旋转螺杆式压缩机的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种旋转螺杆式压缩机。还公开了一种气体压缩机，其包括第一转子，该第一转子具有第一转子主体，该第一转子主体包括多个螺旋凸起，通过壁限定的第一转子主体内的内部容积和设置在内部容积中的涡轮机，该涡轮机包括涡轮机主体和从涡轮机主体大体径向延伸到所述壁的多个翼，在该处内部容积构造成使得冷却流体能够流过该内部容积。该气体压缩机还包括第二转子主体，其包括多个螺旋凸起、入口歧管和出口歧管以及主体通道，所述入口歧管和所述出口歧管两者都设置在第二转子主体内，所述主体通道在至少一个凹槽内从入口歧管向出口歧管延伸，并且主体通道与入口歧管和出口歧管连通，在该处主体通道构造成使得冷却流体能够通过该主体通道。
【专利说明】
旋转螺杆式压缩机
技术领域
[0001 ]本发明一般涉及旋转螺杆式压缩机。
【背景技术】
[0002 ]常规的旋转螺杆式压缩机使用相互啮合的旋转转子来形成在旋转转子之间的压缩单元(一般称作压缩室)，闭合该单元，然后通过螺杆旋转降低单元的容积以压缩气体。相互啮合的转子可以是具有两个门转子或成对的、轴向对准的螺旋的螺杆式转子的单个主转子。因为气体压缩过程发生在持续的扫动运动中，旋转螺杆式压缩机在压缩气体的输出流动中产生非常少的波动或喘振。然而，根据所描述的物理气体定律，压缩任何气体都产生热量，并且更热的气体在压缩过程中效率更低。因此，在压缩过程中移除热量可以提高压缩效率。
[0003] 在压缩单元中的冷却气体的各种装置是已知的。一种常见的装置，已知为接触冷却，是将冷却流体引入压缩过程，其与可压缩气体直接接触。相比之下，压缩气体而不导引冷却剂进入压缩单元通常称为“干燥(dry)”压缩。在相等的压缩率下，干燥螺杆式压缩机比接触的冷却螺杆式压缩机产生更高的温度，因为没有在压缩单元中冷却的流体。冷却可压缩气体的替代的方法包括水套冷却和内部冷却，在水套冷却中冷却液在螺杆式压缩机的壳体上流动，在内部冷却中冷却液流动经过制造成空心的螺杆式转子。这种空心的转子一般由层压冲压件、直柄钻头机械加工、铸造、挤压或者液压成形过程制造。
[0004] —些现存的螺杆式压缩机系统相对于冷却压缩过程有各种缺点。相应地，在本领域的工艺中仍然需要进一步的贡献。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个实施例是气体压缩机系统，其包含转子，所述转子具有用于冷却流体的穿过转子形成的流动通路，使得转子能够冷却，并且提高压缩机的效率。其它实施例包括装置，系统，设备，硬件，方法和组合，当冷却流体被转子加热时使用流动经过转子的冷却流体产生驱动转矩。进一步的实施例，本申请的进一步实施例、形式、特征、方面、益处和优点根据下面提供的说明书和附图而变得明显。
【附图说明】
[0006] 当结合附图时，将从下面的详细描述中更好地理解本发明的特征，在附图中:
[0007] 图1示出了根据本公开的气体压缩机的一实施例的透视图；
[0008] 图2示出了根据本公开的气体压缩机的一实施例的示意图；
[0009] 图3示出了根据本公开的气体压缩机的转子的透视图；
[0010] 图4示出了根据本公开的气体压缩机的转子的局部截面图；
[0011] 图5示出了根据本公开的气体压缩机的转子的透视截面图；
[0012] 图6示出了根据本公开的转子的涡轮机的透视图；
[0013] 图7示出了根据本公开的转子的替代的涡轮机的透视图；
[0014] 图8示出了根据本公开的转子的替代的涡轮机的透视图；
[〇〇15]图9示出了根据本公开的气体压缩机的实施例的平面图；
[0016] 图10示出了制造根据本公开的转子的方法。
【具体实施方式】
[0017] 本申请公开了气体压缩机的各种实施例，以及使用和构造该气体压缩机的方法。 在该公开的一个方面，气体压缩机可包括具有内部流动通路的转子，冷却流体可流动通过内部流动通路以吸收由压缩过程产生的热量。为了提高对本发明原理理解的目的，在附图中所示的实施例中作出了参考，并且具体的语言将用于描述实施例。然而，将理解的是，因此并不旨在对本发明的范围进行限制，在描述的实施例中的任何变形或进一步的修改，和在本文描述的本申请的原理的任何进一步应用，对本领域的技术人员来说都是可考量的。
[0018] 图1中示出了根据本公开的至少一个实施例的气体压缩机。如在图1中所示，气体压缩机100可包括阳转子10,其邻近壳体(没有示出)内阴转子20而设置，该壳体具有气体入口和出口。随着阳转子10和阴转子20绕着它们各自的纵向轴线旋转，阳转子10和阴转子20 可构造成彼此相互接合以压缩气体，或者更一般地工作流体。阳转子10和阴转子20沿着形成在每个转子1〇,20中的螺旋螺纹相互接合，螺纹提供补充的压缩表面，其每一个限定了螺旋形状。阳转子10的螺纹可包括凸起18,其具有形成在相对宽的邻近螺旋齿之间的相对窄的凹部。阴转子20的螺纹可包括凹槽28,其具有形成在相对窄的邻近螺旋齿之间的相对宽的凹部。需要注意的是，阳转子10或阴转子20将被描述作为具有相互接合的凸起，凹槽，齿， 螺纹或者本领域中使用的其它适当的术语。进一步地，在一些应用中，凹部将称为“凹槽”来代替齿。但是，为了公开的目的，具有宽螺纹和窄凹部的转子将被称为阳转子10,并且具有窄螺纹和宽凹部的转子将被称为阴转子20。
