旋转压缩机阀的制作方法

旋转压缩机阀的制作方法
【专利摘要】如下文详细描述的那样，公开的实施例包括具有静止前板和后板(例如，防护物)的旋转压缩机阀，和构造成相对于静止前板和后板旋转的旋转板。静止前板和后板和旋转板都包括多个槽口，该多个槽口在对准时允许过程流体(例如，天然气)流过旋转压缩机阀。在某些实施例中，旋转板的槽口包括比静止前板和后板的槽口的弧半径小的弧半径。
【专利说明】旋转压缩机阀

【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及往复式机器，如往复式压缩机。更具体而言，本发明涉及一种用 于在往复式压缩机中使用的旋转压缩机阀。

【背景技术】
[0002] 本部分旨在向读者介绍可能与在下文中描述和/或请求保护的本发明的各种方 面相关的技术的各种方面。相信本论述有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本 发明的各种方面。因此，应当理解的是，这些声明将鉴于此来阅读，且不作为现有技术的承 认。
[0003] 往复式压缩机为正位移装置，其使用马达经由曲轴和连接杆来驱动一个或更多个 活塞。各个活塞在压缩缸中来回往复，以将过程流体（例如，天然气）吸入室中，压缩室内 的过程流体，且从室向期望的输出排出过程流体。在某些往复式压缩机中，提升阀可用于控 制过程流体进入和离开室的流动。然而，提升阀拥有固有的操作低效性。

【专利附图】

【附图说明】
[0004] 当参照附图来阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变 得更容易理解，在附图中，相似标号遍及附图表示相似的零件，在附图中： 图1为根据本发明的实施例的示例性往复式压缩机的透视图； 图2为图1的示例性往复式压缩机的截面视图，示出了往复式压缩机的内部构件； 图3为图1和2的示例性往复式压缩机的局部透视图； 图4A为当压缩缸内的活塞处于第一冲程位置时的图3的示例性往复式压缩机的压缩 缸的截面侧视图； 图4B为当压缩缸内的活塞处于第二冲程位置时的图3的示例性往复压缩机的压缩缸 的截面侧视图； 图5为用于在图4A和4B的往复式压缩机的压缩缸的阀组件中使用的旋转压缩机阀的 示例性实施例的剖开侧视图； 图6A为当旋转板中的槽口未与静止的前板和后板中的互补槽口对准时的旋转压缩机 阀的不例性实施例的底视图； 图6B为当旋转板中的槽口与静止的前板和后板中的互补槽口对准时的旋转压缩机阀 的不例性实施例的底视图； 图7为当旋转板中的槽口与静止的前板和后板中的互补槽口对准时的旋转压缩机阀 的示例性实施例的局部顶视图； 图8为旋转压缩机阀的示例性实施例的局部截面侧视图； 图9为旋转压缩机阀的示例性实施例的分解透视图； 图10为图5的10-10线内截取的旋转压缩机阀的示例性实施例的局部剖开侧视图； 图11为静止后板的示例性实施例的透视图； 图12A为旋转压缩机阀的示例性实施例的操作的四个阶段的示例性时间线； 图12B为四个操作阶段中的各个中的旋转压缩机阀的示例性实施例的底视图；并且 图13为旋转板的示例性实施例的底视图，示出了可联接马达的键孔。

【具体实施方式】
[0005] 下文将描述本发明的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描 述，在说明书中可不描述实际实现方式的所有特征。应当认识到，在任何此种实际实现方式 的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须作出许多实现方式的特殊决定，以实现开 发者的特定目标，如遵循关于系统和关于商业的限制，这些限制可从一个实施方式到另一 个而不同。此外，应当认识到，此种开发工作可能很复杂且耗时，但对于受益于本公开内容 的本领域技术人员来说，仍为设计、构造和制造的常规任务。
[0006] 当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词"一个"、"一种"、"该"、"所述"等旨在 表示存在一个或更多个该元件。用语"包括"、"包含"、"具有"等旨在为包含性的，且意味着 可存在除所列元件之外的附加元件。此外，使用"顶部"、"底部"、"上方"、"下方"和这些用 语的变型是为了方便，但不需要构件的任何特定定向。
[0007] 如下文详细描述那样，公开的实施例包括具有静止前板和后板（例如，防护物）的 旋转压缩机阀，和构造成相对于静止前板和后板旋转的旋转板。静止的前板和后板和旋转 板全部包括多个槽口，该槽口在对准时，允许过程流体（例如，天然气）流过旋转压缩机阀。 在某些实施例中，旋转板的槽口包括弧半径（例如，偏移），该弧半径小于静止前板和后板 的槽口的对应弧半径（例如，偏移）。此外，在某些实施例中，静止前板和后板的槽口斜切， 以便于过程流体流过旋转压缩机阀。此外，在某些实施例中，旋转板的槽口可包括锥形边 缘，以在旋转板相对于静止前板和后板旋转时在槽口界面处提供夹点（pinch point)。旋转 压缩机阀还包括多个刷式密封件，和多个巴氏合金（babbitt)密封件，其确保过程流体的 穿过旋转压缩机阀的流被密封，以防泄漏。旋转压缩机阀包括马达，以用于引起旋转板相对 于静止前板和后板的连续旋转。在某些实施例中，旋转压缩机阀与控制器相关联，控制器构 造成使旋转板的连续旋转与往复式压缩机的压缩循环同步，旋转压缩机阀在该往复式压缩 机中操作。
[0008] 现在转到附图，图1示出了示例性往复式压缩机10。在当前所示的实施例中，往复 式压缩机10包括联接到框架14的一对压缩缸12。各种内部构件可设置在压缩缸12和框 架14内，以允许引入压缩缸12内的流体在往复式压缩机10中的压缩。例如，在某些实施 例中，往复式压缩机10可用于压缩天然气。然而，在其它实施例中，往复式压缩机10可构 造和/或用于压缩其它流体。
