ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2003 года по МПК F04C18/16 

Изобретение относится к винтовому компрессору, в корпусе которого установлены основной винт и вспомогательный винт, каждый из которых имеет вал и винтовой ротор.

Винтовые компрессоры применяют для сжатия газообразного вещества, например воздуха, и для выдачи его в виде сжатого газа. Из DE-A-4227332 известен винтовой компрессор, в котором приводимый в действие электродвигателем основной винт приводит в действие вспомогательный винт. Валы основного и вспомогательного винтов на обоих концах радиально опираются на роликовые подшипники. Кроме того, валы обоих винтов соответственно на одном конце опираются в осевом направлении на несколько шарикоподшипников. Эти упорные подшипники воспринимают возникающие между винтовыми роторами за счет сжатия газа силы в осевом направлении основного и вспомогательного винтов. Подшипники качения во время работы выделяют тепло, которое приводит к неравномерному распределению тепла и тем самым к напряжениям в валу. Из DD-PS 84891 и US-A-3811805 известны компрессоры, в которых основной и вспомогательный винты имеют соответственно упорные подшипники, которые выполнены в виде подшипников скольжения и поэтому создают меньше тепла. В US 3275226 раскрыт винтовой компрессор, в котором основной и вспомогательный винты в осевом направлении опираются на подшипники качения, причем основной винт в осевом направлении дополнительно опирается на диск. Из-за большого количества подшипников для основного и вспомогательного винтов конструкции известных винтовых компрессоров являются сложными и за счет этого их изготовление становится дорогим.

Задача изобретения состоит в создании такого винтового компрессора, в котором опоры основного и вспомогательного винтов будут упрощены и усовершенствованы.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.

Для решения указанной задачи в винтовом компрессоре с корпусом, в котором расположены основной винт и вспомогательный винт, которые имеют соответственно вал и винтовой ротор, вспомогательный винт в осевом направлении опирается на основной винт. Только основной винт имеет вращающуюся осевую опорную часть, которая опирается на неподвижную осевую опорную часть корпуса. Таким образом, вспомогательный винт опирается непосредственно на корпус только через радиальные подшипники. Однако, вспомогательный винт больше не опирается непосредственно на корпус собственным упорным подшипником. Осевые усилия вспомогательного винта передаются через его винтовой ротор на винтовой ротор основного винта. Таким образом, упорный подшипник основного винта, образованный осевыми опорными частями основного винта и корпуса, воспринимает все осевые усилия основного винта и вспомогательного винта.

За счет отсутствия упорного подшипника между вспомогательным винтом и корпусом уменьшаются общие затраты на установку основного и вспомогательного винтов по меньшей мере на один (упорный) подшипник.

Упорный подшипник, опирающийся на корпус, предусмотрен только для основного винта, на который и без того воздействует наибольшая часть возникающих при сжатии газа осевых усилий. Вспомогательный винт, на который воздействуют значительно меньшие осевые усилия при сжатии газа, через боковые поверхности зубцов своего винтового ротора опирается на винтовой ротор основного винта.

Основной винт целесообразно имеет единственный упорный подшипник, поскольку на основной винт действуют большие осевые усилия, чем на вспомогательный винт. При такой конструкции необходимо передавать лишь относительно небольшие осевые усилия вспомогательного винта через зубцы винтового ротора на основной винт. Однако в принципе вспомогательный винт может также опираться в осевом направлении на корпус через упорный подшипник, в то время как основной ротор опирается в осевом направлении через винтовые роторы на вспомогательный винт и не имеет собственного упорного подшипника на корпусе.

В предпочтительном варианте выполнения образованный осевыми опорными частями упорный подшипник является подшипником скольжения. Радиальные подшипники также могут быть выполнены как подшипники скольжения. Упорный подшипник скольжения конструктивно намного проще, чем подшипник качения, и поэтому обеспечивает более дешевое изготовление винтового компрессора. Подшипники скольжения имеют дополнительное преимущество, состоящее в том, что они не создают сколько-нибудь значительного тепла, так что валы винтов даже при высоких скоростях вращения остаются свободными от напряжений. Подшипник скольжения можно смазывать тем же средством, которое используется также в качестве смазывающего и уплотняющего средства в компрессорной камере. В качестве антифрикционной, смазывающей и уплотняющей жидкости может использоваться масло или вода. Однако для подшипника может использоваться также воздух.

При ременном приводе основного винта на стороне привода предпочтительно используют подшипник качения в качестве радиального подшипника, поскольку подшипники скольжения не пригодны для восприятия экстремально высоких радиальных нагрузок.