[0019] 在运行中，阳转子10和阴转子20旋转以连续形成在阳转子10的凸起18,阴转子20 的凹槽28,以及压缩机100的壳体之间的压缩单元(compress1n cell)。待压缩的气体可经由入口沿着压缩机流动通路A被导引。转子10，20的旋转沿着流动通路A的方向抽取待在转子10,20之间压缩的气体，如图1中所示，并且进入形成在它们之间的压缩单元。随着转子 10,20旋转时，每个压缩单元被闭合，并且然后减小容积以压缩气体，其产生热量，增加了气体和转子10，20的温度。转子10,20的旋转还推动在压缩状态下气体经由出口排出压缩机 100。但是，因为压缩热气体需要更多的能量，气体越热，压缩过程效率越低。因此，在压缩过程中通过冷却压缩气体，移除来自阳转子10和阴转子20的热量可提高气体压缩机100的压缩效率。阳转子10和阴转子20的旋转可由马达，主轴，或者其它适当的转矩源来驱动。
[0020] 为了分散压缩过程产生的热量和冷却压缩气体，冷却流体或者制冷液可流动通过阳转子10和阴转子20以经由转子10,20传送来自被压缩的气体的热量到冷却流体，并且将该热量传输离开压缩过程。阳转子10被构造成能够使冷却流体沿着流动通路B流动通过阳转子10,因此吸收由压缩气体的过程所产生的热量的至少一部分。另外，阴转子20可构造成能够使冷却流体沿着流动通路C流动通过阴转子20,因此吸收由压缩气体的过程所产生的热量的至少一部分。因此，流动通路B和流动通路C的效果可降低气体被压缩时温度增加，这防止了能量损失，并且提高了压缩机的效率。在这个意义上说，流动通路B和流动通路C能够使流动通路A保持在或者接近一恒定的温度，气体压缩机100可在等温效率接近100%的情况下运行。
[0021 ] 在至少一个实施例中，流动通路B和流动通路C可与流动通路A相反地行进。在这个实施例中，相对冷的冷却流体在其最冷状态下被导引到阳转子1 〇和阴转子20中，在气体出口附近邻近压缩过程的最后，邻近最热的压缩气体温度以及阳转子10和阴转子20的最大的热量。因此，压缩机流动通路A相对于冷却流体流动通路B和流动通路C的逆向流动增加了在一位置处相对热的压缩气体和相对冷的冷却流体之间的热量传递的速率，在该位置处，压缩气体的冷却对压缩机效率提供了最大贡献。所公开的逆向流动装置还能够具有本文中进一步描述的优点。在替代实施例中，流动通路B和流动通路C可沿与流动通路A相同的方向行进。在另一替代实施例中，流动通路B和流动通路C的一个或另一个可选择成与流动通路A方向相反或相同地运行。
[〇〇22] 气体压缩机100可包括与图2中所示的阳转子10和阴转子20流体连通的制冷子系统70。在冷冻流体流动通过阳转子10和阴转子20之后，制冷子系统70可冷却并且加压冷却流体，使得在再循环通过阳转子10和阴转子20之前，冷却流体可返回到相对冷的和高压状态。相应地，冷却流体可连续地循环通过气体压缩机100,经由阳转子10和阴转子20抽取来自气体压缩时的热量，并且在制冷子系统70中分散该热量。制冷子系统70可包括常规的蒸汽压缩循环的方面，包括与冷凝器76流体连通的制冷压缩机74。
[〇〇23]在至少一个实施例中，气体压缩机100可包括设置在制冷子系统70和阳转子10之间的阳阀71，并且还可包括设置在制冷子系统70和阴转子20之间的阴阀72。阳阀71可计量通过阳转子10的冷却流体的流动通路B，并且将制冷子系统70的冷凝器76的相对高压液体流与阳转子10分离，并且与来自阴转子20的流动效应分离。类似地，阴阀72可计量通过阴转子20的冷却流体的流动通路C，并且将制冷子系统70的冷凝器76的相对高压液体流与阴转子20分离，并且与来自阳转子10的流动效应分离。因此，在初始液态的相对冷的冷却流体， 在压力低于制冷子系统70的制冷压缩机74的压力时，提供给阳转子10和阴转子20。在操作中，如果阀71，72下游(例如，在阳转子10和/或阴转子20内)的冷却流体温度变得比期望的温度高时，阀71，72可进一步打开以增加通过阳转子10和/或阴转子20的冷却流体的流动速率，因此增加冷却流体流的热容量并且降低温度。相反地，如果阀71，72下游的冷却流体温度变得比期望的温度低时，阀71，72可部分闭合以降低通过阳转子10和/或阴转子20的冷却流体的流动速率，因此降低冷却流体流的热容量并且增加温度。
[0024]阳阀71和阴阀72可以是任何适当的计量装置，能响应于下游压力和温度的改变来改变通过其的流量。通过这种非限制的示例，阳阀71和阴阀72可以是机械热膨胀阀和/或电子控制阀，其具有电子温度传感器，例如热电偶，热敏电阻等等，其设置在阀71，72的下游与微处理器或者其它适当的控制装置连通。
[〇〇25] 如图3中所示，阴转子20可包括设置在上游阴轴部分24和下游阴轴部分26之间的阴主体部分22,其沿着纵向轴线42在阴主体部分22的相反端处连接。阴主体部分22可包括多个螺旋齿或凹槽28,其沿着阴转子20的轴线42形成，并且从上游阴轴部分24延伸到下游阴轴部分26。阴主体部分22,上游阴轴部分24和下游阴轴部分26可一体地形成作为单独的部件，或者可制造成由附连在一起以形成刚性体的单独部件。
[〇〇26]如图3和4所示，上游阴轴部分24可包括在上游阴轴部分24的中心处或靠近其沿着轴线42形成的阴入口通道34或通路。同样地，下游阴轴部分26可包括在下游阴轴部分36的中心处或靠近其沿着轴线42形成的阴出口通道36或通路。在至少一个实施例中，下游阴轴部分26的直径或者宽度比上游阴轴部分24的直径或者宽度大，其可以能够受控的扩展，而进一步防止流动阻塞，随着冷却流体吸收来自气体经由阴转子主体部分22压缩的热量，其提高了流动通路C的温度和压力。
[〇〇27]阴主体部分22可包括多个独立的螺旋冷却通道30或通路，其沿着轴线42穿过螺旋凸起28而形成，并且与上游歧管32和下游歧管38流体连通。阴主体部分22可包括穿过每个凹槽28的至少一个冷却通道30。在图3和4中所示的至少一个实施例中，阴主体部分22可包括独立的穿过每个凹槽28的多个螺旋冷却通道30。每个冷却通道30，具有长度和直径或者宽度，可被构造成使得给定的冷却通道30的直径或宽度在流动通路C方向上从上游到下游沿着冷却通道30的长度增加。在至少一个实施例中，冷却通道30的直径或宽度在流动通路C 的方向上持续增加。随着冷却通道30的直径或宽度增加，它的截面面积也可增加。相应地， 在下游方向上每个位置处至少一个冷却通道30的直径或者宽度和因此的截面比上游方向上大。冷却通道30的增加的截面可以能够受控的扩展，而进一步防止随着冷却流体吸收来自气体经由阴转子主体部分22压缩的热量，流动通路C的阻塞。
