专利名称：转筒式液环真空泵/压缩机的制作方法
技术领域：
本发明涉及液环真空泵/压缩机的结构和工作原理的改进及其专门的制造和使用方法。
液环真空泵/压缩机是一种在给定进出口压力下泵送气体介质、或者为指定容积的真空获得或压力保持而连续工作的气体输送压缩机械，主要由机壳、液环约束腔体和在腔体内偏心安装的叶轮转子及其他附属构件组成，转子转动时驱动工作液在约束腔体内作环形流动，液环对转子叶片间的气体起密封、吸入、压缩、排出及冷却作用。
液环真空泵/压缩机的设计、制造和使用已有近百年的历史。其间几经改进，性能不断提高。由于这种机器具有性能稳定、运行可靠、易于维护、噪音低和效率较高等特点，因而应用越来越广泛。在化工、石油、冶金、机械、能源、食品、医药、环保等许多行业，已经成为包含气相作业的生产线中的关键设备。
然而，液环真空泵/压缩机还存在着以下几方面的缺点。
第一，由于容纳和约束液环的腔体直接开在静止的机壳内，因而机器运转时液环与腔壁之间存在着大面积的高速摩擦。由于液环相对于静止腔壁的运动速度高达每秒十几米至每秒几十米，而腔壁对液环的阻力大体上与这个速度的平方成正比，其摩擦面积又在平方米数量级，因而会产生较大的能量损耗。并且，这种外圆柱面和两个端面同时存在的强烈的边际摩擦，又会在液环内部产生较强的湍流和较大的速度梯度，形成液环内部的粘滞损耗。边际摩擦损耗和内部粘滞损耗所产生的热量还会提高液环的温度，对气体压缩过程中的冷却效果产生负面影响，导致压缩能耗的增加。另外，液环内部较强的湍流还会波及液环表面，降低其平静度，影响液环对气体的密封效果。从分析所得的数量比例来看，静止的液环腔引起的直接和间接的损耗，是制约机器效率进一步提高的瓶颈问题。
其次，由于结构的限制，或者为了获得两个独立工作区的目的，大多数液环真空泵/压缩机将吸气口和排气口布设在同一个端面，这使得吸气和排气的气流运动方向相反，因而会产生源自惯性的附加损耗。气体质量惯性的存在使得任何速度的剧变都必须付出代价，动力学傅立叶谱分析表明，加减速过程中，气流速度谱存在相位滞后。在吸气过程中，这种滞后造成吸气压差损失、吸气量损失和吸入气流动量损失。在排气过程中，这种滞后导致动态过压缩和湍流加剧，使排气阻力增加，气体温度升高。
其三，端面配气板机构产生机械摩擦损耗和因其不良的流道特性引起的局部阻力损耗，同时还产生机件磨损及其补偿控制等复杂问题，使液环真空泵/压缩机无磨损、稳定性高的优势打折扣。由于受密封度制约，配气板机构的机件摩擦是难于消除的。另外，这种结构的流场特性不好，并且难于进行大的改善。
国际上针对液环真空泵/压缩机的配气机构有许多研究，逐步地进行了一些改进。其中，橡胶单向排气阀的发明可以减小脉动压差分量引起的湍流，能提高机器的效率，但同时又引进了附加的压力损失。德国西门子(SIEMENS)公司的产品说明中声明，其产品包含一种称为“柔性排气口”的专利技术，能通过自动调节排气面积，使泵送介质在达到出口压力时即可排出，避免了排气过程中的过压缩，从而提高了效率。这些改进仅仅是对排气口配气机构一个局部的改进。应该说，只要存在进气口和排气口的配气板机构，哪怕是改进得比较好的配气板，其对气流的干扰和阻力就不可能完全消除。因此，配气机构的附加损耗问题难以从对其本身的改进中得到根本性的解决。
配气机构的改进不是本发明关注的主要技术问题，因此，这方面的文献也不是本发明的对比文献。在本发明需要解决的问题中，液环与其约束腔体之间的摩擦损耗问题排在首位，而流道特性损耗和配气损耗分别是第二和第三位需要解决的问题。
本发明的主要目的是1、设计一种新的液环真空泵/压缩机的液环容纳约束机构，该机构能够消除液环与机壳之间的摩擦，较大幅度地减小能量损耗，提高机器效率；2、设计一种新的配气和气流压缩机制，无需配气板机构，从而可以从根本上改进进气口和排气口附近的流场特性，减小摩擦和湍流损耗，消除机件磨损，并使气流平稳化，增压过程连贯化，以进一步降低能耗和改进机器的性能。
本发明实现第一个发明目的的解决方案是用一个与液环同步转动的转筒来容纳和约束液环，转筒安装于机壳内，转子偏心地安装于转筒内。转筒两侧端板中心开口，作为气流通道和布设支撑、传动和配气板等其他附设机构的空间。转筒的一侧端板可拆卸，以便装卸转子和进行维修。当转子高速转动时，驱动液体在转筒内形成液环。液环通过摩擦力带动转筒一道高速旋转，其间的转差率很小，摩擦损耗因而基本上被消除。
