КОМПРЕССОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ВИНТОВОГО КОМПРЕССОРА (ВАРИАНТЫ) И ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2019 года по МПК F04C18/16 F04C29/00 

Настоящее изобретение относится к компрессорному элементу винтового компрессора для сжатия газа.

Известные компрессорные элементы указанного типа содержат корпус с входным отверстием для газа на входной стороне и выходным отверстием для газа на выходной стороне и двумя роторными камерами, в которых на подшипниках установлены два винтовых ротора, сцепленных вместе, когда их приводят в действие с целью сжатия газа, соответственно ведущий ротор с приводным зубчатым колесом для приведения в действие ведущего ротора с помощью редуктора и ведомый ротор, приводимый в действие ведущим ротором с помощью синхронизирующих зубчатых колес, при этом по меньшей мере одно синхронизирующее зубчатое колесо расположено на ведущем роторе и одно синхронизирующее зубчатое колесо расположено на ведомом роторе, при этом синхронизирующие зубчатые колеса в общем выполнены так, чтобы, при приведении в действие, ведущий ротор вращался быстрее ведомого ротора.

При приведении компрессорного элемента в действие между двумя роторами образуются камеры, которые заполняются газом на входном отверстии, при этом при вращении роторов эти камеры перемещаются от входной стороны к выходной стороне и уменьшаются в размерах, так что содержащийся в них газ сжимается и доставляется при большем давлении в расположенную дальше по ходу сеть клиента через напорную трубку, которая соединена с выходным отверстием.

Из-за сжатия со стороны газов к роторам приложены силы, которые стремятся оттолкнуть роторы от выходной стороны в направлении входной стороны.

Приводное зубчатое колесо на ведущем роторе выбрано так, что при осуществлении привода с помощью приводного зубчатого колеса действует сила с осевой составляющей, направленной от входного отверстия к выходному отверстию, таким образом указанная осевая составляющая ориентирована противоположно осевой составляющей силы, приложенной газом к ведущему ротору, так что эта сила, действующая со стороны газа, частично компенсируется силой тяги приводного зубчатого колеса, так что осевые подшипники испытывают воздействие меньших сил.

Синхронизирующие зубчатые колеса также прикладывают к роторам некоторую силу, при этом указанная сила, действующая на ведущий ротор, в общем, добавляется к силе, действующей на указанный ротор со стороны газа, причем в случае ведомого ротора указанная сила противодействует силе, действующей со стороны газа.

Когда компрессорный элемент приводится в действие без нагрузки, другими словами без подачи сжимаемого газа, отсутствуют или минимальны силы, действующие со стороны газа, так что результирующие силы приводного зубчатого колеса и синхронизирующих зубчатых колес могут стремиться толкать роторы в противоположном направлении к выходному отверстию, в отличие от ситуации с нагрузкой, когда подают сжимаемый газ.

Во время динамических переходных режимов могут возникать силы, которые толкают роторы в одном или другом направлении.

Это означает, что направление результирующих сил, которые действуют на роторы, зависит от режима, с нагрузкой или без нагрузки, и того, является ли ситуация статической или динамической, так что в некоторых обстоятельствах эти силы стремятся толкать роторы к входной торцевой поверхности корпуса на стороне входа, а в других обстоятельствах – к выходной торцевой поверхности корпуса на выходной стороне.

Для предотвращения контакта роторов с одной из двух торцевых поверхностей корпуса, в общем, роторы закреплены с помощью двух осевых подшипников, более конкретно, на одном подшипнике на входной стороне и на одном подшипнике на выходной стороне, что дополняется радиальным подшипником на каждой стороне роторов.

В других случаях, как, например, в компрессоре, описанном в документе DE 3810505 A, динамический упорный подшипник предусмотрен на входной стороне двух роторов, а радиальные подшипники предусмотрены на каждой стороне двух роторов.

В еще одном примере, раскрытом в документах US 2002037229 A и JPS 57105584 A, радиальные подшипники предусмотрены на стороне всасывания корпуса, а радиальные и осевые подшипники – на стороне нагнетания корпуса компрессора. Такие конструкции являются очень сложными.

Кроме того, известна ситуация, когда компрессорные элементы винтового типа снабжают средствами в виде пружины или цилиндра для приложения дополнительной механической осевой силы или силы предварительного напряжения на каждый ротор, чтобы облегчить нагрузку на подшипники и/или предотвратить, при отсутствии сил, действующих со стороны газа, в ненагруженном режиме, ситуацию, когда осевые приводные силы со стороны приводного зубчатого колеса и синхронизирующих зубчатых колес толкают или тянут роторы относительно корпуса. Указанные средства, в общем, встроены в крышку подшипников, так что она должна быть выполнена более толстой и тяжелой.

Недостаток таких прикладывающих силу средств заключается в том, что они отрицательно влияют на цену компрессорного элемента и, в некоторых обстоятельствах, также увеличивают нагрузку на подшипники вместо ее уменьшения, так что нужны подшипники большего размера.

Если в качестве прикладывающих силу средств используются поршни, то можно управлять приложенной силой, но такое управление влечет за собой дополнительные затраты, делает компрессорный элемент более подверженным возможным поломкам и увеличивает размер и массу крышки подшипников и, следовательно, также увеличивает силы и вибрации, действующие на корпус компрессорного элемента.

Осевая цапфа ведущего ротора, на которой установлено приводное зубчатое колесо, испытывает воздействие сравнительно большой изгибающей силы из-за радиальных сил, которые приложены к нему со стороны приводного зубчатого колеса. Указанная ситуация обладает недостатком, заключающимся в том, что в определенных экстремальных ситуациях осевой подшипник ведущего ротора, который установлен на этой осевой цапфе, может наклоняться, что может привести к ограничению рабочего диапазона компрессорного элемента.