[〇〇28] 上游歧管32能流体连通在阴入口通道34和冷却通道30之间。上游歧管32可包括一个或多个辐条或支撑物35，其具有直径或宽度，其从阴入口通道34径向延伸，并且连接到冷却通道30。类似地，下游歧管38能够流体连通在冷却通道30和阴出口通道36之间。下游歧管 38可包括一个或多个支撑物35，其具有直径或宽度，其从阴出口通道36径向延伸，并且连接到冷却通道30。因此，阴入口通道34，上游歧管32，冷却通道30，下游歧管38，和阴出口通道 36限定穿过阴转子20的流动通路C。在至少一个实施例中，在下游歧管38中的支撑物35的直径比在上游歧管32中的相应的支撑物35的直径大。因此，穿过阴转子20的流动通路的容量一般在流动通路C方向上从上游到下游增加，其可以能够受控地扩展，而进一步防止穿过其的流动通路C的阻塞。
[〇〇29]如图4中所描绘的，冷却通道30可在上游歧管32的支撑物35处具有相同的初始直径，并且，类似地，在下游歧管38的支撑物35处有相等的末端直径。在至少一个实施例中，冷却通道30的初始直径可沿着上游歧管32的支撑物35径向改变，并且冷却通道30的末端直径可沿着下游歧管38的支撑物35径向改变。例如，冷却通道30在最接近轴线42处的初始直径， 可比距离轴线42最远处的冷却通道30的初始直径更大或更小。因为随着距离轴线42的径向距离增加，凹槽28—般需要更多结构强度，距轴线42最远处的冷却通道30的初始直径可比距轴线42最近处的冷却通道30小。在至少一个替代实施例中，阴转子主体22在每个凹槽28 中都包括一个冷却通道30。在这个实施例中，冷却通道30的截面可随着距离轴线42的径向距离而改变，使得冷却通道30在距离轴线42最近处更宽，在距离轴线42最远处更窄。关于阴转子主体22的冷却通道30的直径或宽度，数量和分布，可以依靠期望的流动和通过阴转子 20热量传递速率，和期望流量所需的结构强度，和气体压缩机100的出口压力，以及待压缩的气体的类型来选择。
[0030]参考图3,在操作中，冷却流体经由在流动通路C方向上的上游阴轴部分24中的阴入口通道34导引进入阴转子20。冷却流体然后推进通过上游歧管32，并且进入设置在螺旋凸起28内的多个冷却通道30。当冷却流体沿着流动通路C流动通过冷却通道30时，热量从被压缩的气体传递到相对热的凹槽28，到在冷却通道30内的冷却流体，其增加了冷却流体的温度和压力。冷却流体从冷却通道30流动通过下游歧管38,并且在受热且处于至少部分气态下，经由下游阴轴部分26的阴出口通道36从阴转子20出来。
[〇〇31]随着冷却流体的温度沿着流动通路C增加，其压力也一样。但是，因为冷却通道30 的截面在流动通路C方向增加，每个冷却通道30随着另外的热量被吸收，能够使冷却流体逐渐地并且可控地扩展到规定的温度和压力。在至少一个实施例中，冷却通道30可构造成通过期望的区域使冷却流体能够从液相相变气相，以进一步增强热传递。例如，从被压缩的气体传递到冷却流体的热量，可能是足够的，以至少部分地蒸发液体冷却流体。从液体到气体的改变导致冷却流体的膨胀，其通过经选择的冷却通道30，下游歧管38，和阴出口通道36的截面来控制。
[0032 ]引起从液态到气态的等温变化所需的热量一般称为蒸发的潜热。冷却流体的潜热代表额外的热能量，其自被压缩的气体吸收，而不用提高冷却流体的温度。因此，冷却流体的潜热提供了潜在的热传递能力，以快速抽取来自被压缩的气体的热量。相应地，阴入口通道34，具有支撑物35的上游歧管32，冷却通道30，具有支撑物35的下游歧管38，和阴出口通道36的具体尺寸可以选择成如本文所描述的邻近压缩过程的末端在阴转子20的上游端处或者在其附近至少部分蒸发冷却流体，在该处压缩气体是最热的，并且在该处增加了来自压缩气体的热传递速率，对压缩机效率具有最大的积极的影响。因此，冷却通道30可足够的传输来自被压缩的气体的热量，以降低与压缩过程相关联的温度增加，因此接近气体的等温压缩，并且相对常规的气体压缩机来提高气体压缩机100的效率。
[〇〇33]冷却流体可以类似地流动通过阳转子10。通过冷却通道30,以及相关的结构，例如上游歧管32，下游歧管38和支撑物35，已经关于该阴转子20描述，阳转子10也可包括这些结构。在这种实施例中，阳转子10可包括多个分立的螺旋冷却通道30,如本文进一步描述的， 其沿着纵向轴线40穿过螺旋凸起18形成。
[0034] 如图5所示，阳转子10可以包括布置在上游阳轴部分14和下游阳轴部分16之间的阳主体部分12,上游阳轴部分14和下游阳轴部分16沿着纵向轴线40在相反端处连接到阳主体部分12。阳主体部分12可包括多个螺旋齿或凸起18,其沿着轴线40形成并且从上游阳轴部分14延伸到下游阳轴部分16。阳主体部分12、上游阳轴部分14和下游阳轴部分16可一体形成作为单个部件，或者可由附接在一起的分开部件制造，以形成一个刚性体。
[〇〇35] 上游阳轴部分14可包括阳入口通道54,其沿着轴线40形成在上游阳轴部分14的中心或者靠近上游阳轴部分14的中心。同样地，下游阳轴部分16可包括阳出口通道56,其沿着轴线40形成在下游阳轴部分16的中心或者靠近下游阳轴部分16的中心。在至少一个实施例中，下游阳轴部分16的直径或者宽度比上游阳轴部分14的直径或者宽度更大，其可防止流动通路B随着冷却流体吸收来自经由阳转子主体部分12压缩的气体的热量(其提高了流动通路B的温度和压力)而阻塞。
