一种低温BOG双螺杆压缩机的制作方法

一种低温bog双螺杆压缩机
技术领域
1.本发明涉及一种低温bog双螺杆压缩机，属于液体变容式机械技术领域。


背景技术：

2.液化天然气（英文全称liquefied natural gas，简称lng）是目前公认的地球上最干净的化石原料，是今后全球能源发展的重要方向，其生产量、需求量逐年递增。lng在储存运输过程中（如lng接收站、lng船）以及在生产过程中，低温lng储罐都不可避免的会和外界进行热交换，导致lng储存容器内部分低温液态天然气蒸发成为低温闪蒸汽（英文全称boiled off gas，简称bog）。bog形成后会增加储存容器压力，对设备运行存在很大安全隐患，必须将多余的bog排放出去，后端工艺一般采用增压后再冷凝或增压后外输的方式。
3.lng储罐的bog温度一般为-160℃，不高于-130℃，市面上多采用低温往复或低温迷宫式压缩机对bog进行增压，但低温往复或低温迷宫式压缩机存在易损件多、成本高的缺点；喷油双螺杆压缩机由于易损件少、可靠性高，在bog增压应用中逐渐增多，但由于低温bog压缩机工作时为低温环境，工作时吸排气温度差能达到160℃，压缩机的材质具有热胀冷缩的特点，压缩机处于工作状态时，进气端温度低，转子发生冷缩，转子间间隙增大，出气端温度高，转子发生热胀，转子件间隙减小，导致压缩机内从进气端至出气端转子间的间隙不均匀，影响压缩机效率，并且压缩机内的润滑油的粘度与温度有关，温度越低，粘度越大，在低温下润滑油无法满足机械润滑要求，因而，常规喷油双螺杆压缩机因材质、润滑油等原因无法直接压缩低温bog。
4.现有的解决方式是在压缩机前配套复热器，将低温bog复热到常温后才能进入压缩机，低温bog复热后，一定质量的气体的体积流量将显著增大，导致压缩机机型增大，并增大压缩机轴功率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种新的技术方案以改善或解决如上所述的现有技术中存在的技术问题。
6.本发明提供的技术方案如下：一种低温bog双螺杆压缩机，包括机壳，所述机壳内设有转子腔，所述转子腔的一端为进气端，所述转子腔的另一端为排气端，所述转子腔内安装一对间隙啮合的阴转子和阳转子，所述阴转子通过第一转子轴被安装在所述转子腔内，所述阳转子通过第二转子轴被安装在所述转子腔内，所述阴转子和阳转子为具有相反旋向的螺旋形齿，从进气端到排气端，所述阴转子和阳转子之间的啮合间隙逐渐变大。
7.本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明的压缩机从进气端到排气端，所述阴转子和阳转子之间的啮合间隙逐渐变大，转子装配状态下的设计间隙与实际工作状态下的间隙不同，压缩机的进气端为压缩过程的低温段，在工作时阴转子和阳转子位于压缩过程低温段的间隙将由于冷缩而增大，所以将阴转子和阳转子设计间隙设计的小一些，压缩机的排气端为压缩过程的高温段，在工作时阴转子和阳转子位于压
缩过程高温段的间隙将由于热胀而减小，所以将阴转子和阳转子设计间隙设计的大一些，这样在压缩机工作时，阴转子和阳转子间的啮合间隙从进气端至排气端均处于最优状态，提高压缩机工作效率，本发明可直接压缩低温气体，压缩机入口气体最低温度为-196℃，可广泛应用于低温bog直接增压，压缩机工作效率高、结构紧凑、噪音低、工作可靠、维护方便。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
