具有级间密封安排的离心式压缩机的制作方法

本发明涉及一种离心式压缩机、并且尤其涉及一种两级离心式压缩机。

背景技术：

wo2012124293披露了一种两级离心式压缩机，该两级离心式压缩机尤其包括：

-气密壳体，

-驱动轴，该驱动轴被可旋转地安排在该气密壳体内，

-被配置成用于压缩制冷剂的第一压缩级和第二压缩级，该第一压缩级和该第二压缩级分别包括第一叶轮和第二叶轮，该第一叶轮和该第二叶轮被连接至该驱动轴并且被安排成背对背构型，

-径向环形凹槽，该径向环形凹槽被形成在该第一叶轮和第二叶轮的背面之间，

-级间密封安排，该级间密封安排被设置在该第一压缩级与该第二压缩级之间并且在该径向环形凹槽中，

-径向轴承安排，该径向轴承安排被配置成用于可旋转地支撑该驱动轴，以及

-推力轴承安排，该推力轴承安排被配置成用于在运行过程中限制该驱动轴的轴向移动。

在这种两级离心式压缩机的运行过程中，施加在该推力轴承安排上的轴向荷载较高，这要求提供较大的推力轴承安排来承受施加在其上的轴向荷载。这导致离心式压缩机具有高功耗。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种离心式压缩机，该离心式压缩机可以克服常规的离心式压缩机所遇到的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种离心式压缩机，该离心式压缩机具有减小尺寸的推力轴承安排并且因而具有低功耗。

根据本发明，这种离心式压缩机包括：

-气密壳体，

-驱动轴，该驱动轴被可旋转地安排在该气密壳体内，

-被配置成用于压缩制冷剂的第一压缩级和第二压缩级，该第一压缩级和该第二压缩级分别包括第一叶轮和第二叶轮，该第一叶轮和该第二叶轮中的每一者具有正面和背面，该第一叶轮和该第二叶轮被连接至该驱动轴并且被安排成背对背构型，

-径向环形凹槽，该径向环形凹槽被形成在该第一叶轮和第二叶轮的背面之间，

-圆形级间密封安排，该圆形级间密封安排被设置在该第一压缩级与该第二压缩级之间并且在该径向环形凹槽中，

-径向轴承安排，该径向轴承安排被配置成用于可旋转地支撑该驱动轴，以及

-推力轴承安排，该推力轴承安排被配置成用于在运行过程中限制该驱动轴的轴向移动，

其中，该级间密封安排的直径被配置成用于在该离心式压缩机的运行过程中使施加在该推力轴承安排上的轴向荷载的幅值最小化。

该级间密封安排、尤其是其直径的这种构型允许提供减小尺寸的推力轴承安排，并且因而减小该离心式压缩机的功耗。因此，这些提供允许增加该离心式压缩机的效率。

该离心式压缩机还可以包括以下特征中的一者或多者(单独或组合)。

根据本发明的实施例，该级间密封安排的直径被配置成使得在该离心式压缩机的任何运行条件过程中出现的轴向推力荷载的绝对值最小。

根据本发明的实施例，该级间密封安排的最小直径小于该第一叶轮的外直径的一半、并且小于该第二叶轮的外直径的一半。

根据本发明的实施例，在该第一叶轮的外直径与该级间密封安排的最小直径之间的比率高于2.5，并且在该第二叶轮的外直径与该级间密封安排的最小直径之间的比率高于2.5。

根据本发明的实施例，该级间密封安排的最小直径小于该驱动轴的被该径向轴承安排可旋转地支撑的那部分的外直径。

根据本发明的实施例，该离心式压缩机还包括连接至该气密壳体的分离构件，该分离构件具有圆盘形状并且至少部分地安排在该径向环形凹槽内，该级间密封安排由该分离构件的内周表面和该径向环形凹槽的圆周底表面形成。

根据本发明的实施例，该分离构件具有第一轴向壁表面和与该第一轴向壁表面相反的第二轴向壁表面，该第一轴向壁表面和该第一叶轮的背面限定第一轴向间隙，并且该第二轴向壁表面和该第二叶轮的背面限定第二轴向间隙。