[0009] 机械动力源或驱动件16 (如燃机或电机）可联接到往复式压缩机10,以向各种内 部构件提供机械动力，以允许流体在压缩缸12内的压缩。如对于诊断或维护目的可为合乎 需要的，为了便于接近此内部构件，可提供框架14中的开口，且经由可移除盖18选择性地 接近。此外，压缩缸12还可包括阀组件20,以用于控制穿过压缩缸12的流体的流。更具体 而言，如下文更详细描述的那样，阀组件20可包括如本文所述的旋转压缩机阀。
[0010] 尽管示例性往复式压缩机10示为二冲程往复式压缩机，但其它压缩机构造也可 使用，且受益于当前公开的技术。例如，在其它实施例中，往复式压缩机10可包括不同数目 的缸冲程，如四冲程压缩机、螺杆式压缩机等。此外，还可构想出其它变化，尤其包括冲程长 度、操作速度和尺寸方面的变化。
[0011] 图2为图1的示例性往复式压缩机10的截面视图，示出了往复式压缩机的内部构 件10。在当前所示的实施例中，示例性往复式压缩机10的框架14包括中空中心体或壳体 22,其大体上限定内部容积24,各种内部构件如曲轴26可收纳在内部容积24内。在一个实 施例中，中心体22可具有大体上弯曲或圆柱形的形状。然而，应当注意的是，中心体22可 具有根据公开实施例的其它形状或构造。
[0012] 在操作中，驱动件16使支承在框架14内部容积24内的曲轴26旋转。在一个实 施例中，曲轴26经由连接杆28和销32联接到十字头30。十字头30设置在十字头引导件 34内，十字头引导件34大体上从中心体22延伸，且便于将压缩缸12连接到往复式压缩机 10。在一个实施例中，往复式压缩机10包括两个十字头引导件34,其从中心体或壳体22的 相对侧大体上垂直地延伸，但可使用其它构造。曲轴26的旋转运动经由连接杆28转化成 十字头30在十字头引导件34内的往复线性运动。
[0013] 压缩缸12构造成接收流体来用于压缩。十字头30联接到设置在压缩缸12内的 活塞36,且十字头30的往复运动允许经由活塞36压缩压缩缸12内的流体。具体而言，当 活塞36被向前（S卩，从中心体22向外）驱动到压缩缸12中时，活塞36将缸内的流体推成 较小容积，从而增大流体的压力。阀组件20的排出阀然后可打开，以允许加压或压缩流体 离开压缩缸12。活塞36然后向后冲击，且附加的流体可穿过阀组件20的入口阀进入压缩 缸12,以用于以与上文所述的相同方式压缩。另外，如下文更详细描述那样，阀组件20可包 括如本文所述的旋转压缩机阀。
[0014] 图3为图1和2的示例性往复式压缩机10的局部透视图。如图所示，往复式压缩 机10包括联接到框架14的一个压缩缸12。各种构件和盖如图3中所示从往复式压缩机 10移除。然而，往复式压缩机10包括如上文参照图1和2所述的多种类似的构件。例如， 框架14包括具有内部容积24的中心体22,其收纳曲轴26。此外，中心体22联接到一对十 字头引导件34,它们通往相应的压缩缸12。
[0015] 在某些实施例中，过程流体（例如，天然气）可如箭头40所示那样穿过压缩缸入 口 38接收到压缩缸12中，且如箭头44所示那样穿过压缩缸出口 42排放。如箭头46所 示，当活塞36在压缩缸12内部内来回移动时，过程流体将进入压缩缸12内的第一和第二 室中，在该处，如下文更详细描述那样，其以交替方式被压缩。此外，分别处于第一级和第二 级阀壳体48, 50中的多个第一级和第二级阀组件可有助于控制过程流体穿过压缩缸12内 的第一和第二室的流动。
[0016] 例如，图4A和4B示出了过程流体如何流过图3的往复式压缩机10的压缩缸12 的第一和第二室52, 54。具体而言，图4A为连接到图2的一个十字头30的轴56已导致活 塞36如箭头58所示那样平移到第一冲程位置时的压缩缸12的截面侧视图。在该位置中， 过程流体可如箭头60所示那样穿过压缩缸入口 38吸入第一室52中。具体而言，第一入口 阀组件62可处于打开位置，以允许过程流体进入第一室52。然而，第一出口阀组件64可处 于关闭位置，以阻挡过程流体穿过压缩缸出口 42离开第一室52。
[0017] 相反，当活塞36处于图4A中所示的第一冲程位置时，过程流体未被吸收到压缩缸 12的第二室54中。相反，第二入口阀组件66可处于关闭位置，以阻挡过程流体穿过压缩缸 入口 38进入第二室54。然而，第二出口阀组件68可处于打开位置，以允许过程流体如箭 头70所示那样穿过压缩缸出口 42离开第二室54。具体而言，当活塞36处于第一冲程位置 时，第二室54中的过程流体已被压缩，同时第一室52中的过程流体还未被压缩。
[0018] 通过比较的方式，图4B为当轴56已导致活塞36如箭头72所示那样平移到第二 冲程位置中时的压缩缸12的截面侧视图。在该位置中，过程流体如箭头74所示穿过压缩 缸入口 38吸入第二室54中。具体而言，第二入口阀组件66可处于打开位置，以允许过程 流体进入第二室54。然而，第二出口阀组件68可处于关闭位置，以阻挡过程流体穿过压缩 缸出口 42离开第二室54。
[0019] 相反，当活塞36处于图4B中所示的第二冲程位置时，过程流体未被吸入压缩缸12 的第一室52中。相反，第一入口阀组件62可处于关闭位置，以阻挡过程流体穿过压缩缸入 口 38进入第一室52。然而，第一出口阀组件64可处于打开位置，以允许过程流体如箭头76 所示那样穿过压缩缸出口 42离开第一室52。具体而言，当活塞36处于第二冲程位置时，第 一室52中的过程流体已被压缩，而第二室54中的过程流体尚未被压缩。
[0020] 因此，当活塞36在图4A和4B中所示的第一与第二冲程位置之间平移时，过程流 体将以交替方式在压缩缸12内的第一和第二室52, 54中被压缩。更具体而言，第一和第二 入口阀组件62, 66和第一和第二出口阀组件64,68可有助于控制过程流体穿过第一和第 二室52, 54的流动，同时过程流体以交替方式被压缩。具体而言，第一和第二入口阀组件 62, 66和第一和第二出口阀组件64,68可都包含旋转压缩机阀，其可控制过程流体穿过第 一和第二室52, 54的流动。
