專利名稱：包括密封系統(tǒng)的離心壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于離心壓縮才幾的渦輪(impeller)。更具體地說， 本發(fā)明涉及一種用于離心壓縮機(jī)的渦輪，它包括在背部的一個(gè)密封表 面。
背景技術(shù)：
在離心壓縮機(jī)，也被稱為動(dòng)力學(xué)壓縮機(jī)，中氣體的壓縮是基于能量 由一組旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片轉(zhuǎn)移到氣體。傳統(tǒng)的離心氣體壓縮機(jī)包括一個(gè)靜 止不動(dòng)的殼體和在該殼體內(nèi)的一個(gè)渦輪，該渦輪可關(guān)于一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)。 在大致軸向的方向上將氣體比如空氣引向渦輪葉片的前邊緣，并且氣體 在葉片的后邊緣以大致徑向的方向出去，典型地進(jìn)入一個(gè)擴(kuò)壓器 (diffuser)隨后進(jìn)入一個(gè)渦殼(volute)。旋轉(zhuǎn)的葉片通過改變動(dòng)量或 速度提供能量，并且提高氣體的壓力。隨后由于在靜止的擴(kuò)壓器和下游 的收集系統(tǒng)(例如渦殼)中通過將氣體速度降低，與動(dòng)能相關(guān)的氣體動(dòng) 量被轉(zhuǎn)變成壓力能。與在葉片的前邊緣的氣體相比，在葉片的后邊緣的 氣體的壓力增加了。因?yàn)殡x心壓縮機(jī)既包括靜止不動(dòng)的部件也包括運(yùn)動(dòng)
的部件，所以需要密封裝置以容納由渦輪排出的經(jīng)壓縮的氣體。
由于渦輪的剛硬度不對(duì)稱，因旋轉(zhuǎn)造成的與質(zhì)量有關(guān)的主體作用力 (mass-related body forces )(例如離心作用力)施力口到渦4侖上，因而產(chǎn) 生方向朝向渦輪的葉片側(cè)的特征位移。
可以通過具有負(fù)荷承載能力的一個(gè)推力軸承(或止推軸承)吸收作 用在包括一個(gè)或多個(gè)渦輪的軸上的凈軸向推力，該軸承的負(fù)荷承載能力 一般取決于軸承類型，設(shè)計(jì)，性能和成本。在渦輪運(yùn)行期間，可能發(fā)展 出不同的空氣動(dòng)力學(xué)誘導(dǎo)的狀態(tài)，使得凈推力的方向可以逆轉(zhuǎn)，因此需要另外的推力軸承以針對(duì)壓縮機(jī)的周圍的靜止不動(dòng)的結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)子組件 保持在適當(dāng)?shù)妮S向位置。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種離心壓縮機(jī)，它包括一渦輪，所 述渦輪確定有 一外徑并可以關(guān)于 一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以提供一經(jīng)壓縮的流體 流，所述經(jīng)壓縮的流體流的一部分流過所述外徑周圍以形成一泄露流。 一伸長(zhǎng)部，所述伸長(zhǎng)部由所述渦輪延伸并包括第一密封部分，所述第一 密封部分具有平均直徑，所述平均直徑大于或等于所述外徑的大約 50%。 一靜止密封環(huán)，所述靜止密封環(huán)包括具有多個(gè)齒的第二密封部分。 所述第二密封部分鄰近所述第一密封部分設(shè)置，以形成禁止所述泄露流 通過的密封。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種離心壓縮機(jī)，它包括一渦輪，所 述渦輪確定有 一外徑并可以關(guān)于 一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以提供一經(jīng)壓縮的流體 流，所述經(jīng)壓縮的流體流的一部分流過所述外徑周圍以形成一泄露流。 一伸長(zhǎng)部，所述伸長(zhǎng)部由所述渦輪延伸并包括第一密封部分，所述第一 密封部分沿泄露流方向具有多個(gè)階梯。所述多個(gè)階梯中的第 一 階梯具有 第一直徑，每個(gè)接續(xù)的階梯的直徑小于相鄰的上游階梯的直徑。 一靜止 密封環(huán)，所述靜止密封環(huán)包括具有多個(gè)齒的第二密封部分，每個(gè)齒鄰近 所述多個(gè)階梯中的其中 一個(gè)階梯設(shè)置，以形成多個(gè)禁止所述泄露流通過 的密封點(diǎn)。
在又一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種離心壓縮機(jī)，它包括一渦輪，所 述渦輪確定有 一 外徑并可以關(guān)于 一 軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以提供 一 經(jīng)壓縮的流體 流，所述經(jīng)壓縮的流體流的 一部分流過所述外徑周圍以形成一泄露流。 一伸長(zhǎng)部，所述伸長(zhǎng)部由所述渦輪延伸并包括第一密封部分。 一殼體，
體包括第一表面和孔。
一靜止密封環(huán)，所述靜止密封環(huán)包括第二密封部 分，聯(lián)接所述第一表面的第二表面，和與所述孔的接合的對(duì)準(zhǔn)表面，所 述對(duì)準(zhǔn)表面包括纟齊壓件，所述擠壓件響應(yīng)于與所述孔的接合永久地變 形。所述第一表面、所述第二表面、所述孔和所述對(duì)準(zhǔn)表面協(xié)同工作， 以將所述第二密封部分鄰近所述第一密封部分定位用來形成密封。