9.进一步的，从进气端到排气端，所述阴转子和阳转子之间的啮合间隙变化值根据转子工作温度确定，满足：式中：δc为阴转子和阳转子之间的啮合间隙变化值，c为阴转子和阳转子之间的啮合间隙的设计值，t为转子工作温度，t的单位为℃，t0为室温，t0的单位为℃，l为型线法向尺寸，l的单位为m，α为转子的热膨胀系数，α的单位为1/℃。
10.采用上述进一步方案的有益效果是，压缩机的进气端为压缩过程的低温段，压缩机的排气端为压缩过程的高温段，转子工作温度从进气端到排气端逐渐升高，转子设计间隙从进气端到排气端逐渐增大，这样在压缩机工作时，转子工作间隙从进气端至排气端均处于最优状态。
11.进一步的，所述阴转子和阳转子之间不接触，所述第一转子轴和第二转子轴之间还通过齿轮组传动连接。
12.进一步的，所述机壳内还设有第一轴承腔和第二轴承腔，所述第一轴承腔和第二轴承腔分别位于所述转子腔的两侧，所述第一轴承腔和第二轴承腔内设有轴承，所述第一转子轴的两端分别通过第一轴承腔和第二轴承腔内的轴承支撑，所述第一转子轴的两端均套接非接触密封件，所述第二转子轴的两端分别通过第一轴承腔和第二轴承腔内的轴承支撑，所述第二转子轴的两端均套接非接触密封件。
13.采用上述进一步方案的有益效果是，本发明的低温双螺杆压缩机内部设计组合式密封结构，将低温压缩腔与第一轴承腔有效隔离，工作时向第一轴承腔喷油，满足轴承、齿轮的润滑需求，转子腔内压缩过程为无油压缩，避免低温气体将润滑油固化。
14.进一步的，所述非接触密封件为组合式非接触密封组件，所述组合式非接触密封组件包括密封件本体，所述密封件本体上设有浮环密封、迷宫密封和螺旋密封。
15.采用上述进一步方案的有益效果是，密封结构稳定可靠。
16.进一步的，所述机壳、所述阴转子和阳转子均由不锈钢材质制成。
17.进一步的，所述机壳包括进气端体、中间机体和排气端体，所述进气端体的上方设有进气口，所述排气端体上设有排气口，所述转子腔开设在中间机体内，所述进气口、转子腔和排气口依次连通。
18.采用上述进一步方案的有益效果是，采用径向和轴向进气，能够减小压缩机的进气阻力。
19.进一步的，所述第一转子轴的两端均通过径向力滚动轴承支撑，所述第二转子轴的两端也均通过径向力滚动轴承支撑，所述第一转子轴靠近排气端的一侧还设有轴向力滚动轴承，所述第二转子轴靠近排气端的一侧也设有轴向力滚动轴承。
20.进一步的，所述第二转子轴靠近进气端的一端还设有平衡活塞，所述平衡活塞用于平衡阳转子的轴向力。
21.采用上述进一步方案的有益效果是，平衡活塞布置在靠近阳转子进气端一侧，通过平衡活塞平衡两侧压差，可有效平衡阳转子的轴向力，减小轴向力轴承载荷，并缓和运行过程中气体对阳转子的轴向冲击。
附图说明
22.图1为本发明的压缩机的正视图；图2为本发明的图1的a-a向剖视图；图3为本发明的图2的b-b向剖视图；图4为本发明的组合式非接触密封组件的剖视图；图5为本发明的图4中浮环密封的放大结构示意图；图6为本发明的图4中迷宫密封的放大结构示意图；图7为本发明的图4中螺旋密封的放大结构示意图；图8为本发明的转子工作温度和转子间隙之间的关系图；图中，1、进气端体；101、进气口；2、中间机体；3、排气端体；301、排气口；4、齿轮组；401、主动齿轮；402、从动齿轮；5、径向力滚动轴承；6、组合式非接触密封组件；601、浮环密封；602、迷宫密封；603、螺旋密封；7、阴转子；8、轴向力滚动轴承；9、阳转子；10、平衡活塞；11、转子工作温度曲线；12、转子设计间隙曲线；13、转子工作间隙曲线。