本发明所述的转筒及转子与机壳之间各用两个轴承连接。由于转筒轴与转子轴之间的距离较小，要互不干扰地装设各自独立的轴承，并且还要安装可能需要的其他机构，是需要一定的空间规划技巧的。本发明的设计是在转筒轴线上设有两个相向的轴墩，与机壳作刚性连接。轴墩上有一个外圆柱面轴台和一个内圆柱面轴台，或者在轴墩的端面上还安有一个与转子端面中心部位接触的配气阀板。外圆柱面轴台在轴向内侧，与转筒共轴线，用于安装转筒的薄型滚动轴承的内皮。该外圆柱面轴台尺寸较大，足以在中间开孔让气流通道和偏心的转子轴穿过。如果气流通道未采用封闭管路，则可以减小外圆柱面轴台的尺寸，仅让偏心的转子轴通过，而气流则从轴承外穿越转动的转筒端面中心的支撑筋流动。内圆柱面轴台向外错开一个轴向距离，以布设气流通道和其他附件。对于立式结构、与电机连为一体的结构、联轴器传动的结构、转子使用轴套或小型轴承的结构，内圆柱面轴台可以简化为轴孔、滑动轴承套、或向内错开一个轴向距离的小型内圆柱面轴台，而将外圆柱面轴台布置在外侧。内圆柱面轴台与转子共轴线，用于安装转子轴承的外皮。将转筒轴承的外皮嵌入转筒端面中心的轴承套之内，使转筒能够绕轴墩的轴线自由转动。将转子轴承的内皮套在从内侧轴台中穿过的转子轴上，或者将转子轴直接穿进轴套之内，使转子能够绕偏心的轴线自由转动。
机器的其他主要结构布设是转子的转轴从一端的轴承内伸出，经过传动机构与电动机等动力设备相连。进气口和排气口位于转筒两端，从轴向或径向引出机壳。机器启动时，动力机带动转子在转筒内旋转，转筒内的液体被转子驱动而很快形成一个液环。转子启动对工作液的初始扰动，以及形成液环的过程中工作液流速的切向分量，均通过粘滞力媒介给转筒以作用力，形成连续作用的冲量矩，使转筒启动和逐渐加速。经过启动过渡过程以后，转筒即稳定在一个恒定的转速上，转筒内壁的线速度和液环外层的线速度只有很小的差别。
本发明实现第二个发明目的的另一项重要改进是，以螺旋转子代替柱面叶片转子。具体方案是取消两端配气阀板机构和柱面叶片转子，代之以一个螺旋转子偏心地安装在转筒之中。该转子由转轴、轮毂和盘绕在轮毂上的两头或多头螺旋叶片组成。机器工作时，在相邻螺旋叶片、液环表面和轮毂表面之间形成彼此隔离的两个或多个螺旋流道。螺旋流道在偏心侧被液环封闭形成液封，液封线随螺旋流道的转动而从进气口向出气口推进。因此，每一个螺旋流道都成为一个自动配气的气体运送和压缩通道，能够单方向地、连贯地运送和压缩气体。
配气板机构取消以后，从高速转动的转子端面引出气流管路穿越同样高速转动的转筒端面来与固定不动的气源和气宿相连接成为不可能。连接气源气宿的封闭管路(实际应用中可能两者都需要，可能只需要其中之一，但至少需要一路)只可能从静止的机壳上引出。由于气流穿越了机壳中的转动部件，因而机壳与转动部件之间，具体说来是机壳与转动部件的外层即转筒之间，必须有一道动密封。为了保障机器的正常工作，这道动密封必须能够承受排气口与进气口之间的最大压差。
本发明关于动密封的设计方案是在转筒的一端(一般在排气口端)设有一个动密封环，该环是一块与转筒同轴并垂直于该轴安装的、静止的环形薄片。该环通过连接颈管与机壳作刚性连接，并与同一端的气流管道壁作密封连通。连接颈管的外径略小于转筒端面开口，从该开口伸到转筒内转子端面外侧的间隙中，与动密封环作密封连接。动密封环的外沿浸入液环之中，其径向浸入液环的最小深度Hmin应满足不等式Hmin＞[2ΔPmax/(ρω2)+r2]1/2-r，其中ΔPamx为进出口压差上限，ρ为工作液密度，ω为液环转动角速度，r为液环表面半径。
与动密封类似的另两个问题是工作液循环管路连接和液环液位控制问题。形成液环的工作液可能被泵送气体带走而需要补充，可能被泵送气体污染上粉尘、纤维和其他杂质而需要清洁处理，另外，工作液还需要冷却，以释放泵送气体压缩时传给它的热量，因而循环是必不可少的。液环液位控制更是重要，它是液环泵正常工作的前提，因而控制应该稳定可靠。液环约束容器的转动给循环管路的连接和液环液位控制带来一定的难度。
本发明的一个解决方案是将工作液循环入管引到静止的轴墩上，最好是进气口轴墩上，经轴墩上的轴向通孔进入转筒之中，在转子端面外侧的间隙中弯转90度通到液环设计表面位置流出。这路管道是静止的。转筒内工作液出管则从转筒另一侧端盖外沿接出，出端盖后转90度指向中心方向，到达液环设计表面位置时开口释放。开口位置可以微调，调节该位置即可微调液环深度。这种方案能自动稳定液环深度，顺便解决了液位控制问题，而且简单可靠，无需另外的动力和控制。但这路管道是随转筒旋转的，流出液体会沿四周切线方向甩出。可以在机壳内相应位置开一个集液槽，甩出液体依靠重力流到其下部，然后用静止的管道引出。为了保持动平衡，旋转的出管应该对称地分两路布设，或者布设对称平衡管。转筒内工作液循环出口也可以设在动密封环上的设计液面位置，用管道经由连接颈管内腔引出转筒，然后穿出颈管进行外循环连接。这是一路静止管道，结构更为简单。但是，当动密封环连接颈管内为负压时，需要压力更低的二相流负压源才能工作，在这种情况下，其简单性、可靠性和稳定性反而逊于前者。