В предпочтительном варианте выполнения вспомогательный винт опирается в осевом направлении на основной винт исключительно через находящиеся в зацеплении зубцы винтовых роторов. Зубцы винтовых роторов могут быть выполнены так, что на вспомогательном винте возникают очень незначительные осевые усилия или вообще не возникают осевые усилия, так что эти небольшие осевые усилия могут легко передаваться на осевой винт через зубцы винтовых роторов. Нет необходимости в дополнительном устройстве для передачи осевых усилий с вспомогательного винта на основной винт.

Вспомогательный винт предпочтительно имеет осевое натяжное устройство, которое предварительно нагружает вспомогательный винт в осевом направлении в сторону выхода. Осевое натяжное устройство не имеет осевого упора, на который мог бы опираться вспомогательный винт, а воздействует на вспомогательный винт, предпочтительно вал вспомогательного винта, с постоянной силой предварительного натяжения, которая приблизительно соответствует ожидаемой осевой нагрузке вспомогательного винта, вызываемой сжатием газа. Таким образом, натяжное устройство приблизительно компенсирует возникающие на вспомогательном винте осевые усилия, так что с вспомогательного винта на основной винт должны передаваться только очень небольшие или никакие усилия. В предпочтительном варианте выполнения осевое натяжное устройство является гидравлическим натяжным устройством, которое воздействует на вал или винтовой ротор вспомогательного винта. Однако натяжное устройство может приводиться в действие также воздухом.

Осевая опорная часть основного винта предпочтительно расположена на винтовом роторе основного винта. На корпус опирается не вал основного винта, а винтовой ротор основного винта. Таким образом, винтовой ротор, на котором возникают осевые силы за счет создания давления, а также передаваемые с вспомогательного винта осевые силы, опирается непосредственно на корпус так, что осевые силы могут восприниматься без передачи через дополнительную деталь. Благодаря этому вал не нагружается силами осевой нагрузки основного винта, так что на вал меньше действуют соответствующие моменты вращения и усилия сдвига.

В предпочтительном варианте в качестве осевой опорной части основного винта предусмотрена осевая торцевая сторона винтового винта. Осевая опорная часть корпуса является кольцевой рабочей поверхностью, причем обе осевые опорные части образуют подшипник скольжения. Таким образом, торцевая сторона винтового ротора основного винта образует рабочую поверхность, которая опирается на кольцевую рабочую поверхность корпуса. При этой конструкции нет необходимости предусматривать на основном винте специальные опорные части. Таким образом, при такой конструкции изготовление основного винта требует небольших затрат.

В альтернативном варианте выполнения основной винт на расположенной на стороне всасывания осевой торцевой стороне винтового ротора имеет в качестве осевой опорной части шайбу подшипника скольжения, которая совместно с осевой опорной частью - рабочей поверхностью корпуса образует подшипник скольжения. Итак на одной торцевой части винтового ротора основного винта предусмотрена кольцеобразная шайба подшипника скольжения, которая образует замкнутую радиальную рабочую поверхность.

Торцевая стенка винтового винта, соответственно, шайба скольжения предпочтительно имеет проходящие по существу радиально канавки для антифрикционной жидкости. По этим канавкам антифрикционная жидкость, которая вводится вблизи вала, соответственно, у основания винтового ротора, может за счет центробежных сил проходить дальше наружу. Таким образом, по всему радиусу и периметру винтового ротора образуется пленка скольжения.

В предпочтительном варианте выполнения канавки имеют дугообразную форму, причем радиально наружный конец каждой канавки загнут противоположно направлению вращения ротора. За счет этого обеспечивается очень равномерное распределение антифрикционной жидкости по всему радиусу и периметру винтового винта.

Канавки предпочтительно имеют Т-образную форму, причем вертикальная часть расположена в радиальном направлении, а горизонтальная часть - касательно к направлению окружности. Т-образные канавки обеспечивают хорошую смазку подшипников скольжения при обоих направлениях вращения основного винта.

В предпочтительном варианте выполнения торцевая поверхность винтового ротора вспомогательного винта опирается в осевом направлении на шайбу подшипника скольжения основного винта. Таким образом, торцевая поверхность роторных зубцов вспомогательного винта упирается в расположенную со стороны ротора шайбу подшипника скольжения. За счет этого с помощью простых средств реализуется осевая опора вспомогательного винта, через которую могут передаваться также большие осевые усилия.

В предпочтительном варианте выполнения винтовой ротор, вал и шайба подшипника скольжения основного винта выполнены вместе в виде одной детали. Основной винт можно изготовить из выполненных из разного материала соединительных элементов путем литья, литья под давлением и т.п. в негативную форму.