[0021] 公开的旋转压缩机阀用于替代其它效率较低的阀，如，提升阀，以改善阀组件 62, 64, 66, 68的操作。如认识到的那样，如提升阀的操作的简要论述之后的下文所述，提升 阀具有某些缺陷。当提升阀处于吸收位置时，背压力试图迫使提升阀的提升阀芯打开，而相 邻室52, 54中的压力和提升阀中的弹簧力保持密封（S卩，将提升阀保持在关闭位置）。在活 塞36的膨胀冲程期间的一些点处，室52, 54中的压力变为小于相对于提升阀的提升阀芯的 背压。结果，密封破坏，且弹簧加载的提升阀芯转移到提升阀中，从而允许流体流过提升阀 且流入室52, 54中，以用于随后的压缩冲程。当室52, 54填充流体时，室52, 54内的压力增 大，从而导致提升阀正如压缩冲程开始那样回到关闭位置。相反，处于排放位置的提升阀与 于吸收位置的提升阀类似地操作，但具有相反的定向。结果，排放提升阀在相邻室52, 54中 的压力超过排放背压和弹簧力时进行促动。当压缩冲程完成时，剩在室52, 54中的流体体 积不足以克服背压和弹簧力，且提升阀关闭。
[0022] 在高压缩机速度负载下（例如，大于大约每分钟1，100次往复（rpm))，这些提升 阀可经历弹簧疲劳和低效的阀响应时间。此外，对于给定的循环速度，由于提升阀的室侧面 上的湍流压力分布，故提升阀上的提升阀芯中的仅一半可促动。提升阀芯的非均匀促动限 制流动，从而导致穿过提升阀的压力损失。提升阀中的压力损失浪费了输入到往复式压缩 机10中的能量。此外，提升阀芯的非均匀促动导致提升阀跟不上较高的压缩速度，由此提 升阀芯可颤动、部分地打开，从而有损提升阀的密封。例如，当有损排放提升阀中的密封时， 附加的体积必须在相邻室52, 54中被压缩，从而降低往复式压缩机10的效率。结果，这些 提升阀可有助于总体压缩机效率方面的大约8-10%的下降。
[0023] 如本文所述，第一和第二入口阀组件62, 66和第一和第二出口阀组件64, 68可都 包含旋转压缩机阀，其可控制过程流体穿过第一和第二室52, 54的流动。这些旋转压缩机 解决提升阀的许多不足。图5为用于在图4A和4B的往复式压缩机10的压缩缸12的第一 和第二入口阀组件62, 66和第一和第二出口阀组件64,68中使用的旋转压缩机阀78的示 例性实施例的剖开侧视图。如图所示，旋转压缩机阀78包括三个板80, 82, 84。具体而言， 旋转压缩机78包括静止前板80、静止后板82,和沿轴向设置在静止前板与后板80, 82之间 的旋转板84。
[0024] 静止前板和后板80, 82用于相对于高压流体（例如，天然气）提供结构完整性以 及提供由旋转板84互补的静止匹配板来用于密封的双重目的。在某些实施例中，静止前板 和后板80, 82可由适合的碳钢构成。为了最大限度减小旋转板84的旋转惯量，在某些实施 例中，旋转板84可由高温热塑性塑料或高强度铝制成。这些材料相对于它们的密度相对较 强。静止后板82具有大致类似于静止前板80的截面几何布置。
[0025] 旋转板84构造成围绕公共中心轴线86旋转，该公共中心轴线86沿穿过旋转压缩 机阀78的轴向方向88定向。出于本文所述的示范目的，轴向方向88沿旋转压缩机阀78 的中心轴线86延伸，径向方向90从旋转压缩机阀78的中心轴线86正交地延伸出，且周向 方向92涉及围绕旋转压缩机阀78的中心轴线86的旋转方向。
[0026] 当旋转板84围绕中心轴线86相对于静止前板和后板80, 82旋转时，旋转板84中 的槽口与静止前板和后板80, 82中的互补槽口对准，使得允许流体流过旋转压缩机阀78。 图6A为当旋转板84中的槽口 94 (见图6B)未与静止前板和后板80,82中的互补槽口 96对 准时的旋转压缩机阀78的示例性实施例的底视图，且图6B为当旋转板84中的槽口 94与 静止前板和后板80, 82中的互补槽口 96对准时的旋转压缩机阀78的示例性实施例的底视 图。换言之，图6A示出了出于完全关闭位置的旋转压缩机阀78,其中不允许流体流过旋转 压缩机阀78,且图6B示出了出于完全打开位置的旋转压缩机阀78,其中可实现穿过旋转压 缩机阀78的流体的最大流速。
[0027] 如图6A和6B中所示，在某些实施例中，静止前板和后板80, 82可包括围绕静止前 板和后板80, 82的沿周向92等距间隔开的八个槽口 96,且旋转板84可包括围绕旋转板84 沿周向92等距间隔开的八个互补的槽口 94。然而，在其它实施例中，静止前板和后板80, 82 和旋转板84可包括2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11，12或更多（例如，1到100)个槽口 96, 94。
[0028] 如下文更详细所述，马达（例如，直流（DC)马达）可用于导致旋转板84相对于 静止前板和后板80, 82旋转。各种促动方案可用于导致旋转板84相对于静止前板和后板 80, 82的各种旋转循环。例如，在某些实施例中，马达可导致旋转板84沿一个方向间断地旋 转预定角距离，停留在该位置设置的时间段，且然后又沿相同方向旋转预定角距离。在其它 实施例中，马达可导致旋转板84沿一个方向间断地旋转预定角距离，停留在该位置设置的 时间段，且然后沿相反方向旋转预定角距离。