本发明所述的螺旋转子的中心部位是一个圆柱形或略带锥度的圆台形轮毂。圆柱体轮毂转子适合于卧式的液环真空泵/压缩机，略带锥度的圆台形轮毂转子适合于立式的机型，其锥度决定于重力加速度与液环向心加速度的平均值之比。螺旋转子的叶片为等宽的、与轮毂做成一体的螺旋状曲面薄片，处处与转子轴线垂直。在每一个垂直于轴的平面上，螺旋叶片的截面都相同，并且等角度分布。对于具有n头螺旋叶片的转子(n≥2)，每头螺旋围绕轮毂的旋转角度不小于(1+1/n)×360°，以使相邻叶片间的流道至少有一条液环密封线隔离进气口和出气口。
螺旋转子工作时，顺着螺旋旋进的方向，每一头螺旋的起点根部与液环的接触点周而复始地由进气口起始位置向里推进，螺旋转子转过(1+1/n)×360°或更大角度后接触点到达或转过出气口终点，这时，该头螺旋的后面一头螺旋的起点根部已经到达或转过进气口起始位置。这样，每一螺旋流道与液环间总有一条密封线将进气口与出气口隔离开，并且这条隔离线总是由进气口向出气口推进，从而连贯地从进气口将气体吸入螺旋流道，又连贯地把吸入的气体推向出气口，并压缩其体积。
从上述工作过程分析可知，螺旋转子的螺旋叶片起着驱动液环、隔离流道以及与液环配合形成沿轴向移动的液封线的作用。因此，螺旋流道具有自动配套完成全部作业流程的新机制。这些作业包括流道入口从进气口连续地、匀速地、没有压力和速度突变地吸气，流道中间段连续地、大体上匀减速地将吸入的气体沿轴向推向排气口，同时逐渐地将其压缩，流道出口连续地、匀速地、没有压力和速度突变地向排气口排出到达的气体。各作业之间平稳衔接，也无需控制和调整什么。这是一种机械能损耗最小、控制最简单、运行稳定性最好的理想机制。这种机制使本发明的第二个主要发明目的得以实现。配气板机构不需要了，气流速度的剧变产生的惯性损耗被消除了，各种附带效应的负面影响也消除了，因而机器的效率和性能可以获得大的提高。
实施本发明的螺旋转子方案时，应该按照和柱面叶轮转子基本上相同的要求，恰当地设计转桶内径、螺旋转子外径和轮毂直径及其转轴偏心距，并控制液环液位，使转子的螺旋叶片外沿在远离液环轴线时与转筒内壁间只有一个很小的间隙，在离液环轴线最近时仍能没入液环之中。除此之外，在本发明的螺旋转子方案中，由于流道中的气体不是进行径向压缩，而是在运动的过程中进行轴向压缩的，因此，螺旋叶片浸入液环中的最小深度还应该满足对叶片两侧流道中可能发生的最大压差实施有效密封的条件。设计传统机器时，通常需要解一个不等式组，以确定转筒内径、转子外径和轮毂直径及其转轴偏心距、液环深度等参数，不等式组中的一个主要约束条件是转子工作时，叶片外沿应始终浸入液环之中。实施本发明时，该项约束条件应该修改为螺旋转子工作时，叶片外沿应始终浸入液环之中，并且，在离转筒轴线最近点，浸入的最小深度hmin应满足叶片两侧流道间发生最大压差时实现密封的条件，即hmin＞[2Δpmax/(ρω2)+r2]1/2-r，其中Δpamx是两侧流道间可能发生的最大压差，该压差决定于进出口气体的最大压差、螺旋流道工作角度及其压缩区的局部参数设计，ρ是工作液的密度，ω是液环转动角速度，r为液环表面半径。
本发明的一个进一步的改进方案是将螺旋叶片做成变螺距的，使螺旋叶片间的流道截面积逐渐地由大变小，同时增加螺旋流道中密封线的数量，以使同一流道中各密封段的压差减小，并使其分布均匀化。这样，螺旋叶片两侧压差的动态范围就可以减小到合适的程度，以便降低对叶片密封的要求。具体办法是使螺旋转子叶片具有较大的工作角度，一般要超过(1+1/n)×360°(n≥2)若干倍，并且，依据泵送气体在进口处和出口处的设计比容比，使相邻螺旋叶片之间的距离Δx沿轴向全程按反比例函数Δx＝k/(x+a)规律减小，或在流道进口端产生第二条封闭线的点(360°处)到出口处的距离内沿轴向按反比例函数Δx＝k/(x+a)规律减小，使进口处和出口处的流道截面积之比等于或接近于进出口气体的比容比，x为到起点的轴向距离，k、a为边界条件确定的待定常数。
按照这种进一步改进的设计，机器工作时，由于气体在被推进过程中已经逐渐地、均匀地被压缩(压力线性增加)，当每一个流道的出口液封线打开时，压差突变的情况及由其引起的出口处气流速度脉动将被排除或变得很小，由其造成的湍流和惯性损耗将被消除。并且，由于相邻流道之间的压差也同时被最小化了，对叶片密封的要求也得以降低。