В качестве альтернативного решения, шайбу подшипника скольжения можно выполнять отдельно и укреплять на валу и/или винтовом роторе с помощью литья, резьбового соединения или другим образом. При таком отдельном изготовлении шайбы подшипника скольжения и основного винта можно выбирать различные материалы для вала, ротора и шайбы подшипника скольжения, которые лучше соответствуют физическим требованиям к каждой из деталей. Винтовой ротор может быть изготовлен обычным образом, например из соединительных элементов из разного материала, фрезерованием, а затем к винтовому ротору может быть присоединена с помощью резьбового соединения металлическая шайба подшипника скольжения.

Согласно предпочтительному варианту выполнения на вал основного, соответственно, вспомогательного винта нанесен специальный рабочий слой радиальной опоры. Основной винт может быть изготовлен, например, в виде одной детали, а затем на вал наносится суперскользящий материал для радиальной опоры.

Ниже приводится описание примеров выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - винтовой компрессор, содержащий основной винт с осевым подшипником скольжения и вспомогательный винт, который в осевом направлении опирается на основной винт;
фиг.2 - первый вариант выполнения осевой опорной части основного винта;
фиг.3 - второй вариант выполнения осевой опорной части основного винта;
фиг.4 - третий вариант выполнения осевой опорной части основного винта;
фиг. 5 - первый вариант выполнения основного винта с отдельной опорной шайбой подшипника скольжения;
фиг. 6 - основной винт и установленная шайба подшипника скольжения по фиг.5;
фиг. 7 - второй вариант выполнения основного винта, выполненного как единое целое;
фиг. 8 - третий вариант выполнения основного винта, на вал которого нанесен рабочий слой радиальной опоры.

На фиг.1 представлен винтовой компрессор 10, который служит для создания не содержащего масла сжатого газа, например воздуха. Винтовой компрессор 10 состоит из корпуса 12, в котором расположены параллельно друг другу основной винт 14 и вспомогательный винт 16. Основной винт 14 состоит из вала 18, винтового ротора 20 и шайбы 22 подшипника скольжения, которая служит в качестве осевой опорной части основного винта 14. Вспомогательный винт 16 в свою очередь состоит из вала 24 и винтового ротора 26. Как вал 24, так и винтовой ротор 26 вспомогательного винта по диаметру соответственно меньше вала 18 и винтового ротора 20 основного винта 14. Как основной винт 14, так и вспомогательный винт 16 выполнены в виде одной детали из соединительных элементов из разного материала.

Основной винт 14 приводится во вращение через цапфу 28 вала, которая выведена за корпус 12. Этот привод осуществляется предпочтительно непосредственно с помощью электродвигателя, расположенного на одной оси с продольной осью основного винта.

Для восприятия радиальных сил, которые действуют на основной винт 14, вал 18 основного винта установлен в корпусе 12 на двух радиальных подшипниках 30, 32. Вспомогательный винт также установлен в корпусе 12 на двух радиальных подшипниках 34, 36. Все радиальные подшипники 30, 32, 34, 36 выполнены в виде подшипников скольжения. Заключенное в корпус 12 пространство, в котором расположены винтовой ротор 20 основного винта и винтовой ротор 26 вспомогательного винта, является камерой 27 сжатия винтового компрессора 10, в которой сжимается газ. Корпус 12 на стороне цапфы 28 вала имеет неизображенное отверстие для газа, через которое в камеру 27 сжатия может входить подлежащий сжатию газ. В образованных зубцами 21, 25 винтовых роторов 20, 26 пространствах газ сжимается в камере 27 сжатия и на противоположном осевом конце камеры 27 сжатия выпускается в сжатом состоянии через неизображенное отверстие в корпусе. Эта выходная сторона винтового компрессора, соответственно, основного и вспомогательного винтов 14, 16 называется стороной давления.

Радиальные подшипники 30, 32, 34, 36 принципиально выполнены одинаковыми. Через входы 38, 39, 41 антифрикционная жидкость, а именно вода, проходит в кольцевую канавку 44. На валу 18, 24 установлена соответствующая окруженная кольцевой канавкой 44 втулка 46 подшипника, которая имеет три соответствующих радиальных отверстия 48, через которые антифрикционная жидкость может попадать на наружный периметр соответствующего вала 18, 24.

В обоих расположенных на стороне давления радиальных подшипниках 32, 36 среда скольжения распределяется в осевом направлении вдоль вала 18, 24, при этом протекающая в направлении камеры 27 сжатия антифрикционная жидкость через кольцевую канавку 50 и коллекторные каналы 52, 54 попадает в сборник 57 антифрикционной жидкости. Через два отверстия 56, 58 антифрикционная жидкость впрыскивается в камеру 27 сжатия.

