专利名称：涡卷流体机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是涡卷(旋)流体机械，其可用作压缩机、真空泵、膨胀机等等。
背景技术：
采用平行四边形防自转机构涡卷流体机械具有工作稳定、可靠等优点，并可应用于无油润滑领域。但其轨道运动半径是固定的，涡卷之间的啮合得不到径向、轴向的补偿(radial，tipcompliant)。对涡卷零件的加工精度要求较高，提高了机器的制造成本。
美国专利4300875，5752816揭示了在多平行四边形防自转机构中采用弹性连接，实现轨道运动涡卷的径向位移补偿。但是，专利中提及的驱动曲柄轴与构成防自转机构曲柄轴(idlecrank shaft)之间是驱动与被驱动的关系，受力方向相反。在加入弹性连接后，两种曲柄将有一角度相位差，增加了机构的不确定性，致使机构不能可靠地工作。
向涡卷流体机械的容积变化装置内喷液，可润滑涡卷体，这为实现轨道运动涡卷的径向、轴向位移补偿提供了必要条件。喷液还有效地降低了涡卷机械内的温度。涡卷机械的喷液技术已经成功地应用在有油润滑涡卷压缩机上。由于水很容易从压缩后的气体中分离出来，人们提出向涡卷压缩腔里喷水来提高干式无油润滑涡卷压缩机的工作性能。如何经济、可靠地解决水的密封问题，阻断水与压缩机传动机构中的润滑油(脂)的接触，成为喷水无油润滑涡卷压缩机械的难题。至今尚无喷水涡卷压缩机面市。
双涡卷流体机械，因其具有轴向力可相互抵消等诸多优点，而为人们所关注。在美国专利公开2004-0219047 A1中所揭示的具有多轨道运动单元的双涡卷流体机械，其多轨道运动单元具有抵消轴向力，驱动轨道运动涡卷，平衡离心力和实现轨道运动涡卷的防自转功能。这种结构可用于无油润滑的压缩机或真空泵。该发明采用固定轨道运动半径的平行四边形防自转机构。
发明内容
本发明旨在使采用平行四边形防自转机构的涡卷流体机械，通过喷液、弹性连接等技术实现轨道运动涡卷径向和轴向的位移补偿。提高其工作性能、效率和可靠性，并降低涡卷零件的加工精度要求。
本发明提供了一种具有双涡卷的定轨道运动半径的流体机械。其包含一对容积变化装置，每个容积变化装置中含有各自的定涡卷和轨道运动涡卷。两个定涡卷与机座相连接。在两容积变化装置之间布置有至少两个轨道运动单元，每个轨道运动单元由一个旋转元件和一个推力抵消轴组成。旋转元件由机座可旋转地支撑，推力抵消轴处于旋转元件的偏心通孔之中，并被旋转元件偏心地、可旋转地支撑。推力抵消轴的两端分别与两轨道运动涡卷间接弹性相连。当部分或全部的旋转元件被驱动时，轨道运动涡卷作轨道运动，与相应的定涡卷啮合，实现容积的连续变化。轨道运动单元具有动力驱动，离心力平衡，轨道运动涡卷的轴向力抵消和防自转等功能。旋转元件的外缘可以制成带轮、齿轮、链轮、摩擦轮或同步齿形带轮等各种形式。轨道运动单元在数量上和形式上的多样化，演化出种类众多的机械以适用于不同的要求。
轨道运动单元上的所有轴承均隔离在机座之中，固定在推力抵消轴外伸部分的挡环与机座间有端面密封。轨道运动涡卷的外沿与定涡卷之间有端面密封。轨道运动单元与二容积变化装置之间分别形成两个减压腔。机器运行时，用于密封、润滑或冷却容积变化装置的液体进入容积变化装置。进入的方法可以是由一定压力液体喷入容积变化装置的压力腔，或直接由容积变化装置的进口吸入。减压腔内压力可与机械的工作流体源的压力相同。对于喷水无油空气压缩机来说，如果压缩机由大气吸入空气，减压腔可有孔与大气相通。轴承所在腔可与减压腔相通，以保持二者的压力平衡。