Известные компрессорные элементы описываемого типа являются приводимыми на выходе, что означает, что редуктор с приводным зубчатым колесом расположен на горячей выходной стороне компрессорного элемента, при этом осевой подшипник, расположенный на этой стороне роторов, контактирует с менее чистой окружающей средой редуктора, что может оказывать негативное воздействие на его срок службы. Этот осевой подшипник называется главным подшипником, и его главная функция заключается в локальном удержании рассматриваемого ротора в осевом направлении.

Из-за изменяющегося перепада температур в осевом направлении роторов, зависящего от режима компрессорного элемента, также возникают изменения длины вала роторов, при этом разные температуры ведущего и ведомого роторов приводят к разным изменениям длин двух роторов и, таким образом, изменению взаимного положения по оси двух синхронизирующих зубчатых колес. Это взаимное смещение по оси синхронизирующих зубчатых колес, в случае косых зубьев синхронизирующих зубчатых колес, приводит к нежелательному эффекту, состоящему в том, что при изменении температуры изменяется синхронизация между роторами.

Для известных приводимых на выходе компрессорных элементов синхронизирующие зубчатые колеса находятся на выходной стороне, другими словами, на противоположной стороне ротора, где расположен главный подшипник, и, таким образом, на сравнительно большом расстоянии от этого главного подшипника, так что синхронизирующие зубчатые колеса испытывают существенное взаимное смещение по оси из-за разных изменений длин роторов, имеющих место из-за изменяющихся перепадов температур, недостаток чего, в случае косых зубьев синхронизирующих зубчатых колес, заключается в нежелательно большом изменении синхронизации между ведущим и ведомым роторами.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить решение для одного или нескольких из упомянутых выше и других недостатков.

Для решения этой задачи изобретение относится к компрессорному элементу винтового компрессора для сжатия газа, при этом компрессорный элемент содержит корпус с входным отверстием для газа на входной стороне и выходным отверстием для газа на выходной стороне и роторную камеру, в которой на подшипниках установлены два винтовых ротора, сцепляющихся друг с другом при приведении их в действие с целью сжатия газа, соответственно ведущий ротор с приводом для ведущего ротора и ведомый ротор, приводимый в действие ведущим ротором с помощью синхронизирующих зубчатых колес, при этом по меньшей мере одно синхронизирующее зубчатое колесо расположено на ведущем роторе и одно синхронизирующее зубчатое колесо расположено на ведомом роторе, причем указанный привод и синхронизирующие зубчатые колеса ведущего ротора выбраны так, что при приведении в действие с ускорением роторов компрессорного элемента без сил, действующих со стороны газа, результирующая механическая приводная сила, которая приложена с помощью указанного привода и указанного синхронизирующего зубчатого колеса к ведущему ротору, содержит осевую составляющую, направленную от выходной стороны к входной стороне, при этом перемещение ведущего ротора в осевом направлении от выходной стороны к входной стороне зафиксировано с помощью единственного осевого подшипника одностороннего действия или двустороннего действия.

Приведение в действие без сил, действующих со стороны газа, означает приведение в действие, при котором роторы гипотетически приводятся в действие так, как это предусмотрено для ведущего ротора, тем не менее без возможности создания давления газа, например, путем вращения роторов в открытом корпусе и, таким образом, без учета воздействия сил, действующих со стороны газа, которые вместе с механическими силами передачи могут влиять на направление, в котором приводная сила, приложенная синхронизирующим зубчатым колесом ведущего ротора, действует на этот ротор, и которые могут даже изменить это направление приводной силы на противоположное в случае больших сил, действующих со стороны газа, причем в таком случае ведомый ротор может быть остановлен синхронизирующими зубчатыми колесами вместо приведения в действие.

Благодаря этому выбору привода и зубчатых колес результирующая осевая приводная сила, приложенная к ведущему ротору, всегда направлена в том же направлении, что и силы, действующие со стороны газа, то есть от выходной стороны к входной стороне.

Даже в условиях, когда отсутствуют силы, действующие со стороны газа, или, когда эти силы, действующие со стороны газа, малы, ротор испытывает воздействие только приводной силы, которая ориентирована в том же направлении, то есть от выходной стороны к входной стороне.

Достоинство этого заключается в том, что ведущий ротор всегда толкают в том же направлении к входной стороне, и в том, что достаточно зафиксировать ведущий ротор по оси с помощью единственного осевого подшипника, чтобы предотвратить толкание торцевой поверхности входной стороны ведущего ротора к входной торцевой поверхности корпуса, а также в том, что, так как силы действуют в одном направлении, ротор не может достичь выходной торцевой поверхности.

Достоинством этого является то, что, в случае изобретения, достаточно единственного осевого подшипника на одной стороне ведущего ротора, в отличие от известных винтовых компрессоров, в которых осевой подшипник применяют на каждой стороне ведущего ротора винтового компрессора.

Достоинство только одного осевого подшипника заключается в том, что в результате могут быть уменьшены механические потери в подшипниках, особенно с учетом того факта, что из двух роторов быстрее вращается ведущий ротор.

Другое достоинство заключается в том, что единственный осевой подшипник ведущего ротора, более конкретно «главный подшипник», как было ранее, образует единственную точку крепления, где ведущий ротор удерживается по оси, и что в этом случае отсутствует второй осевой подшипник, который создает дополнительную силу предварительного напряжения для главного подшипника. Также сопутствующим достоинством является то, что любое изменение длины ведущего ротора, в результате изменения температуры, не означает никакого дополнительного изменения формы пружины предварительного напряжения, так что не происходит никаких дополнительных изменений сил.

Так как осевые силы, действующие на ведущий ротор, всегда направлены в одном и том же направлении, осевого подшипника одностороннего действия достаточно, хотя изобретение не исключает использования, в качестве альтернативы, осевого подшипника двустороннего действия, когда, например в исключительных случаях, объединенные осевые силы, действующие на ведущий ротор, могут ненадолго изменить направление из-за динамических эффектов при переходе от одного режима к другому.

Осевой подшипник одностороннего действия обеспечивает достоинство, заключающееся в большей эффективности.