對(duì)于本領(lǐng)域—技術(shù)人員而言，通過閱讀下面的詳細(xì)描述，^又利要求書和附圖將會(huì)清楚本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是實(shí)施本發(fā)明的流體壓縮系統(tǒng)的穿過轉(zhuǎn)動(dòng)軸線取的剖-見圖2是圖1的流體壓縮系統(tǒng)的渦輪的放大剖視圖； 圖3是圖2所示渦輪的一部分的剖視圖； 圖4是圖2所示渦輪的一部分的另一剖視圖； 圖5是圖1所示靜止密封環(huán)穿過轉(zhuǎn)動(dòng)軸線取的剖視圖； 圖6是圖5所示靜止密封環(huán)的兩個(gè)齒的剖視圖； 圖7是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一種靜止密封環(huán)的剖視圖，該密封環(huán)包括從 中穿過的流動(dòng)^各徑；
圖8是圖2的離心壓縮機(jī)的一部分的剖視圖； 圖9是圖2的離心壓縮機(jī)的另一部分的剖視圖； 圖IO是先有技術(shù)渦輪的壓力分布的示意圖；以及 圖11是圖2所示渦輪的壓力分布的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在詳細(xì)地解釋本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的應(yīng)用 不限于在下面的描述中敘述的或者在下面的附圖所圖示出的結(jié)構(gòu)和部 件的配置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明可以有其它的實(shí)施例，并且可以以多種方式實(shí) 現(xiàn)本發(fā)明。同樣，應(yīng)當(dāng)理解，在這里采用的說法和術(shù)語(yǔ)是為了描述的目 的，不應(yīng)該被視為限制。使用"包含"，"包括"或"具有"以及它們的類似詞 義意味著包括列在后面的那些物品和它們的等價(jià)物，以及附加的物品。 在任何方法權(quán)利要求中具體說明的限制次序并不意味著在那里敘述的 步驟或動(dòng)作必須按那個(gè)次序進(jìn)行，除非在說明中明確地?cái)⑹隽舜涡颉?br> 圖1圖示出一種流體壓縮系統(tǒng)10,它包括一個(gè)原動(dòng)機(jī)(或主驅(qū)動(dòng) 機(jī))，比如聯(lián)接到壓縮才幾20上的馬達(dá)15，且可操作該原動(dòng)才幾以產(chǎn)生壓 縮的流體。在圖示出的結(jié)構(gòu)中，采用電動(dòng)機(jī)15作為原動(dòng)機(jī)。然而，其 它結(jié)構(gòu)可以采用其它的原動(dòng)機(jī)，比如但不限于，內(nèi)燃機(jī)引擎，柴油引擎， 燃?xì)鉁u輪機(jī)等等。
電動(dòng)機(jī)15包括一個(gè)轉(zhuǎn)子25和一個(gè)定子30，定子形成一個(gè)定子孔 35。轉(zhuǎn)子25支承成在軸40上旋轉(zhuǎn)，并且基本上^C定位在定子孔35中。圖示出的轉(zhuǎn)子25包含永久磁體45，它與定子30所產(chǎn)生的；茲場(chǎng)相互作用， 以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子25和軸40的轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢愿淖兌ㄗ?0的》茲場(chǎng)，/人而改變軸 40的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)然，如果愿意，其它結(jié)構(gòu)可以采用其它類型的電動(dòng)機(jī) (例如，同步電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)一幾，帶電刷的直流電動(dòng)才幾等等)。
將馬達(dá)15定位在殼體50內(nèi)，該殼體對(duì)于馬達(dá)15既提供支承，又 提供保護(hù)。在殼體50的兩端設(shè)置有軸承55,且通過殼體50直接或者間 接地支承軸承。軸承55進(jìn)而支承著軸40,用以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖示出的 結(jié)構(gòu)中，采用了磁性軸承55,其它軸承(例如滾柱軸承，滾珠軸承，針 式軸承等)也適于使用。在圖l所示的結(jié)構(gòu)中，采用了第二軸承60,在 磁性軸承55中的一個(gè)或兩個(gè)失效的情況下提供對(duì)軸的支承。
在某些結(jié)構(gòu)中， 一個(gè)外套筒65圍繞著殼體50的一部分，并且在它 們之間形成冷卻通路70。 一種液體冷卻劑(例如乙二醇，制冷劑等)或 氣體冷卻劑(例如空氣，二氧化碳等)流過冷卻通路70,以在工作過程 中冷卻馬達(dá)50。
在殼體50的一端可以設(shè)置一個(gè)電氣箱(或接線盒)75,以裝放各 種部件比如馬達(dá)控制器，制動(dòng)器，開關(guān)以及類似物。馬達(dá)軸40延伸越 過殼體50的相反那端，從而以使軸可以連接到壓縮機(jī)20上。