为保持减压腔中的清洁，所述孔应用过滤装置。容积变化装置的外圈的工作压力略低于工作流体源的压力，因此在正常工作时进入容积变化装置中的液体不易泄漏出来。在停机时，机器的排口处的单向阀会阻止高压流体的倒流，喷液同路的电磁阀也会关闭，一般来说进口也要关闭。此时存于容积变化装置中流体仍有压力，液体泄出至减压腔。泄出后的液体没有能力再进入与减压腔压力相同的轴承所在腔，与轴承的润滑油(脂)接触。泄出的液体可由减压腔底部的孔排走；或暂时积存在减压腔中，开机后由通道直接或间接地吸回容积变化装置的外圈区域。
在干式涡卷流体机械中(如干式的无油空气压缩机)涡卷的侧壁和顶部都不能相互接触，否则涡卷体将很快磨损。由于有液体进入涡卷流体机械的容积变化装置，有助于容积变化装置中的润滑，实现轨道运动涡卷径向和轴向的位移补偿。在本发明中，推力抵消轴不与轨道运动涡卷直接固接。各推力抵消轴的两边分别用连杆连接，构成两轨道运动驱动连杆架，其成为防自转平行四边形机构的连杆。两轨道运动驱动连杆架分别与两轨道运动涡卷弹性连接。涡卷流体机械运行时，轨道运动涡卷在离心力的作用下，有使自身的轨道运动半径增加的趋势，使涡卷啮合的径向得到位移补偿。当压缩腔内有不可压缩物体时，轨道运动涡卷能产生径向退让。另外，连杆架与轨道运动涡卷之间有封闭腔，封闭腔与涡卷工作腔的压力区域相连通。轨道运动涡卷可以相对于连杆架在轴向作微量的位移。封闭腔内的流体推力可以部分或全部地克服容积变化装置中流体对轨道运动涡卷的轴向推力，实现轨道运动涡卷轴向位移补偿。
实际上，只用单侧的轨道运动驱动连杆架也是可行的。但双轨道运动驱动连杆架具有更好的刚性。当所有旋转元件都被驱动，而且荷载分布均匀。推力抵消轴本身运行是稳定的，这时两侧的轨道运动驱动连杆架都可省去。推力抵消轴直接与轨道运动涡卷弹性连接。本发明还给出了使各旋转元件(如带轮或齿轮)荷载均匀化的结构方案。
在无油润滑涡卷流体机械中，单独使用喷液技术也能在一定程度上提高涡卷流体机械的性能。本发明的喷液及位移补偿技术同样可应用于包括单涡卷在内的其他结构形式涡卷流体机械。
采用喷液及径向、轴向的位移补偿，能减少泄漏，有效地降低涡卷流体机械工作温度，大幅度地提高涡卷流体机械单位功率的流体输出能力，降低噪音，增加机械运行的可靠性，减少日常运行维护费用，降低涡卷的制造成本。对于喷水无油涡卷空气压缩机，可实现接近等温的压缩过程。获得更为清洁、环保的压缩空气。
示图的简要说明
图1是依照本发明第一个实施例-喷水无油涡卷空气压缩机的剖视图。
图2是图1所示机器的轨道运动驱动连杆架的组件图。
图3是依照本发明的第二个实施例-喷水无油涡卷空压机的剖视图。
图4是图3所示机器的传动简图。
图5是依照本发明的第三个实施例-喷水无油涡卷式空气压缩机的剖面图。
图6是图5所示机器其拆除左容积变化装置后的左视图。
图7是图5所示机器的轨道运动单元及与轨道运动涡卷连接部的局部放大图。
图8-图10是依照本发明的实施例中推力抵消轴的弹性元件及相关布置的局部剖视图。
图11是依照本发明的实施例中柔性推力抵消轴结构形式的局部剖视图。
图12是依照本发明的第四个实施例-喷液无油涡卷天然气压缩机的剖视图。
图13是图12所示机器左剖视图。
图14是图12所示机器的轨道运动单元的剖视图和左视图。