По той же самой причине, заключающейся в том, что объединенные силы, действующие на ведущий ротор, всегда действуют в одном и том же направлении, не нужно средств компенсации сил для ведущего ротора, таких как пружина или поршень, для получения осевого предварительного напряжения для ведущего ротора, даже при вращении компрессорного элемента в ненагруженном положении.

Это означает упрощение компрессорного элемента по сравнению с известными компрессорными элементами для винтовых компрессоров, что приводит к меньшему количеству компонентов и, таким образом, меньшему риску неисправностей.

В определенных случаях отсутствие средств компенсации сил также обеспечивает более низкую осевую нагрузку осевого подшипника, так что может быть выбран меньший подшипник и в результате возможна большая скорость ведущего ротора, которую невозможно было рассматривать до настоящего времени.

Дополнительное достоинство заключается в том, что в крышке синхронизирующих зубчатых колес не нужно предусматривать пространство для расположения средств компенсации сил, так что эта крышка может быть менее высокой и легче, и подшипник может быть доступнее для сборки.

Предпочтительно, чтобы компрессорный элемент являлся приводимым на входе компрессорным элементом, другими словами компрессорным элементом, в котором привод ведущего ротора установлен на входной стороне этого ротора, при этом синхронизирующие зубчатые колеса установлены на выходной стороне, и единственный осевой подшипник ведущего ротора установлен на выходной стороне.

Достоинство этого заключается в том, что единственный осевой подшипник, который выполняет роль главного подшипника, установлен в месте, удаленном от загрязненной окружающей среды редуктора, и помещен под закрывающую крышку, в которой синхронизирующие зубчатые колеса также расположены более безопасно, отдельно от окружающей среды.

Более того, в этом случае единственный осевой подшипник ведущего ротора находится на другой стороне ротора, где установлено приводное зубчатое колесо, так что этот единственный подшипник находится под гораздо меньшим влиянием изгиба вала ведущего ротора, который вызван радиальными силами, приложенными к этому валу при его приведении в действие приводным зубчатым колесом, так что таким образом решается проблема возможного наклона осевого подшипника.

Кроме того, синхронизирующие зубчатые колеса находятся на той же стороне ротора, что и главный подшипник, и, таким образом, на меньшем расстоянии по оси от главного подшипника, который локально фиксирует ведущий ротор в осевом направлении.

Это обеспечивает преимущество, заключающимся в том, что изменения длины роторов из-за изменяющихся перепадов температур во время работы компрессорных элементов оказывает только небольшое влияние на осевое перемещение синхронизирующих зубчатых колес друг относительно друга и, в результате, оказывает только небольшое воздействие на изменение синхронизации между ведущим и ведомым роторами, что является следствием указанного.

Предпочтительно, чтобы ведущий ротор был установлен в радиальном направлении на двух радиальных подшипниках, соответственно одном радиальном подшипнике на входной стороне, где расположено приводное зубчатое колесо, и втором радиальном подшипнике, расположенном на выходной стороне.

Таким образом, только один радиальный подшипник предусмотрен на осевой цапфе, на которой установлено приводное зубчатое колесо, без дополнительного осевого подшипника, как в обычных винтовых компрессорах, так что эта осевая цапфа может быть выполнена более короткой и, в результате этого, с меньшим изгибом, а крышка подшипников на входной стороне может быть выполнена менее высокой и, таким образом, менее тяжелой, так как в случае настоящего изобретения должен поддерживаться только один радиальный подшипник ведущего ротора.

В соответствии с практическим вариантом осуществления изобретения, для ведущего ротора выбирают привод, который прикладывает приводную силу к ведущему ротору с осевой составляющей, которая равна нулю или, если не равна нулю, то направлена от выхода к входу, и для синхронизирующего зубчатого колеса указанного ротора выбрано зубчатое колесо с косыми или винтовыми зубьями, при этом направления винтовых поверхностей синхронизирующего зубчатого колеса и ведущего ротора совпадают относительно осевого направления ведущего ротора.

Таким образом, результирующая приводная сила, приложенная со стороны привода и синхронизирующих зубчатых колес к ведущему ротору, всегда направлена от выхода к входу и, в результате, в том же направлении, что и силы, действующие со стороны газа, если они присутствуют.

С этой целью предпочтительно, чтобы привод ведущего ротора был выполнен в виде приводного зубчатого колеса с косыми зубьями, которые выбраны так, чтобы направления винтовых поверхностей приводного зубчатого колеса и ведущего ротора относительно осевого направления ведущего ротора были противоположны, так что приводная сила, приложенная приводным зубчатым колесом к ведущему ротору, была направлена от выхода к входу.

В качестве альтернативы, привод может быть выбран с приводным зубчатым колесом с прямыми зубьями, чтобы, таким образом, прикладывать очень малую силу к ведущему ротору или вообще не прикладывать никакой силы.

Одной из возможностей является прямой привод ведущего ротора, при этом приводимый в действие ведущий ротор напрямую связывают с валом двигателя.

Что касается ведомого ротора, в зависимости от режима, возникающие силы могут толкать ведомый ротор в одном или другом осевом направлении.

По этой причине ведомый ротор установлен в осевом направлении на подшипниках в корпусе компрессорного элемента с помощью двух осевых подшипников, которые, предпочтительно в случае приводимого на входе компрессорного элемента, установлены на выходной стороне ведомого ротора.

Указанная ситуация характеризуется аналогичными достоинствами, что и установка единственного осевого подшипника ведущего ротора на выходной стороне приводимого на входе компрессорного элемента, то есть в защищенной, не содержащей грязи, окружающей среде вдали от зубчатого привода и с легким доступом для сборки.

Предпочтительно, чтобы осевые подшипники были установлены на каждой стороне синхронизирующего зубчатого колеса ведомого ротора, другими словами, на каждой из разных сторон этого синхронизирующего зубчатого колеса, что содействует стабильности и уменьшению количества компонентов конструкции.