[〇〇36]阳主体部分12可包括内部容积50,其被壁52限定并且流体连通在上游阳轴部分14 和下游阳轴部分16之间。壁52可进一步限定凸起18。由于壁52限定了螺旋凸起18,所以壁52 可以在三维上具有通常多个凸起螺旋外形。此外，因为壁52至少部分地进一步限定内部容积50，内部容积50的截面沿着如图5所示的轴线40持续的变化。因此，阳入口通道54、内部容积50以及阳出口通道56限定通过阳转子10的流动通路B，其具有不规则和变化的截面。
[0037]阳主体部分12可进一步包括设置在内部容积50内的涡轮机60。涡轮机60可包括具有上游端61和相对下游端67的涡轮机主体62,上游端61在上游阳轴部分14附近，下游端67 在下游阳轴部分16附近。涡轮机60使阳转子10使用从压缩的气体传递的热量来产生机械能以贡献转矩，以协助驱动阳转子10,从而提高了气体压缩机100的效率。这样做，涡轮机60和阳主体部分12的壁52可构造成控制所述冷却流体的膨胀、速度以及压力，当它流动经过阳转子10时。通过容积50、涡轮机60以及相关的结构(例如涡轮主体62)已经关于阳转子10描述，阴转子20也可包括这些结构。在这种实施例中，阴转子20可包括容积50和涡轮机60，其如下面将进一步描述的沿着纵向轴线42形成在阴主体部分22中。
[〇〇38]具体地，上游端61可以包括冲击面66,其构造成导向冷却流体经由阳入口通道54 进入内部容积50来贯穿内部容积50的上游端分散，以防止流动通路B停滞，并在流动通路B 中产生湍流。分散流动通路B内部的湍流，增加了在壁52和邻近压缩过程末端的阳转子10的最热部分处的冷却流体之间的热传递速率。因此，冲击面66可具有任何适当的形状，包括但不限于一个大致凸起的形状，例如圆锥形、抛物线、双曲线、复杂平方以及其它的发展形状。 涡轮机62的下游端67可包括表面，其通常是尖顶，圆锥形，子弹形，或在其它方面是锥形以当冷却流体转移到阳出口通道56时，减小湍流和摩擦流动损失。
[〇〇39]涡轮机主体62可通常为具有大体平行于轴线40的纵向轴线的圆柱形，并且可具有恒定直径。在至少一个实施例中，涡轮机主体62的直径或宽度在流动通路B的方向上减小。 在这样的实施例中，涡轮机主体62的直径或宽度的减少，增加了流动通路B的截面，使得冷却流体在它经由壁52吸收压缩气体的热量时能够进一步膨胀。在至少一个实施例中，涡轮机主体62的直径可能波动，减小然后增大，以产生所需的流动效果，例如改变膨胀和收敛区域。涡轮机主体62通过从涡轮机主体62径向延伸的叶片64进一步连接到所述壁52。在至少一个实施例中，所述涡轮机主体62可以通过径向支撑件(未示出)，而非叶片64连接到壁52。 因此，涡轮机主体62的直径和宽度，以及叶片64或者支撑件的长度和厚度可以被选择，以使得阳转子10能够具有足够的结构强度，并且使得能够通过流动通路B的几何形状产生所需的流动特性。
[0040] 叶片64和/或支撑件可以沿着涡轮机主体62的纵向长度成行或成级68。通过图5中所描绘的三个这样的级68,涡轮机60可以包括更少或更多个级68,取决于通过阳转子主体 12的冷却流体的长度、所需的结构强度和所希望的流动特性。叶片64的级68可设置在内部容积50中，使得膨胀室58形成在每个级68的上游，膨胀室58通过壁52、涡轮机主体62、以及叶片64粗略限定。内部容积50的截面改变导致膨胀室58可能在涡轮机主体62的一侧比另一侧更大。进一步，内部容积50的截面改变64产生可能是非均匀长度的叶片64,因为从涡轮机主体62到壁52的距离随着如图6中所示的阳转子主体12的螺旋形状而改变。在某些实施例中，叶片64可以沿着涡轮机主体的纵向长度62以及围绕涡轮主体的纵向长度62以交错布置来构造，使得叶片64不包括限定的级68,并且还不需要均匀的长度。
[0041] 在至少一个实施例中，内涡轮机的叶片可具有均匀的长度。如图7所示，阳转子110 可以包括具有均匀长度的多个叶片164。这样的实施例可能包括关于非均匀长度叶片164的空气动力学、结构或制造的益处。在这样的实施例中，叶片164可从涡轮机主体162径向延伸一共同的均匀距离。进一步，阳转子110的壁152可包括肋(未示出)，其朝向所述涡轮机主体 162径向延伸，使得肋连接到叶片164。为了保持通过给定的级168的期望的截面流动面积， 涡轮机主体162的直径可以相对于肋减小。肋可从壁152延伸围绕涡轮机体部162的整个圆周。替代地，肋可包括连接到如本文所描述的一个或多个叶片164的多个肋部分。在另一个替代实施例中，叶片164可通过其它装置与壁152连接。具有均匀长度的叶片164的阳转子 110,可在其它方面具有与具有叶片64的阳转子10相同的性能、特性和功能。
[0042]在根据本公开的至少一个实施例中，阳转子111可包括具有多个叶片165的涡轮机 161，其可以沿着涡轮机主体163的纵向长度以及围绕涡轮机主体163的纵向长度螺旋地构造，如图8中所示的。在这样的实施例中，叶片165可以设置成级169,其沿着涡轮机主体163 的纵向长度和围绕涡轮机主体163的纵向长度螺旋地构造。进一步，螺旋级169可构造成遵循阳转子111的螺旋凸起118，使得给定级169的叶片165具有共同的均匀的长度，从涡轮机主体163到阳转子111的壁153的距离，沿着遵循螺旋凸起118的螺旋是相同的。另外，膨胀室，与膨胀室58相似，可在螺旋级169上游以通常螺旋形状构造。具有螺旋设置叶片165的阳转子111在其它方面可具有与具有叶片64的阳转子10相同的性能、特性和功能。