[0029] 然而，由使用这些间断促动方案的旋转板84经历的加速度可能极高，从而导致极 高的应力值（例如，在大约1，200-1，800rpm的范围中的压缩机速度下，大到大约7, 000磅 每平方英寸（Psi))。因此，如下文更详细描述那样，旋转压缩机阀78可与马达相关联，该马 达构造成导致旋转板84相对于静止的前板和后板80, 82连续地旋转，其中旋转板84相对 于静止前板和后板80, 82轴向平移较小到没有。因此，如下文更详细描述那样，马达可受控 制以导致旋转板84的槽口 94和静止前板和后板80, 82的槽口 96在适当的定时对准，以符 合往复式压缩机10的压缩或膨胀冲程（即，取决于旋转压缩机阀78是吸入阀还是排放阀， 以及旋转压缩机阀78邻近哪个室52, 54)。旋转板84的槽口 94与静止前板和后板80, 82 的槽口 96之间的相互作用基于同步方案，其允许往复式压缩机10以完全效率运行，而不必 依靠压差来促动旋转压缩机阀78 (例如，与提升阀一样）。
[0030] 如图6A和6B中所示，静止前板和后板80, 82的槽口 96和旋转板84的槽口 94从 内槽口半径98弯曲至外槽口半径100。如本文所述，内槽口半径98和外槽口半径100为 围绕中心轴线86延伸的假想圆，其大体上对应旋转压缩机阀78中的板80, 82, 84的槽口 94, 96的内径和外径。然而，如下文更详细描述那样，内槽口半径和外槽口半径98, 100还对 应于旋转压缩机阀78的其它特征（例如，旋转压缩机阀78的密封件的位置和定向、旋转压 缩机阀78的马达，等）。
[0031] 图7为当旋转板84中的槽口 94与静止前板和后板80, 82中的互补槽口 96对准时 的旋转压缩机阀78的示例性实施例的局部顶视图。如图7中所示，静止前板和后板80, 82 的槽口 96包括第一边缘102和第二边缘104,第一边缘102从内槽口半径98以凸形方式弯 曲或沿径向延伸至外槽口半径100的第一边缘102,第二边缘104从内槽口半径98以凹形 方式弯曲或沿径向延伸至外槽口半径100。类似地，旋转板84的槽口 94包括第一边缘106 和第二边缘108,第一边缘106从内槽口半径98以凸形方式弯曲或沿径向延伸至外槽口半 径100,第二边缘108从内槽口半径98以凹形方式弯曲或沿径向延伸至外槽口半径100。
[0032] 槽口 94, 96的弯曲几何形状便于天然气穿过旋转压缩机阀78的流。应当注意的 是，图6A，6B和7中所示的实施例示出了沿特定角方向弯曲的静止后板82的槽口 96和旋 转板84的槽口 94。这些特定槽口几何形状适于以下实施例：其中如箭头110所示，旋转板 84围绕中心轴线86相对于静止前板和后板82, 84沿当从旋转压缩机阀78的底部看时的逆 时针方向旋转（且当从旋转压缩机阀78的顶部看时的顺时针方向）。本领域技术人员将认 识到，在旋转板84围绕中心轴线86相对于静止的前板和后板82,84沿相反角方向旋转的 实施例中，槽口几何形状可与图6A，6B和7中的实施例相反。
[0033] 此外，如图7中所示，旋转板84的槽口 94沿周向92延伸比静止前板和后板80, 82 的槽口 96短的弧距离。换言之，旋转板84的槽口 94的第一边缘106沿周向92与旋转板 84的第二边缘108分开弧距离0rot，弧距离显著小于静止前板和后板80, 82的槽口 96的第一边缘102沿周向92与静止前板和后板80, 82的槽口 96的第二边缘104分开的弧 距离θsta。例如，在某些实施例中，旋转板84的槽口 94的弧距离Θ Mt可为大约5. 875度， 而静止前板和后板80, 82的槽口 96的弧距离Θ sta可为大约11度。
[0034] 在其它实施例中，旋转板84的槽口 94的弧距离Θ Mt可为大约 4, 4. 5, 5, 6, 6. 5, 7, 7. 5或8度，或甚至更大，而静止前板和后板80, 82的槽口 96的弧距离 Qsta 可为大约 8, 8. 5,9,9· 5, 10, 10.5, 11，11.5, 12, 12.5, 13, 13.5 或 14 度，或甚至更大。换 言之，旋转板84的槽口 94的弧距离Θ Mt可在大约4度到大约8度的范围内，或甚至更大， 而静止前板和后板80, 82的槽口 96的弧距离0sta可在大约8-14度的范围内。大体上，静 止前板和后板80, 82的槽口 96的弧距离Θ sta可比旋转板84的槽口 94的弧距离Θ Mt大大 约3, 3. 5, 4, 4. 5, 5, 5. 5, 6, 6. 5或7度，或甚至更大。换言之，静止前板和后板80, 82的槽口 96的弧距离Θ sta可比旋转板84的槽口 94的弧距离Θ Mt大大约3-7度的范围。旋转板84 的槽口 94的弧距离Θ Mt和静止前板和后板80, 82的槽口 96的弧距离Θ sta的特定大小大 体上基于往复式压缩机10的速度、穿过往复式压缩机10的流体的流速（且，更具体而言， 旋转压缩机阀78)等来选择。
[0035] 还如图7中所示，在某些实施例中，静止前板和后板80, 82的槽口 96的所有四个 边缘都可斜切。更具体而言，槽口 96的第一和第二边缘102, 104可斜切，使得第一和第二边 缘102, 104的面背对旋转板84的槽口 94打开。类似地，槽口 96的径向内缘和外缘112, 114 可斜切，使得径向内缘和外缘112, 114的面远离旋转板84的槽口 94敞开。静止前板和后 板80, 82的槽口 96的边缘102, 104, 112, 114的斜切性质便于流体（且更具体而言，不妨碍 流体流动）流入和流出旋转压缩机阀78。静止前板和后板80, 82两者包括大致类似的槽 口 96。换言之，尽管图7示出了静止前板80的槽口 96,但静止后板82包括大致类似的槽 口 96,其中唯一差别在于弯曲几何形状的定向，使得静止后板82的槽口 96构造成与旋转板 84的槽口 94和静止前板80的槽口 96对准。