В соответствии с предпочтительным аспектом по меньшей мере на один из двух осевых подшипников действует осевая сила предварительного напряжения, предпочтительно, со стороны пружины, которая прикладывает силу предварительного напряжения, направленную от выхода к входу, другими словами, в том же направлении, что и силы, действующие со стороны газа, так что, когда отсутствуют или малы силы, действующие со стороны газа, при запуске, сила предварительного напряжения преодолевает осевую приводную силу синхронизирующего зубчатого колеса ведомого ротора с целью предотвращения втягивания ведомого ротора относительно выходной торцевой поверхности корпуса.

Предпочтительно, чтобы сила предварительного напряжения была приложена к самому наружному подшипнику из двух осевых подшипников с помощью пружины сжатия, которая зажата между этим самым наружным осевым подшипником и корпусом компрессорного элемента, например, крышкой синхронизирующих зубчатых колес, что облегчает сборку.

Наиболее предпочтительно, чтобы в качестве пружины предварительного напряжения была использована гибкая пружина, в которой отношение собственной длины к длине ротора больше 8%, при этом длина ротора определяется как осевая длина винтовой секции ротора.

Достоинство такой гибкой пружины заключается в том, что для такой пружины сила предварительного напряжения сравнительно постоянна при укорачивании или удлинении внутреннего пространства.

Предпочтительно, чтобы ведомый ротор был дополнительно установлен на двух радиальных подшипниках, соответственно одном радиальном подшипнике на входной стороне и одном радиальном подшипнике на выходной стороне ведомого ротора.

Таким образом, на входной стороне приводимого на входе компрессорного элемента присутствует только два подшипника, то есть один радиальный подшипник ведущего ротора и один радиальный подшипник ведомого ротора.

Это позволяет успешно встраивать эти радиальные подшипники внутрь крышки подшипников с ограниченной толщиной и массой.

В этом случае все другие подшипники ведущего и ведомого роторов предусмотрены на выходной стороне этих роторов в свободной от грязи окружающей среде, под крышкой синхронизирующих зубчатых колес вдали от редуктора на входной стороне и с возможностью легкого доступа при отсоединении этой крышки.

Благодаря тому факту, что в местоположении осевых подшипников практически не происходит изгиба валов роторов, в этом местоположении может быть выбран меньший диаметр вала, так что возможно выбрать меньшие осевые подшипники, которые лучше подходят для вращения с высокими скоростями.

Комбинация одного или нескольких разных инновационных, описанных выше, аспектов позволяет получить более благоприятные условия нагружения для всех оставшихся подшипников, за исключением единственного осевого подшипника ведущего ротора.

Меньшие подшипники обеспечивает достоинство, заключающееся в том, что они приводят к меньшим механическим потерям при той же скорости вращения, что позволяет получить лучшую эффективность при той же скорости вращения или позволяет увеличить скорость.

В соответствии с некоторым конкретным аспектом, могут быть выбраны один или несколько керамических осевых подшипников или гибридных подшипников с керамическими шариками, что обеспечивает достоинство, заключающееся в предоставлении возможности работать на еще больших скоростях вращения.

В соответствии с другим конкретным аспектом изобретения для приводимого на входе компрессорного элемента входная торцевая поверхность корпуса компрессорного элемента ограничена крышкой подшипников, поддерживаемой на обработанной поверхности корпуса, которая также действует в качестве опорной поверхности корпуса привода.

Таким образом, для установки крышки подшипников и корпуса привода нужна только одна обработанная поверхность, что упрощает выравнивание двух корпусов друг относительно друга.

Это также предоставляет возможность непосредственно соединять входное отверстие рубашки охлаждения корпуса компрессорного элемента, другими словами, без вмешательства внешних трубок, с выходным отверстием внутренних каналов охлаждения корпуса редуктора.

В результате не нужно устанавливать трубки, и уменьшается риск протечек из контура охлаждения.

В заключение, ясно, что благодаря комбинации различных упомянутых выше аспектов, может быть получен компактный и эффективный компрессорный элемент с исключительно малыми утечками и желаемыми, но ранее не полученными, высокими скоростями вращения.

В изобретении также предложен компрессорный элемент винтового компрессора, содержащий корпус с входным отверстием для газа на входной стороне и выходным отверстием для газа на выходной стороне и двумя роторными камерами, в которых на подшипниках установлены два винтовых ротора, сцепляющихся друг с другом при приведении их в действие с целью сжатия газа, соответственно ведущий ротор с приводом для ведущего ротора и ведомый ротор, приводимый в действие ведущим ротором с помощью синхронизирующих зубчатых колес, при этом по меньшей мере одно синхронизирующее зубчатое колесо расположено на ведущем роторе и одно синхронизирующее зубчатое колесо расположено на ведомом роторе, отличающийся тем, что он является приводимым на входе компрессорным элементом с приводом ведущего ротора на входной стороне ведущего ротора и синхронизирующими зубчатыми колесами на выходной стороне ведущего ротора, при этом ведущий ротор установлен на подшипниках в осевом направлении с помощью только одного-единственного осевого подшипника, который установлен на выходной стороне.

Это означает, что синхронизирующие зубчатые колеса находятся на небольшом расстоянии по оси от единственного осевого главного подшипника, при этом, как уже отмечено выше, достоинство этого заключается в том, что ограничено воздействие изменяющихся перепадов температур на изменение синхронизации между ведущим и ведомым роторами.

Изобретение также относится к винтовому компрессору, который снабжен компрессорным элементом, соответствующим изобретению, при этом этот компрессорный элемент приводится в действие редуктором с приводным зубчатым колесом, расположенным на ведущем роторе, который при приведении в действие прикладывает силу к указанному ротору с осевой составляющей, направленной от выходной стороны к входной стороне.

Чтобы лучше показать характеристики изобретения, далее для примера описано несколько не ограничивающих изобретение вариантов осуществления винтового компрессора с компрессорным элементом, соответствующих изобретению, при этом в описании присутствуют ссылки на приложенные чертежи.

