ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1994 года по МПК F04C18/06 

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к винтовым компрессорам, работающим при больших перепадах давления.

Известна винтовая машина с устройством для компенсации осевых усилий, действующих на ведущий ротор. Для этого между упорными подшипниками и специальным упорным подшипникам установлено разгрузочное устройство, состоящее из колец (заявка N 453318, Швеция, кл. F 04 C 18/16, 1987).

Ввиду того, что разгрузочное устройство установлено только на валу ведущего ротора, данный винтовой компрессор работает при относительно небольших перепадах давления и, следовательно, имеет ограниченное применение.

Известна конструкция винтового компрессора, содержащая ведущий и ведомый роторы, установленные на подшипникх, разгрузочного устройств, выполненного в виде невращающейся герметичной пары поршень-цилиндр и расположенного со стороны камеры нагнетания и снабженного перекладиной.

Нагрузочная полость сообщена с источником давления. Перекладина жестко связана с подшипниками и со штоком поршня. Шток установлен на расстоянии "а" от оси ведущего ротора, определяемого из соотношения:
a = A/(F_из/F_м + 1), где A - расстояние между осями роторов,
F_из и F_м - площадь поперечного сечения винтовой ведущего и ведомого роторов. (авт.св. N 1423805, кл. F 04 C 18/16, 1988).

Данная конструкция разгрузочного устройства винтового компрессора учитывает неравномерное распределение осевых нагрузок путем приложения равнодействующей разгружающего усилия, которое разгружает каждый ротор в осевом направлении в соответствии с величиной осевых усилий.

Недостатком этого решения является то, что разгрузочное устройство расположено на стороне нагнетания, тогда как осевые силы роторов направлены от камеры нагнетания к камере всасывания и, вследствие этого, конструктивная сложность разгрузочного устройства. Кроме того, при работе на нерасчетных режимах, т.е. при переходе с режима на режим, компрессор некоторое время работает в неустановившемся режиме, при котором имеет место колебание величин действующих нагрузок и, вследствие этого, равнодействующая разгружающей силы будучи приложенной через шток поршня, который установлен на расстоянии "а" вызовет неравномерное распределение осевых нагрузок, действующих на упорные подшипники, так как величина "а" может изменяться при нерасчетных режимах, а при работе на больших перепадах давлений сжимаемого газа изменение величины "а" может оказаться таким, что равнодействующая разгружающей силы может вызывать перегрузку упорных подшипников на одном из роторов и, вследствие этого, выход из строя компрессора.

Известен винтовой компрессор, выбранный в качестве прототипа, консольные подшипники которого установлены во внутренней расточке ротора с образованием торцовых полостей, которые сообщены с источником давления для разгрузки роторов от осевых сил (авт. св. N 1346853, кл. F 04 C 18/16, 1987).

Недостатком указанного технического решения является неравномерное распределение осевых усилий, действующих на упорные подшипники ведущего и ведомого роторов, так как осевые силы действующие на ведущий и ведомый роторы не равны, а силы разгрузки создают одинаковые разгружающие усилия на ведущем и ведомом роторе и, как следствие, упорный подшипник одного из роторов будет более нагружен, чем подшипник другого ротора и это приведет к снижению надежности и долговечности конструкции в целом.

Для устранения этих недостатков предложен винтовой компрессор, содержащий корпус с рабочей камерой, установленные в ней на подшипниках скольжения ведущий и ведомый роторы с образованием на стороне всасывания между подшипником и ротором торцовых полостей, связанных с источником давления для разгрузки роторов от осевых усилий. По крайней мере один из роторов совместно с подшипником выполнены ступенчатыми с образованием изолированных друг от друга кольцевой и торцевой полостей одна из которых сообщена с источником высокого давления, а другая полость - с источником низкого давления.