[0036] 在某些实施例中，旋转板84的槽口 94可包括锥形的第一和第二边缘106, 108。图 8为旋转压缩机阀78的示例性实施例的局部截面侧视图。如图8中所示，旋转板84的槽口 94包括锥形的第一和第二边缘106, 108,使得第二边缘108在旋转板84沿箭头118所示的 方向旋转时提供相对于流过槽口 94的流体（例如，天然气）流118的夹点116。例如，在某 些实施例中，第一和第二边缘106, 108可包括从静止前板80到静止后板82的大约15度的 恒定的锥角atapOT。在其它实施例中，锥角a tapOT可为大约5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40或45 度，或甚至更大。锥角Qtapw可定向成使得槽口 94的第一边缘106朝静止前板80成角度， 且槽口 94的第二边缘108朝静止后板82成角度。
[0037] 旋转板84的槽口 94的第一和第二边缘106, 108的锥形性质限制在轴向方向88上 沿旋转压缩机阀78的中心轴线86的流体流118的剪切。槽口 94的锥形第一边缘106便于 正交于旋转压缩机阀78的中心轴线86的流，以限制在旋转板84与静止前板和后板80, 82 之间的密封形成之前的时间由旋转板84承载的流体流118的量。相反，槽口 94的锥形第 二边缘108产生夹点116,从而略微迫使流体流118沿槽口 94的旋转方向110。
[0038] 因此，旋转压缩机阀78将流体流118引入成每立方英寸的流体体积。如下文更详 细描述那样，旋转压缩机阀78的促动取决于旋转板84相对于静止前板和后板80, 82基于 往复式压缩机10的活塞36的位移循环的同步恒定旋转。假定旋转板84相对于静止前板 和后板80, 82的旋转与往复式压缩机10的活塞36的位移循环适合地同步，则旋转压缩机 阀78导致空气动力损失相比于提升阀减小，具有一致的促动和穿过旋转压缩机阀78的流 体流118。
[0039] 此外，与提升阀相反，存在旋转压缩机阀78的独立构件的很小的轴向平移。因此， 用于密封旋转板84与静止前板和后板80, 82之间的方法显著不同于提升阀。更具体而言， 旋转压缩机阀78的密封技术使旋转板84能够在静止的前板和后板80, 82之间连续旋转， 同时保持有效密封。具体而言，旋转压缩机阀78相对于各个槽口界面处（即，围绕静止前 板和后板80, 82的各个槽口 96)，以及旋转板84的内径和外径处（S卩，在内槽口半径和外槽 口半径98, 100附近）的泄漏进行密封。
[0040] 现在回到图5,旋转压缩机阀78包括若干密封件，其保持旋转压缩机阀78在槽口 界面处和旋转板84的内径和外径处的密封。例如，旋转板84包括前内巴氏合金密封件120、 前外巴氏合金密封件122、后内巴氏合金密封件124和后外巴氏合金密封件126。如下文 更详细描述那样，巴氏合金密封件120, 122, 124, 126确保旋转板84的内径和外径处的密封 (即，在内槽口半径和外槽口半径98, 100附近）。此外，旋转压缩机阀78包括沿轴向设置 在静止前板80与旋转板84之间的多个前刷式密封件128,和沿轴向设置在静止后板82与 旋转板84之间的多个后刷式密封件130。还如下文更详细描述那样，刷式密封件128, 130 确保槽口界面处的密封。
[0041] 前内和外巴氏合金密封件120, 122两者沿轴向设置在静止前板80与旋转板84之 间。如下文更详细描述那样，前内巴氏合金密封件120包括大体上环形的密封体，其附接到 旋转板84,正好在旋转板84的面对静止前板80的一侧上位于旋转压缩机阀78的内槽口半 径98的径向内侧，且在一些实施例中在其附近。此外，前外巴氏合金密封件122包括大体 上环形的密封体，其附接到旋转板84,正好在旋转板84的面对静止前板80的一侧上位于旋 转压缩机阀78的外槽口半径100的径向外侧，且在一些实施例中在其附近。
[0042] 类似地，后内和外巴氏合金密封件124, 126两者沿轴向设置在静止后板82与旋转 板84之间。如下文更详细描述那样，后内巴氏合金密封件124包括大体上环形的密封体， 其附接到旋转板84,正好在旋转板84的面对静止后板82的一侧上位于旋转压缩机阀78的 内槽口半径98的径向内侧，且在一些实施例中在其附近。此外，后外巴氏合金密封件126 包括大体上环形的密封体，其附接到旋转板84,正好在旋转板84的面对静止后板82的一侧 上位于旋转压缩机阀78的外槽口半径100的径向外侧，且在一些实施例中在其附近。
[0043] 图9为旋转压缩机阀78的示例性实施例的分解透视图。因此，图9示出了旋转压 缩机阀78的各种构件如何沿旋转压缩机阀78的中心轴线86与彼此对准。一个制造约束 在于由旋转压缩机阀78经历的操作温度，其可在大约32 T到大约400 T的范围中。该操 作温度范围主要影响密封（即，巴氏合金密封件120, 122, 124, 126和刷式密封件128, 130 的密封）和旋转板84。旋转板84可构造为高强度轻质板。
[0044] 因此，可能有利的是由高温热塑性材料构成旋转板84。大多数热塑性材料在大 约250 T左右开始熔化，但存在可经得起较高操作温度（例如，大于大约400 T )的若干 其它材料。这些材料包括具有30%碳纤维的聚醚醚酮（PEEK)、具有30%碳纤维的聚芳醚酮 (PAEK)、具有30%玻璃纤维的聚氯三联苯（PCT)、具有30%碳纤维的聚酰亚胺（PI)、具有30% 碳纤维的聚苯硫（PPS)、氟橡胶如Viton、聚四氟乙烯（PTFE)等。这些材料中的任一个都可 用于构成旋转板84。
[0045] 在某些实施例中，旋转板84可使用注射模制工艺制成。由于插入件可包括在模具 中，故使用注射模制工艺可使巴氏合金密封件120, 122, 124, 126直接地模制成旋转板84。 更具体而言，某些注射模制工艺允许足够小的公差，巴氏合金密封件120, 122, 124, 126的 齿可以以该公差使用注射模制工艺来产生。