统筹调整转筒和螺旋转子的直径和转速等参数，可以补偿因工作角度的增加而导致的螺距减小，以达到排量设计的要求。计算排量的一个公式是Q＝nv·ω/2π其中Q为排量(立方米/秒)，n为螺旋头数，ω为转子角速度(弧度/秒)，v为流道第一封闭节容积，是由转子直径、转子转轴相对于转筒转轴的偏心距(非独立变量)及螺距随轴向距离变化的函数等因素决定的一个体积分。由该公式可以看出，排量与螺旋头数、流道第一封闭节容积和转子转速成正比。由于流道第一封闭节的容积正比于螺旋叶片第一个360°内推进的轴向距离，而反比于螺旋头数，因此，如果忽略螺旋叶片的体积，排量实际上与螺旋头数无关，而直接等于每秒转数、液环截面内空面积与轮毂截面积之差以及螺旋叶片在第一个360°内推进的轴向距离这3个因素的连乘积。而螺旋头数的增加、螺旋工作角度的增加仅仅是为提高压缩比和降低邻道密封要求而采取的措施。邻道密封深度与液环表面半径成反比，与转速的平方成反比，与螺旋头数成反比，并且大体上与螺旋工作角度成反比。在大多数情况下，增加螺旋头数和螺旋工作角度是提高设计压缩比的首要选择。
本发明还特别地包含一个降低螺旋转子加工难度的结构设计，以及因此结构设计而成为可能的一种廉价的螺旋转子加工方法。如所周知，螺旋叶片转子的加工是困难的，多头螺旋和变螺距旋叶转子的加工就更加困难了。由于没有一个方向可以脱模，因而不能采用廉价的模成形工艺，只能采用昂贵的数控切削方法制造，这不利于批量生产和降低成本。本发明为克服这个困难而改进的结构设计是螺旋转子是经轴向紧固多段拼装的，其中每一段的旋叶工作角度等于360°/n(n为头数)，并且在轮毂段两端面的设定位置上有能保证拼装时螺旋叶片准确吻接的阴阳定位卡销。
在这种设计中，由于螺旋转子的每一个装配段的旋叶工作角度不大于360°/n(n为头数)，因而对于旋叶表面的任何一点，除了该旋叶自身以外，没有任何轴向遮挡，因而可以选择轴向为脱模方向，这就为用模具成形方法进行批量制造创造了条件。
本发明配套的制造方法是依据标准化和系列化规划，分解出所有工作角度等于360°/n(n为头数)的螺旋转子段，编成配件系列。这些转子段均采用两合模成形或部分成形的方法制造。制备相应工艺的两合模，通过注塑、精密铸造或粉末冶金等工艺用塑料或金属材料制造系列配件，或用成形落料复合模将板材冲压成旋叶、然后在专用胎具上将其焊接到轮毂上的方法制造系列配件。通过轮毂段端面定位卡销定位和轴向紧固的方法将转子段进行轴向叠加装配，并将接缝处焊接或粘合，即可串成任意工作角度的转子。用不同旋叶间距和不同间距变化率的转子段串接，可组装成适合任意进出口气体比容比的转子。也可用不同旋叶间距而螺距固定的转子段串接，可组装成适合任意进出口气体比容比的、具有近似最优变化规律的变螺距螺旋转子。上述系列配件还可以提供给用户，使之能在使用中更换部件，现场改变设备的工作参数和性能。
本发明各项设计均具有积极的效果。
在所述的各项改进中，随液环转动的转筒、螺旋转子、变螺距螺旋转子等发明点，是对液环真空泵/压缩机的重要改进，其效果较为显著。
首先，由于转筒机构的作用，液环与机壳之间的大面积高速摩擦被排除了，液环内部各层流之间的角速度差别也大为减小。在液环与转筒几乎是同步转动的情况下，两者之间以及液环内部各层流之间的摩擦损耗变得很小，几乎可以忽略不计。转筒式液环真空泵/压缩机的效率因此而能够上一个新的台阶。
其次，螺旋转子，尤其是变螺距螺旋转子部件及其工作机理的引入，显著地改善了内部流道的气体动力学特性，还一举革掉了进出口配气阀板机构。其意义在两个方面，第一，使液环真空泵/压缩机真正成为无磨损部件的机器，其稳定、可靠、免维护的特点进一步得到加强；第二，其自动配气的机理、等压连续吸气和等压连续排气的机理、无速度突变和匀速压缩的机理，较好地协调了气体泵送和压缩过程中静压和体积的变化、速度和动能的变化与外部机械能的消耗量之间的关系，优化了这些关系，消除或减小了气体在压缩过程中由于方向和速度的骤然改变而因惯性效应引起的附加能量损耗，使功耗得以降低，还避免了由于惯性效应而引起的排量损失。这都是现有技术没有解决的问题，也是在现有技术框架下无暇顾及或者无法解决的难题。
其三，本发明各项设计的倾向性目标中，除了提升机器的性能档次以外，最明显的莫过于简化结构和过程的企图，这也是取得了积极效果的。虽然为解决新设计带来的新矛盾在某些局部上增加了复杂性，但整体上还是简化了设计，主要包括取消配气板机构的结构简化，使原本清晰的吸气、压缩、排气三个工步节拍及其控制淡化、以一个连续的流道推进过程替代三个工步节拍的过程及其衔接的简化，以及因去掉产生磨损的配气机构和自动稳定液位的设计而获得的减少维护需求的简化等。按照现代设计观念来看，减少维护需求的简化是一种更重要的简化。简化可以降低成本，本发明在降低制造成本，尤其是在降低最终用户的总拥有成本方面具有明显的效益。
本发明所有各项设计，均考虑了一种以上的配套工艺，以保证能够实施。显而易见的工艺无需赘述。对于具有些许实施难度的设计，本发明结合工艺上的要求进行了优化，以化解这种难度。例如螺旋转子、尤其是变螺距螺旋转子的设计，采用模成形工艺分段制造和轴向拼装的方法，就没有难度了。这种方法，可以使螺旋转子的设计和生产变得容易，成本得到降低，有利于标准化和系列化，有利于增加机器的型系和扩大机器的使用范围。