根据本发明的实施例，该分离构件的内周表面和该径向环形凹槽的圆周底表面限定径向间隙。在该分离构件与该第一叶轮和该第二叶轮之间存在一定的轴向间隙(和因此的一定体积)确保了在该径向环形凹槽内有稳定的压力条件，尤其在绝对尺寸非常小的情况下。

根据本发明的实施例，该第一轴向间隙的宽度至少是该径向间隙的宽度的两倍，并且该第二轴向间隙的宽度至少是该径向间隙的宽度的两倍。

根据本发明的实施例，该第一轴向间隙和该第二轴向间隙中的每一者可以在该第一叶轮的外直径的1％与10％之间、并且可以在该第二叶轮的外直径的1％与10％之间。

根据本发明的实施例，该第一轴向间隙和该第二轴向间隙中的每一者可以在140μm与150μm之间、并且例如约为150μm。

有利地，在该离心式压缩机的运行过程中，该第一轴向间隙和该第二轴向间隙中的每一者大于该驱动轴的最大允许轴向移动。

根据本发明的实施例，该径向间隙可以在该第一叶轮的外直径的0.1％与2％之间、并且可以在该第二叶轮的外直径的0.1％与2％之间。

根据本发明的实施例，该径向间隙可以在40μm与50μm之间。

根据本发明的实施例，该气密壳体包括位于该第一压缩级上游的低压室、位于该第二压缩级下游的高压室、以及设置在该第一压缩级的流体出口与该第二压缩级的流体入口之间的中压室。

根据本发明的实施例，该圆形级间密封安排被配置成用于使从该高压室至该中压室的流体流动最小化或者控制该流体流动。

根据本发明的实施例，该径向轴承安排和该推力轴承安排被安排在该低压室中。

根据本发明的实施例，该圆形级间密封安排是迷宫式密封安排。

根据本发明的实施例，该第一叶轮和该第二叶轮的外直径基本上相等。

有利地，该第一叶轮的外直径与该第二叶轮的外直径之间的比率在0.8与1.2之间、或者在0.9与1.1之间。

根据本发明的实施例，该驱动轴包括第一轴向端部分、第二轴向端部分、以及安排在该第一端轴向部分与该第二端轴向部分之间的中间部分。

根据本发明的实施例，该第一叶轮和第二叶轮被连接至该驱动轴的第一轴向端部分。

根据本发明的实施例，该离心式压缩机还包括驱动装置，该驱动装置被配置成用于驱动该驱动轴围绕旋转轴线旋转，该径向轴承安排和该推力轴承安排位于该驱动装置与该第一压缩级之间。

根据本发明的实施例，该驱动装置是包括定子和转子的电动机。有利地，该转子被连接至该驱动轴的第二轴向端部分。

根据本发明的实施例，该驱动装置包括至少一个涡轮机叶轮。

根据本发明的实施例，该驱动装置被安排在该低压室中。

根据本发明的实施例，该推力轴承安排可以以任何形状(包含人字形、可倾瓦块、箔片轴承、凹槽......)被设置在该离心式压缩机的固定部分上或者旋转部分上。

根据本发明的实施例，该推力轴承安排包括被安排在该驱动轴的外表面上的推力轴承构件，该推力轴承构件相对于该驱动轴基本上径向向外延伸。

根据本发明的实施例，该推力轴承构件是环形的。

根据本发明的实施例，该推力轴承构件与该驱动轴一体形成。

根据本发明的实施例，该推力轴承构件具有第一推力轴承表面和与该第一推力轴承表面相反的第二推力轴承表面。

根据本发明的实施例，该推力轴承构件的第一推力轴承表面被配置成用于与第一推力轴承表面协作，该第一推力轴承表面由连接至该气密壳体的第一推力轴承元件限定，并且该推力轴承构件的第二推力轴承表面被配置成用于与第二推力轴承表面协作，该第二推力轴承表面由连接至该气密壳体的第二推力轴承元件限定。

根据本发明的实施例，该第一推力轴承元件和该第二推力轴承元件是环形的。

根据本发明的实施例，该第一叶轮和该第二叶轮与该驱动轴一体形成。根据本发明的另一个实施例，该第一叶轮和该第二叶轮被设置在叶轮构件上，该叶轮构件被紧固至该驱动轴、并且例如紧固至该驱动轴的第一轴向端部分。