Например, при ступенчатом исполнении ведомого ротора совместно с подшипником его изолированная кольцевая полость и торцовая полость ведущего ротора сообщена с источником высокого давления, например, давления нагнетания, а торцовая полость ведомого ротора сообщена с источником низкого давления (давлением всасывания).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый винтовой компрессор отличается тем, что по крайней мере один из роторов совместно с подшипником выполнены ступенчатыми с образованием изолированных друг от друга кольцевой и торцевой полости, одна из которых сообщена с источником высокого давления, а другая полость - с источником низкого давления. Так, при ступенчатом исполнении ведомого ротора совместно с подшипником, его кольцевая полость и торцовая полость ведущего ротора сообщена с источником высокого давления, а торцовая полость ведомого ротора сообщена с источником низкого давления.

Таким образом, заявляемый винтовой компрессор соответствует критерию изобретению "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволили выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 и 2 изображен винтовой компрессор в горизонтальном разрезе в различных конструктивных вариантах его исполнения со ступенчатым ведомым ротором и подшипником; на фиг. 3 представлены эпюры распределения разгрузочных усилий, действующих на ведущий и ведомый роторы.

Винтовой компрессор (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1 и установленные в рабочей полости 2 на подшипниках скольжения 3, 4, 5, 6 ведущий 7 и ведомый роторы 8 с образованием на стороне всасывания 9 торцовых полостей 10 и 11. Торцовая полость ведущего ротора 10 связана с источником высокого давления (на фиг. не показан) через канал 12 выполненного внутри цапфы 3 (фиг. 1) или в корпусе тоpцовой крышки 13 (фиг. 2), а аналогичная полость ведомого ротора 11 связана с источником низкого давления (на фиг. не показан) через канал 14 выполненного внутри цапфы 4 (фиг. 1) или в корпусе торцовой крышки 13 (фиг. 2). Внутри расточки ведомого ротора 8 (фиг. 1) совместно со ступенчатой цапфой подшипника 4 образована дополнительная кольцевая полость 15, которая через канал 16 связана с источником высокого давления (аналогичная полость 15 на фиг. 2 образуется также ступенчатым подшипником 4 и ступенчатым ротором 8). Осевую нагрузку обеих роторов воспринимают опорно-упорные подшипники 5 и 6. В торцовой крышке 13 выполнены каналы отвода масла 17. На роторах 7 и 8 также установлены уплотнения 18 и 19.

Винтовой компрессор работает следующим образом. Газ через всасывающую камеру поступает в рабочую полость компрессора 2, образованную парными полостями ведущего и ведомого роторов 7 и 8. При работе винтового компрессора под действием перепада давления между камерой нагнетания и всасывания на опорно-упорные подшипники 5 и 6 действуют осевые силы. Ввиду того, что осевые силы, действующие на ведущий и ведомый роторы 7 и 8, не равны , а при больших перепадах давления эта разница еще увеличивается. Осевая сила/ действующая на опорно-упорный подшипник каждого ротора/ равна векторой сумме.

= + где Р_т1iР_т2 - суммарная сила, действующая на торцы винтов ведущего и ведомого роторов;
Р_в1iР_а2 - сила, действующая на профильные поверхности винта ведущего и ведомого роторов;
Р_разгр1iР_разгр2 - разгрузочная сила для суммарных осевых сил ведущего и ведомого роторов соответственно.

В связи с тем, что сила действующая на профильные поверхности ведущего винта направлена в сторону всасывания, а аналогичная сила для ведомого ротора направлена в сторону нагнетания, т.е. величины и направлены в разные стороны. Вследствие этого результирующая осевая сила ведущего ротора
(2) = +
по значению превосходит результирующую силу ведомого ротора
= +
(Сакун И. Л. Винтовые компрессоры. Машиностроение. Ленинград, 1970, с. 343-347)
В компрессоре ГВ-3, 5-14/95 (Газлифт 0,4) спроектированного в АО НИИтурбокомпрессор с применением данного технического решения осевые силы ведущего ротора Р_ос1 составили 570 кг, а ведомого ротора Р_ос2 - 2600 кг при перепаде давления сжимаемого газа 80 кг/см² в одной ступени. При подаче рабочей среды в полость 10 ведущего ротора 7 под давлением Р₁от источника высокого давления (на рис. не показан) сила разгрузки обуславливается произведением P₁S₁(S₁ - площадь торцовой стенки расточки ведущего ротора). Остаточную силу воспринимали опорно-упорный подшипник 5.