壓縮^幾20包括一個(gè)進(jìn)口殼體80或進(jìn)口環(huán)， 一個(gè)渦輪85, —個(gè)擴(kuò)壓 器90以及一個(gè)渦殼95。渦殼95包括第一部分100和第二部分105。第 一部分100裝接到殼體50上，以把壓縮機(jī)20的靜止部分聯(lián)接到馬達(dá)15 的靜止部分上。將第二部分105裝接到第一部分100上，以形成入口通 道110和收集通道115。第二部分105也形成一個(gè)排;改部分120,該排 放部分包括一個(gè)排》t通道125,該排方i:通道與收集通道115處于流體連 通狀態(tài)，以由壓縮沖幾20排放出經(jīng)壓縮的流體。
在圖示出的結(jié)構(gòu)中，渦殼95的第一部分100包括一個(gè)腿130,該腿 對(duì)于壓縮機(jī)20和馬達(dá)15提供支承。在其它結(jié)構(gòu)中，采用其它部件將壓 縮機(jī)20和馬達(dá)15支承在水平位置。在另外的結(jié)構(gòu)中，采用一個(gè)或多個(gè) 腿或者其它裝置將馬達(dá)15和壓縮機(jī)20支承在豎直取向或者任何所希望 的取向上。
將擴(kuò)壓器90徑向上定位于收集通道115的里面，使得由渦輪85流 出的流體在進(jìn)入渦殼95之前必須通過該擴(kuò)壓器90。擴(kuò)壓器90包括空氣 動(dòng)力學(xué)表面135 (例如葉片，導(dǎo)向葉片，翅片等)，在圖2中示出，這些表面配置(或布置)成在流體流過擴(kuò)壓器90時(shí)降低流速并提高流體 的壓力。
把渦輪85聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸40上，使得渦輪85與馬達(dá)轉(zhuǎn)子25 —起轉(zhuǎn) 動(dòng)。在圖示出的結(jié)構(gòu)中，將一個(gè)桿140通過螺紋與軸40接合，并且使 一個(gè)螺母145通過螺紋與桿140接合，以把渦輪85固定地裝接到軸40 上。渦輪85延伸越過支承馬達(dá)軸40的軸承55,這樣，渦輪就以懸臂方 式得到支承。其它結(jié)構(gòu)可以采用把渦輪85裝接到軸40上的其它安裝方 案和支承渦輪85的其它支承方案。這樣，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)限于圖1中示 出的結(jié)構(gòu)。進(jìn)而，盡管圖示出的結(jié)構(gòu)包括直接聯(lián)接到渦輪85上的馬達(dá) 15,但是，其它結(jié)構(gòu)可以采用速度提高裝置，比如一個(gè)齒輪箱，以使馬 達(dá)15可以以比渦4侖85 4氐的速度運(yùn)4亍。
渦輪85包括多個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)表面或葉片150,這些葉片配置成形成 一個(gè)導(dǎo)入部分155和一個(gè)導(dǎo)出部分160。導(dǎo)入部分155定^f立于渦輪85的 第一端，并且可操作該導(dǎo)入部分在基本軸向的方向上將流體抽吸進(jìn)渦輪 85中。葉片15(H吏流體加速，并且4吏流體的方向朝向位于渦輪85的相 反那端附近的導(dǎo)出部分160。在至少部分徑向的方向上由導(dǎo)出部分160 排出流體，該導(dǎo)出部分圍繞著渦輪85伸展360度。
渦輪85與靜止的密封環(huán)270協(xié)同工作，以形成一個(gè)密封裝置(或 密封)。該密封裝置設(shè)置成降低施加到渦輪85的背面上的軸向作用力， 從而減小朝向葉片150的總的軸向推力。將推力減小到容許使用活性磁 性4侏力軸7fc ( an active magnetic thrust bearing ) 163,而不<吏用更傳纟克的 推力軸承。磁性推力軸承163包括一個(gè)推力盤164,與上面沒有提到的 密封系統(tǒng)可能必須有的直徑相比，推力盤164的直徑減小。
進(jìn)口殼體80有時(shí)被稱為進(jìn)口環(huán)，該進(jìn)口殼體80連接到渦殼95上， 并且進(jìn)口殼體80包括通到渦輪85上的一個(gè)流動(dòng)通道165。渦輪85把要 被壓縮的流體沿流動(dòng)通道165抽吸并抽入渦輪85的導(dǎo)入部分155。流動(dòng) 通道165包括一個(gè)渦輪接口部分170,該接口部分的位置靠近渦輪85的 葉片150,以減少流體在葉片150的頂部上的泄漏。因此，渦4侖85與進(jìn) 口殼體80協(xié)同工作，以形成多個(gè)基本上封閉的流動(dòng)通道175 。
在圖示出的結(jié)構(gòu)中，進(jìn)口殼體80也包括一個(gè)法蘭180，它4吏管道或 者其它的流通部件或其它的保持部件的連接(或裝接)變得容易。例如， 可以將一個(gè)過濾器組件連接到法蘭180上，且利用該過濾器組件在把要壓縮的流體引導(dǎo)到渦輪85之前對(duì)流體進(jìn)行過濾。 一個(gè)管道可以由該過
濾器組件通到法蘭180,以將過濾器之后的系統(tǒng)基本上密封起來，并禁
止不想要的流體或污染物進(jìn)入。
轉(zhuǎn)到圖2，其中更詳細(xì)地圖示出渦輪85。渦輪85包括一個(gè)輪轂181 或本體，它具有前側(cè)面182和后側(cè)面184,葉片由該前側(cè)面伸展，而后 側(cè)面184與前側(cè)面182相對(duì)。導(dǎo)入部分155基本上為環(huán)形，并沿著進(jìn)口 路徑185將流體抽吸到渦輪85中。流體在基本軸向的方向上進(jìn)入，并 且流過在相鄰的葉片150之間形成的通道175,到達(dá)導(dǎo)出部分160。導(dǎo) 出部分160的出口確定渦4侖85的外徑l卯。