根据本发明的实施例，该第一叶轮和该第二叶轮中的每一者的正面包括多个叶片，该多个叶片被配置成用于在该驱动轴的旋转过程中使进入相应压缩级的制冷剂加速。根据本发明的实施例，该第一叶轮和该第二叶轮中的每一者的该多个叶片被配置成用于将已加速的制冷剂递送至安排在相应叶轮的径向外边缘处的扩散器。

根据本发明的实施例，该第一压缩级和该第二压缩级中的每一者包括流体入口和流体出口，该第一压缩级的流体出口被流体地连接至该第二压缩级的流体入口。

根据本发明的实施例，该径向轴承安排被配置成用于与该驱动轴的外表面协作。

根据本发明的实施例，该径向轴承安排和该推力轴承安排中的至少一者包括气体轴承。因此，中压或高压下的压缩气体被递送至设置在该推力轴承安排和/或该径向轴承安排的对应相邻轴承表面之间的空间。由此，在制冷剂压缩中可以避免使用润滑油并且避免与供油、油温或油循环相关联的问题。

根据本发明的实施例，该径向轴承安排是气体径向轴承安排。

根据本发明的实施例，该推力轴承安排是气体推力轴承安排。

根据本发明的实施例，该离心式压缩机被配置成使得在该第一压缩级和该第二压缩级中压缩的制冷剂的至少一部分被用作在该气体径向轴承安排和/或该流体推力轴承安排中的润滑流体。根据本发明的所述实施例，该离心式压缩机可以被认为是单流体压缩机。该离心式压缩机的这种构型避免了单独供应润滑流体并且因而减少成本。

根据本发明的实施例，该第一叶轮和该第二叶轮是无护罩叶轮。

根据本发明的实施例，该第一叶轮的入口直径与该第二叶轮的入口直径不同。

根据本发明的实施例，该第一叶轮的入口直径大于该第二叶轮的入口直径。

根据本发明的实施例，该第一叶轮的入口直径大于该级间密封安排的最小直径，并且该级间密封安排的最小直径大于该第二叶轮的入口直径。

根据本发明的实施例，该第二叶轮的入口直径大于该第一叶轮的入口直径。

鉴于参照其作为非限制性实例、根据本发明的离心式压缩机的实施例的附图，通过阅读以下说明，这些和其他的优点将变得清楚。

附图说明

当结合附图阅读时，本发明的若干实施例的以下详细说明将得以更好地理解，然而，要理解的是本发明不受限于所披露的具体实施例。

图1是根据本发明的离心式压缩机的局部纵向截面视图。

图2至图5是图1的离心式压缩机的细节的放大截面视图。

具体实施方式

图1至图5呈现了离心式压缩机2(具体为两级离心式制冷压缩机)。

该离心式压缩机2包括气密壳体3和驱动轴4，该驱动轴被可旋转地安排在气密壳体3内并且沿着纵向轴线a延伸。驱动轴4包括第一轴向端部分5、与第一轴向端部分5相反的第二轴向端部分6、以及安排在第一端轴向部分5与第二端轴向部分6之间的中间部分7。驱动轴4可以由高强度钢、陶瓷材料、或者其组合制成。

离心式压缩机2还包括第一压缩级8和第二压缩级9，该第一压缩级和该第二压缩级被配置成用于压缩制冷剂。第一压缩级8包括流体入口11和流体出口12，而第二压缩级9包括流体入口13和流体出口14，第一压缩级8的流体出口12被流体地连接至第二压缩级9的流体入口13。

因此，气密壳体3包括位于第一压缩级8上游的低压室15、位于第二压缩级9下游的高压室16、以及设置在第一压缩级8的流体出口12与第二压缩级9的流体入口13之间的中压室17。

第一压缩级8和第二压缩级9分别包括第一叶轮18和第二叶轮19。第一叶轮18和第二叶轮19被连接至驱动轴4的第一轴向端部分5。根据附图上示出的实施例，第一叶轮18和第二叶轮19被设置在叶轮构件20上，该叶轮构件被紧固至驱动轴4的第一轴向端部分5。然而，根据本发明的另一个实施例，第一叶轮18和第二叶轮19可以与驱动轴4一体形成。