(4) R_o1 = P_oc1- P₁S₁ (фиг. 3)
Для разгрузки ведомого ротора 8 от осевой силы которая по значению значительно ниже, чем в ведущем роторе, выполнена изолированная кольцевая полость 13, образованная ступенчатым выполнением ротора и подшипника (фиг. 1,2), которая будучи сообщенная с источником высокого давления, аналогично подаваемому в торцовую полость ведущего ротора 10, а торцовая полость 11 сообщена с источником низкого давления. В качестве источников давления необязательно наличие двух насосов. Например известна схема компрессорной установки с винтовым воздушным маслозаполненным компрессором (Винтовые компрессорные машины. Справочник. Машиностроение. Ленинград, 1977, с. 14, рис. 1,9. Амосов, Бобриков, Шварц, верный). В качестве источника высокого давления может быть выбрано давление масла, подаваемого из маслоотделителя в полость сжатия компрессора, на смазку и уплотнение, значение которого соответствует давлению нагнетания, а в качестве источника низкого давления можно взять давление масла, величина которого соответствует величина всасывания или же атмосферному давлению.

Разгрузка осевого усилия ведомого ротора 8 с целью создания оптимальной нагрузки на опорно-упорный подшипник 6 производится путем подбора соотношения торцовой площади кольцевой изолированной полости S₃и торцовой площади S₂ полости 11.

(5) R_o2 = P_oc2-(P₁S₃ + P₂S₂) P₁ > P₂
Таким образом обеспечивается соответствие разгрузочных сил осевым силам роторов и обеспечивается оптимальная допустимая нагрузка, действующая на упорные подшипники ведущего и ведомого роторов.

Возможно конструктивное выполнение изолированной кольцевой полости и на обоих роторах, в частности путем подбора соотношения торцевой площади кольцевой изолированной полости и торцовой площади цапфы, но оно обеспечивает удовлетворительной разгрузки обоих роторов от осевых сил.

Технико-экономический эффект данного изобретения состоит в том, что данное техническое решение позволяет надежно, конструктивно, просто разгрузить оба ротора в осевом направлении в соответствии с величинами осевых усилий каждого ротора, что позволяет повысить надежность и долговечность подшипниковых опор винтового компрессора.

Сущность изобретения: в рабочей камере корпуса установлены на подшипниках скольжения ведущий и ведомый роторы с образованием на стороне всасывания между подшипником и ротором торцевых полостей, связанных с источником давления для разгрузки роторов от осевых усилий. Один из роторов совместно с подшипником выполнен ступенчатым с образованием изолированных друг от друга кольцевой и торцевой полостей. Одна полость сообщена с источником высокого давления, другая - с источником низкого давления. Изолированная кольцевая полость ведомого ротора и торцевая полость ведущего ротора сообщены с источником высокого давления. Торцевая полость ведомого ротора сообщена с источником низкого давления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР, содержащий корпус с рабочей камерой, установленные в ней на подшипниках скольжения ведущий и ведомый роторы с образованием на стороне всасывания между пошипником и ротором торцевых полостей, связанных с источником давления для разгрузки роторов от осевых усилий, отличающийся тем, что по крайней мере один из роторов совместно с подшипником выполнены ступенчатыми с образованием изолированных одна от другой кольцевой и торцевой полостей, одна из которых сообщена с источником высокого давления, а другая - с источником низкого давления. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что изолированная кольцевая полость ведомого ротора и торцевая полость ведущего ротора сообщены с источником высокого давления, а торцевая полость ведомого ротора - с источником низкого давления.