圖3圖示出渦輪85的背面184,該背面包括一個(gè)平衡環(huán)195, —個(gè) 伸長(zhǎng)部200以及一個(gè)對(duì)準(zhǔn)部205。將對(duì)準(zhǔn)部205的尺寸確定成至少部分 地配裝在作為軸40的一部分形成的孔210內(nèi)。這為渦輪85提供支承， 以防止在軸40與渦輪85之間出現(xiàn)對(duì)不準(zhǔn)，這種對(duì)不準(zhǔn)可能產(chǎn)生不希望 出現(xiàn)的震動(dòng)。在某些結(jié)構(gòu)中，軸孔210和對(duì)準(zhǔn)部205包括對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(或 特征)(例如鍵槽)，這些對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)幫助實(shí)現(xiàn)想要的對(duì)準(zhǔn)。
平衡環(huán)195在渦輪85的背面184上提供附加的材料，為的是在實(shí) 現(xiàn)平衡過程中使用?？梢栽谶x定的徑向位置和角度位置由平衡環(huán)195上 去掉一些材料，如對(duì)于特定的應(yīng)用所要求的那樣，以使渦輪85實(shí)現(xiàn)靜 態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平tf。當(dāng)然，其它的結(jié)構(gòu)以不同的方式i殳置平衡環(huán)195, 或者完全省掉平衡環(huán)195。
伸長(zhǎng)部200由背面184在大致軸向的方向上離開葉片150伸展。該 伸長(zhǎng)部200包括第一密封部分215和一個(gè)內(nèi)表面225，第一密封部分包 括多個(gè)密封表面220,而內(nèi)表面在某些結(jié)構(gòu)中可能包括另外的多個(gè)密封 表面。第一密封部分215確定平均徑向直徑230,在優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，該 平均徑向直徑比渦輪85的最外直徑190的大約50%大。伸長(zhǎng)部200的 位置將渦4侖85的背面184分成第一環(huán)形區(qū)域235和第二環(huán)形區(qū)域240, 第一環(huán)形區(qū)域徑向上設(shè)于伸長(zhǎng)部200的外面，并且伸展到渦輪85的最 外直徑190,而第二環(huán)形區(qū)域徑向上設(shè)于伸長(zhǎng)部200的里面，并且徑向 向內(nèi)伸展到對(duì)準(zhǔn)部205。
圖4更詳細(xì)地圖示出伸長(zhǎng)部200。圍繞著懸臂的伸長(zhǎng)部200的包絡(luò) 部(或包絡(luò)線)245在包括軸線的那個(gè)剖面中大致為梯形。在三維尺寸 中，伸長(zhǎng)部200的外包絡(luò)部包括兩個(gè)截錐形表面，但是，伸長(zhǎng)部200的其它形狀也是可能的。多個(gè)階梯250形成笫一密封部分215的多個(gè)密封 表面220。每個(gè)階梯250包纟舌大致軸向延伸的第一部分255和大致徑向 延伸的第二部分260，第一部分255與第二部分260基本上形成一個(gè)直 角。如在圖4中所示，最靠近背面184的那個(gè)軸向延伸的第一表面255 具有最大的直徑，每個(gè)接續(xù)的軸向表面255隨著它們離開背面184越來 越遠(yuǎn)而直徑逐漸減小。換句話說，由最靠近葉片150的那個(gè)表面255開 始，纟姿照軸向的次序由軸向表面225的相對(duì)應(yīng)的徑向尺寸確定的順序基 本上均勻地減小。大致徑向的表面260與鄰近的軸向表面255相互連接， 以形成多個(gè)密封表面220。在優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，軸向表面255在軸向長(zhǎng)度 上基本上相等，而在任意兩個(gè)相鄰的軸向表面255之間的徑向變化近似 相等。換句話說，徑向表面260的長(zhǎng)度都基本上相等。在其它結(jié)構(gòu)中。 可以采用其它的階梯圖案。例如， 一種結(jié)構(gòu)采用交替的高部和低部。因 此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)僅限于圖示出的密封表面的圖案220。
在優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，伸長(zhǎng)部200，平^f環(huán)195，對(duì)準(zhǔn)部205以及葉片150 由單一的均勻材料件整體地形成。當(dāng)然，其它的結(jié)構(gòu)可以裝接多種部件 或者用另外方式形成多種部件。
返回到圖2,圖示出的結(jié)構(gòu)包括裝接到馬達(dá)殼體50上的一個(gè)軸承支 承殼體265。該軸承支承殼體265至少部分地支承著軸承55， 60,且它 也可以支承流體壓縮系統(tǒng)10的其它靜止不動(dòng)的部件。裝接到該軸承支 承殼體265上的靜止的密封環(huán)270包括笫二密封部分275,該第二密封 部分的位置鄰近形成密封件(或密封)280的第一密封部分215。如關(guān) 于圖11將更詳細(xì)地討論的那樣，密封件280最好是一個(gè)迷宮型的密封 件。