На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение части винтового компрессора с компрессорным элементом в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 2 – поперечное сечение винтового компрессора как на фиг. 1 в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Показанный на фиг. 1 винтовой компрессор 1 содержит компрессорный элемент 2 и привод в виде редуктора 3, при этом для ясности на фигуре показана только его часть.

Компрессорный элемент 2 снабжен корпусом 4, имеющим центральную секцию 4а с двумя перекрывающимися цилиндрическими роторными камерами 5, в которых установлены два ротора 6 и 7 с винтовыми лопастями 8, соответственно ведущий ротор 6 и ведомый ротор 7, лопасти 8 которых сцеплены вместе таким образом, что между роторами 6 и 7 образованы камеры, которые, когда компрессорный элемент 2 приведен в действие, перемещаются известным образом от входного отверстия на входной стороне 9 роторов 6 и 7, которое не показано на чертежах, до выходного отверстия 10 на выходной стороне 11 роторов 6 и 7, при этом в ходе этого перемещения заключенный между ними газ сжимается.

Осевые линии X-X' и Y-Y' двух роторов 6 и 7 расположены практически параллельно друг другу, при этом роторы удерживаются в осевом направлении за счет соответствующих торцевых поверхностей 6а и 6b и 7а и 7b между входной торцевой поверхностью 12 корпуса 4, которая образована крышкой 4b подшипников, образующей часть корпуса 4, и выходной торцевой поверхностью 13, которая в этом случае находится непосредственно в центральной секции 4а корпуса 4.

Ведущий ротор 6 снабжен двумя соосными осевыми цапфами 6с и 6d, с помощью которых указанный ротор 6 с возможностью вращения установлен на подшипниках в корпусе 4, соответственно с помощью единственного радиального подшипника 14 в крышке 4b подшипников на входной стороне 9 ротора 6 и с помощью радиального подшипника 15 и одного-единственного осевого подшипника 16 на выходной стороне 11, при этом в случае, показанном на фиг. 1, этот осевой подшипник 16 является подшипником одностороннего действия, с помощью которого ротор 6 закреплен в осевом направлении с целью предотвращения прижатия торцевой поверхности 6а ведущего ротора 6 на входной стороне 9 к входной торцевой поверхности 12 корпуса 4 из-за действия сил, возникающих во время работы винтового компрессора 1.

Ведомый ротор 7 также снабжен двумя торцевыми поверхностями 7а и 7b и двумя соосными осевыми цапфами 7с и 7d, при этом осевая цапфа 7с на входной стороне 9 ротора 7 установлена на подшипниках с помощью одного-единственного радиального подшипника 17, а другая осевая цапфа 7d снабжена радиальным подшипником 18 и двумя осевыми подшипниками 19 и 20.

Корпус 4 на выходной стороне 11 снабжен крышкой 4с, которая прикреплена к центральной секции 4а корпуса 4 и под которой защищены подшипники 15, 16, 18, 19 и 20.

Прокладки 21 установлены между различными частями 4а, 4b и 4с корпуса 4.

Для настоящего изобретения характерно, что компрессорный элемент 2 является приводимым на входе компрессорным элементом, что означает, что внешний редуктор 3 компрессорного элемента 2 находится на входной стороне 9, а не на выходной стороне, как обычно.

В показанном примере редуктор 3 схематично показан как редуктор, для которого показаны только часть 3а корпуса и два зубчатых колеса 22-23 с косыми зубьями, которые сцеплены друг с другом, причём одно из которых, «приводное зубчатое колесо» 23, прикреплено непосредственно к осевой цапфе 6с ведущего ротора 6.

Приводное зубчатое колесо 23 можно рассматривать как часть компрессорного элемента 2 или как часть редуктора 3.

Ведомый ротор 7 приводится в действие ведущим ротором 6 с помощью синхронизирующих зубчатых колес на выходной стороне 11, в этом случае двух синхронизирующих зубчатых колес 24 и 25 с косыми зубьями, которые сцеплены друг с другом и из которых одно зубчатое колесо 24 прикреплено к осевой цапфе 6d ведущего ротора 6, а другое зубчатое колесо 25 прикреплено к осевой цапфе 7d ведомого ротора 7. Передаточное отношение выбрано так, что ведущий ротор 6 приводит в действие ведомый ротор 7 с меньшей скоростью.

Синхронизирующие зубчатые колеса 24-25 защищены от окружающей среды с помощью упомянутой выше крышки 4с.

Синхронизирующее зубчатое колесо 25 ведомого ротора 7 граничит с упомянутыми выше осевыми подшипниками 19 и 20 ведомого ротора 7, при этом эти подшипники 19 и 20 находятся по разные стороны от этого синхронизирующего зубчатого колеса 25.

На подшипник 20, который из этих двух осевых подшипников 19 и 20 является самым внешним, действует осевое предварительное напряжение со стороны пружины 26, которая зажата между рассматриваемым подшипником 20 и крышкой 4с.

Предпочтительно, чтобы эта пружина 26 являлась гибкой пружиной, изменение длины которой оказывает небольшое влияние на приложенную силу предварительного напряжения.

Гибкая пружина означает пружину, для которой отношение собственной длины к длине ротора больше 8%, при этом длина L ротора определена как длина по оси винтовой секции ротора или, другими словами, как осевое расстояние между торцевыми поверхностями рассматриваемого ротора.

Как обычно, роторы 6 и 7 уплотнены с помощью уплотнений 27.

В соответствии с конкретным аспектом изобретения, выбор приводимого на входе компрессорного элемента 2 позволяет предусмотреть в центральной секции 4а корпуса 4 на входной стороне 9 одну-единственную обработанную поверхность 28, которая действует как установочная поверхность 28 для крышки 4b подшипников на входной стороне 9 и как установочная поверхность 28 для корпуса 3а редуктора 3, что облегчает осевое выравнивание двух корпусов 4 и 3а.

