无油注水式螺杆空气压缩机的制作方法

本主题涉及下述螺杆空气压缩机：该螺杆空气压缩机使用水代替油作为冷却剂和密封剂，并且因此产生无油的压缩空气。

背景技术：

螺杆压缩机可以用于通过一对螺杆的旋转作用来压缩空气。容置螺杆的室也被称为工作空间。众所周知，将水注入到工作空间中且注入到螺杆上可以提高效率，降低排放温度，并且因此能够在单个阶段将空气无油压缩至高达5至12bar(g)的压力。然而，水的注入可能会使轴承的润滑复杂化。润滑剂与水的混合可能会导致润滑剂乳化，使其润滑性能劣化，并且影响压缩机的可靠性。

通过使用机械密封，可以防止轴承和润滑剂进水。然而，机械密封会占用大量空间并且增加功率损耗。

美国专利no:7413419描述了一种注水式螺杆压缩机，其使用水润滑的滑动轴承，从而消除了对用于润滑的油的需求。这样的系统依靠加压的水来支承负载。作为不良润滑剂的水会降低这种系统的可靠性。

美国专利no:3975123描述了一种用于注水式螺杆压缩机的密封系统，该系统结合使用迷宫式密封件和缓冲空气来密封润滑剂和轴承室。该系统包括用于对流进行调节和引导的若干阀，使其不太可靠。

美国专利no:0230857描述了一种用于注水式螺杆压缩机的密封系统，该系统使用两个非接触式密封件和唇形密封件的组合，其具有用于减小唇形密封件上的负载的附加装置。该系统适用于低压应用。当压缩机在超过10bar(g)的压力下操作时，该系统中使用的密封件的数量不足。由于第一非接触式密封件之前的区域连接至压缩机中的低压点，该系统的效率也较低。这将增加会泄漏到吸入侧的低压点中的压缩空气量。

附图说明

参照以下描述和附图，将更好地理解本主题的特征、方面和优点。在不同附图中，使用相同的附图标记指示类似或相同的特征和部件。

图1图示了根据本主题的示例实施方式的螺杆压缩设备的纵向截面，其示出有密封系统的细节；

图2示出了根据本主题的示例实施方式的螺杆压缩设备的飞溅润滑装置的细节；

图3示出了根据本主题的示例实施方式的飞溅润滑装置中的润滑剂的收集和布送；

图4示出了根据本主题的示例实施方式的螺杆压缩设备中的用于在启动期间确保轴承润滑的装置；

图5示出了根据本主题的示例实施方式的用于螺杆压缩设备的油槽的冷却装置的布局；以及

图6示出了根据本主题的示例实施方式的设置在螺杆压缩设备的转子轴上的旋转径向构件；

图7图示了根据本主题的示例实施方式的用于防止压缩机中微生物生长的示意性布置；

图8图示了根据本主题的示例实施方式的被执行为用以抑制压缩机中微生物生长的方法。

具体实施方式

本主题涉及提供用于无油注水式螺杆压缩机的密封、润滑和冷却。本主题提供了用于螺杆压缩设备的密封、润滑和冷却的经济且可靠的技术。

图1图示了根据本主题的示例实施方式的螺杆压缩设备100的纵向截面，其示出有密封系统的细节。螺杆压缩设备100可以可互换地被称为压缩机100。压缩机100包括壳体102，壳体102限定工作空间104，空气在该工作空间104中进行压缩。

工作空间104封围阳型螺杆转子106和阴型螺杆转子(图1中未示出)，阳型螺杆转子106和阴型螺杆转子可互换地被称为阳型转子106和阴型转子。转子可以是金属转子并且可以由不锈钢材料制成。转子可以设置有特殊涂层，以保护转子表面免于因在操作期间与水接触而受到腐蚀和侵蚀。当压缩机100未处于操作状态时，特殊涂层还防止转子表面在与工作空间104中的积滞水接触时受到任何损坏。特殊涂层可以是例如化学镀镍(electrolessnickel)或聚四氟乙烯(ptfe)。