发明的详细描述图1是依照本发明的第一个实施例-无油涡卷空气压缩机的剖视图。图2为压缩机的轨道运动驱动连杆架的组件图。如图1所示，压缩机的容积变化装置50含有轨道运动涡卷3和定涡卷2。定涡卷2与机座1相连接。驱动主轴93可旋转地支撑在机座1上。三个曲柄轴90、驱动主轴93和轨道运动驱动连杆架58构成有防自转功能的多平行四边形机构。轨道运动驱动连杆架58上三处凸轴99经弹性元件97与轨道运动涡卷3连接，并形成封闭腔96。轨道运动驱动连杆架58通过三推力垫片98轴向支撑轨道运动涡卷3。在轨道运动驱动连杆架58与轨道运动涡卷3之间，有端面密封95和封闭腔94。由于端面密封26的作用，轨道运动涡卷3与机座1之间构成一减压腔39，它有孔24和孔25与大气相通。为保持减压腔39中的清洁，孔24、25应堵有滤网。压缩机运行时，驱动主轴93旋转，带动整个轨道运动驱动连杆架58做定半径平动(即轨道运动)，并经由弹性体97驱动轨道运动涡卷3，在离心力和流体压力的综合作用下，轨道运动涡卷3在径向可有微小的位移，实现径向位移的补偿。经滤清器91和进气口4进入的空气，压缩后由排气口5排出。水由孔组27喷入，用于润滑、密封或冷却。由容积变化装置50中泄出的水进入减压腔39，由孔25排出。封闭腔96和94与容积变化装置50中的压力区域连通。封闭腔96和94内的气体推力可部分或全部地克服容积变化装置50中气体对轨道运动涡卷3的轴向推力。实现轨道运动涡卷3在轴向的位移补偿。
图3是依照本发明的第二个实施例-无油涡卷空压缩机的剖视图。如图3所示，左容积变化装置50A含有左轨道运动涡卷3A和左定涡卷2A，右容积变化装置50B含有右轨道运动涡卷3B和右定涡卷2B。左、右定涡卷2A、2B和机座1相连接。三个轨道运动单元40布置在左、右容积变化装置50A、50B之间。每个轨道运动单元40包含一个旋转元件10，其通过轴承11A，11B旋转地支撑在机座1上；一个推力抵消轴20，其通过轴承14A、14B旋转地，偏心地支撑在旋转元件10之中。推力抵消轴20的两端分别通过弹性元件56A、56B与轨道运动涡卷3A、3B相连接，使左、右轨道运动涡卷3A、3B可以有微小的径向位移，实现径向位移补偿。三个旋转元件10的外缘为带轮。当驱动旋转元件10时，左、右轨道运动涡卷3A、3B做轨道运动，并分别与左、右定涡卷2A、2B啮合，它们之间所形成的容积连续地变化。空气经由滤清器91A、91B和进气口4A、4B进入左、右容积变化装置50A、50B，压缩后的空气经排气口5A、5B排出。压力纯净水由孔组27A、27B喷入左、右容积变化装置50A、50B。起到密封、润滑和冷却的作用。在左、右轨道运动涡卷3A、3B与机座1之间有减压腔39A、39B。轴承11A、11B、14A、14B的所在位置有轴承腔49A、49B。减压腔39A、39B与左、右容积变化装置50A、50B之间有端面密封26A、26B相隔。减压腔39A、39B与轴承腔49A、49B之间，有挡环28A、28B和密宫式密封55A、55B相隔。减压腔39A、39B有孔25A、25B、24A、24B与大气相通，为了保持减压腔39A、39B的清洁，孔25A、25B、24A、24B应布有滤网。压缩机在正常运行时，左、右容积变化装置50A、50B外圈区域的压力为负，因此喷进去的水并不易漏出。当停机时，虽然排气口5A、5B和喷水孔组27A、27B均会关闭。但在左、右容积变化装置50A、50B内尚存压缩了的空气，其外圈区域的压力增高，水能越过端面密封26A、26B泄出至减压腔39A、39B。由于减压腔39A、39B与轴承腔49A、49B压力相同，进入减压腔39A、39B的水将没有能力再进入轴承腔49A、49B。轴承腔49A、49B有排泄孔29A、29B与减压腔39A、39B相通，可以防止万一进入轴承腔49A、49B的水的积存。进入减压腔39A、39B的水可由孔25A、25B排出。处理泄出水的另一方案是，有通道由孔25A、25B接通至左、右容积变化装置50A、50B的外圈区域，或接通至滤清器91A、91B之后的进气管路。积存在减压腔39A、39B中的水将由上述通道吸回压缩机内。