[0046] 静止前板和后板80, 82具有大致轴对称的设计。换言之，静止前板和后板80, 82 的设计几乎相同。如上文所述，静止前板和后板80, 82中的各个均包括槽口 96,槽口 96斜 切以便于穿过旋转压缩机阀78的流。静止前板和后板80, 82提供旋转压缩机阀78的主要 结构完整性，且因此在某些实施例中可由钢构成。例如，奥氏体铸铁相对便宜，且可使用熔 模铸造来制造，这允许了铸造板中的复杂细节（例如，刷式密封件128, 130可插入其内的 0. 125英寸乘0. 125英寸凹槽146)。
[0047] 如图9中所示，旋转板84包括内环形凹槽132和外环形凹槽134,两者围绕旋转板 84沿周向延伸。尽管在图9中示为位于旋转板84的前侧136上（S卩，面对静止前板80的 旋转板84的一侧），但旋转板84的相对后侧138包括大致相同的内环形凹槽和外环形凹槽 132, 134。如下文更详细描述那样，内环形凹槽和外环形凹槽132, 134用于将巴氏合金密封 件120, 122, 124, 126附接到旋转板84。例如，前内巴氏合金密封件120构造成附接到旋转 板84,例如，通过将前内巴氏合金密封件120的一部分过盈配合到旋转板84的前侧136上 的内环形凹槽132中。类似地，前外巴氏合金密封件122构造成附接到旋转板84,例如，通 过将前外巴氏合金密封件122的一部分过盈配合到旋转板84前侧136上的外环形凹槽134 中。后内和外巴氏合金密封件124, 126构造成以类似方式附接到旋转板84后侧138上的 内环形凹槽和外环形凹槽132, 134。
[0048] 还如下文更详细描述那样，静止前板和后板80, 82两者包括内巴氏合金材料圈 140和外巴氏合金材料圈142。更具体而言，内巴氏合金材料圈140包括巴氏合金材料层， 例如，其已经以如图9中所示的圈状图案喷涂到静止前板和后板80, 82两者的轴向内侧 144 (即，沿轴向向内面朝旋转板84的一侧）上。类似地，外巴氏合金材料圈142包括巴氏 合金材料层，其例如已经以如图9中所不的圈状图案嗔涂到静止如板和后板80, 82两者的 轴向内侧上。
[0049] 还如图9中所示，静止前板和后板80, 82两者包括轴向内侧144中的多个凹槽 146,其中各个凹槽144对应于刷式密封件128, 130中的一个。例如，如图所示，静止后板82 的轴向内侧144中的凹槽146中的各个对应于后刷式密封件130中的一个，且更具体而言， 后刷式密封件130中的各个构造成配合在静止后板82的轴向内侧144中的相应凹槽146 内。类似地，静止前板80的轴向内侧144中的凹槽146中的各个对应于前刷式密封件128 中的一个，且更具体而言，前刷式密封件128中的各个构造成配合在静止前板80的轴向内 侦U 144中的相应凹槽146内。
[0050] 如图9中所示，静止前板和后板80, 82的各个槽口 96与两个凹槽146相关联。例 如，如图所示，静止后板82的各个槽口 96与槽口 96的两个周向92侧上的凹槽146相关联， 相应的后刷式密封件130可配合在凹槽146内。类似地，静止前板80的各个槽口 96与槽 口 96的两个周向侧上的凹槽146相关联，相应的前刷式密封件128可配合在凹槽146内。 在某些实施例中，尽管凹槽146不直接邻近槽口 96,但凹槽146从内槽口半径98沿径向向 外延伸至外槽口半径100,大体上遵循槽口 96的相邻边缘102, 104的凸形或凹形形状。例 如，在某些实施例中，沿凹槽146中的各个的每个点可沿周向与其相应的槽口 96的相邻边 缘102, 104分开大致固定的距离。
[0051] 图10为在图5的10-10线内截取的旋转压缩机阀78的示例性实施例的局部断 面侧视图。更具体而言，示出了前外巴氏合金密封件122和后外巴氏合金密封件126的截 面轮廓。如上所述，前外巴氏合金密封件122和后外巴氏合金密封件126两者的一部分包 括外巴氏合金材料圈142,其例如可喷涂到静止前板和后板80, 82两者的轴向内侧144上。 此外，前和后外巴氏合金密封件122, 126两者包括主体区段148,其可分别配合在旋转板84 前侧和后侧136, 138的外环形凹槽134内。此外，前和后巴氏合金密封件122, 126两者还 包括大体上平的区段150,其包括多个巴氏合金齿152,巴氏合金齿152分别与静止前板和 后板80, 82的外巴氏合金材料圈142对接。尽管10中未不出，但前和后内巴氏合金密封件 120, 124包括类似的主体区段和类似的大体上平的区段，主体区段配合在旋转板84的前侧 和后侧136, 138的内环形凹槽132内，大体上平的区段包含多个巴氏合金齿，巴氏合金齿分 别与静止前板和后板80, 82的内巴氏合金材料圈140对接。
[0052] 当旋转板84相对于静止前板和后板80, 82旋转时，前和后外巴氏合金密封件 122, 126的多个巴氏合金齿152分别将凹槽切割到静止前板和后板80, 82的外巴氏合金材 料圈142中，从而产生能够在任何速度下使用的非接触机械密封。为了发生泄漏，流必须前 进穿过由摩擦巴氏合金齿152与外巴氏合金材料圈142的巴氏合金材料之间的小间隙（例 如，大约0.03-0. 05英寸）产生的很小的通路。产生的间隙确保了该通路中的任何气体由 于节流而经历涡流，且结果，泄漏极少。这允许恒定角速度下的有效径向密封。
[0053] 因此，巴氏合金齿152由于它们提供旋转压缩机阀78内的径向密封而是旋转压缩 机阀78的组成部分。在某些实施例中，巴氏合金齿152可具有40 Rockwell C或Vickers 标度的400的最小硬度。在某些实施例中，巴氏合金密封件120, 122, 124, 126可由在205°C 下回火且油淬火的4140钢制成。该钢满足硬度要求，且相对便宜。此外，此钢获准用于旋 转压缩机阀78可在其中操作的危险环境类型中。由于巴氏合金齿152从主要平的圆盘延 伸，故它们由简单的一步定形过程形成，以防止断开。在某些实施例中，热闭合模具锻造或 冲压可用于制造巴氏合金齿152。