具体实施方式
23.以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
24.如图1-6所示，一种低温bog双螺杆压缩机，包括机壳，所述机壳内设有转子腔，所述转子腔的一端为进气端，所述转子腔的另一端为排气端，所述转子腔内安装一对间隙啮合的阴转子7和阳转子9，所述阴转子7通过第一转子轴被安装在所述转子腔内，所述阳转子9通过第二转子轴被安装在所述转子腔内，所述阴转子7和阳转子9为具有相反旋向的螺旋形齿，从进气端到排气端，所述阴转子7和转子腔之间的齿顶间隙、阳转子9和转子腔之间的齿顶间隙、所述阴转子7和阳转子9之间的啮合间隙逐渐变大。
25.更具体的，所述阴转子7和阳转子9安装轴互相平行，所述阴转子7和阳转子9呈锥形，即从进气端到排气端，所述阴转子7和阳转子9型线上各点的法向尺寸缩小，所述阴转子7和阳转子9型线之间的间隙值逐渐增大。所述型线是指所述阴转子7或阳转子9的外轮廓线。所述渐变间隙型线为适用于低温环境的专用渐变间隙型线，可适应压缩过程低温段至高温段的不同温区的热变形。
26.从进气端到排气端，所述阴转子7和阳转子9之间的啮合间隙变化值根据转子工作温度t确定，满足：式中：δc为阴转子和阳转子之间的啮合间隙变化值，c为阴转子和阳转子之间的啮合间隙的设计值，t为转子的工作温度，t的单位为℃，t0为室温，t0的单位为℃，l为型线法向尺寸，型线法向尺寸即指转子型线上各点沿法向至其中心轴线的距离，l的单位为m，α为转子的热膨胀系数，α的单位为1/℃，表示每摄氏度的温度变化，引起的线性方向上的长度
变化。
27.所述阴转子7和阳转子9的工作温度可采用流-固-热多场耦合的计算方法获得。
28.如图6所示为从进气端到排气端，转子工作温度t和转子间隙c之间的关系图，压缩机的进气端为压缩过程的低温段，压缩机的排气端为压缩过程的高温段，转子工作温度t从进气端到排气端逐渐升高，转子工作温度曲线11为曲率渐变的曲线，转子设计间隙从进气端到排气端逐渐增大，转子设计间隙曲线12为曲率渐变的曲线，这样在压缩机工作时，转子工作间隙从进气端至排气端均处于最优状态，即转子工作间隙曲线13接近水平线。
29.所述阴转子7和阳转子9之间不接触，所述第一转子轴和第二转子轴之间通过齿轮组4传动连接。所述齿轮组4包括互相啮合的主动齿轮401和从动齿轮402，所述主动齿轮401安装在所述第二转子轴上，所述从动齿轮402安装在所述第一转子轴上，第二转子轴与驱动电机传动连接。
30.所述机壳内还设有第一轴承腔和第二轴承腔，所述第一轴承腔和第二轴承腔分别位于所述转子腔的两侧，所述第一轴承腔和第二轴承腔内设有轴承，所述第一转子轴的两端分别通过第一轴承腔和第二轴承腔内的轴承支撑，所述第一转子轴的两端均套接非接触密封件。所述第二转子轴的两端分别通过第一轴承腔和第二轴承腔内的轴承支撑，所述第二转子轴的两端均套接非接触密封件，所述第一转子轴和第二转子轴靠近进气侧转子腔的非接触密封件将转子腔与第一轴承腔腔进行有效的隔离，所述第一转子轴和第二转子轴靠近排气侧转子腔的非接触密封件将转子腔与第二轴承腔进行有效的隔离。
31.所述第一转子轴的两端均通过径向力滚动轴承5支撑，所述第二转子轴的两端也通过径向力滚动轴承5支撑，所述第一转子轴靠近排气端的一侧还设有轴向力滚动轴承8，所述第二转子轴靠近排气端的一侧也设有轴向力滚动轴承8。