圖5比在圖2中所示的更詳細(xì)地圖示出靜止密封環(huán)270。靜止密封 環(huán)270包括第二密封部分275, —個(gè)法蘭285,多個(gè)螺栓孔290以及一 個(gè)對(duì)準(zhǔn)表面295。法蘭285配裝成貼靠基本徑向的平面表面298上，以 把靜止密封環(huán)270定位在所希望的軸向位置。在優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，使一個(gè)墊 片300 (在圖2中示出定位于法蘭285與徑向的平面表面298之間，該 墊片具有可選擇的厚度或者可調(diào)整的厚度，以設(shè)定靜止密封環(huán)270的軸 向位置。螺栓305 (在圖2中示出)穿過螺栓孔290，且將靜止密封環(huán) 270裝接到軸承支承殼體265或者其它的靜止部件上。
對(duì)準(zhǔn)表面295配裝在一個(gè)孔310中，該孔形成為軸 K支承殼體265的一部分，并且將該孔的尺寸確定成容納對(duì)準(zhǔn)表面295。在優(yōu)選結(jié)構(gòu)中， 采用輕微的過盈或壓配合，以確保靜止密封環(huán)170的位置與軸承支承殼 體265共軸線。為了適應(yīng)壓配合，對(duì)準(zhǔn)表面195可包括擠壓結(jié)構(gòu)(或特 征crush features) 315,比如隆起，凹槽，或者其它結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)使 得在組裝過程中可比較容易地變形。 一旦將軸承支承殼體265和靜止密 封環(huán)270彼此聯(lián)接起來，可能發(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將非常小。為了拆開該組 件可以采用起重螺栓(jack bolts )。在采用起重螺栓的結(jié)構(gòu)中，另外的 螺紋孔穿過法蘭285,以使得螺栓可以將靜止密封環(huán)270與軸承支承殼 體265分開。在其它結(jié)構(gòu)中，可以將軸承支承殼體265與靜止密封環(huán)270 形成為單一部件，或者如果愿意可以形成為多于兩個(gè)的部件。
如在圖5中所示，第二密封部分275包括多個(gè)齒320,這些齒至少 部分;也在徑向上向內(nèi)延伸。圖6更^f細(xì)地圖示出這些齒320中的兩個(gè)齒 和它們之間的內(nèi)腔323。每個(gè)齒320的剖面基本上為梯形，在相鄰的齒 320之間和在齒320與,爭(zhēng)止密封環(huán)270的其余部分之間有大的倒角半徑 (fillet radiuses )。因此每個(gè)齒320包括上游側(cè)325和下游側(cè)330,這些 側(cè)面至少部分地徑向向內(nèi)延伸，并且終止于頂端表面335處。在圖示出 的結(jié)構(gòu)中，上游側(cè)325和下游側(cè)330不平4亍。具體地il,每個(gè)齒320大 致在既有徑向分量又有軸向分量的方向上延伸，使得每個(gè)齒相對(duì)于軸線 332形成一個(gè)傾4斗角331。 4吏每個(gè)齒320的下游側(cè)330相對(duì)于軸向方向 以近似45度的角度取向，且使每個(gè)齒320的上游側(cè)325相對(duì)于軸向方 向以近似30度的角度取向。然而，其它結(jié)構(gòu)可以采用平行的上游側(cè)325 和下游側(cè)330，或者采用不是在這里圖示出的角度。
頂端表面335基本上在軸向的方向上伸展，并且確定頂端半徑340。 在圖示出的結(jié)構(gòu)中，鄰近渦輪85的齒320的頂端半徑340為最大，每 個(gè)相鄰的齒320的頂端半徑340隨著該齒320離開渦輪85越遠(yuǎn)而逐漸 變小，換句話說，由在軸向上最靠近葉片150的齒320開始，按照軸向 的次序由頂端表面335的相對(duì)應(yīng)的徑向尺寸340確定的順序在軸向上減 小。在優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)頂端表面335的半徑340的改變近似等于多 個(gè)軸向階梯表面255的半徑的改變。在其它結(jié)構(gòu)中，齒320具有尖銳的 邊緣尖端或者刀刃尖端(或頂端)，而不是在這里圖示出的軸向表面335。 在另一些結(jié)構(gòu)中，采用倒圓的頂端。
圖7圖示出靜止密封環(huán)345的另一種結(jié)構(gòu)，它與圖5的靜止密封環(huán)270類似，但是附加地包括一個(gè)流動(dòng)通道350。流動(dòng)通道350將l,止密 封環(huán)345分成高壓部分355和低壓部分360，且該流動(dòng)通道特別適于在 想要隔絕被壓縮的流體的應(yīng)用中使用。可以在流動(dòng)通道350引入壓力比 在流動(dòng)通道350的入口處的預(yù)期的壓力要高的氣體。該高壓氣體將禁止 一皮壓縮的流體流過流動(dòng)通道350。相反，；故引入的氣體將流過密封環(huán)345 的^f氐壓部分360。替4氣地，可以將低壓作用在流動(dòng)通道350上， <吏得正 -故壓縮的流體流過高壓部分355,并且通過4氐壓部分360抽吸入空氣。 空氣和正一皮壓縮的流體在流動(dòng)通道350中混合，并且由系統(tǒng)10將該混 合物抽出。
圖8更詳細(xì)地圖示出完成的迷宮式密封件280。在圖示出的結(jié)構(gòu)中， 每個(gè)頂端表面335與軸向表面255之一對(duì)準(zhǔn)，以形成一個(gè)徑向密佳十點(diǎn) 365,其在頂端表面335與軸向表面255之間具有一個(gè)狹窄的間隙370。 此外，某些結(jié)構(gòu)可以-使齒320的位置鄰近徑向延伸的表面260，以形成 一個(gè)軸向密封點(diǎn)375。在其它結(jié)構(gòu)中，可以采用其它的配置(或布置)。 例如，可以將多個(gè)齒320定^f立于共同的軸向表面255上。替代地，可以 采用直的齒。