[0054] 图11为静止后板82的示例性实施例的透视图。如上文所述，静止前板和后板 80, 82两者包括多个凹槽146。例如，如图11中所示，静止后板82的各个槽口 96与槽口 96的两个周向92侧上的凹槽146相关联，相应的后刷式密封件130可配合在凹槽146内。 图11还示出了插入凹槽146中时的一些后刷式密封件130。前刷式密封件和后刷式密封件 128, 130用于最大限度减小槽口界面处的泄漏量（S卩，分别围绕静止前板和后板80, 82的各 个槽口 96)。在某些实施例中，刷式密封件128, 130可借助于硅脂来挤压插入凹槽146中， 在该处，它们可变为通过张紧凹槽146来附接到凹槽146中。在某些实施例中，凹槽146可 包括〇. 125英寸乘0. 125英寸的矩形截面轮廓，刷式密封件128, 130的本体区段可挤压插 入其中。
[0055] 前刷式密封件和后刷式密封件128, 130还包括刷材料，其从前刷式密封件和后刷 式密封件128, 130的本体区段沿轴向88延伸，且分别接触旋转板的前侧和后侧136, 138。从 刷式密封件128, 130的本体区段延伸的刷材料的高度在某些实施例中可小到大约0. 0625 英寸（例如，在大约0.0375-0. 0875英寸的范围中）。此外，在某些实施例中，刷式密封件 可由PEEK材料制成，其具有大约0. 006英寸的纤维直径（例如，在大约0. 004-0. 008英寸 的范围中）。PEEK纤维满足旋转压缩机阀78的热要求，且或许更重要的是为抗静电填充材 料。因此，以刷式密封件128, 130来密封槽界面提供了有效的密封，这确保了旋转压缩机阀 78的操作成功。
[0056] 如上所述，旋转板84相对于静止前板和后板80, 82的连续旋转速度可与往复式压 缩机10的循环压缩速度同步，旋转压缩机阀78在该往复式压缩机10内操作。如上所述， 旋转板84在恒定角速度下旋转。因此，期望基于往复式压缩机10的压缩缸12内的活塞36 的位移的打开和关闭持续时间的精确定时。例如，一旦压缩室52, 54中的压力超过排放管 线压力，则槽口 94, 96可对准到打开位置中。当活塞36完成其压缩冲程时，槽口 94, 96可 关闭以提供用于膨胀冲程的密封。
[0057] 图12A为旋转压缩机阀78的示例性实施例的操作的四个阶段156, 158, 160, 162 的示例性时间线154,且图12B为操作的四个阶段156, 158, 160, 162中的各个中的旋转压 缩机阀78的示例性实施例的底视图。更具体而言，图12A和12B示出了旋转压缩机阀78 的完全关闭阶段156、打开阶段158、完全打开阶段160和关闭阶段162。应当注意的是，图 12A中所示的角度和定时数字实例仅为示范性的，且不旨在进行限制。如图12A中所示的 实例中所示，在大约1，500rpm下，往复式压缩机10中的完全循环可在每个冲程中花费大约 40毫秒（ms)或大约20ms。图12A中显示的时间线154呈现出基于大约25ms的总排放阀 关闭时间和大约15ms的总打开时间的的特定弧长设计。以下关系涉及旋转板84的槽口 94 的弧距离Θ Mt (即，以度数计）和静止前板和后板80, 82的槽口 96的弧距离Θ sta (即，以度 数计）：

【权利要求】
1. 一种系统，包括： 旋转压缩机阀，包括： 第一圆板，其具有沿轴向延伸穿过所述第一圆板的第一组多个槽口； 第二圆板，其具有沿轴向延伸穿过所述第二圆板的第二组多个槽口，其中，所述第一圆 板相对于所述第二圆板固定，且所述第一组多个槽口相对于所述第二组多个槽口沿周向大 体上对准；和 第三圆板，其沿轴向设置在所述第一和第二圆板之间，其中，所述第三圆板包括沿轴向 延伸穿过所述第三圆板的第三组多个槽口，且所述第三圆板构造成相对于所述第一和第二 圆板旋转。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一、第二和第三组多个槽口中的 各个槽口包括从内半径沿径向延伸至外半径的凸形第一边缘、从所述内半径沿径向延伸至 所述外半径的凹形第二边缘、在所述内半径处从所述凸形第一边缘沿周向延伸至所述凹形 第二边缘的内缘、和在所述外半径处从所述凸形第一边缘沿周向延伸至所述凹形第二边缘 的外缘。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第三圆形板的第三组多个槽口中的 各个槽口包括所述凸形第一边缘与所述凹形第二边缘之间的弧半径偏移，其小于所述第一 和第二组多个槽口中的各个槽口的凸形第一边缘和凹形第二边缘之间的对应的弧半径偏 移。
4. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一和第二组多个槽口中的各个槽 口的凸形第一边缘、凹形第二边缘、内缘和外缘斜切，使得所述凸形第一边缘、所述凹形第 二边缘、所述内缘和所述外缘的面远离所述第三圆板敞开。
5. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第三组多个槽口的凸形第一边缘和 凹形第二边缘包括大体上恒定的锥角。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转压缩机阀包括沿轴向设置在所 述第一圆板与所述第三圆板之间的第一组多个刷式密封件，和沿轴向设置在所述第二圆板 与所述第三圆板之间的第二组多个刷式密封件。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一组多个刷式密封件中的各个刷 式密封件设置在所述第一圆板中的第一组多个凹槽中的一个内，所述第一组多个凹槽在所 述第一组多个槽口中的槽口的沿径向延伸边缘附近从所述旋转压缩机阀的内半径沿径向 延伸至所述旋转压缩机阀的外半径，并且所述第二组多个刷式密封件中的各个刷式密封件 设置在所述第二圆板中的第二组多个凹槽中的一个内，所述第二组多个凹槽在所述第二组 多个槽口中的槽口的沿径向延伸边缘附近从内半径沿径向延伸至外半径。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一圆板包括设置在所述第一组多 个槽口中的各个的相对周向侧上的所述第一组多个凹槽中的两个，并且所述第二圆板包括 设置在所述第二组多个槽口中的各个的相对周向侧上的所述第二组多个凹槽中的两个。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转压缩机阀包括在内半径附近沿 轴向设置在所述第一圆板与所述第三圆板之间的第一内巴氏合金密封件、在外半径附近沿 轴向设置在所述第一圆板与所述第三圆板之间的第一外巴氏合金密封件、在所述内半径附 近沿轴向设置在所述第二圆板与所述第三圆板之间的第二内巴氏合金密封件，和在所述外 半径附近沿轴向设置在所述第二圆板与所述第三圆板之间的第二外巴氏合金密封件。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一内巴氏合金密封件和第一外 巴氏合金密封件各自包括喷涂到所述第一圆板上的巴氏合金材料的第一环形圈，和附接到 所述第三圆板且与巴氏合金材料的所述第一环形圈沿径向对准的第一组多个巴氏合金齿， 且所述第二内巴氏合金密封件和第一外巴氏合金密封件各自包括喷涂到所述第二圆板上 的巴氏合金材料的第二环形圈，和附接到所述第三圆板且与巴氏合金材料的所述第二环形 圈沿径向对准的第二组多个巴氏合金齿。
11. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括直流（DC)马达，所述直流（DC)马 达构造成引起所述第三圆板相对于所述第一和第二圆板的连续旋转。
12. 根据权利要求11所述的系统，其特征在于，包括控制器，所述控制器构造成控制 DC马达，使得所述第三圆板的连续旋转的速度与所述旋转压缩机阀在其内操作的压缩机的 循环压缩速度同步。
13. -种系统，包括： 压缩机，包括： 旋转压缩机阀，包括： 第一圆板，其具有沿轴向延伸穿过所述第一圆板的第一组多个槽口； 第二圆板，其具有沿轴向延伸穿过所述第二圆板的第二组多个槽口，其中，所述第一圆 板相对于所述第二圆板固定，且所述第一组多个槽口相对于所述第二组多个槽口沿周向大 体上对准；和 第三圆板，其沿轴向设置在所述第一和第二圆板之间，其中，所述第三圆板包括沿轴向 延伸穿过所述第三圆板的第三组多个槽口，且所述第三圆板构造成相对于所述第一和第二 圆板旋转。
14. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一、第二和第三组多个槽口中 的各个槽口包括从内半径沿径向延伸到外半径的凸形第一边缘、从所述内半径沿径向延伸 至所述外半径的凹形第二边缘、在所述内半径处从所述凸形第一边缘沿周向延伸至所述凹 形第二边缘的内缘、和在所述外半径处从所述凸形第一边缘沿周向延伸至所述凹形第二边 缘的外缘，其中，所述第三圆形板的第三组多个槽口中的各个槽口包括所述凸形第一边缘 与所述凹形第二边缘之间的弧半径偏移，其小于所述第一和第二组多个槽口中的各个槽口 的凸形第一边缘和凹形第二边缘之间的对应的弧半径偏移，并且其中，所述第三组多个槽 口的凸形第一边缘和凹形第二边缘包括大体上恒定的锥角。
15. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，包括沿轴向设置在所述第一圆板与所 述第三圆板之间的第一组多个刷式密封件，和沿轴向设置在所述第二圆板与所述第三圆板 之间的第二组多个刷式密封件。
16. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，包括在内半径附近沿轴向设置在所述 第一圆板与所述第三圆板之间的第一内巴氏合金密封件、在外半径附近沿轴向设置在所述 第一圆板与所述第三圆板之间的第一外巴氏合金密封件、在所述内半径附近沿轴向设置在 所述第二圆板与所述第三圆板之间的第二内巴氏合金密封件、和在所述外半径附近沿轴向 设置在所述第二圆板与所述第三圆板之间的第二外巴氏合金密封件。
17. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，包括： 直流（DC)马达，其构造成引起所述第三圆板相对于所述第一和第二圆板的连续旋转； 和 控制器，其构造成控制DC马达，使得所述第三圆板的连续旋转的速度与所述旋转压缩 机阀在其内操作的压缩机的循环压缩速度同步。
18. -种方法，包括： 通过使旋转板在两个静止板内旋转来使所述旋转板中的槽口与所述两个静止板中的 互补槽口对准，从而打开穿过压缩机的流动通路；并且 通过使所述旋转板在所述两个静止板内旋转来将所述旋转板中的所述槽口与所述两 个静止板中的所述互补槽口对准，从而关闭穿过所述压缩机的所述流动通路。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述旋转板以恒定角速度相对于所述 两个静止板旋转。
20. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，包括使所述旋转板的旋转速度与所述 压缩机的循环压缩速度同步。
【文档编号】F04B39/10GK104334875SQ201280072598
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2012年2月23日
【发明者】S.T.欧尔曼, K.W.森贝拉, O.M.卡比尔, T.C.里格斯 申请人:通用电气石油和天然气压缩系统有限责任公司