Центральная секция 4а корпуса компрессорного элемента 2 снабжена рубашкой 29 охлаждения с входным отверстием 30, которое в случае фиг. 1 соединено с внутренним каналом 31 охлаждения редуктора 3, при этом указанное соединение уплотнено с помощью простого кольцевого уплотнения 32.

Работа устройства 1 очень проста и будет описана ниже.

Когда компрессорный элемент 1 приводится в действие в направлении вращения, которое показано стрелками R на фиг. 1, газ втягивается известным образом благодаря сцеплению роторов 6 и 7 через входное отверстие компрессорного элемента 2 и после сжатия выталкивается через выходное отверстие 10.

В результате сжатия ведущий ротор 6 и ведомый ротор 7 испытывают действие силы, действующей со стороны газа, при этом осевые составляющие Fg и Fg' указанной силы направлены от выходной стороны 11, где давление выше по сравнению с входной стороной 9, где давление меньше.

Более того, роторы 6 и 7 испытывают воздействие сил, возникающих благодаря механическим приводным силам, воздействующим на роторы 6 и 7 со стороны зубчатых колес 23, 24 и 25, более конкретно, сил с осевыми составляющими Fp и Fs, которые приложены со стороны приводного зубчатого колеса 23 и синхронизирующего зубчатого колеса 24 на ведущий ротор 6, и осевой силы Fs', которая действует со стороны другого синхронизирующего зубчатого колеса 25 на ведомый ротор 7, как в случае запуска, при котором не учитываются силы, действующие со стороны газа, другими словами, в гипотетических обстоятельствах, когда роторы 6 и 7 ускоряются без создания давления и, таким образом, без сил, действующих со стороны газа, например, в случае открытой роторной камеры 5 корпуса 4 компрессорного элемента 2.

В соответствии с изобретением, направление косых зубьев косых зубчатых колес 23 и 24 ведущего ротора 6 выбрано так, чтобы осевые силы Fp и Fs действовали в том же направлении, что и упомянутая выше направленная по оси сила Fg, так что ведущий ротор 6 испытывает воздействие только сил, которые стремятся толкать ротор 6 в направлении входной стороны 9.

Таким образом, осевой подшипник 16 ведущего ротора 6 предотвращает контакт торцевой поверхности 6а ведущего ротора 6 с входной торцевой поверхностью 12 корпуса 4 без дополнительных средств в виде пружины, штока или других средств компенсации, которые для этого необходимы.

Для осуществления этого на фиг. 1 выбраны косые зубья, при этом направления линий зубьев приводного зубчатого колеса 23 и винтовой поверхности ведущего ротора 6 относительно осевого направления X-X' ведущего ротора 6 противоположны, при этом направления линий зубьев зубчатого колеса 24 и винтовой поверхности ведущего ротора 6 совпадают относительно осевого направления X-X' ведущего ротора 6. Другими словами, это означает, что наименьший угол А, измеренный между осевым направлением X-X' и касательным направлением винтовых лопастей 8 ведущего ротора 6 положительный или, другими словами, ориентирован в направлении по часовой стрелке и что угол В, измеренный между осевым направлением X-X' и косыми зубьями синхронизирующего зубчатого колеса 24, является положительным или, другими словами, ориентирован в направлении по часовой стрелке, при этом угол С, измеренный между осевым направлением X-X' и косыми зубьями приводного зубчатого колеса 23, является отрицательным или, таким образом, ориентирован в направлении против часовой стрелки.

Конечно, синхронизирующее зубчатое колесо 25 ведомого ротора 7 имеет зубья, которые являются ответными зубьям синхронизирующего зубчатого колеса 24 ведущего ротора 6, из чего следует, что направленная по оси сила Fs', действующая на ведомый ротор 7 со стороны синхронизирующего зубчатого колеса 25, противоположна направленной по оси силе Fg', действующей со стороны газа на ведомый ротор 7, когда винтовой компрессор 1 работает под нагрузкой.

Более того, ведомый ротор 7 испытывает воздействие направленной по оси силы Fv' в результате предварительного напряжения пружины 26, при этом сила Fv' направлена противоположно силе Fs' синхронизирующего зубчатого колеса 25 и выбрана так, что в состоянии без нагрузки, когда сила Fg', действующая со стороны газа, отсутствует, сила Fv' предварительного напряжения по меньшей мере компенсирует остающуюся силу Fv'.

Ясно, что крышка 4с на выходной стороне 11 может быть легко отсоединена, так что можно легко получить доступ для сборки и/или осмотра ко всем осевым подшипникам 16, 19 и 20, а также радиальным подшипникам 15 и 18, синхронизирующим зубчатым колесам 24 и 25 и пружине 26 предварительного напряжения.

Толщина Н и масса крышки 4b подшипников на входной стороне 9 сравнительно ограничены, так как необходимо разместить только два радиальных подшипника 14 и 17. Более того, эта крышка 4b подшипников установлена в корпусе 3а редуктора 3, что означает сохранение осевой длины винтового компрессора 1 по сравнению с существующими винтовыми компрессорами аналогичных возможностей.

В случае утечки в месте расположения кольцевого уплотнения 32 существует только риск протечки охлаждающей среды в редуктор, так что масло этого редуктора может быть испорчено, но это менее катастрофично по сравнению с тем, когда протечка имеет место в том же месте в известных компрессорных элементах, при этом в таком случае охлаждающая среда может проникнуть в роторные камеры 5 компрессорного элемента 2, что приведет к немедленной остановке компрессорного элемента 2.

По той же причине не предусмотрено уплотнений между каналом 30 охлаждения и крышкой 4b. Любые отверстия, необходимые для реализации каналов охлаждения в литой рубашке 29 охлаждения, уплотнены между рубашкой 29 охлаждения и крышкой 4с. Примером этого является уплотнение 33 на фиг. 1. На фиг. 2 показан вариант компрессорного элемента 2, соответствующего изобретению, причем в этом случае наклон винтовой поверхности ведущего ротора 6 ориентирован в противоположном направлении относительно «винтовой поверхности с левой ориентацией» вместо винтовой поверхности с правой ориентацией ведущего ротора 6, показанного на фиг. 1.