[〇〇43]参照图6,涡轮机60的叶片64可以具有类似螺旋桨截面的形状，其中每个叶片64具有基本上圆形的上游前缘63和锥形后缘65,在其间具有非对称室。在这样实施例中，每个叶片64可构造为当放置在流体流动中时产生空气动力，由此从冷却流体流动通路B中提取能量并且在阳转子10中产生转矩。在常规反应涡轮机中，涡轮机相对于流动通道并且相对于固定的喷嘴或叶片旋转，其加速并且导向流体在涡轮机叶片上流动。与常规涡轮机不同，涡轮机60相对于阳转子主体12的壁52是固定的。参照图5，冷却流体通过叶片64的加速度由膨胀室58产生，在该处经由壁52自压缩气体传递的热量在膨胀室58的固定容积中加热且膨胀冷却流体。经加热且经膨胀的冷却流体流动在每个级68中的每个叶片64上和经过每个级68 中的每个叶片64,其改变了流动通路B的相对速度和压力两者，并赋予转矩在叶片64上，从而有助于旋转阳转子10。因此，自压缩气体传递的热量转化为由叶片64产生的空气动力，其进一步转化为转矩，其有助于驱动阳转子10。因此，驱动阳转子的马达、主轴或其它适当的转矩源上的负荷被降低，其减少了到压缩过程中的功能输入，因此改善了气体压缩机100的效率。
[〇〇44] 阳入口通道54、内部容积50、冲击面66、膨胀室58、叶片64和阳出口通道56的具体尺寸可以选择成，在邻近压缩过程末端的阳转子10处或其上游端至少部分蒸发冷却流体， 在该处压缩气体最热，并且在该处增加来自压缩气体的热量传递的速率对压缩机效率具有最大的积极影响。同时，阳入口通道54、内部容积50、壁52、冲击面66、膨胀室58、叶片64和阳出口通道56尺寸确定成确保阳转子10有足够的结构强度，以经受气体压缩机100的运行条件。在至少一个实施例中，膨胀室58、特别是最上游的膨胀室58,可构造成使得能够充分的将热从压缩气体传递到冷却流体，到至少部分地蒸发液体冷却流体，并且加速通过叶片64 的冷却流体，因此促进了当冷却流体至少部分从液体相变到气体时阳转子主体12的蒸发冷却。
[0045]参照图5,在操作中，冷却流体可在流动通路B的方向上经由上游阳轴部分24中的阳入口通道24导引进入阳转子10中。冷却流体被推动进入内部容积50中，在该处它可落下入射在涡轮机60的冲击面66上，并且被导向以分散贯穿内部容积50的上游端，因此防止流动通路B的停滞，生产了流动通路B中的湍流，并且改善了冷却流体的分配。因为阳转子10的上游端最热，冷却流体的分散促进了冷却流体的至少部分蒸发并且因此阳转子主体12蒸发冷却。膨胀的冷却流体向下游流动进入膨胀室58中，在该处，冷却流体继续吸收自阳转子主体12传递的热量，并且进一步在级68中的叶片64上加速。当冷却流体在叶片64上流动并且在叶片64上给予空气动力时，冷却流体改变了速度和压力，其在旋转阳转子10中产生了转矩。在某些实施例中，冷却流体可然后流入另一个膨胀室58中，在该处，冷却流体继续吸收自阳转子主体12传递的热量，并且进一步在随后的级68中的叶片64上加速，因此产生了另外的转矩。通过最后级68后，冷却流体向下游流动并且进入阳出口通道26，并且在受热状态且至少部分汽化状态流出阳转子10。
[0046]在根据本公开的至少一个实施例中，气体压缩机101可包括壳体(未示出)，其有入口和出口、阴转子20，门转子(gate rotor) 80，如图9中示出的。该门转子80可包括多个门齿 88,其构造成与阴转子20的凹槽28相互接合以压缩气体。该门转子80可关于轴线旋转，该轴线垂直于轴线42。在至少一个实施例中，气体压缩机101可包括两个门转子80,每个都构造成当门转子80和阴转子20分别关于它们各自的轴线旋转时，与阴转子20的凹槽28相互接合以压缩气体。相应地，气体压缩机101可类似于气体压缩机100运转，持续地形成在门转子80 的齿88、阴转子20的凹槽28和压缩机101的壳体之间的压缩单元。将压缩气体经由入口沿着压缩机流动通路A导引。如图9所示，转子80,20的旋转在着流动通路A的方向上抽取在转子 80,20之间的压缩气体，并且进入在其之间形成的压缩单元。当转子80,20旋转时，每个压缩单元闭合，并且然后减小容积以压缩气体。
[〇〇47]像在气体压缩机100中一样，气体压缩机101可包括穿过阴转子20的流动通路C，其与流动通路A相反地行进。在这种实施例中，在其最冷状态的相对冷的冷却流体导引进入在气体出口附近邻近压缩过程末端的阴转子20,其邻近阴转子20的最热的压缩气体温度和最大的热量。因此，压缩机流动通路A逆向流动到冷却流体流动通路C增加了在一位置处在相对热的压缩气体和相对冷的冷却流体之间的热传递速率，在所述位置处压缩气体的冷却对压缩机的效率提供了最大的贡献。
[〇〇48]在至少一个实施例中，气体压缩机100是干燥压缩机，并且气体压缩机100的所有的冷却能力通过使流过阳转子10和阴转子20的冷却流体流动来启用。在替代的实施例中， 气体压缩机100还通过除了使流过阳转子10和阴转子20的冷却流体流动的其它常规的装置冷却。例如，气体压缩机100可通过在压缩机壳体的入口处或在压缩机壳体入口的附近处进一步导引冷却剂进入流动通路A中来接触冷却。通常，水或油可用作冷却剂。在至少一个实施例中，冷却剂和冷却流体可以是两种不同的材料。替代的，冷却剂和冷却流体可以是相同的材料，但是保持在分开的流动回路中，使得冷却流体不进入流动通路A。
[0049] 气体压缩机100可用于任何适当的应用中。气体压缩机100特别适合移动应用，因为材料从阳转子10缺失以限定流动通路B，以及材料从阴转子20缺失以限定流动通路C，与常规的压缩机转子相比降低了气体压缩机100的总质量，使气体压缩机100更容易运输。进一步，相对于常规的压缩机转子，在气体压缩机100中的材料的质量的减少可降低气体压缩机100的成本。在至少一个实施例中，气体压缩机100可以产生在0镑每平方英尺计量(psig) 和大约200psig之间的压力、从160° F到550° F范围内的温度的压缩气体。