第一叶轮18和第二叶轮19被安排成背对背构型，使得在第一压缩级8和第二压缩级9的流体入口11、13处的流体流动的方向彼此相反。

第一叶轮18和第二叶轮19中的每一者包括配备有多个叶片23、24的正面21、22，该多个叶片被配置成用于在驱动轴4的旋转过程中使进入第一压缩级8和第二压缩级9中相应一者的制冷剂加速、并且用于将已加速的制冷剂递送至安排在第一叶轮18和第二叶轮19的相应一者的径向外边缘处的扩散器。第一叶轮18和第二叶轮19中的每一者还包括有利地基本上垂直于驱动轴4延伸的背面25、26。

根据附图上示出的实施例，第一叶轮18和第二叶轮19的外直径do1、do2基本上相等。应注意的是，外直径do1、do2分别对应于第一叶轮18和第二叶轮19的出口直径，即，第一叶轮18和第二叶轮19的最大外直径。

进一步地，根据附图上示出的实施例，第一叶轮18的入口直径di1大于第二叶轮19的入口直径di2。应注意的是，入口直径di1对应于在叶片23的前端处的叶根直径，并且因而对应于在叶片23的前端处的轮毂直径。还应注意的是，入口直径di2对应于在叶片24的前端处的叶根直径，并且因而对应于在叶片24的前端处的轮毂直径。

离心式压缩机2还包括在第一叶轮18和第二叶轮19的背面25、26之间形成的径向环形凹槽27。根据附图上示出的实施例，径向环形凹槽27被设置在叶轮构件20上。

离心式压缩机2包括分离构件28，该分离构件连接至气密壳体3并且具有圆盘形状。分离构件28被至少部分地安排在径向环形凹槽27内、并且基本上垂直于驱动轴4延伸。分离构件28具有内周表面29、外周表面31、第一轴向壁表面32、以及与第一轴向壁表面32相反的第二轴向壁表面33。

第一轴向壁表面32和第一叶轮18的背面25限定第一轴向间隙ga1，并且第二轴向壁表面33和第二叶轮19的背面26限定第二轴向间隙ga2。分离构件28的内周表面29和径向环形凹槽27的圆周底表面34限定径向间隙gr。

有利地，第一轴向间隙ga1的宽度至少是径向间隙gr的宽度的两倍，并且第二轴向间隙ga2的宽度至少是径向间隙gr的宽度的两倍。根据本发明的实施例，第一轴向间隙ga1和第二轴向间隙ga2中的每一者可以在140μm与150μm之间、并且例如约为150μm。有利地，第一轴向间隙ga1和第二轴向间隙ga2中的每一者大于驱动轴4在离心式压缩机的运行过程中的最大允许轴向移动。根据本发明的实施例，径向间隙gr可以在40μm与50μm之间。

离心式压缩机2包括圆形级间密封安排35，该圆形级间密封安排被设置在第一压缩级8与第二压缩级9之间并且在径向环形凹槽27中。圆形级间密封安排35被配置成用于使从高压室16至中压室17的流体流动最小化或者控制该流体流动。级间密封安排35由分离构件28的内周表面29和径向环形凹槽27的圆周底表面34形成。

级间密封安排35的最小直径ds有利地小于第一叶轮18的外直径do1的一半、并且有利地小于第二叶轮19的外直径do2的一半。

根据附图上示出的实施例，圆形级间密封安排35是迷宫式密封安排。为此目的，叶轮构件20包括圆周突出部36，该圆周突出部从径向环形凹槽27的圆周底表面34延伸，圆周突出部36被接纳在环形凹陷37中，该环形凹陷被设置在分离构件28的内周表面29中。

离心式压缩机2包括电动机38，该电动机被配置成用于驱动驱动轴4围绕纵向轴线a旋转。电动机38包括定子39和转子41。电动机38有利地被安排在由气密壳体3限定的低压室15中。

转子41被连接至驱动轴4的第二轴向端部分6。为此目的，驱动轴4的第二轴向端部分6可以包括中央轴向孔42，转子41被安排在该中央轴向孔内。转子41可以例如被牢固地装配(例如压力装配)在中央轴向孔42内。

