，并且壓縮機(jī)可以以非常高的壓力來輸送。
短轉(zhuǎn)子從氣體壓力中幾乎沒有得到彎曲力，因此只在一端壁上固定到位于它軸上的法蘭上，因此在轉(zhuǎn)子的整個寬度上具有簡單的連通器。然后，在連通器和轉(zhuǎn)子之間只產(chǎn)生兩個泄漏間隙。這些間隙只是這樣的空間在該空間中，壓力側(cè)的泄漏可以找到空間。實(shí)際上它可以泄漏到間隙的兩側(cè)中，并且沿著從對著入口的壓力排出的圓周，尤其是沿著旋轉(zhuǎn)方向。即使這些間隙非常小，但是沒有液體的純氣體通過該壓力可以泄漏一個較大量，其結(jié)果是，輸送量更小，并且效率更低。
在向著連通器的內(nèi)部上的轉(zhuǎn)子6的表面在它的端部63處非常光滑，使通道開口62交織到每個獨(dú)自的槽中。在圖7a和7b中，它們示出了，連通器在相對側(cè)部分上具有一排槽71。這些槽處于來自液體通道74的液體壓力的作用下，該液體通道74沿著實(shí)際方向被阻塞以防止氣體泄漏。
本發(fā)明的液體環(huán)壓縮機(jī)可以設(shè)置有共轉(zhuǎn)子的水動力軸承。然后，這些通過用來噴射的相同液體來潤滑和冷卻。但是，通過具有需要的軸直徑和速度的開始點(diǎn)，研究表明，在這種軸承中的摩擦損失非常高，并且共轉(zhuǎn)子的一些優(yōu)點(diǎn)失去了。隨著壓力更高，軸承尺寸大小進(jìn)一步增大，并且它們中的損失變得更加不能接受。
另一方面，相同關(guān)系對于相對較大的球軸承或者滾柱軸承而言仿佛是可以接受的，但同時導(dǎo)致軸承密封的新問題。具有成一體的密封件的軸承在接近所需要的速度時不能工作，并且沒有任何允許這種情況的靜態(tài)密封，或者將達(dá)到可接受的使用壽命。但是，迷宮式密封沒有接觸，并且可以以高速進(jìn)行工作，但是不能產(chǎn)生任何靜態(tài)密封。這些密封件假設(shè)在密封件上沒有不同的壓力。
為了防止在軸承上產(chǎn)生不同的壓力，因此使共轉(zhuǎn)子(co-rotor)通過孔81通風(fēng)到壓縮機(jī)外殼中，如圖8所示。對于空氣壓力壓縮機(jī)而言，外殼本身與大氣相通，或者借助壓縮其它氣體以防止排出，通風(fēng)到入口中，因此在共轉(zhuǎn)子的軸承上沒有不同的壓力。阻塞液體(該液體從位于連通器和轉(zhuǎn)子之間的間隙中泄漏出來)在工作期間被投入到液體環(huán)中，并且不會到達(dá)共轉(zhuǎn)子的軸承中。因此，這種設(shè)計在停止階段只需要靜態(tài)軸承密封，當(dāng)水環(huán)由于缺少離心力而損壞時，明顯具有使水飛濺到密封件上的危險。在傳統(tǒng)的水環(huán)式壓縮機(jī)中，以前公知的是，使用唇形密封，這個公開在US4747752中。但是，在這種情況下，它通過驅(qū)動軸來處理，該驅(qū)動軸具有相對較小的直徑和較小的圓周速度。如上所述，共轉(zhuǎn)子的速度關(guān)系相對于磨損來講非常重要。
這導(dǎo)致需要設(shè)計和完全新的唇密封件82，如圖8中更加詳細(xì)示出的一樣，該圖8以相對簡單的方式解決了該問題。密封件與軸承11的外環(huán)一起進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。唇部83相對容易變形，并且在停止時和在起動和停止循環(huán)時它靠在軸了并且進(jìn)行靜態(tài)密封，但是當(dāng)產(chǎn)生速度和離心力時，它被向外投擲，并且產(chǎn)生了間隙sx，因此在工作期間它不能接觸軸。這個示出在圖8的橫截面A和B中。