[0050] 冷却流体可以是任何适当的液体，其具有在气体压缩机100的运转温度范围内的沸点，以使潜热能够传输到冷却流体，并且蒸发冷却如在本文中描述的阳转子10和阴转子 20。示例可以包括但是不局限于水、油和制冷剂。如本领域的技术人员理解的，具有本公开的益处，运行中的冷却流体可包括液态和气态的混合物。例如，进入转子1 ο，20中的冷却流体可以主要是液体，但是可以包括一些气态的冷却流体。另外，在某些实施例中，在某些运转状态下，离开转子1〇、20的冷却流体可以主要是气态的，但可包括一些液体冷却流体。此夕卜，在至少一个实施例中，冷却流体可为具有在气体压缩机100运转温度范围之外的沸点， 使得冷却流体在所有运转状态下保持大体为液体。替代地，阳转子10的流动通路Β和阴转子 20的流动通路C可构造成，不管它的沸点如何，在所有的运转状态下所选择的冷却流体保持大体为液体。
[0051]气体压缩机100可通过任何适当的过程来制造。然而，考虑到阳转子10和阴转子20 的复杂特征，使用常规的模制、铸造或机械加工方法来制造该气体压缩机1〇〇是不可能的。 根据本公开的至少一个实施例，阳转子10和阴转子20可使用增材制造过程来制造。增材制造是通过存料的选择性熔化、烧结和聚合形成物品的过程。增材制造包括使用期望部分的离散化计算机辅助设计(“CAD”)数据模型来限定层，其按照顺序相继地处理，以形成最终的一体部分。增材制造包括粉末床熔合(“PBF”)和粉末喷射熔化(“PSF”)制造过程，包括选择性激光熔化(“SLM”)，直接金属激光烧结(“DMLS”)，选择性激光烧结(“SLS”)，和电子束熔化 (?ΒΜ”)1BF和PSF过程共用一系列基本的过程步骤，包括一个或多个热源以引起存料的粉末颗粒之间的熔化和熔合，用于控制在离散化CAD模型中的每层的规定区域内的粉末颗粒恪合的装置，和将这些粉末颗粒沉积在形成过程的部分(part-1n-process)的先前恪合的层上的装置。每层的规定区域通过在给定层中的部分CAD模型的截面限定。因为粉末颗粒被熔化和熔合到先前的层，生成的部分可以是固体，大体上完全密集，大体上是无空隙的，并且具有大体上等于或超过由常规模制、铸造或机械加工方法制造部分的热的和机械的性能。替代地，通过制造过程的适当控制，生成的部分可包括期望程度的多孔性。
[〇〇52] 转子，例如气体压缩机100的阳转子10和阴转子20,可使用增材制造方法200来形成。如图10所示，方法200可包括转子10，20的离散化CAD模型进入转子层的操作210，以产生文件，使得每个转子层限定转子的特定截面。通过非限制的示例，文件可以是标准的镶嵌 (tessellat1n)语言，一般作为“STL文件”，或者其它适当的文件格式。方法200可包括提供该文件到编程为控制热源的计算机的操作212。方法200还可包括在基底上沉积存料(例如粉末颗粒)的材料层的操作214,和使用热源熔化和熔合限定在转子10,20的第一转子层的区域内的材料层的操作216。方法200可包括使基底移动一增加的距离以形成用于连续的转子层的空间的操作218。方法200可包括在第一转子层上沉积粉末颗粒的连续的材料层的操作220。方法200还可包括使用热源在限定转子10，20的连续转子层的区域内熔化和熔合连续的材料层的操作222。方法200可包括反复地沉积和熔化依次限定转子10,20的连续转子层的连续的材料层，直到所有的离散化的转子层已经熔化和熔合，形成整体的部分的操作 224〇
[〇〇53]导致粉末颗粒熔化和熔合的热源可非限制地包括高能激光(例如，200瓦特YB-光纤激光或二氧化碳激光)或者电子束。计算机可用于控制限定转子1〇,20的截面的每层区域内的熔化和熔合的位置。基底的移动能通过构造成定位过程的部分的平移台完成，使得粉末颗粒的连续层可以被沉积和熔化以形成部分的各个连续层。在至少一个实施例中，平移台是竖直平移平台，其从初始的起始位置逐渐下降，而为待沉积和熔合的存料的每个连续层形成空间。在此实施例中，来自先前的连续层的未熔化和未熔合的材料可积累在过程的部分中和其周围，因此在制造过程中围绕和支撑过程的部分。
[0054] 沉积粉末颗粒的装置可包括例如在PBF过程中弧刷臂或滚筒，其随着过程开始或者随着连续层增加在先前的沉积和熔合层上在基底上沉积存料的均匀层。在至少一个实施例中，例如使用PSF过程的实施例中，沉积粉末颗粒的装置可包括从喷嘴喷射粉末颗粒。每层可以在大约10微米(Ml)和大约ΙΟΟμπι之间的厚度。在一些实施例中，每层在大约20μηι到大约50μπι之间。进一步，方法200可在高温下操作，通常在700到1000°C之间，其可产生具有低残余应力的部件，因此无需在建造后用热传递来增强和稳固部件。另外，方法200可在真空中操作，惰性气体的控制环境(例如，氩气或者氮气在氧气的水平低于百万分之500)或者在标准大气条件下。粉末颗粒可包括多于一种存料。在这种实施例中，方法200可用于制造由不同的存料的合金材料组成的部件。
[0055] 替代地，阳转子10和阴转子20可使用熔合沉积成形(“FDM”)过程制造。尽管在许多方面类似于PDF工程，在Π)Μ中，代替使用粉末颗粒地，存料可以是供应到喷嘴的线卷，其在限定在过程的部分的给定层的区域中熔化并且沉积熔化的材料。但是，FDM过程包括在离散化的层中的存料的沉积，并且熔化每个连续层到先前层。
[〇〇56]阳转子10和阴转子20可由任何适当的材料制成，包括但是不局限于，钢，不锈钢， 马氏体时效钢，碳钢，钴铬，铬镍铁合金，钛和铝化钛。在至少一个实施例中，阳转子10和阴转子20可由与增材制造方法200兼容的任何材料制成，包括但是不局限于钢，不锈钢，马氏体时效钢，碳钢，钻络，络银铁合金，钦和错化钦。