迷宮式密封件280提供了適當(dāng)?shù)拿芊?，而在轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之 間沒有不希望出現(xiàn)的接觸。如果在無(wú)意中出現(xiàn)了這樣的接觸，相對(duì)較窄 的齒320將對(duì)于摩擦和加熱提供非常小的表面面積。此外，密封表面 335, 255中的一個(gè)表面或兩個(gè)表面可以由一種彈性材料或者一種可研磨 的材料制成，以進(jìn)一步降低如果出現(xiàn)不希望的接觸時(shí)損壞渦輪85或靜 止密封環(huán)270的可能性。
在運(yùn)4亍中，將電力提供給馬達(dá)15,以產(chǎn)生軸40和渦輪85的轉(zhuǎn)動(dòng)。 隨著渦輪85轉(zhuǎn)動(dòng)，將要,皮壓縮的流體抽吸到進(jìn)口殼體80中，并且進(jìn)入 渦輪85的導(dǎo)入部分155中。渦輪85將流體由接近零的速度加速到在導(dǎo) 出部分160的高速度。此外，渦輪85在導(dǎo)入部分155與導(dǎo)出部分160 之間產(chǎn)生壓力的增加。
在流過渦輪85之后，流體進(jìn)入擴(kuò)壓器90。擴(kuò)壓器90作用在流體上， 以使流體的速度降低。這種速度的降低將流體流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成位能或 者高壓。現(xiàn)在的高壓流體流出擴(kuò)壓器90，并且通過入口通道110進(jìn)入渦 殼95。隨后，高壓流體進(jìn)入收集通道115,該收集通道收集來自圍繞入 口通道110的任何角度位置的流體。隨后，收集通道110引導(dǎo)高壓流體通過排放通道125離開渦殼95。 一旦由渦殼95排方文出來，可以4吏流體 通到幾個(gè)不同的部件，這包括但不限于干燥系統(tǒng)、中間階段的(或中級(jí)) 熱交換器，另外的壓縮機(jī)，儲(chǔ)存罐，使用者，空氣使用系統(tǒng)等。
參見圖9,其中可以看出，在旋轉(zhuǎn)的渦輪85與靜止不動(dòng)的擴(kuò)壓器 90之間設(shè)有一個(gè)空間380。盡管希望使這個(gè)空間380變小，但是，某些 :故壓縮的流體圍繞渦輪85泄漏、通過這個(gè)空間380并到達(dá)渦4侖的背面 184將是不可避免的。這股高壓泄漏流385徑向向內(nèi)流動(dòng)，直到它達(dá)到 迷宮式密封件280為止。為了通過迷宮式密封件280,泄漏流必須在每 個(gè)頂端表面335與鄰近齒320的徑向和軸向表面255, 260之間通過。 泄露流385首先必須加速，流過在齒320與相應(yīng)的徑向和軸向表面255, 260之間形成的狹窄間隙370或開孔。在流過這些狹窄的間隙370之后， 泄露流385就暴露給相鄰的齒320之間的相對(duì)4支大的內(nèi)腔323,并且快 速膨脹充填該內(nèi)腔323。該膨脹過程不是很有效，且將產(chǎn)生一系列蝸旋 和渦流，這些渦流將使流體的壓力稍微降低。此外，渦輪85的旋轉(zhuǎn)會(huì) 迫使流體徑向向外進(jìn)入內(nèi)腔323的底部，并離開下一個(gè)密封件開孔370, 該密封件開孔在徑向上設(shè)于前一個(gè)密封件開孔370的里面。隨著泄露流 385流過每個(gè)齒320,這個(gè)過程繼續(xù)，直到泄露流385最后以^又稍農(nóng)i比 大氣壓力(或者壓縮系統(tǒng)10的環(huán)境壓力)高一點(diǎn)的壓力流出迷宮式密 封件280為止。
一股冷卻空氣流390流過馬達(dá)15和軸7fc 55， 60,并進(jìn)入渦4侖85與 軸承支承殼體265之間的空間。冷卻空氣390的壓力也稍稍高于大氣壓 力(或環(huán)境壓力)，并且其壓力最好稍微高于由迷宮式密封件280流出 的泄漏流385的壓力。兩股流385, 390相互混合，并且通過在殼體50 中形成的口 395流出系統(tǒng)。通過"l巴冷卻空氣39(H呆t寺在比泄漏流385稍 ;微高一點(diǎn)的壓力，系統(tǒng)10禁止熱泄漏流385的不希望泄露流進(jìn)入馬達(dá) 15。此外，把在渦輪85與軸承支承殼體265之間的間隙空間保持為一 個(gè)小的數(shù)值，以進(jìn)一步禁止熱泄漏流385經(jīng)過進(jìn)入軸承55, 60和馬達(dá) 15。
伸長(zhǎng)部200的定位也幫助使運(yùn)行過程中渦輪85所產(chǎn)生的推力負(fù)荷 達(dá)到平衡。圖10圖示出先有技術(shù)渦輪400,它包括在軸上的標(biāo)準(zhǔn)密封件 (或密封)配置。因?yàn)閷?duì)于給定的徑向間隙在軸處的流動(dòng)面積比在較大 直徑處對(duì)于相同的徑向間隙的流動(dòng)面積小，所以一般采用軸密封件。在運(yùn)行過程中，渦輪400的最內(nèi)前邊緣就暴露給稍樣i比渦輪400的進(jìn)入壓 力高一點(diǎn)的壓力。當(dāng)流體流沿著渦輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓力以基本上線性的方式 增加。在渦輪的出口 (出口段)壓力處于它的最高水平(在通過擴(kuò)壓器 和渦殼之前)。因此，渦輪400的前部暴露給一個(gè)壓力梯度405，該壓 力梯度隨著離開轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的徑向距離增加。