在压缩机100的操作期间，空气可以经入口通道108供应到工作空间104中，在工作空间104处，空气由于阳型转子106和阴型转子的相互啮合而被压缩。随后，压缩空气经出口通道110排放到空气-水分离器罐112中，该空气-水分离器罐112也被称为分离器罐112。排放可以通过止回阀114进行调节。分离器罐112可以将压缩空气与水分离，并且将压缩空气供应至供应管线(图1中未示出)，在该供应管线中，压缩空气被使用。

最初，分离器罐112填充有水。该水被注入到工作空间104中以使工作空间104冷却，即，以移除因压缩而产生的热。例如，水使得能够冷却阳型转子106和阴型转子。此外，水可以密封间隙。水可以经由管道118从分离器罐112经设置在壳体102上的端口116供应至工作空间104。水的注入因分离器罐112与工作空间104中的注入点之间的压力差而发生。

空气中存在的固有水分也冷凝并添加到压缩机100中的水中。冷凝在两个阶段中发生，其中，一些水在分离器罐112中冷凝，而其余的水在空气冷却器或二次冷却器(图1中未示出)中冷凝。冷凝水—其不含任何溶解盐—是纯净的并且有助于维持水质，并且还补偿因空气中的携带物(carryover)导致的水的任何损失。分离器罐112中的水位使用液位开关(图1中未示出)来控制，液位开关将任何多余的水排出。

由于水是不良润滑剂，因此阻止了阴型转子(图1中未示出)和阳型转子106彼此接触，并且分别使用第一齿轮(图1中未示出)和第二齿轮120来使阴型转子和阳型转子106同步地旋转。第一齿轮可以联接至阴型螺杆转子，并且被称为正时齿轮。第二齿轮120可以联接至阳型转子106，并且可以被称为行星齿轮120或小齿轮120。在阴型转子和阳型转子106的相应旋转期间，正时齿轮和小齿轮120使阴型转子和阳型转子106的旋转同步，并且确保阴型转子与阳型转子106之间的间隙足够小以实现压缩机100的有效功能并且足以避免转子之间的碰撞。

阳型转子106和阴型转子由轴承以可旋转的方式支承。例如，阳型转子106和阴型转子可以安装在其相应的转子轴上，该转子轴由轴承以可旋转的方式支承。阳型转子106由设置在第一轴承室126中的第一轴承122和第二轴承124支承。在第一轴承122与第二轴承124之间存在区域125。阳型转子106还可以由第二轴承室130中的第三轴承128支承。类似地，阴型转子可以由第一轴承室126中的两个轴承和第二轴承室130中的一个轴承支承。

第一轴承室126可以是由第一壳体132限定的空间，并且第二轴承室130可以是由第二壳体134限定的空间。第一轴承室126和第二轴承室130可以相对于工作空间104沿压缩机100的轴向方向移位。第一壳体132可以被称为高压壳体132，并且第二壳体134可以被称为低压壳体134，其原因将在稍后进行说明。

压缩机100可以包括第一密封系统136和第二密封系统138，第一密封系统136和第二密封系统138各自包括多个密封件。第一密封系统136设置在工作空间104与第一轴承122之间，并且第二密封系统138设置在工作空间104与第三轴承128之间。第一密封系统136防止水从工作空间104流动至第一轴承122并且防止油从第一轴承室126流动至工作空间104。类似地，第二密封系统138防止水从工作空间104流动至第三轴承128并且防止油从第二轴承室130流动至工作空间104。在一实施方式中，第一密封系统136可以容置在高压壳体132中，并且第二密封系统138可以容置在低压壳体134中。下面将对第一密封系统136进行说明。

第一密封系统136包括相对于彼此沿压缩机100的轴向方向移位的多个密封件。例如，在工作空间104与第一轴承室126之间，第一密封系统136包括按以下顺序布置的密封件：环形密封件140，其可以是浮动碳环型密封件，然后是第一迷宫式密封件142，然后是第二迷宫式密封件144，然后是唇形密封件146。密封件在从工作空间104至第一轴承122和第二轴承124的方向上按此顺序安装。

形成在环形密封件140与第一迷宫式密封件142之间的第一环形空间148使用外部管道152连接至工作空间104上的点150。形成在第一迷宫式密封件142与第二迷宫式密封件144之间的第二环形空间154经流量调节器156连接至压缩空气源，该压缩空气源可以是分离器罐112。形成在第二迷宫式密封件144与唇形密封件146之间的第三环形空间158通过开口159向压缩机100的外部开放。