本发明的技术观念演绎于一些基本的科学原理，包括摩擦力学和流体动力学的一些基本原理的应用和检验。发明人认为，跨越以静力学为基础的设计观念，可以使液环真空泵/压缩机技术更精确、更细致，从而获得更好的效果。
本发明也还存在一些从某种角度来看构成缺点和问题的疵瑕。比如螺旋转子的引入，尤其是大工作角度螺旋转子的引入使流道加长，这就增加了气体的摩擦路径和损耗。又比如径向压缩改为轴向压缩，要求液环密封深度增加，这导致叶片与液环的摩擦损耗增加。考虑气体粘滞系数很小(较液体小2～3个数量级)和在液环中的超重状态下静压平衡量很小(较标准状态下小2～3个数量级)的因素，这种增加在数量上是较小的。
按照本发明的设计，可以开发出各种参数的机型，在液环真空泵/压缩机的几乎所有传统应用领域中使用。由于本发明的主题提出和方案设计是在液环真空泵/压缩机的一类具体应用中获得的。因此需要作为用途和使用方法的一种专门设计，将其予以归纳描述。
本发明包括转筒式液环真空泵/压缩机在所述条件下的一类用途及其用法的设计。其内容是在温度不超过100℃的较低温度下或者常温下，在压力不超过100KPa的较低压力下或者常压下，当工艺过程中所产生的气体密度比空气在标准状况下的密度(1.29Kg/m3)小很多，例如不及其60％时，尤其在气体密度较之空气小数量级时，或者工艺过程中气体的温度和压力很不稳定时，将转筒式真空泵/压缩机在该类工艺过程中作为适合于低密度大比容气体的恒流特性泵使用。这类过程包括在常温常压环境下运行的容器真空获得、物质馏分、液体除气、物料干燥、尾气冷凝、循环气加压、布袋除尘，等等。
本发明还包括上述用途中选择工作液的方法。该方法是当泵送介质需要回收且与水的亲合力大而不宜用水作工作液时，用一种不溶于水又不亲合于工质(不挥发到工质中、不溶解工质)的油类物质(例如植物油之于空气或水蒸汽)简单混合于水中，以这种混油的水作为工作液，让油参与循环，控制油的比例，使其在水环的表面形成一层较薄的隔离膜。
水的密度大、比热大、粘滞系数小，安全无毒，因而是一种工作特性最好的液环泵工作液，并且水最廉价，分布又最广，因而凡是能用水作工作液时，绝不会考虑其他液体。当泵送介质与水的亲合力大，比如溶解度高，或者会发生某些不希望的理化反应时，按照现有技术的考虑，一般就不用水作工作液而转寻其他液体代替，成本因而上升。用掺油的水作为工作液，如果可行，其好处是不言而喻的。
本发明的方法之所以可行的理由是液环处于几百甚至上千个重力加速度的超重状态之中，在这样的超重力场中，比重大的水对比重小20％的油的浮力大得惊人(为水银对真空浮力的10倍左右)，因而浮在水面的油膜犹如一张结实的橡皮膜包裹着液环表面，使泵送介质不能与水接触。尽管转子叶片对工作液的冲击和摩擦会使加油水乳化，尤其是生成水包油的倾向性乳化，可能会使油封失效。但超重力场对乳化分子团的分离力会快速地将其破坏，使任何新产生的乳化球迅速解体，其存在的寿命极短，因而整体上几乎不存在乳化现象。基于同样的道理，虽然转子叶片的切割和纵向抖动摩擦会带出一些水和压下一些油，但发生这种现象的表面仅占百分之几的面积，用这个比例乘以带出的水(包括产生的水包油乳化分子团)对发生面起表层作用的较小的面积比和更小的表层作用时间生存率，可以求得整个液环表面的水性作用比率，这个比率将很小，因而整个表面几乎完全呈现油性。即使在很小比率的水性表面上发生了人们不希望的理化作用，由于这些水迅速没入油封之下，因而这种过程是不可逆的。不可逆的过程会因走向极端而自动停止，只有发生于平衡点附近的可逆反应才是干扰液环泵工况和工作机理的有害反应。例如，对压力敏感的溶解和析出、蒸发和冷凝等反应，如果通过油封作用让其不可逆，这类反应就会因走向极端而自然停止，或者即使有条件发生可逆反应，也因水性表面的比率很低而大为弱化，基本上不再对液环的功能起到逆反的作用。
因此，用掺入少量油的水作工作液，理论上可以泵送许多亲水气体，例如二氧化碳、氨气、多种酸酐气等，甚至还可以泵送水蒸汽。
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
图1是在一项具体的应用中，转筒式液环真空泵/压缩机的一种立式设计的示意图，其中的转子为双头螺旋转子。
图2是采用固定螺距的转子段进行轴向拼装的变螺距螺旋转子的转筒式液环真空泵/压缩机的一种卧式设计的示意图。