[0057]本公开的一个方面，提供螺杆式压缩机转子，其具有由螺旋形状限定的外压缩表面，该螺旋形状从第一端轴向延伸到第二端，并且具有位于相对螺旋凹部的壁之间的螺旋槽形凹部，该螺杆式压缩机具有设置在第一端的冷却流体入口以用于接收冷却流体，和多个设置在螺杆式压缩机转子内部的分开的冷却通路，所述多个分开的冷却通路流体连通该冷却流体入口，使得该冷却流体入口供应冷却流体到多个分开的冷却通路，所述多个冷却通路具有沿着从该多个冷却通路的上游端到下游端的方向增加的截面面积。
[〇〇58]本发明的一个特征中，该冷却流体入口位于该螺杆式压缩机转子的中心线上，并且该多个分开的冷却通路遵循该螺旋形状。在另一个实施例中，该多个分开的冷却通路包括从该冷却流体入口延伸的通路向外放射并且连接该多个分开的冷却通路的多个辐条。另一个实施例还包括设置在该螺杆式压缩机转子的第二端并且位于中心线的冷却流体出口。 在本申请的一个特征中，该多个分开的冷却通路包括在该冷却流体出口和多个分开的冷却通路的每一个之间放射的多个辐条。在进一步的特征中，该冷却流体入口设置在该螺杆式压缩机转子的下游压缩侧，使得该冷却流体与通过外压缩表面的作用压缩的工作流体呈逆向流动关系。在另一个特征中，该冷却流体是制冷液，并且多个通路的截面面积的增加适应制冷剂的相变，使得当制冷剂横越多个通路时，制冷剂的蒸汽形式保持疏通。
[0059]本发明的一个方面，提供压缩机转子，其具有外螺旋压缩表面，该外螺旋压缩表面构造成与补充形状的压缩机转子接合，以形成旋转螺杆式压缩机，外螺旋压缩表面包括形成在相邻螺旋壁之间的螺旋凹部，该压缩机转子具有入口孔和出口孔以及打开的内部容积，冷却流体通过入口孔以用于通过到压缩机转子的内部，冷却流体从所述出口孔通过，所述打开的内部容积位于该入口孔和出口孔之间并且多个涡轮机叶片设置到其中，所述多个涡轮机叶片具有翼形状，其定向成抽取来自横越通过该打开的内部容积的冷却流体的功。
[0060]本公开的一个特征还包括中心体，其设置成在打开的内部容积的内部且与打开的内部容积的上游入口轴向间隔开，并且与打开的内部容积的下游出口轴向间隔开，以提供空间偏移。在本公开的一个特征中，该多个涡轮机叶片与螺旋壁和中心体是一体的。另一个特征还包括设置在打开的内部容积的上游部分中的冲击面，以增加冷却流体的湍流，并且因此增加从螺旋压缩表面到冷却流体的热传递。在另一个特征中，该多个涡轮机叶片设置成以下其中的一种:(I)分级的行，和(2)在压缩机转子的上游端和压缩机转子的下游端之间的螺旋样式。在另外的特征中，该涡轮机是冲击式涡轮机和反作用式涡轮机(reactiveturbine)的一个。在至少一个实施例中，该压缩机转子是具有凸起的阳转子。一个特征包括打开的内部的截面面积，所述截面面积当它横越通过该打开的内部时在流体流动的方向上增加。
[0061 ]本发明的一个方面，提供螺杆式压缩机，其包括第一压缩机转子和第二压缩机转子，所述第一压缩机转子构造成关于第一轴线旋转且具有第一压缩表面，所述第二压缩机转子构造成关于第二轴线旋转且具有第二压缩表面，该第一和第二压缩机转子构造成经由第一和第二压缩表面补充接合且可操作以产生当第一压缩机转子和第二压缩机转子分别关于第一轴线和第二轴线旋转时可压缩气体的压力增加，第一压缩机转子具有内部冷却回路，其构造成使第一压缩机转子冷却流体流动，并且因此吸收在可压缩气体的压缩过程中产生的热量，第二压缩机转子包括涡轮机，其在第二压缩表面的径向向内设置并且构造成抽取来自第二压缩机转子冷却流体的功，所述第二压缩机转子冷却流体通过第二压缩机转子内部。
[0062]本公开的一个特征还包括循环制冷剂冷却系统，其包括用于制冷剂压缩的压缩机、第一压缩机转子和/或第二压缩机转子，其用作循环制冷剂冷却系统的蒸发器。另一个特征还包括在循环制冷剂冷却系统中的通向分支的通路，其供应第一转子冷却流体通路和第二转子冷却流体通路，所述第一转子冷却流体通路具有第一阀，所述第一阀构造成控制冷却流体通过其的量，所述第二转子冷却流体通路具有第二阀，所述第二阀构造成控制冷却流体通过其的量。另一个特征还包括制冷剂冷却系统，并且其中在第一压缩机转子的内部冷却回路包括来源于中心供应通路、放射到第一压缩机转子的径向外部部分且返回到中心返回通路的多个通路。在一个特征中，该涡轮机包括多个涡轮机叶片和多个涡轮机叶片上游的内部湍流器，其构造成促进通过第二压缩机转子的内部的第二压缩机转子冷却流体中的瑞流。
[0063]尽管用于气体压缩机的转子和用于构造和使用该转子的方法的各种实施例已经在附图中和先前的说明书中详细示出和描述，其被认为是示意性的而不是限制性的，可以理解，只有优选实施例已经示出和描述，并且在本发明精神内的所有的改变和修改期望得到保护。可以理解，尽管在说明书中所使用的单词，例如优选的，优选地，优选的或者更优选的，表明所描述的特征可能是更期望的，但是不是必须的，并且缺少以上的实施例，也被考虑为在本发明的范围内，所附的权利要求书限定所述范围。在阅读权利要求时，当使用单词例如“一(a)”，“一(an)”，“至少一个”或者“至少一部分”时，并不旨在将权利要求限制为只有一项，除非权利要求书中另有指出。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，项目可包括一部分和/或整个项目，除非另有指出。
[0064]另外，在描述的代表性的实施例时，本公开可将方法和/或工序呈现为步骤的特定顺序。然而，在这个意义上，方法或过程不依赖在本文中提出的步骤的特定顺序，方法或过程不局限于所描述步骤的特定顺序。其它的步骤顺序是可能的，并且因此由发明人考虑。因此本文中所公开的步骤的特定指令不解释为对本公开的限制，这种顺序可以改变并且仍然保持在本公开的范围内。
【主权项】