所有与水接触的零件均应采取有效的防腐表面处理和防腐涂层，或选用抗水腐蚀材料，如不锈钢、铝青铜等。应用的水也应经纯净化处理。
图4是该机器的传动简图。图中10A、10B、10C分别表示三个旋转元件-带轮(在图3中的标号10)，它们通过传动带33由驱动带轮31按逆时针方向驱动。传动带33由张紧轮32张紧。在机器运行中，传动带在A、B、C各点的线速度不同，有Va＞Vb＞Vc。为使荷载均匀，并减少传动带33与各带轮10A、10B、10C间的相对滑移，它们的节圆半径也应有Ra＞Rb＞Rc。它们的比例可按下式计算Ra∶Rb∶Rc＝[1+(T0+2T)/(AE)]∶[1+(T0+T)/(AE)]∶[1+T0/(AE)]其中，T＝3.183W/(nR)，T0为传动带松边张力，E为传动带材料的弹性模量，A为传动带的截面积，W为压缩机功率，n为压缩机转速，R为带轮10A、10B、10C名义节圆半径。
图5是依据本发明的第三个实施例-无油涡卷空气压缩机的剖面图，图6是其拆除左容积变化装置后的左视图，图7为其轨道运动单元与轨道运动涡卷连接的局部放大图。在这一实施例中，与第二实施例有相同意义的构成元素，都冠以相同的标号，并省略对其相关描述。与第二实施例相比较，其不同在于，通道53A、53B替代了第二实施例中的孔25A、25B，泄出的水会积存在减压腔的底部，并通过通道53A，53B吸回左、右容积变化装置50A、50B。排泄孔29A、29B布置在旋转元件10上；密封55A、55B为接触式；轴承腔49A、49B增加了与大气连通的孔38A、38B。三推力抵消轴20在左、右端分别由轨道运动驱动连杆架58A、58B连接；推力抵消轴20的端头21A、21B通过弹性元件97A、97B与左、右轨道运动涡卷3A、3B连接，另通过推力垫圈98A、98B与左、右轨道运动涡卷3A、3B轴向接触。端头21A、21B与左、右轨道运动涡卷3A、3B之间形成的封闭腔48A、48B与容积变化装置50A、50B的压力区域接通。机器工作时，左、右轨道运动涡卷3A、3B在离心力和流体压力的综合作用下，有微小的径向位移，实现径向位移补偿。封闭腔48A、48B中气体轴向压力，部分或全部地克服左、右容积变化装置50A、50B中气体对左、右轨道运动涡卷3A、3B的轴向推力。实现左、右轨道涡卷3A、3B的轴向位移补偿。轨道运动涡卷3A、3B的径向位移应得到控制。如图7所示，弹性元件97A的厚度为t，而端头21A与轨道运动涡卷3A的径向间隙为s。应该有s小于t，s为最大位移量。
当所有轨道运动单元的旋转元件都被均匀地、平衡地驱动，轨道运动涡卷上的荷载也是均匀的时候，第三实施例中的轨道运动驱动连杆架可以部分或全部省略。此时，所提及的用于实现轨道运动涡卷径向位移补偿的弹性元件，也可以布置在不同的位置，或采用其他形式。图8-图11显示了弹性元件的不同布置和形式。图中所有与第三实施例中具有相同意义的构成元素，都冠以相同的标号。图8中弹性元件56A、56B布置在轴承14A、14B的内圈与推力抵消轴20之间。图9中弹性元件56A、56B布置在轴承14A、14B之外圈与旋转元件10之间。图10中弹性元件56A、56B布置在推力抵消轴20与左、右轨道运动涡卷3A、3B之间。图11中推力抵消轴本身制成柔性的结构形式。以上结构均使轨道运动涡卷在离心力和流体压力的综合作用下可以有一个微小的径向位移，实现它们的径向位移补偿。