参照图1，转筒式液环真空泵/压缩机主要由机壳14、转筒10以及540度双头螺旋转子9等三大部件组成。其中转筒10具有圆柱形内腔，用来容纳和约束液环，这是一个可以在机壳内转动的腔体。转筒安装于机壳与转子之间，其两端端板中心开口，并分别通过上轴承支撑筋6和下轴承支撑筋15连接其轴承，其上端盖4可拆卸。螺旋转子9能从转筒可拆卸的上端盖装入，并能在其中转动。
转筒10的安装轴线上设有上下两个相向的轴墩0和17，分别通过机壳上下轴墩筋3和16与机壳作刚性连接。轴墩0和17上各有一个外圆柱面轴台，分别与转筒的上下轴承7和13的内皮进行过渡配合装配，这两个轴承的外皮分别与转筒的上下轴承筋6和15支撑的轴承套进行过渡配合装配。轴墩0和17上螺旋转子偏心轴线通过的地方各开有一个孔，孔中通过紧配合嵌入滑动轴承套，用以安装螺旋转子转轴的上端8和下端12。这样，就能使转筒套着转子安装，并能各自独立转动。轴墩0和17本身则是通过机壳的上下轴墩筋3和16与机壳作刚性连接的。本实施例无进排气配气板及其连接管路。进气气流通道是机壳下轴墩筋16和转筒下轴承筋15的筋间空间，气流直接从机壳下部的进气口穿越其间进入。排气气流通道则是机壳上轴墩筋3和转筒上轴承筋6的筋间空间，气流直接穿越其间到达机壳上部的排气口2。
螺旋转子的转轴下端12从轴套内伸出机壳，经联轴器与电动机相连。进气口和排气口从机壳下方和上方的轴向引出。机器启动时，螺旋转子在转筒内高速旋转，驱动工作液转动形成液环。工作液从循环入管1进入，流经转子中心的通道，从工作液循环入口11流入转筒内。工作液刚开始流入时，转子将其加速，甩向转筒壁，其冲量的切向分量所形成的矩足以使转筒缓慢启动，随着液体的增加和在转子的偏心侧的再加速，液体对转筒的作用力越来越大，转筒的加速度也越来越大，液环也随即形成。当液环的液位达到控制液位时，多余的工作液会从转筒的下部中间开口中高速甩出，或从转筒下端面引出的液位调节管中甩出。达到稳态以后，液环通过摩擦力带动转筒一道高速旋转，其间的转差率很小，摩擦损耗因而基本上被消除。启动过程中，转筒和液环具有宝贵的软启动特性。
本实施例的动密封环5直接装在上轴墩与机壳作螺纹连接的可调颈管上，颈管可以轴向调整位置，使动密封环与转筒上端盖4的下表面和与上轴承筋的上表面之间有一保护距离。动密封环的外径有足够的尺寸，以保证密封住排气口2与连通进气口16的转筒10和机壳14之间的空间的最大压差。当然，依上文所述不等式计算出来的液封深度是很小的，这是因为液环处于几百个重力加速度的超重状态之中的缘故。
图1中的螺旋转子的中心部位是一个略带锥度的圆台形轮毂，其锥度等于重力加速度与液环向心加速度的平均值的比。轮毂上有双头螺旋叶片9，围绕轮毂的旋转角度为540°。因此，无论转子旋转到什么角度，其每个螺旋流道都至少有一条液环密封线隔离进气口和出气口，并且，隔离线总是由进气口向出气口推进，因而能够连贯地从进气口将气体吸入流道，又连贯地把吸入的气体推向出气口，并压缩其体积。
从图1可以看出，螺旋叶片的迎角不是很大，当液环静止不动(实际上不存在这种情况)或与转子叶片的线速度差别较大时，叶片会对液环产生较大的轴向推进力，从而破坏液环的稳定。但实际情况是，转子叶片与液环间的相对速度并不大，因而在偏心的一侧，叶片对液环的轴向扰动并不很显著，当扰动波离开偏心位置时，在超重力场的作用下，波动部分的液体又会立即回到平衡位置上来。另外，液环对速度差有一种自适应机制，当速度差较大时，液环受力的切向分量也随之增大，因而会自适应地减小与叶片的速度差。由于转子直径小于液环外径(略大于其4/5)，其角速度大于液环的角速度，故同样半径差对应的线速度差也大于液环。因此，在偏心的一侧，转子叶片的外沿与液环有较大的线速度差，而其根部的线速度差很小甚至可能为负，故转子叶片对液环的作用力主要集中在外沿，也就是液环的深部。对于液环来说，这种发生在深部的外力作用的结果是产生一个平衡转筒阻力矩的驱动，其余的扰动在超重力场的超稳定机制作用下会迅速地衰减。在叶片对液环的作用中，能够在暂态过程中累计其效应和在稳态过程中参与力矩平衡的作用方式是叶片的侧面摩擦。由此可见，当其阻力矩较小时，液环具有良好的稳定性，所有各项液环功能均能正常发挥。
下面结合图2对用固定螺距的转子段进行轴向拼装的变螺距螺旋转子转筒式液环真空泵/压缩机的组成及其制造方法进行详细说明。
参照图2，变螺距螺旋转子转筒式液环真空泵/压缩机主要由机壳14、转筒10以及双头螺旋转子9三大部件组成，卧式机型。其中转筒10具有圆柱形内腔，用来容纳和约束液环。转筒安装于机壳与转子之间，其两端端板中心开口，并分别通过右轴承支撑筋6和左轴承支撑筋15连接其轴承，其右端板4可拆卸。螺旋转子9能从转筒可拆卸的右端盖装入，并能在其中转动。
螺旋转子的转轴左端12从轴套内伸出机壳，经联轴器与电动机相连。进气口和排气口从机壳左侧和右侧的轴向引出。动密封环5直接装在右轴墩与机壳作螺纹连接的可调颈管上，该环的外径有足够的尺寸，以保证密封住排气口2与连通进气口16的转筒10和机壳14之间的空间的较大压差。