В этом случае направления косых зубьев приводного зубчатого колеса 23 и синхронизирующих зубчатых колес 24 и 25 являются противоположными для обеспечения того, что все силы Fp, Fs и Fg, которые приложены к ведущему ротору 6, ориентированы от выходной стороны 11 к входной стороне 9.

Очевидно, что вместо зубчатых колес 22-25 с косыми зубьями, могут быть применены спиралевидные или прямые зубчатые колеса или другие формы прямого или косвенного привода, которые при приведении в действие способны прикладывать к роторам 6 и 7 осевую силу или которые, если это применимо, прикладывают малую или даже равную нулю и осевую силу к ведущему ротору.

Осевые подшипники 16, 19 и 20 могут быть подшипниками одностороннего действия или двустороннего действия, но подшипники одностороннего действия обладают достоинством, заключающемся в большей эффективности.

Ясно, что приводимый на входе компрессорный элемент 2 обладает определенными достоинствами относительно обычных приводимых на выходе компрессорных элементов, и этот аспект также может быть применен независимо, отдельно от других характеристик, которые содержатся в этом описании.

Ясно, что некоторое количество осевых и радиальных подшипников может быть применено не так, как описано выше, но это может привести к дополнительным потерям.

Также ясно, что сила Fv' предварительного напряжения может быть реализована с помощью других средств, отличных от пружины 26, например с помощью магнитного взаимодействия или с помощью поршня. Не исключено, что между синхронизирующими зубчатыми колесами 24 и 25 ведущего ротора 6 и ведомого ротора 7 могут быть предусмотрены промежуточные зубчатые колеса для приведения в действие ведомого ротора с помощью ведущего ротора.

При рассмотрении сил учитывались только осевые составляющие приложенных сил, однако также возможны радиальные составляющие. Таким образом, термин «сила» или «осевая сила» всегда означает осевую составляющую рассматриваемой силы.

Настоящее изобретение никаким образом не ограничено вариантами осуществления изобретения, которые описаны в качестве примера и показаны на чертежах, поэтому компрессорный элемент и винтовой компрессор, которые соответствуют изобретению, могут быть реализованы в любых формах и размерах, не выходя при этом за пределы объема изобретения.

Группа изобретений относится к компрессорному элементу винтового компрессора. Компрессорный элемент (2) содержит корпус (4) с входным и выходным отверстиями на входной и выходной сторонах (9, 11) соответственно и двумя роторными камерами (5), в которых установлены ведущий ротор (6) с приводом и ведомый ротор (7), приводимый в действие ротором (6) посредством синхронизирующих зубчатых колес (24 и 25). По меньшей мере одно колесо (24) расположено на роторе (6) и одно колесо (25) расположено на роторе (7). Привод и колеса (24) выбраны так, что при приведении в действие с ускорением роторов (6 и 7) без сил, действующих со стороны газа, результирующая механическая приводная сила, которая приложена с помощью привода и колеса (24) к ротору (6), содержит осевую составляющую, направленную от стороны (11) к стороне (9). Ротор (6) зафиксирован от перемещения в осевом направлении (X-X') от стороны (11) к стороне (9) с помощью осевого подшипника (16). Привод ротора (6) расположен на стороне (9). Колеса (24 и 25) расположены на стороне (11), а подшипник (16) - на стороне (11). Ротор (6) установлен с помощью двух радиальных подшипников (14, 15). Подшипники (14, 15) расположены на сторонах (9, 11) соответственно. Группа изобретений направлена на обеспечение синхронизации роторов. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Компрессорный элемент винтового компрессора (1) для сжатия газа, при этом компрессорный элемент (2) содержит корпус (4) с входным отверстием для газа на входной стороне (9) и выходным отверстием (10) для газа на выходной стороне (11) и двумя роторными камерами (5), в которых на подшипниках установлены два винтовых ротора (6 и 7), сцепляющихся друг с другом при их приведении в действие с целью сжатия газа, соответственно ведущий ротор (6) с приводом для ведущего ротора (6) и ведомый ротор (7), приводимый в действие ведущим ротором (6) посредством синхронизирующих зубчатых колес (24 и 25), при этом по меньшей мере одно синхронизирующее зубчатое колесо (24) расположено на ведущем роторе (6) и одно синхронизирующее зубчатое колесо (25) расположено на ведомом роторе (7), отличающийся тем, что привод и синхронизирующие зубчатые колеса (24) ведущего ротора (6) выбраны так, что при приведении в действие с ускорением роторов (6 и 7) компрессорного элемента (2) без сил, действующих со стороны газа, результирующая механическая приводная сила, которая приложена с помощью указанного привода и указанного синхронизирующего зубчатого колеса (24) к ведущему ротору (6), содержит осевую составляющую (Fp и Fs), направленную от выходной стороны (11) к входной стороне (9), при этом ведущий ротор (6) зафиксирован от перемещения в осевом направлении (X-X') от выходной стороны (11) к входной стороне (9) с помощью единственного осевого подшипника (16) одностороннего действия или двустороннего действия, причем компрессорный элемент является приводимым на входе компрессорным элементом (2) с приводом ведущего ротора (6), расположенным на входной стороне (9) ведущего ротора (6), и синхронизирующими зубчатыми колесами (24 и 25), расположенными на выходной стороне (11) ведущего ротора (6), при этом единственный осевой подшипник (16) ведущего ротора (6) установлен на выходной стороне (11), причем ведущий ротор (6) установлен в радиальном направлении на подшипниках с помощью двух радиальных подшипников (14 и 15), при этом соответственно один радиальный подшипник (14) расположен на входной стороне (9) ротора (6) и один радиальный подшипник (15) расположен на выходной стороне (11).

2. Компрессорный элемент по п. 1, отличающийся тем, что единственный осевой подшипник (16) ведущего ротора (6) является осевым подшипником одностороннего действия.