流出渦輪400的高壓流體的一部分圍繞渦輪400的外徑流到背部。 在先有技術(shù)的渦輪400的背部除了軸密封件以外沒有任何機(jī)構(gòu)來降低泄 漏流的壓力。這樣，整個(gè)背部就暴露給高壓流體。因此，背面經(jīng)受在整 個(gè)面積上基本均勻的壓力梯度410。這產(chǎn)生朝向入口的凈推力，如箭頭 415所表示的那樣。
轉(zhuǎn)到圖11,為了進(jìn)4亍比4交圖示出本發(fā)明的渦4侖85。施加在渦4侖85 的前側(cè)182上的壓力和壓力梯度420基本上與圖10的先有技術(shù)渦4侖400 的相同。然而，伸長(zhǎng)部200的設(shè)置在背側(cè)184上產(chǎn)生了不同的壓力梯度 425。如可以看到的那樣，高壓泄漏流^f又施加到在徑向上位于伸長(zhǎng)部200 外面的第一環(huán)形部分235上。隨著流體流過迷宮式密封件280,壓力降 低，使得在渦輪85背側(cè)184的其余部分上施加低得多的壓力(接近大 氣壓力或環(huán)境壓力)。盡管凈軸向推力，如箭頭430所表示的那樣，仍 然朝向進(jìn)口段155,但是推力的數(shù)值大大減小。推力減小使得可以采用 專交小的推力軸承，這將消耗4交少的動(dòng)力，并JU支少經(jīng)受過度的加熱。
盡管圖示出的結(jié)構(gòu)采用伸長(zhǎng)部200，該伸長(zhǎng)部定位成使凈軸向推力 的方向保持成如在圖lO和ll中圖示出的那樣，但是應(yīng)該很容易清楚， 可以改變伸長(zhǎng)部200的位置，調(diào)節(jié)推力負(fù)荷的大小，并且如果愿意可以 使推力負(fù)荷的方向相反。
應(yīng)當(dāng)注意，壓縮系統(tǒng)10的其它配置可以暴露給不是大氣的壓力環(huán) 境，或者在不是大氣的壓力區(qū)域中工作。例如，多級(jí)壓縮系統(tǒng)可以采用 幾個(gè)階段，在這樣的系統(tǒng)中，迷宮式密封件280的出口所處的壓力比大 氣壓力高得多。而且，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)僅限于在這里描述的壓力數(shù)值。
因此，本發(fā)明其中提供了一種壓縮系統(tǒng)10,它包括靜止的密封環(huán)
270,該密封環(huán)至少部分地形成一個(gè)密封系統(tǒng)，該密封系統(tǒng)配置成能夠
改進(jìn)壓縮系統(tǒng)10的性能。在下面的權(quán)利要求書中敘述了本發(fā)明的各種 特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種離心壓縮機(jī)，它包括渦輪，所述渦輪確定有外徑并可以關(guān)于軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以提供經(jīng)壓縮的流體流，所述經(jīng)壓縮的流體流的一部分流過所述外徑周圍以形成泄露流；伸長(zhǎng)部，所述伸長(zhǎng)部由所述渦輪延伸并包括第一密封部分，所述第一密封部分具有平均直徑，所述平均直徑大于或等于所述外徑的大約50％；以及靜止密封環(huán)，所述靜止密封環(huán)包括具有多個(gè)齒的第二密封部分，所述第二密封部分鄰近所述第一密封部分設(shè)置，以形成禁止所述泄露流通過的密封。
2. 按照權(quán)利要求1所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述第一密封 部分包括多個(gè)階梯。
3. 按照權(quán)利要求2所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述階梯的數(shù) 量與所述齒的數(shù)量基本上相等。
4. 按照權(quán)利要求2所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述多個(gè)階梯 中的第 一階梯限定第 一階梯直徑，而接續(xù)的階梯中的每一個(gè)在泄露流方 向上限定的直徑小于相鄰的上游齒的直徑。
5. 按照權(quán)利要求4所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，每個(gè)齒的頂端 限定頂端直徑，且其中所述齒的所述頂端直徑在所述泄露流方向上^^皮減 小，使得每個(gè)齒頂端與相鄰的階梯協(xié)同工作，以形成基本上均勻的間隙。
6. 按照權(quán)利要求2所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，每個(gè)階梯包括 大致徑向延伸的第 一部分和大致軸向延伸的第二部分。
7. 按照權(quán)利要求1所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，每個(gè)齒在具有 軸向分量和徑向分量的方向由所述靜止密封件延伸。
8. —種離心壓縮才幾，它包^舌渦輪，所述渦輪確定有外徑并可以關(guān)于軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以提供經(jīng)壓縮的 流體流，所述經(jīng)壓縮的流體流的 一 部分流過所述外徑周圍以形成泄露、'云 伸長(zhǎng)部，所述伸長(zhǎng)部由所述渦輪延伸并包括第一密封部分，所述第 —密封部分沿泄露流方向具有多個(gè)階梯，所述多個(gè)階梯中的第 一 階梯具 有第一直徑，每個(gè)接續(xù)的階梯的直徑小于相鄰的上游階梯的直徑；以及靜止密封環(huán)，所述靜止密封環(huán)包括具有多個(gè)齒的第二密封部分，每 個(gè)齒鄰近所述多個(gè)階梯中的其中 一個(gè)階梯設(shè)置，以形成多個(gè)禁止所述泄 露流通過的密封點(diǎn)。