类似地，在低压壳体134上，与工作空间104邻近的是环形密封件160、比如浮动碳环密封件，然后是两个迷宫式密封件162和164。邻近迷宫式密封件164，设置有类似于唇形密封件146的唇形密封件166。因此，在从工作空间104朝向第三轴承128的方向上，密封件按以下顺序布置：环形密封件160、迷宫式密封件162、迷宫式密封件164和唇形密封件166。位于环形密封件160与迷宫式密封件162之间的环形空间168经流量调节器156连接至压缩空气源。位于两个迷宫式密封件162与164之间的环形空间以及位于迷宫式密封件164与唇形密封件166之间的环形空间经开口170和172向压缩机100的外部开放。

根据本主题的密封系统以以下方式起作用。

在压缩机100的操作期间，在工作空间104的位于入口通道108下方的区域处提供抽吸，以将空气吸入工作空间104内部。吸入的空气通过阳型转子106与阴型转子的相互啮合而被压缩。因此，随着空气受到压缩并且在工作空间104中沿右手侧方向移动，空气的压力增加。压缩空气则可以经出口通道110排放。因此，在工作空间104中存在压力梯度，其中，压力沿右手侧方向增加。高压壳体132和低压壳体134之所以被称为高压壳体132和低压壳体134是由于其分别靠近工作空间104的具有高压和低压的区域。

在压缩机100的正常的满载容量下，工作空间104的与高压壳体132邻近的区域中的压力较高。因此，处于高压下的空气和水的混合物趋于穿过阳型转子106泄漏至第一轴承室126。环形密封件140由于其在轴之间的非常小的间隙—其可能达到0.10mm的程度—而有助于显著减少泄漏。从环形密封件140的一侧泄漏到利益侧的任何空气-水混合物均经第一环形空间148而被引导到工作空间104中的点150中。点150可以设置在入口通道108下方。

点150的位置可以被选择成使得在压缩机100的操作期间该点处的压力略小于高压壳体132处的压力。相应地，点150可以被称为低压点150。因此，空气-水混合物可以借助于压力差进入低压点。此外，压缩机100可以设置成使得低压点150与第一环形空间148相比处于距地面的高度较低的位置处。这将有助于空气-水混合物由于重力而从第一环形空间148流入到低压点150中。低压点150可以设置成呈在壳体102的壁中钻出的端口的形式。

第一迷宫式密封件142和第二迷宫式密封件144防止从环形密封件140的一侧泄漏到另一侧的任何空气和/或水进入第一轴承122和第二轴承124附近的润滑剂中。第一迷宫式密封件142和第二迷宫式密封件144通过将来自分离器罐112的加压空气经流量调节器156供应至第二环形空间154而被支承。使用流量调节器156来维持第二环形空间154中的压力使其在高于大气压0.1bar至0.3bar的范围内。因此，第二环形空间154中的高压有助于阻挡泄漏流穿过第二迷宫式密封件144，并且还辅助推动存在于第二环形空间154中的泄漏的空气和/或水经管道152进入到低压点150中。

第二环形空间154中的其中一部分加压空气和/或水也可以穿过第二迷宫式密封144逸出到第三环形空间158中，并且从第三环形空间158经开口159排出。因此，可以防止水进入到第一轴承室126中。由于第一轴承室126容置由润滑剂润滑的轴承122和124、正时齿轮和小齿轮120，因此通过布置如上所述的第一密封系统136和环形空间来防止水和润滑剂的混合。润滑剂例如可以是油。因此，在下面的描述中可以可互换地使用词语润滑剂和油。

与第三环形空间158邻近的是唇形密封件146，唇形密封件146可以包括沿压缩机100的轴向方向彼此间隔开的三个唇缘。在三个唇缘中，第一唇缘可以比第二唇缘和第三唇缘更靠近工作空间104。此外，第三唇缘比第一唇缘和第二唇缘更靠近轴承122和124。第一唇缘和第二唇缘可以帮助密封水，而第三唇缘可以帮助密封油。