明顯地，在工作期間，唇部把它自己放置在共轉(zhuǎn)子的開口的邊緣和壁上，因此相對較小的運(yùn)動使唇部從與軸相接開始進(jìn)行彎曲，直到它不接觸時為止。即使經(jīng)常性地進(jìn)行起動和停止，也幾乎不會產(chǎn)生疲勞作用。
換句話說，密封件在低速時是靜態(tài)的，并且在高速時好像是動態(tài)的，它的目的只是防止軸承油脂被排出。共轉(zhuǎn)子的軸承通過這個系統(tǒng)產(chǎn)生相同的周圍關(guān)系和安全性，好象它們在空氣中進(jìn)行工作。
轉(zhuǎn)子軸承上的直徑和轉(zhuǎn)子之間的偏心度確定共轉(zhuǎn)子的軸承軸線上的直徑，因?yàn)樗境龅霓D(zhuǎn)子的軸承被插入到這些中。轉(zhuǎn)子軸承上的負(fù)荷變得與共轉(zhuǎn)子的相同。為了承受這種負(fù)荷，在共轉(zhuǎn)子的軸產(chǎn)生最小可能尺寸大小的同時，所謂的滾針軸承用于該轉(zhuǎn)子中。使轉(zhuǎn)子的軸承在共轉(zhuǎn)子的軸上形成一體的目的和需要是得到盡可能短的軸承距離，該軸承距離產(chǎn)生了最小的軸直徑。對于軸的軸承而言，圓周速度允許普通的靜態(tài)密封件，并且該軸承可以借助機(jī)油來進(jìn)行潤滑。
為了在轉(zhuǎn)子61的槽中防止產(chǎn)生收集氣體腔，因此圖6所示的這些向著通道開口的向內(nèi)呈圓形。沿著這個扇形部分中的連通器的邊緣，在那里壓縮可以找到位置，鉆出許多孔75，這些孔與內(nèi)部液體通道74相連通，該通道74的壓力與壓縮機(jī)的輸送壓力相同。通過這些孔，把液體直接噴射到轉(zhuǎn)子的槽中。這些射流以較高的速度和步驟撞擊在入口和槽的排出通道的邊緣上，并且液體被噴射，因此它在槽內(nèi)部被轉(zhuǎn)變成液體霧。該霧被噴射到水環(huán)中，但是借助新射流來連續(xù)地更新，因此具有向外的流動。孔的密度向著壓縮扇形區(qū)的端部增加，以補(bǔ)償液體和氣體之間的下降壓力差。
連通器被固定到共轉(zhuǎn)子的靜止軸8上。該軸使連通器的通道與氣體和噴射液體的相應(yīng)入口和排出口相連通。
當(dāng)本發(fā)明的壓縮機(jī)用于不是空氣的其它氣體、如冷卻氣體或者用于石化設(shè)備中時，有利的是它可以使用液體相的實(shí)際氣體來進(jìn)行噴射并且作為液體環(huán)。
與透平壓縮機(jī)相比具有所期望的、相當(dāng)?shù)偷哪芰啃枨?，本發(fā)明的壓縮機(jī)非常適合作為氣體透平設(shè)備中的壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)以相對較高的壓力進(jìn)行工作。實(shí)際上與透平壓縮相反，來自這里的空氣是冷的，但是需要注意透平壓縮所輸送的熱量從渦輪的軸中取出并且相應(yīng)地減少了輸出作用，同時熱空氣不可能使熱量從渦輪廢氣中進(jìn)行回收。借助使用本發(fā)明的壓縮機(jī)，來自壓縮機(jī)的空氣可以與廢氣進(jìn)行熱量交換，并且?guī)缀蹩梢缘玫脚c透平壓縮機(jī)之后相同的溫度。
權(quán)利要求