В расположенном со стороны привода радиальном подшипнике 30 основного винта 14 антифрикционная жидкость протекает вдоль втулки 46 подшипника в обоих радиальных направлениях, а именно в направлении выхода 60 антифрикционной жидкости и в направлении шайбы 22 подшипника скольжения.

В противоположном стороне давления радиальном подшипнике 34 вспомогательного винта 16 антифрикционная жидкость проходит через осевое отверстие 62 вала и три расположенных под углом 120^o друг к другу радиальных отверстия 64 вала 24 к периметру вала, соответственно, к подшипниковой втулке 47. Оттуда антифрикционная жидкость проходит по периметру вала в направлении камеры 27 сжатия.

Основной винт 14 имеет упорный подшипник 15, который выполнен в виде подшипника скольжения. Одна осевая опорная часть упорного подшипника 15 образована шайбой 22 подшипника 20 и закрывает его в осевом направлении. Другая осевая опорная часть образована кольцевой рабочей поверхностью 66 корпуса 12. Кольцевые рабочие поверхности 66, 68 шайбы 22 подшипника скольжения и корпуса 12 образуют вместе подшипник скольжения, через который винтовой ротор 20 основного винта 14 опирается непосредственно на корпус 12.

Антифрикционная жидкость для упорного подшипника 15 подводится через вход 70 в кольцевую канавку 72 вала 18 основного винта, которая проходит в осевом направлении до шайбы 22 подшипника скольжения. Антифрикционная жидкость подводится под давлением около 10 бар, которое примерно соответствует давлению сжатого газа.

Как показано на фиг.2, шайба 22 скольжения имеет несколько проходящих радиально и по дуге наружу заостряющихся канавок 23, через которые под действием возникающих при вращении основного винта 14 центробежных сил антифрикционная жидкость проходит наружу.

Антифрикционная жидкость выходит из канавок 23 шайбы 22 скольжения и образует между кольцевыми рабочими поверхностями 66, 68 упорного подшипника 15 пленку, которая обеспечивает опору скольжения. Затем антифрикционная жидкость протекает наружу и попадает, наконец, в камеру 27 сжатия.

Вспомогательный винт 16 своими зубцами 25 винтового ротора 26 находится в зацеплении с зубцами 21 винтового ротора 20 основного винта 14. Через боковые поверхности зубцов 21 и 25 осевые силы вспомогательного винта 16 передаются на зубцы 21 основного винта 14.

В зоне торцевой стороны 74 вала 24 вспомогательного винта 16 крышка 78 корпуса 12 охватывает пространство 76 для антифрикционной жидкости, в которое вводится эта жидкость для радиального подшипника 34 через вход 40. Антифрикционная жидкость воздействует своим давлением примерно в 10 бар на торцевую поверхность 74 вала 24 и создает за счет этого усилие, действующее на вспомогательный винт 16 в осевом направлении, которое противодействует действующему в результате сжатия газа на вспомогательный винт 16 осевому усилию.

Таким образом, это устройство действует в качестве пневматического натяжного устройства, которое подпружинивает вспомогательный винт 16 в осевом направлении, однако не имеет упора для фиксирования вспомогательного винта 16 в определенном осевом положении.

Наряду с осевым натяжным устройством 80 и осевой опорой вспомогательного винта через винтовые роторы 20, 26 вспомогательный винт опирается, кроме того, на тыльную сторону 82 шайбы 22 подшипника скольжения, на которую опираются торцевые стороны 83 зубцов 25 винтового винта 26 вспомогательного винта.

На фиг. 3 показан второй вариант выполнения шайбы 22' подшипника скольжения, в которой канавки 84 для антифрикционной жидкости выполнены Т-образными. При этом вертикальная канавка 85 расположена радиально, а горизонтальная канавка - тангенциально. При таком выполнении канавок 84 основной винт 14' может работать в обоих направлениях вращения, при этом в обоих направлениях вращения обеспечивается достаточная смазка.

На фиг.4 показан другой вариант выполнения основного винта 14'', в котором не предусмотрена шайба подшипника скольжения, а в качестве поверхности подшипника скольжения служит торцевая сторона 88 зубцов 25. Для лучшего распределения антифрикционной жидкости в торцевой поверхности 88 также предусмотрены дугообразные канавки 89.