1.一种装置，包括: 螺杆式压缩机转子，其具有由螺旋形状限定的外压缩表面，所述螺旋形状从第一端轴 向延伸到第二端，并且具有位于相对螺旋凹部壁之间的螺旋槽形凹部，所述螺杆式压缩机 具有设置在第一端中的冷却流体入口以接收冷却流体，和设置在螺杆式压缩机转子的内部 的多个分开的冷却通路，所述多个分开的冷却通路流体连通所述冷却流体入口，使得所述 冷却流体入口供应冷却流体到多个分开的冷却通路，所述多个冷却通路具有沿着从所述多 个冷却通路的上游端到下游端的方向增加的截面面积。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冷却流体入口位于所述螺杆式压缩机转子的 中心线上，其中所述多个分开的冷却通路遵循所述螺旋形状。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述多个分开的冷却通路包括多个辐条，其从该冷 却流体入口延伸的通路向外放射并且连接至所述多个分开的冷却通路。4.根据权利要求1所述的装置，其还包括冷却流体出口，其设置在所述螺杆式压缩机转 子的第二端并且位于该中心线上。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述多个分开的冷却通路包含在所述冷却流体出 口和所述多个分开的冷却通路的每个之间放射的多个辐条。6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述冷却流体入口设置在所述螺杆式压缩机转子 的下游压缩侧上，使得所述冷却流体与通过外压缩表面作用所压缩的工作流体呈逆向流动 关系。7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述冷却流体是制冷液，并且其中多个通路的截 面面积的增加适应制冷剂的相变，使得随着制冷剂横越多个通路时，制冷剂的蒸汽形式保 持疏通。8.一种装置，包括: 压缩机转子，其具有外螺旋压缩表面，所述外螺旋压缩表面构造成与补充形状的压缩 机转子接合以形成旋转螺杆式压缩机，所述外螺旋压缩表面包括形成在相邻螺旋壁之间的 螺旋凹部，所述压缩机转子具入口孔、出口孔和打开的内部容积，冷却液通过所述入口孔， 用于通过到压缩机转子的内部，冷却流体从所述出口孔通过，所述打开的内部容积位于所 述入口孔和所述出口孔之间，并且多个涡轮机叶片设置到所述打开的内部容积中，所述多 个涡轮机叶片具有翼形状，其定向成抽取来自横越通过所述打开的内部容积的冷却流体的 功。9.根据权利要求8所述的装置，其还包括中心体，其设置在打开的内部容积的内部，并 且与打开的内部容积的上游入口轴向间隔开，并且与打开的内部容积的下游出口轴向间隔 开，以便提供空间偏移。10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述多个涡轮机叶片与螺旋壁和中心体是一体 的。11.根据权利要求9所述的装置，其还包括设置在所述打开的内部容积的上游部分的冲 击面，以增加冷却流体的湍流，并且因此增加从螺旋压缩表面到冷却流体的热传递。12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述多个涡轮机叶片设置成以下中的一个:(1) 分级的行;和(2)在压缩机转子的上游端和压缩机转子的下游端之间的螺旋样式。13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述涡轮机是冲击式涡轮机和反作用式涡轮机 的一个。14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述压缩机转子是具有凸起的阳转子。15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述打开的内部的截面面积当其横越通过所述 打开的内部时在流体流动的方向上增加。16.—种装置，包括: 螺杆式压缩机，其包括第一压缩机转子和第二压缩机转子，所述第一压缩机转子构造 成关于第一轴线旋转并且具有第一压缩表面，所述第二压缩机转子构造成关于第二轴线旋 转并且具有第二压缩表面，所述第一和第二压缩机转子构造成经由第一和第二压缩表面补 充接合，并且当所述第一压缩机转子和所述第二压缩机转子分别关于第一轴线和第二轴线 旋转时，可操作以产生可压缩气体的压力增加，所述第一压缩机转子具有内部冷却回路，其 构造成使第一压缩机转子冷却流体流动，并且因此吸收在可压缩气体的压缩过程中产生的 热量，所述第二压缩机转子包括涡轮机，其在第二压缩表面的径向向内设置并且构造成抽 取来自通过第二压缩机转子的内部的第二压缩机转子冷却流体的功。17.根据权利要求16所述的装置，其还包括循环制冷剂冷却系统，其包括用于制冷剂压 缩的压缩机、第一压缩机转子和/或第二压缩机转子，其用作循环制冷剂冷却系统的蒸发 器。18.根据权利要求17所述的装置，其还包括在循环制冷剂冷却系统中的通向分支的通 路，其供应第一转子冷却流体通路和第二转子冷却流体通路，所述第一转子冷却流体通路 具有第一阀，所述第一阀构造成控制通过其的冷却流体的量，并且所述第二转子冷却流体 通路具有第二阀，所述第二阀构造成控制通过其的冷却流体的量。19.根据权利要求16所述的装置，其还包括制冷剂冷却系统，并且其中所述第一压缩机 转子的内部冷却回路包括多个通路，其来源于中心供应通路、放射到所述第一压缩机转子 的径向外部部分并且返回到中心返回通路。20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述涡轮机包括多个涡轮机叶片和所述多个涡 轮机叶片上游的内部湍流器，其构造成促进通过第二压缩机转子的内部的第二压缩机转子 冷却流体中的湍流。
【文档编号】F04C29/04GK105889067SQ201511036012
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年10月30日
【发明人】J·C·科林斯, W·D·瓦伦丁
【申请人】英格索尔-兰德公司