离心式压缩机2包括径向轴承安排，该径向轴承安排被安排在低压室15中并且被配置成用于可旋转地支撑驱动轴4。径向轴承安排包括径向轴承43，该径向轴承围绕驱动轴4并且被配置成用于与驱动轴4的外表面协作。径向轴承43可以是流体径向轴承，例如气体径向轴承。根据附图上示出的实施例，径向轴承43沿着第二轴向端部分6并且沿着驱动轴4的中间部分7的一部分延伸。有利地，级间密封安排35的最小直径ds小于驱动轴4被径向轴承安排可旋转地支撑的那部分的外直径d3。

根据本发明的另一个实施例，径向轴承安排可以包括沿着驱动轴4的轴向长度分布的多个径向轴承。

离心式压缩机2还包括推力轴承安排，该推力轴承安排被安排在低压室15中并且被配置成用于限制驱动轴4在运行过程中的轴向移动。推力轴承安排可以是流体推力轴承安排，并且例如是气体推力轴承安排。

推力轴承安排包括环形推力轴承构件44，该环形推力轴承构件被安排在驱动轴4的中间部分7的外表面上、并且位于电动机38与第一压缩级8之间。推力轴承构件44可以与驱动轴4一体形成、或者可以被紧固至后者。

推力轴承构件44相对于驱动轴4的中间部分7径向向外延伸、并且具有第一推力轴承表面45和与第一推力轴承表面45相反的第二推力轴承表面46。推力轴承构件44的第一推力轴承表面45被配置成用于与第一推力轴承表面协作，该第一推力轴承表面由连接至气密壳体3的第一环形推力轴承元件47限定，而推力轴承构件44的第二推力轴承表面46被配置成用于与第二环形推力轴承表面协作，该第二环形推力轴承表面由连接至气密壳体3的第二推力轴承元件48限定。

根据本发明的实施例，离心式压缩机2被配置成使得由第一压缩级8和第二压缩级9压缩的制冷剂的一部分被用作在流体径向轴承安排和流体推力轴承安排中的润滑流体。

应注意的是，在使用时，在第二叶轮19的背面26与分离构件28的第二轴向壁表面33之间界定的体积在高压(p2)下，而在第一叶轮18的背面25与分离构件28的第一轴向壁表面32之间界定的体积在中压(p1)下。因为第一叶轮18和第二叶轮19的外直径do1、do2几乎相等，所以作用在第二叶轮19(由于高压体积)的背面26上的气体力超过作用在第一叶轮18(由于中压体积)的背面25上的力。因而，由于级间密封安排35而作用在轴/叶轮单元上的合力fs作用在远离电动机38的第一方向上。使用以下公式来计算合力fs：

fs＝p2*π/4*(do2²-ds²)-p1*p1/4*(do1²-ds²)，其中，

do1是第一叶轮18的外直径；

do2是第二叶轮19的外直径；并且

ds是级间密封安排35的最小直径。

进一步地，作用在第一叶轮18的正面21上的气体力fi1和作用在转子41的轴向端面上的气体力fm也作用在第一方向上。

作用在与第一方向相反的第二方向(即，朝向电动机38)上的力是作用在第二叶轮19的正面22上的气体力fi2和作用在驱动轴4的其他轴向表面上指向电动机38的气体力fr。

对于离心式压缩机2的每个运行点，作用在推力轴承构件44的推力轴承表面45、46上的推力ft可以被计算为：

ft＝fs+fi1+fm-fi2-fr。

取决于在离心式压缩机的运行图内的不同点处的压力条件，推力ft可以作用在两个轴向方向上。

因为推力ft可以基于合力fs进行计算，该合力可以基于级间密封安排35的最小直径进行计算，所以申请人已经确定，通过优化级间密封安排35的最小直径ds，可以使离心式压缩机2的运行过程中施加在推力轴承安排上的轴向荷载的幅值最小化。级间密封安排35的最小直径ds的这种优化允许减小推力轴承构件44的尺寸，并且进而减小离心式压缩机2的功耗。

当然，本发明不限于以上通过非限制性举例的方式描述的实施例，相反，它涵盖了其所有实施例。