На фиг. 5 показан главный винт 90, который состоит в основном из двух частей, а именно вала 92, который выполнен как единое целое с винтовым ротором 94, например из соединительных элементов из разного материала или металла, и шайбы 22' подшипника скольжения, которая выполнена из материала с хорошими свойствами скольжения. Шайба 22' подшипника скольжения имеет четыре осевые поводковые цапфы 95, которые входят в соответствующие отверстия винтового ротора 94.

Как показано на фиг.6, шайбу 22' подшипника скольжения надвигают на вал 92 и поводковые цапфы 95 вводят в соответствующие отверстия винтового ротора 94. Затем шайбу 22' подшипника скольжения соединяют с винтовым ротором 94 винтами.

В качестве альтернативного решения шайба подшипника скольжения может быть изготовлена отдельно и затем залита при отливке основного винта 90.

На фиг.7 показан основной винт 14 согласно фиг.1.

На фиг. 8 показан основной винт, в котором на вал 18 по обе стороны винтового винта 26 нанесен соответствующий рабочий слой 102 радиальной опоры, который имеет лучшие свойства скольжения, чем материал вала, и может состоять из так называемых суперскользящих материалов.

Изобретение относится к винтовому компрессору. Винтовой компрессор содержит корпус, в котором расположены основной винт и вспомогательный винт, которые имеют соответственно вал и винтовой ротор. Вспомогательный винт в осевом направлении опирается на основной винт. Только основной винт имеет вращающуюся осевую опорную часть, которая опирается на неподвижную осевую опорную часть корпуса. За счет отсутствия упорного подшипника между вспомогательным винтом и корпусом упрощена опора вспомогательного винта. 14 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Винтовой компрессор с корпусом (12), в котором расположены основной винт (14, 14'', 90) и вспомогательный винт (16), которые имеют соответственно вал (18, 24, 92) и винтовой ротор (20, 26, 94), отличающийся тем, что вспомогательный винт (16) в осевом направлении опирается на основной винт (14) и что только основной винт (14) имеет вращающуюся осевую опорную часть, которая опирается на неподвижную осевую опорную часть корпуса (12). 2. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что образованный осевыми опорными частями упорный подшипник (15) является подшипником скольжения. 3. Компрессор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вспомогательный винт (16) опирается в осевом направлении на основной винт (14) исключительно через находящиеся в зацеплении зубцы (21, 25) винтовых роторов (20, 26). 4. Компрессор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что предусмотрено осевое натяжное устройство (80), которое предварительно нагружает вспомогательный винт (16) в осевом направлении в сторону выхода. 5. Компрессор по п. 4, отличающийся тем, что осевое натяжное устройство (80) является гидравлическим натяжным устройством, которое воздействует на вал (24) или винтовой ротор (26) вспомогательного винта (16). 6. Компрессор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что осевая опорная часть основного винта (14) расположена на винтовом роторе (20). 7. Компрессор по п. 6, отличающийся тем, что в качестве осевой опорной части основного винта (14'') предусмотрена осевая торцевая сторона (88) винтового ротора (20'), а в качестве осевой опорной части корпуса (12) предусмотрена кольцевая рабочая поверхность (66), причем обе осевые опорные части образуют подшипник скольжения. 8. Компрессор по п. 6, отличающийся тем, что основной винт (14) на расположенной на стороне всасывания осевой торцевой стороне винтового ротора (20) имеет в качестве осевой опорной части шайбу (22, 22') подшипника скольжения, которая с осевой опорной частью - рабочей поверхностью (66) корпуса (12) образует подшипник скольжения. 9. Компрессор по п. 7 или 8, отличающийся тем, что торцевая стенка (88) винтового ротора, соответственно шайба (22) подшипника скольжения имеет проходящие по существу радиально канавки (23, 89) для антифрикционной жидкости. 10. Компрессор по п. 9, отличающийся тем, что канавки (23, 89) имеют дугообразную форму. 11. Компрессор по п. 9, отличающийся тем, что канавки (84) имеют Т-образную форму. 12. Компрессор по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что торцевая поверхность винтового ротора (26) вспомогательного винта опирается в осевом направлении на шайбу (22) подшипника скольжения основного винта (14). 13. Компрессор по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что винтовой ротор (20), вал (18) и шайба (22) подшипника скольжения основного винта (14) выполнены вместе в виде одной детали. 14. Компрессор по любому из пп. 8-12, отличающийся тем, что шайба (22') подшипника скольжения соединена с валом (92) или с винтовым ротором (94) основного винта (90) посредством литья, резьбового соединения или другим образом. 15. Компрессор по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что на вал (18, 24) основного и/или вспомогательного винта (14, 16) нанесен рабочий слой (102) радиальной опоры.