图2中的螺旋转子的轮毂成圆柱形，轮毂上有双头螺旋叶片9，围绕轮毂的旋转角度为1440°(围绕4周)。如图所示，螺旋转子是经轴向紧固多段拼装的，其中每一段的旋叶工作角度等于360°/2＝180°，因而可以用模具成形方法加工，并且只需使用简单的两合模，脱模方向为轴向。对于每一个转子段，在轮毂段两端面设定的位置上有能保证拼装时螺旋叶片准确吻接的阴阳定位卡销。
图2中的螺旋转子一共用了8个螺旋段，其中的每一个螺旋段的螺距都是固定的，但各段的螺距互不相同。它们是根据标准化和系列化规划编制出来的、用模成形工艺制造的2头螺旋转子段系列中挑选出来的。其各段的螺距能构成一个L/(m+i)数列，i为转子段的装配序号，其取值范围为1～8，L为整个转子轴向长度，m为由进出口气体的比容比或压力比确定的待定系数。螺旋转子是按照由螺距大的转子段到螺距小的转子段的顺序进行轴向串接装配的。
由于螺旋转子段的螺距构成L/(m+i)数列，因此，从平均值来看，被液封线分割的各螺旋流道段的容积也大体上构成一个V/(m+i)数列(V为常数，从入口起，2个螺旋流道一共只能形成7个分割的流道段，故i的取值范围为1～7)，其中容纳的气体的比容沿轴向反比例地减小，因而运转过程中，气体的压力将沿轴向线性地增加。这样的变化规律有两个好处。第一，当每一个流道的出口液封线打开时，其压力正好等于出口压力，没有压力突变和气流速度脉动，由其造成的湍流和惯性损耗将被消除；第二，使排气口和进气口的压差均匀地分布在各密封流道段之间，从而使液封深度最小化。举例来说，若进出口压差为203KPa(2个大气压)，则任何一处的叶片两侧的流道段的压差就大体上只有其1/7，即29KPa。若液环超重力场的表面加速度为500g(g为重力加速度)，工作液为水，则液封深度按表面加速度来计算也大约只需5.9毫米，考虑向心加速度沿径向线性增加的因素，精确计算的数值还要更小一些。可见，在液环超重力场作用下，所需的液封深度是很小的。
当需要较大的压缩比(例如高真空度的真空获得和大压缩比的气体压缩)时，只需增加螺旋叶片的工作角度，即增加螺旋段的装配段数，就能满足要求。由此可见，本实施例不同螺距转子段拼装的设计，不但具有改善进出口动态特性的明显效果，还能满足较大的压缩比要求，其制造成本也比较低。从上面的分析可知，其液封深度等设计参数范围也是符合一般设计惯例和应用实际的。
权利要求
1.转筒式液环真空泵/压缩机，是一种容器真空获得或气体输送压缩机械，主要由机壳、液环约束腔体和在腔体内偏心安装的叶轮转子及其他附属构件组成，转子转动时驱动工作液在腔体内作环形流动，液环对转子叶片间的气体起密封、吸入、压缩、排出及冷却作用，其特征是用一个与液环一起转动的转筒来容纳和约束液环，转筒安装于机壳内，转子偏心地安装于转筒内，转筒两侧端板中心开口，作为气流通道和布设其他附设机构的空间，其中一侧端板可拆卸，当转子高速转动时，转筒内形成液环，液环通过摩擦力带动转筒一道高速旋转，其间的转差率很小；
2.权利要求1所述的转筒式液环真空泵/压缩机，其特征是在转筒的安装轴线上设有两个相向的轴墩，与机壳作刚性连接，轴墩上有一个外圆柱面轴台和一个内圆柱面轴台(或轴孔)，两者互相错开一个轴向距离，或者在轴墩的端面上还安有一个与转子端面中心部位接触的配气阀板，外圆柱面轴台与转筒共轴线，用于安装转筒的滚动轴承的内皮，该轴台的尺寸足以在中间开孔让偏心的转子轴穿过，或者还要让气流通道通过，内圆柱面轴台(或轴孔)与转子共轴线，用于安装转子轴承的外皮(或轴)，转筒轴承的外皮嵌入转筒轴承套之内，使转筒能够绕轴墩的轴线自由转动，转子轴穿进其轴承内皮中(或直接穿进轴孔中)，使转子能够绕偏心的轴线自由转动；
3.权利要求1或权利要求2所述的转筒式液环真空泵/压缩机，其特征是取消两端配气板机构和柱面叶片转子，代之以一个螺旋转子偏心地安装在转筒之中，该转子由转轴、轮毂和盘绕在轮毂上的两头或多头螺旋叶片组成，机器工作时，在相邻螺旋叶片、液环表面和轮毂表面之间形成彼此隔离的两个或多个螺旋流道，螺旋流道在偏心侧被液环封闭形成液封，液封线随螺旋流道的转动从进气口向出气口连续推进，螺旋流道成为自动配气的气体运送和压缩通道，连贯地、单方向地运送和压缩气体；
4.权利要求3所述的转筒式液环真空泵/压缩机，其特征是在转筒的一端(一般在排气口端)设有一个转筒动密封环，该环是一块与转筒同轴并垂直于该轴安装的、静止的环形薄片，该环通过连接颈管与机壳作刚性连接，连接颈管的外径略小于转筒端面开口，从该开口伸到转筒内转子端面外侧的间隙中，与动密封环作密封连接，动密封环的外沿浸入液环之中，其径向浸入最小深度Hmin满足不等式Hmin＞[2ΔPmax/(ρω2)+r2]1/2-r，其中ΔPmax为进出口压差上限，ρ为工作液密度，ω为液环转动角速度，r为液环表面半径；