9. 按照權(quán)利要求8所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述階梯的數(shù) 量與所述齒的數(shù)量基本上相等。
10. 按照權(quán)利要求8所述的離心壓縮沖幾，其特征在于，每個(gè)齒的頂 端限定頂端直徑，且其中所述齒的所述頂端直徑在所述泄露流方向上#皮 減小，使得每個(gè)齒頂端與相鄰的階梯協(xié)同工作，以形成基本上均勻的間 隙。
11. 按照權(quán)利要求8所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，每個(gè)階梯包 括大致徑向延伸的第 一部分和大致軸向延伸的第二部分。
12. 按照權(quán)利要求8所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，每個(gè)齒在具 有軸向分量和徑向分量的方向由所述靜止密封件延伸。
13. 按照權(quán)利要求8所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述多個(gè)階 梯和所述多個(gè)齒協(xié)同工作，以形成平均密封直徑，所述平均密封直徑大 于或等于所述外徑的大約50%。
14. 一種離心壓縮才凡，它包4舌渦輪，所述渦輪確定有外徑并可以關(guān)于軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以提供經(jīng)壓縮的 流體流，所述經(jīng)壓縮的流體流的一部分流過所述外徑周圍以形成泄露 流;伸長(zhǎng)部，所述伸長(zhǎng)部由所述渦輪延伸并包括第 一密封部分；動(dòng)，所述殼體包括第一表面和孔；以及靜止密封環(huán)，所述靜止密封環(huán)包括第二密封部分，聯(lián)接所述第一表 面的第二表面，和與所述孔的接合的對(duì)準(zhǔn)表面，所述對(duì)準(zhǔn)表面包括擠壓 件，所述擠壓件響應(yīng)于與所述孔的接合永久地變形，所述第一表面、所 述第二表面、所述孔和所述對(duì)準(zhǔn)表面協(xié)同工作，以將所述第二密封部分 鄰近所述第一密封部分定位用來形成密封。
15. 按照權(quán)利要求14所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述第一密 封部分包括多個(gè)階梯，而所述第二密封部分包括多個(gè)齒。
16. 按照權(quán)利要求15所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述階梯的 數(shù)量與所述齒的數(shù)量基本上相等。
17. 按照權(quán)利要求15所述的離心壓縮^L,其特征在于，所述多個(gè)階 梯中的第 一階梯限定第 一階梯直徑，而接續(xù)的階梯中的每一個(gè)在泄露流 方向上限定的直徑小于相鄰的上游齒的直徑。
18. 按照權(quán)利要求15所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，每個(gè)齒的頂端限定頂端直徑，且其中所述齒的所述頂端直徑在所述泄露流方向上凈皮 減小，使得每個(gè)齒頂端與相鄰的階梯協(xié)同工作，以形成基本上均勻的間隙。
19. 按照權(quán)利要求15所述的離心壓縮才幾，其特征在于，每個(gè)階梯包 括大致徑向延伸的第 一部分和大致軸向延伸的第二部分。
20. 按照權(quán)利要求15所述的離心壓縮才幾，其特征在于，每個(gè)齒在具 有軸向分量和徑向分量的方向由所述靜止密封件延伸。
21. 按照權(quán)利要求14所述的離心壓縮機(jī)，其特征在于，所述第一密 封部分和所述第二密封部分協(xié)同工作，以形成平均密封直徑，所述平均 密封直徑大于或等于所迷外徑的大約50%。
22. 按照權(quán)利要求14所述的靜止密封環(huán)，其特征在于，其包括具有 可選擇的厚度的墊片，所述墊片設(shè)置在所述第一表面與所述第二表面之 間，將所述墊片的厚度選擇成確定所述第二密封部分關(guān)于所述第一密封 部分的軸向位置。
全文摘要
本發(fā)明提出一種離心壓縮機(jī)(20)，它包括渦輪(85)，該渦輪確定有外徑(190)并可以關(guān)于軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以提供經(jīng)壓縮的流體流，該經(jīng)壓縮的流體流的一部分流過該外徑周圍以形成泄露流。伸長(zhǎng)部(200)，該伸長(zhǎng)部由該渦輪延伸并包括第一密封部分(215)，該第一密封部分具有平均直徑(230)，該平均直徑大于或等于該外徑的大約50％。靜止密封環(huán)(270)，該靜止密封環(huán)包括具有多個(gè)齒(320)的第二密封部分(275)。該第二密封部分鄰近該第一密封部分(215)設(shè)置，以形成禁止該泄露流通過的密封。
文檔編號(hào)F04D29/28GK101287911SQ200680034454
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2006年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日
發(fā)明者F·馬里亞尼, J·L·羅布, M·O·穆勒 申請(qǐng)人:英格索爾-蘭德公司