3. Компрессорный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что синхронизирующее зубчатое колесо (24) ведущего ротора (6) снабжено косыми или винтовыми зубьями, при этом наклон зубьев синхронизирующего зубчатого колеса (24) и наклон винтовой поверхности ведущего ротора (6) относительно осевого направления (X-X') ведущего ротора (6) обладает одинаковой ориентацией.

4. Компрессорный элемент по любому из пп. 1–3, отличающийся тем, что привод выполнен таким, что когда компрессорный элемент (2) приводится в действие, он не прикладывает к ведущему ротору (6) никакой осевой силы или прикладывает осевую силу, которая направлена от выходной стороны (11) к входной стороне (9).

5. Компрессорный элемент по п. 4, отличающийся тем, что привод на ведущем роторе (6) содержит приводное зубчатое колесо (23) с косыми или винтовыми зубьями, при этом наклон этих зубьев ориентирован противоположно наклону винтовой поверхности ведущего ротора (6) относительно осевого направления (X-X') ведущего ротора (6).

6. Компрессорный элемент по любому из пп. 1–5, отличающийся тем, что ведомый ротор (7) установлен на осевых подшипниках в корпусе (4) с помощью двух осевых подшипников (19 и 20), которые установлены на выходной стороне (11) ведомого ротора (7) и которые вместе блокируют ведомый ротор (7) в осевом направлении (Y-Y') как от входной стороны (9) к выходной стороне (11), так и от выходной стороны (11) к входной стороне (9).

7. Компрессорный элемент по п. 6, отличающийся тем, что осевые подшипники (19 и 20) установлены на обеих сторонах синхронизирующего зубчатого колеса (25) ведомого ротора (7).

8. Компрессорный элемент по п. 7, отличающийся тем, что по меньшей мере один из двух осевых подшипников (19 и 20) установлен под осевым предварительным напряжением, создаваемым пружиной (26), прикладывающей силу (Fv') предварительного напряжения, которая направлена от выходной стороны (11) к входной стороне (9).

9. Компрессорный элемент по п. 8, отличающийся тем, что предварительное напряжение приложено только к самому наружному подшипнику (20) из двух осевых подшипников (19 и 20) с помощью пружины (26), которая зажата между этим самым наружным подшипником (20) и корпусом (4с) компрессорного элемента (2).

10. Компрессорный элемент по п. 8 или 9, отличающийся тем, что в качестве пружины (26) предварительного напряжения используется гибкая пружина, при этом отношение ее собственной длины к длине ротора больше 8%, причем длина (L) ротора определяется как осевая длина винтовой секции ротора.

11. Компрессорный элемент по любому из пп. 6–10, отличающийся тем, что ведомый ротор (7) дополнительно установлен на подшипниках с помощью двух радиальных подшипников (17 и 18), один из которых расположен на входной стороне (9) и один расположен на выходной стороне (11) ведомого ротора (7).

12. Компрессорный элемент по любому из пп. 1–11, отличающийся тем, что по меньшей мере один осевой подшипник (16, 19, 20) является подшипником с центрированным по шарикам сепаратором.

13. Компрессорный элемент по любому из пп. 1–12, отличающийся тем, что по меньшей мере один осевой подшипник является гибридным подшипником с керамическими шариками.

14. Компрессорный элемент по любому из пп. 1–13, отличающийся тем, что входная торцевая поверхность (12) корпуса (4) компрессорного элемента (2) образована крышкой (4b) подшипников, поддерживаемой на обработанной опорной поверхности (28) корпуса (4), которая также действует в качестве опорной поверхности корпуса (3а) привода.

15. Компрессорный элемент винтового компрессора для сжатия газа, при этом компрессорный элемент (2) содержит корпус (4) с входным отверстием для газа на входной стороне (9) и выходным отверстием (10) для газа на выходной стороне (11) и двумя роторными камерами (5), в которых на подшипниках установлены два винтовых ротора (6 и 7), сцепляющихся друг с другом при их приведении в действие с целью сжатия газа, соответственно ведущий ротор (6) с приводом для ведущего ротора (6) и ведомый ротор (7), приводимый в действие ведущим ротором (6) с помощью синхронизирующих зубчатых колес (24 и 25), при этом по меньшей мере одно синхронизирующее зубчатое колесо (24) расположено на ведущем роторе (6) и одно синхронизирующее зубчатое колесо (25) расположено на ведомом роторе (7), отличающийся тем, что он является приводимым на входе компрессорным элементом (2) с приводом ведущего ротора (6) на входной стороне (9) ведущего ротора (6) и синхронизирующими зубчатыми колесами (24 и 25) на выходной стороне (11) ведущего ротора (6), при этом ведущий ротор (6) установлен на подшипниках в осевом направлении (X-X') с помощью только одного-единственного осевого подшипника (16), который установлен на выходной стороне (11); при этом ведомый ротор (7) установлен на осевых подшипниках в корпусе (4) с помощью двух осевых подшипников (19 и 20), которые установлены на выходной стороне (11) ведомого ротора (7) и которые вместе блокируют ведомый ротор (7) в осевом направлении (Y-Y') как от входной стороны (9) к выходной стороне (11), так и от выходной стороны (11) к входной стороне (9); причем осевые подшипники (19 и 20) установлены на обеих сторонах синхронизирующего зубчатого колеса (25) ведомого ротора (7), при этом по меньшей мере один из двух осевых подшипников (19 и 20) установлен под осевым предварительным напряжением, создаваемым пружиной (26), прикладывающей силу (Fv') предварительного напряжения, которая направлена от выходной стороны (11) к входной стороне (9).

16. Винтовой компрессор, характеризующийся тем, что он снабжен компрессорным элементом (2) по любому из пп. 1–15, приводимым в действие с помощью привода, расположенного на ведущем роторе (6), причем этот привод выполнен с возможностью приложения силы к указанному ротору (6) с осевой составляющей (Fp), направленной от выходной стороны (11) к входной стороне (9) ведущего ротора (6) или равной нулю.