图12为依照本发明的第四个实施例-无油涡卷天然气压缩机的剖视图。图13为该机左剖视图，图14为其轨道运动单元的剖视图和左视图。实施例中与第三实施例具有相同定义的构成元素都冠以相同的标号，并省略其相关描述。与第三实施例所不同的是，本实施例只采用喷液技术。该压缩机的进气口4A、4B通过滤器57A、57B与一封闭气源54相连通。孔24A、24B、38A、38B相互连通后通过过滤器56接通气源54，使减压腔39A、39B和轴承腔49A、49B与气源54的压力相同。所有旋转元件10均为齿轮，并与位于中心的中间齿轮35啮合。中间齿轮35可旋转地由机座1支撑。驱动齿轮36与三旋转元件10之一的齿轮相啮合，驱动整个压缩机。旋转元件10由外圈102，内圈103和弹性联轴体101组成。外圈102相对于内圈103能做周向的小角度位移，但受到径向和轴向移动限制，驱动齿轮36与三个旋转元件10之一的外圈102相啮合。并通过中间齿轮35将动力传给另外两个旋转元件10的外圈102。三个外圈102通过弹性联轴体101将扭矩传给各自的内圈103，来驱动压缩机的左、右轨道运动涡卷3A、3B。由于弹性联轴体101的参与，使三旋转元件10的荷载均匀。
虽然以上实施例中，用于密封、润滑或冷却的液体为水。但是本发明并不局限于只用水，它可以拓展到其它液体。
虽然以上所有实施例中，均为涡卷气体压缩机，但是本发明并不局限于涡卷气体压缩机，它可以拓展到其它的涡卷流体机械，如真空泵、冷冻压缩机和膨胀机等。
虽然以上所有实施例中，涡卷流体机械包含两个功能相同的流体容积变化装置，但是本发明不局限于这种用法。例如，两个流体容积变化装置之一可用于压缩，而另一个用于膨胀。
虽然以上所有实施例中，省略了一些通常机械装置的描述，例如平衡块、顶端密封、轴密封、定位销结构等，本发明并不限制它们的应用。
虽然以上所有实施例中，省略了一些通常流体机械系统原素的描述，例如进气调节阀、排气止逆阀、气水分离系统、纯净水处理及补充系统等，本发明并不限制它们的应用。
权利要求
1.涡卷流体机械，其含有a、容积变化装置，其含一定涡卷和一轨道运动涡卷；b、机座，其与所述定涡卷相连接；c、所述轨道运动涡卷的平行四边形防自转机构和动力驱动机构；其特征在于，所述轨道运动涡卷与所述机座之间形成一减压腔；运行时，液体进入所述容积变化装置之中，用于所述容积变化装置的密封、润滑或冷却；所述液体由所述容积变化装置中泄出后，进入所述减压腔，并被排出。
2.根据权利要求1的涡卷流体机械，其特征在于，一轨道运动驱动连杆架为所述平行四边形防自转机构的连杆，所述轨道运动驱动连杆架由所述动力驱动机构驱动，并通过弹性元件与所述轨道运动涡卷相连接；所述轨道运动涡卷由所述轨道运动驱动连杆架驱动，实现径向位移补偿；在所述轨道运动驱动连杆架与所述轨道运动涡卷之间至少有一个封闭腔，其与所述容积变化装置的压力区域连通，实现所述轨道运动涡卷的轴向位移补偿。