5.权利要求3或权利要求4所述的转筒式液环真空泵/压缩机，其特征是工作液循环入管引到静止的轴墩上，经轴向通孔进入转筒之中，在转子端面外侧的间隙中弯转90度通到液环设计表面位置流出，转筒内工作液出管则从转筒另一端端盖外沿接出，出端盖后转90度指向中心方向，到达液环设计表面位置时开口释放，开口位置可以微调，用于调节液环深度，在机壳内相应位置开一个集液槽，甩出液体依靠重力流到其下部，然后用静止的管道引出，或者将工作液循环出口设在动密封环上的设计液面位置，用管道经由连接颈管内腔引出转筒，然后穿出颈管进行外循环连接；
6.权利要求3或权利要求4或权利要求5所述的转筒式液环真空泵/压缩机，其特征是螺旋转子的中心部位是一个圆柱体形或略带锥度的圆台形轮毂，转子叶片为等宽的、与轮毂做成一体的螺旋状曲面薄片，在每一个垂直于轴的平面上，螺旋叶片的截面都相同，并且等角度分布，对于具有n头螺旋叶片的转子(n≥2)，每头螺旋围绕轮毂的旋转角度不小于(1+1/n)×360°，使相邻叶片间的流道至少有一条液环密封线能够隔离进气口和出气口，螺旋转子工作时，叶片外沿始终浸入液环之中，在离转筒轴线最近点浸入液环的最小深度hmin满足其两侧流道间发生最大压差时实现密封的条件，即hmin＞[2Δpmax/(ρω2)+r2]1/2-r，其中Δpmax是两侧流道间可能发生的最大压差，ρ是工作液的密度，ω是液环转动角速度，r为液环表面半径；
7.权利要求3或权利要求4或权利要求5或权利要求6所述的转筒式液环真空泵/压缩机，其特征是螺旋转子叶片具有较大的工作角度，超过(1+1/n)×360°(n≥2)若干倍，并且，依据泵送气体在进口处和出口处的设计比容比，使相邻螺旋叶片之间的距离Δx沿轴向全程按反比例函数Δx＝k/(x+a)规律减小，或在流道进口端产生第二条封闭线的点(360°处)到出口处的距离内沿轴向按反比例函数Δx＝k/(x+a)规律减小，使进口处和出口处的流道截面积之比等于或接近于进出口气体的比容比，x为轴向距离，k、a为边界条件确定的待定常数；
8.权利要求6或权利要求7所述的转筒式液环真空泵/压缩机，其特征是螺旋转子是经轴向紧固多段拼装的，其中每一段的旋叶工作角度等于360°/n(n为头数)，并且在轮毂段两端面设定的位置上有能保证拼装时螺旋叶片准确吻接的阴阳定位卡销，这些转子段采用两合模成形或部分成形的方法制造，用不同螺距的转子段串接，可组装成适合任意进出口气体比容比的转子；
9.权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4或权利要求5或权利要求6或权利要求7或权利要求8所述的转筒式液环真空泵/压缩机的使用方法，其特征是在温度不超过100℃的较低温度下或者常温下，在压力不超过100KPa的较低压力下或者常压下，当工艺过程中所产生的气体密度比空气在标准状况下的密度(1.29Kg/m3)小很多，例如不及其60％时，尤其在气体密度较空气密度小数量级时，或者工艺过程中气体的温度和压力很不稳定时，将转筒式真空泵/压缩机(尤其是具有变螺距螺旋转子的机器)在该类工艺过程中作为恒流特性泵使用，这类过程包括在常温常压环境下运行的容器真空获得、物质馏分、液体除气、物料干燥、尾气冷凝、循环气加压、布袋除尘等；
10.权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4或权利要求5或权利要求6或权利要求7或权利要求8所述的转筒式液环真空泵/压缩机的使用方法，其特征是当泵送介质需要回收且与水的亲合力大而不宜用水作工作液时，用一种不溶于水又不亲合于工质(不挥发到工质中、不溶解工质)的油类物质(例如植物油之于空气或水蒸汽)简单混合于水中，以这种混油的水作为工作液，让油参与循环，控制油的比例，使其在水环表面形成一层较薄的隔离膜。
全文摘要
转筒式液环真空泵/压缩机,由转筒、偏心转子和机壳等组成。工作时,转筒随液环转动,其间摩擦损耗很小。若使用螺旋转子,其流道偏心侧有液封线,该线连续轴向推进,单向泵送气体,湍流和脉动损耗小,无需配气,无磨损件。变螺距转子流道截面渐缩,可实现高倍率匀速压缩。用两合模成形转子段拼装转子,压缩比大,成本低廉,特别适合低温低压低密度和工况不稳时使用。用掺油水作工作液,超重态下生成强势油封膜,可泵送亲水气体。
文档编号F04C19/00GK1258817SQ0010000
公开日2000年7月5日 申请日期2000年1月3日 优先权日2000年1月3日
发明者蒋子刚 申请人:蒋子刚