在正常操作状态期间，第一唇缘和第二唇缘不起作用，因为没有水到达这些唇缘。即使在压缩机100的卸载状态即小于满载状态期间，尽管工作空间104的邻近高压壳体132的区域中的压力减小，但是该压力仍因压缩机100的操作而维持高于大气压。归因于此，空气和/或水朝向轴承122和124泄漏的泄漏率减小。对于满载状态而言，第一密封系统136以与上述方式类似的方式工作，并且从而防止空气和/或水进入到润滑区域中。

然而，在某些情况期间、如在超过10bar(g)的排放压力下操作时发生紧急关闭或电力故障，水可能会涌入到第一密封系统136中。在这种状态期间，第一密封唇缘和第二密封唇缘有助于防止水滴传递到轴承122和124。因此，如上所述的密封布置有助于密封水空气混合物而防止其沿着轴朝向轴承122和124行进。

为了防止用于轴承润滑的任何润滑剂流动至工作空间104，使用第三唇缘。为了减少润滑剂对第三唇缘的负载，本发明主题利用飞溅润滑技术来润滑轴承和齿轮。这样的润滑方法确保仅向轴承122和124上施加最小量的润滑剂—其对于轴承润滑而言是足够的。将参照图2对飞溅润滑技术进行说明。

第二密封系统138可以以类似于第一密封系统136的方式起作用。例如，在紧急关闭或电力故障期间，水也可能涌入到第二密封系统138的密封件之间的环形空间中。在这种情况下，环形密封件160确保仅有最小量的水将从环形密封件160的一侧泄漏到另一侧。此外，从分离器罐112供应到环形空间168中的加压空气止挡水从迷宫式密封件162的一侧行进到另一侧。穿过第一迷宫式密封件162泄漏到第三环形空间174中的任何水迹均经开口172排出。第二迷宫式密封件164、环形空间176的开口170和唇形密封件166的两个水密封用唇缘提供附加支承并且防止水进入到低压壳体134的润滑区域中。

图2图示了根据本主题的示例实施方式的螺杆压缩设备100的飞溅润滑装置。第一轴承室126可以包括润滑剂飞溅器202，该润滑剂飞溅器202可以联接至正时小齿轮120并且因此与正时小齿轮120一起旋转。在另一示例中，润滑剂飞溅器202可以联接至正时齿轮204。润滑剂飞溅器202可以可互换地被称为油飞溅器202。

润滑剂飞溅器202可以呈条形。在油飞溅器202的端部处设置有凹槽206。另外，在油飞溅器202的相反的端部处可以设置有另一凹槽208。当油飞溅器202旋转时，凹槽206和208从油槽212收集油210并使油飞溅到轴承122和124、正时齿轮204和正时小齿轮120上。将理解的是，凹槽可以设计成在旋转期间供应用于润滑轴承122和124以及正时齿轮204和小齿轮120所需的必要量的油。

油飞溅器202的凹槽定尺寸成使得仅收集用以润滑和维持轴承温度的最小量的油以进行飞溅。因此，根据本主题的飞溅润滑技术确保在不增加唇形密封件146的第三唇缘上的负载的情况下对轴承122和124进行润滑。与加压润滑系统相比，飞溅润滑技术提供了相同的润滑质量，但减少了第三唇缘上的负载，从而确保其使用寿命延长。除此之外，即使在唇形密封件故障的情况下，飞溅润滑也确保仅最小量的油将从唇形密封件146的一侧泄漏到另一侧，并且经第三环形空间158和开口159将其排出，从而向操作员发出足够的警告以更换唇形密封件146。

类似于第一轴承室126，第二轴承室130也利用飞溅润滑技术。然而，在低压壳体134中，取代使用油飞溅器，可以使用齿轮(图2中未示出)来使油从油槽飞溅。齿轮可以是增速齿轮或减速齿轮。

图3图示了根据本主题的示例实施方式的飞溅润滑装置中的润滑剂的收集和布送。如所图示，第一轴承室126包括轴承芯302，轴承芯302具有在其中钻出的腔，第一轴承122和第二轴承124设置在所述腔中。轴承芯302包括接纳部306和308，用以收集飞溅在轴承122和124上的润滑剂。此外，轴承芯302的外表面304朝向接纳部306和308倾斜。这允许飞溅的油因重力而被收集在接纳部306和308中。