32.所述第二转子轴靠近进气端的一端还设有平衡活塞10，所述平衡活塞10用于平衡阳转子9的轴向力。平衡活塞10布置在靠近阳转子9进气端一侧，通过平衡活塞10可有效平衡阳转子9的轴向力，减小轴向力轴承载荷，并缓和运行过程中气体对阳转子9的轴向冲击。
33.所述机壳包括进气端体1、中间机体2和排气端体3，所述进气端体1的上方设有进气口101，采用径向和轴向进气，能够减小压缩机的进气阻力，参照图2，所述径向进气指气体从进气口101首先沿竖直方向进入压缩机内，然后沿水平方向进入转子腔内；排气为侧向排气，所述排气端体3上设有排气口301，所述转子腔开设在中间机体2内，所述进气口101、转子腔和排气口301依次连通。进气端体1、中间机体2和排气端体3相互之间使用耐低温垫片并用低温螺钉紧固。所述第一轴承腔开设在所述进气端体1内，所述第二轴承腔开设在排气端体3内。
34.第一轴承腔和第二轴承腔内的径向力滚动轴承5、轴向力滚动轴承8和齿轮组4均需润滑油进行润滑，压缩机的进气端转子腔内的气体为低温气体，阴转子7和阳转子9的进气端位置布置组合式非接触密封组件6，将低温的转子腔与第一轴承腔腔进行有效的隔离，工作时向第一轴承腔喷油，满足径向力滚动轴承5和齿轮组4的润滑需求，转子腔内压缩过程为无油压缩，避免低温气体将润滑油固化。压缩机排气端转子腔内的压力为排气压力，压力高于第二轴承腔内的压力，阴转子7和阳转子9的排气端位置也布置组合式非接触密封组件6将转子腔与第二轴承腔隔离，可防止气体从中间机体2内泄漏到排气端体3内，工作时向第二轴承腔喷油，满足径向力滚动轴承5和轴向力滚动轴承8的润滑需求。
35.所述非接触密封件为组合式非接触密封组件6，所述组合式非接触密封组件6包括密封件本体，所述密封件本体上设有浮环密封601、迷宫密封602和螺旋密封603，在本实施例中，所述迷宫密封602包括六组，所述浮环密封601和所述螺旋密封603各一组，当然所述浮环密封601、迷宫密封602和螺旋密封603的数量可以为更多组或更少组。所述组合式非接触密封组件6的密封结构稳定可靠。
36.所述机壳、所述阴转子7和阳转子9均由不锈钢材质制成。对于低温介质，金属材料存在冷缩、冷脆的问题，冷缩将导致压缩机实际工作变形大、冷脆则导致材料强度差。在本实施例中，所述所述机壳、所述阴转子7和阳转子9均由低温不锈钢材质制成，低温不锈钢在低温环境下具有良好的韧性，并且铸造工艺成熟，制造工艺稳定可靠，例如304不锈钢，其在-196℃的低温介质中还具有良好的韧性。
37.本发明的工作原理如下：由于压缩机工作时为低温环境，工作时进气侧和排气温度差能达到160℃，材料具有热胀冷缩的特点，处于工作状态的转子会发生冷缩，转子间间隙增大，所述阴转子7和阳转子9之间的啮合间隙采用渐变间隙型结构，因此转子装配状态下的设计间隙与实际工作状态下的间隙不同，压缩机的进气端为压缩过程的低温段，在工作时阴转子7和阳转子9位于压缩过程低温段的间隙将由于冷缩而增大，所以将阴转子7和阳转子9设计间隙设计的小一些，压缩机的排气端为压缩过程的高温段，在工作时阴转子7和阳转子9位于压缩过程高温段的间隙将由于热胀而减小，所以将阴转子7和阳转子9设计间隙设计的大一些，这样在压缩机工作时，阴转子7和阳转子9间的啮合间隙从进气侧至排气侧均处于最优状态，提高压缩机工作效率。
38.本发明可直接压缩低温气体，压缩机入口气体最低温度为-196℃，可广泛应用于低温bog直接增压，压缩机工作效率高、结构紧凑、噪音低、工作可靠、维护方便。
39.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。