1.一種液體環(huán)式壓縮機(jī)，其特征在于，偏心內(nèi)轉(zhuǎn)子(6)在軸(8、9)中支撐到液體環(huán)的外部共轉(zhuǎn)子(3)中，共轉(zhuǎn)子(11)的軸承位于外部中，每側(cè)上的相同軸封閉在殼體中，它在軸承(11)的每側(cè)上布置旋轉(zhuǎn)唇部密封件(82)，在低速時該唇部(83)鄰接軸(8、9)，在高速時，它由于離心力而伸出并且使它自己從軸中升起，通孔(81)通過共轉(zhuǎn)子的側(cè)壁并且支承外殼，它在液體環(huán)內(nèi)的容積被通風(fēng)到周圍外殼(1)中，并且確保它在軸承和軸承的密封件上不產(chǎn)生壓差。
2.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其特征在于，圓周上的轉(zhuǎn)子(6)具有許多半圓柱形的槽(61)，弧形轉(zhuǎn)向中心。
3.如權(quán)利要求1-2所述的壓縮機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(6)的槽(61)在每側(cè)上具有徑向通道開口(62)，它包圍著圓形光滑部分(63)以密封靜止轉(zhuǎn)換器(7)，該轉(zhuǎn)換器設(shè)置在轉(zhuǎn)子的中心。
4.如權(quán)利要求1-3所述的壓縮機(jī)，其特征在于，它從壓縮弧形區(qū)中的連通器(7)中的孔(75)噴射液體，液體束壓碎通道開口(62)的邊緣以到達(dá)轉(zhuǎn)子的槽(61)中。
5.如權(quán)利要求1-4所述的壓縮機(jī)，其特征在于，每側(cè)上的轉(zhuǎn)換器(7)具有邊緣槽(71)，噴射液體處于壓力作用下并且防止氣體泄漏。
6.如權(quán)利要求1-5所述的壓縮機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)換器(7)的邊緣位于共軸子軸承密封件的外側(cè)，因此來自位于轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)子之間的間隙中的泄漏水在液體環(huán)中被噴出，而不通過軸承密封件。
7.如權(quán)利要求1-6所述的壓縮機(jī)，其特征在于，共轉(zhuǎn)子的軸承(11)是球軸承或者滾柱軸承。
8.如權(quán)利要求1-6所述的壓縮機(jī)，其特征在于，軸承(11)是包括水力型在內(nèi)的滑動軸承。
9.如權(quán)利要求1-8所述的壓縮機(jī)的用途，它用作空氣壓縮機(jī)和水兼容的氣體中，在這里水用作噴射液體。
10.如權(quán)利要求1-9所述的壓縮機(jī)的用途，它用作氣體渦輪設(shè)備中的壓縮機(jī)。
全文摘要
一種液體環(huán)式壓縮機(jī)，其特征在于，偏心內(nèi)轉(zhuǎn)子(6)在軸(8、9)中支撐到液體環(huán)的外部共轉(zhuǎn)子(3)中，共轉(zhuǎn)子(11)的軸承位于外部中，每側(cè)上的相同軸封閉在殼體中，它在軸承(11)的每側(cè)上布置旋轉(zhuǎn)唇部密封件(82)，在低速時該唇部(83)鄰接軸(8、9)，在高速時，它由于離心力而伸出并且使它自己從軸中升起，通孔(81)通過共轉(zhuǎn)子的側(cè)壁并且支承外殼，液體環(huán)內(nèi)的容積被通風(fēng)到周圍外殼(1)中，并且確保它在軸承和軸承的密封件上不產(chǎn)生壓差。
文檔編號F04C29/04GK1656317SQ03812088
公開日2005年8月17日 申請日期2003年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月19日
發(fā)明者希爾貝格·卡洛柳森 申請人:壓縮機(jī)系統(tǒng)公司