3.根据权利要求1的涡卷流体机械，其特征在于，a、所述容积式变化装置为两个，分别为第一容积变化装置，含第一定涡卷和第一轨道运动涡卷；第二容积变化装置，含第二定涡卷和第二轨道运动涡卷；b、所述机座与所述第一、第二定涡卷相连接；c、所述平行四边形防自转机构和所述动力驱动机构由多个轨道运动单元组成，它们置于所述第一，第二容积变化装置之间，每个轨道运动单元，由一个旋转元件和一个推力抵消轴组成a)、所述旋转元件可旋转地支撑在所述机座上；b)、所述推力抵消轴偏心地可旋转地支撑在所述旋转元件之中，所述推力抵消轴的两端与所述第一、第二轨道运动涡卷相连；在所述轨道运动单元和所述第一、第二容积变化装置之间，形成第一、第二减压腔；运行时，液体进入所述第一、第二容积变化装置之中，用于所述第一、第二容积变化装置的密封，润滑或冷却；所述液体由所述第一、第二容积变化装置中泄出后，进入所述第一、第二减压腔，并被排出。
4.根据权利要求3的涡卷流体机械，其特征在于，每个所述旋转元件通过第一轴承组由所述机座支撑，每个所述推力抵消轴通过第二轴承组由所述旋转元件支撑；所述推力抵消轴的两边各有挡环和端面密封；所述挡环与所述端面密封实现所述第一、第二轴承组所在腔与所述第一、第二减压腔之间的阻隔功能。
5.根据权利要求3的涡卷流体机械，其特征在于，所述第一、第二减压腔与工作流体源相连通，使所述第一、第二减压腔内的压力与所述工作流体源压力相同。
6.根据权利要求3-5的涡卷流体机械，其特征在于，所述第一、第二减压腔有通孔，用于所述泄出液体的排出。
7.根据权利要求3-5的涡卷流体机械，其特征在于，所述第一、第二减压腔与所述第一、第二容积变化装置的进口区域相连通，用于所述泄出流体返回所述第一、第二容积变化装置。
8.根据权利要求3的涡卷流体机械。其特征在于，所述推力抵消轴的两端分别通过弹性元件与所述第一、第二轨道运动涡卷相连接，实现所述第一、第二轨道运动涡卷径向位移补偿。
9.根据权利要求3-5的涡卷流体机械，其特征在于，所述推力抵消轴制成柔性的结构形式，实现所述第一、第二轨道运动涡卷径向位移补偿。
10.根据权利要求8的涡卷流体机械，其特征在于，在所述推力抵消轴的两侧，至少有一侧由轨道运动驱动连杆架连接。
11.根据权利要求8、10的涡卷流体机械，其特征在于，所述推力抵消轴与所述第一、第二轨道运动涡卷的连接处，由所述弹性元件密封，形成封闭腔；所述封闭腔与相应的所述第一、第二容积变化装置中压力区域相连通，实现所述第一、第二轨道运动涡卷轴向位移补偿。
12.根据权利要求3-5、8的涡卷流体机械，其特征在于，所述旋转元件分别为第一、第二、第三带轮，并由一传动带驱动，所述传动带的紧边接所述第一带轮，所述传动带的松边接所述第三带轮，所述第一、第二、第三带轮的节圆半径R1、R2、R3应满足R1＞R2＞R3。
13.根据权利要求3-5、8的涡卷流体机械，其特征在于，所述旋转元件由外圈，内圈和弹性联轴体组成，所述外圈可相对于所述内圈作小角度位移，所述外圈与所述内圈之间可通过所述弹性联轴体进行扭矩传递。
全文摘要
涡卷(旋)流体机械，其中，两个定涡卷(2A、2B)固定在机座(1)上，两轨道运动涡卷(3A、3B)与定涡卷一起装配成两容积变化装置(50A、50B)。三个轨道运动单元(40)安置在两个容积变化装置之间，其具有动力驱动，离心力平衡，抵消轴向推力和轨道运动涡卷防自转等功能。二容积变化装置与轨道运动单元组之间各有减压腔(39A、39B)。机械运行时，有液体喷入容积变化装置，起到密封，润滑或冷却作用。由容积变化装置中泄出的液体进入两个减压腔积存并排出。推力抵消轴(20)和轨道运动涡卷间的弹性连接，使轨道运动涡卷具有径向和轴向的位移补偿功能。本发明的位移补偿及喷液技术同样可应用于单涡卷流体机械。
文档编号F04C18/02GK1963205SQ20051012447
公开日2007年5月16日 申请日期2005年11月12日 优先权日2005年11月12日
发明者柯恩九, 柯即 申请人:柯恩龙, 柯恩九