如先前所说明的那样，使用油飞溅器202来对轴承122和124进行飞溅润滑，油飞溅器202可以栓接到小齿轮120上。油飞溅器202的端部可以设置有机加工的凹槽206，该凹槽206用于将油210从油槽212中舀出。抛扔到高压壳体132的壁上的油被布送到轴承122与轴承124之间的区域125(图3中未示出)中以用于润滑。例如，如上面所讨论的，油经由接纳部306和308而被布送。

本主题的另一实施方式是在压缩机100的启动期间维持轴承的润滑。在加压润滑系统中，通常在转子轴旋转之前打开油泵以确保轴承不会干式启动(startdry)。然而，由于在本主题中不存在油泵，因此轴承122、124和128通常将趋于干式启动，这可能会缩短其寿命。为了消除该缺点，压缩机100设置有轴承保持器板，其也被称为保持器板，该轴承保持器板将始终维持在轴承中存有最小量的油。

图4图示了根据本主题的示例实施方式的联接到第一轴承122的保持器板402。保持器板402可以用于在第一轴承122的旋转期间将第一轴承122保持在第一轴承室126中。保持器板402可以呈环形并且具有围绕其中心的开口403。开口403可以根据第一轴承122的尺寸来定尺寸。例如，如所图示，第一轴承122可以经开口403而暴露于外部。

保持器板402在其底部处设置有突出部404，突出部404朝向开口403突出。突出部404可以(全部或部分地)覆盖第一轴承122的至少一个滚子。突出部400也可以在飞溅润滑期间保持一些油，即使在压缩机100未运行时亦是如此。在第一轴承122的旋转期间，突出部404与轴承122的底部处的轴承滚子接触。因此，在压缩机100的启动期间，第一轴承122的底部处的轴承滚子与被圈捕在突出部404与第一轴承122之间的空间中的油接触。这确保在启动期间对第一轴承122的滚子进行润滑，因为其与被圈捕的油接触。在其他轴承的保持器板上也可以设置类似的突出部。

本主题的另一实施方式是维持油槽212中的油的温度。飞溅的油在对轴承进行润滑之后被排入到油槽212中。该油处于较高的温度，并且因此在一段时间内，该油将与油槽212中的油混合，从而使油槽212中的油的温度升高。油飞溅器202在油槽212中的机械作用也将附加地使油的温度增加。由于不存在用于油循环的泵，因此在本主题中，使用水循环来维持油的温度。为此，水在注入到工作空间104中之前经过油槽212，这一点将在下面进行说明。

图5图示了根据本主题的示例实施方式的用于对压缩机100的油槽中的油进行冷却的回路。压缩机100包括马达502，该马达502驱动螺杆转子中的至少一者、比如阳型转子106和阴型转子504。在示例中，为了驱动螺杆转子，可以利用封围在箱506中的第三齿轮。第三齿轮可以是增速齿轮或减速齿轮。马达502可以经第三齿轮联接至螺杆转子。在另一示例中，马达502可以直接联接至螺杆转子的轴，即，不必使用第三齿轮。

箱506的底部用作油槽。类似地，设置有封围正时齿轮和小齿轮120的油槽212。来自分离器罐112的水穿过与分离器罐112联接的水冷却器508。水冷却器508还联接至第一轴承室126。例如，来自水冷却器508的经冷却的水连接至第一轴承室126中的第一导管管道510。第一导管管道510穿过油槽212，从而使油槽212中的油冷却。穿过油槽212之后的水穿过箱506中的油槽中的第二导管管道512。然后该水经端口116注入到工作空间104中。

本主题的另一实施方式是在位于第二迷宫式密封件144与唇形密封件146之间的空间中设置旋转径向构件。这种旋转径向构件—其被称为抛油环—将防止任何油或水沿着转子轴轴向地行进。即使唇形密封件的第三唇缘发生故障，抛油环也将防止油朝向工作空间104的任何迁移。

图6图示了根据本主题的示例实施方式的设置在位于第二迷宫式密封件144与唇形密封件146之间的转子轴上的、用以防止油朝向工作空间104迁移的旋转径向构件602。类似地，可以在低压壳体134上、第二迷宫式密封件164与唇形密封件166之间设置另一旋转径向构件。

在一些情况下，在压缩机100的内部存在水可能导致微生物的生长，特别是在压缩机100未处于操作状态的情况下。因此，本主题的实施方式使得能够防止微生物在压缩机100中生长，这一点将在下面进行说明：

图7图示了根据本主题的示例实施方式的用于防止微生物在压缩机100中生长的示意性布置。通常，趋于在水中生长的微生物无法在超过40℃的温度下生存。因此，在一实施方式中，通过控制风扇702而在压缩机100内部产生过高的温度条件，其中风扇702用于对水冷却器508中的水进行冷却。因此，通过关闭风扇702，水在未进行冷却的情况下被供应至工作空间104。这导致工作空间104内部的温度升高。在温度达到阈值温度时，可以立即开启风扇702。阈值温度例如可以是75℃。为了感测工作空间104的温度，可以利用温度传感器704。温度传感器704可以感测从工作空间104排放至分离器罐112的空气和/或水的温度。温度升高至阈值温度会抑制压缩机100中的微生物生长。

图8图示了根据本主题的示例实施方式的被执行为用以抑制压缩机100中微生物生长的方法800。方法800可以由压缩机100的控制器执行，该控制器可以是编程逻辑控制系统。

在启动(步骤802)压缩机100时，感测来自工作空间104的排放温度(步骤804)。如果温度小于阈值温度(步骤806)，则改变温度警告限值和触发(trip)限值(步骤808)，并且关闭风扇702(步骤810)。温度警告限值和触发限值被改变以确保在该过程期间不会因温度升高而发生警告并触发。随后，感测排放温度(步骤804)，并且在排放温度大于阈值温度时(步骤812)，立即开启风扇702(步骤814)。在该阶段，撤消在步骤808处对温度警告限值和触发限值所做的改变(步骤816)，以确保在压缩机100正常操作期间发出警告并触发。

随后，监测自风扇702开启所经过的时间段(步骤818)。在经过所配置的风扇702开启之后的时间段时(步骤820)，立即关闭风扇702(步骤822)。随后，感测排放温度(步骤804)，并且在突破阈值温度时(步骤812)，立即再次开启风扇702(步骤814)。如将理解的那样，风扇702的关闭以周期性的方式执行。所配置的时间段可以是例如8小时。

因此，本主题的螺杆压缩设备包括：壳体，该壳体限定工作空间，空气待在该工作空间中进行压缩；阳型螺杆转子，该阳型螺杆转子设置在工作空间中；以及阴型螺杆转子，该阴型螺杆转子设置在工作空间中。阳型螺杆转子和阴型螺杆转子的相互啮合导致空气的压缩。分离器罐将空气-水混合物中的空气和水分离并且将水供应至工作空间以用于冷却工作空间。相对于工作空间沿螺杆压缩设备的轴向方向移位的第一轴承室包括第一轴承和润滑剂槽，第一轴承用于支承以下各者中的至少一者：阳型螺杆转子和阴型螺杆转子，润滑剂槽用于储存润滑剂以对第一轴承进行润滑。密封系统包括按以下顺序布置在工作空间与第一轴承之间的多个密封件：环形密封件，第一迷宫式密封件，第二迷宫式密封件和唇形密封件。在环形密封件与第一迷宫式密封件之间形成有第一环形空间，在第一迷宫式密封件与第二迷宫式密封件之间形成有第二环形空间，并且在第二迷宫式密封件与唇形密封件之间形成有第三环形空间。第一环形空间连接至工作空间上的低压点，该低压点待维持在比第一轴承室的压力更低的压力下。第二环形空间经流量调节器而被供应有来自压缩空气源的压缩空气。第三环形空间向螺杆压缩设备的外部开放。

尽管已经参照特定的示例实施方式对本主题进行了描述，但是该描述并非意在以限制性含义进行解释。在参照对本主题的说明的基础上，所公开的实施方式的各种改型以及本主题的替代实施方式对于本领域技术人员而言将变得明显并且旨在被涵盖在本文中。