ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2021 года по МПК F04C18/08 F04C18/16 F16H55/14 

Настоящее изобретение относится к винтовому компрессору.

Известно, что в безмасляных винтовых компрессорных элементах, два ротора приводятся в движение с высокой скоростью, чтобы минимизировать утечку и максимизировать выход сжатого воздуха. Первый ротор, любой или охватываемый или охватывающий ротор, приводится в движение и, в свою очередь, приводит в движение второй ротор посредством двух так называемых зубчатых колес синхронизации.

Чаще всего, первый ротор приводится в движение через коробку передач. При использовании обычного асинхронного двигателя при 1500 об/мин, необходима коробка передач с большим передаточным числом, чтобы реализовать высокую скорость, необходимую для привода безмасляного винтового компрессорного элемента. Коробка передач с большим передаточным числом является большой и дорогой и генерирует значительные потери энергии.

Также возможно использовать так называемый прямой привод, посредством которого двигатель напрямую приводит в движение безмасляный винтовой компрессорный элемент. В этом случае требуется дорогостоящая система управления двигателем, а потери, связанные с высокочастотным переключением, необходимым для управления двигателем на этих высоких скоростях, становятся значительно выше.

Следовательно, дешевле и энергоэффективнее использовать высокоскоростной двигатель с небольшой коробкой передач для привода безмасляного винтового компрессорного элемента.

Однако по сравнению с обычным решением с большой коробкой передач, использование высокоскоростного двигателя с маленькой коробкой передач более подвержено проблемам с вибрацией. С большой коробкой передач, большое зубчатое колесо многопоточной зубчатой передачи коробки передач имеет большую инерцию и предотвращает распространение вибраций, которые, например, возникают в безмасляном винтовом компрессорном элементе, через коробку передач.

Уже известно решение, позволяющее избежать вибраций при использовании высокоскоростного двигателя с небольшой коробкой передач, в результате чего используется упругая муфта. Это не только облегчит выравнивание между двигателем и первым ротором, но также обеспечит гашение вибраций.

Однако эти известные установки показывают некоторые недостатки.

Недостатком является то, что упругая муфта является дополнительным расходом, и, следовательно, размер коробки передач также увеличивается.

Кроме того, упругая муфта подвержена износу, потому что упругий материал со временем разрушается, так что упругую коробку передач необходимо регулярно заменять.

Кроме того, демпфирование упругой муфты поглощает много энергии, снижая энергоэффективность коробки передач.

В патенте США № 3371549 описано зубчатое колесо, выполненное из термопластичного материала, так что оно является деформируемым, что позволяет расположить зубчатый венец эксцентрично относительно ступицы. Хотя такое зубчатое колесо будет способно выдерживать вибрации, оно является слишком слабым для применения в высокоскоростных применениях, таких как винтовые компрессоры.

В патенте США № 4174643 описано зубчатое колесо, которое снабжено кронштейнами между ступицей и зубчатым венцом, в результате чего пространство между кронштейнами заполнено звукопоглощающим материалом для поглощения звука, исходящего от резонанса кронштейнов.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить устранение, по меньшей мере, одного из вышеупомянутых и других недостатков путем создания коробки передач для безмасляного винтового компрессора с высокоскоростным двигателем и небольшой коробкой передач, которая является более устойчивой к проблемам вибрации.

Задачей настоящего изобретения является винтовой компрессор, содержащий первый и второй ротор, причем каждый ротор снабжен зубчатым колесом синхронизации, в соответствии с чем винтовой компрессор дополнительно снабжен электрическим двигателем и одним или двумя ведущими зубчатыми колесами для привода упомянутого первого или второго ротора, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из зубчатых колес синхронизации или ведущих зубчатых колес снабжено спицами между зубчатым венцом, поддерживающим зубчатое зацепление, и соответствующей ступицей зубчатого колеса.

Одно преимущество состоит в том, что, посредством обеспечения, по меньшей мере, одной из шестерен спицами, коробка передач может быть сделана более устойчивой.

Благодаря использованию зубчатых колес со спицами, зубчатое колесо становится более упругим на кручение, эффективно предотвращая распространение колебаний, особенно крутильных.

Это особенно важно при использовании зубчатых колес со спиральными зубьями, где существует сильная связь между осевыми и крутильными колебаниями.

При установке зубчатого колеса согласно изобретению со спицами на двигателе, осевые, а также крутильные колебания на двигателе и роторах компрессора могут быть уменьшены.

Зубчатые колеса со спиральными зубьями часто предпочтительнее зубчатых колес с прямыми зубьями, потому что они показывают лучшее поведение при движении и потому что они также могут передавать осевые усилия, что означает, что они могут быть полезны для улучшения осевой нагрузки в подшипниках.

Посредством регулировки упругости зубчатого колеса со спицами, можно регулировать форму колебаний резонанса и цепи привода. Таким образом, узлы могут быть перемещены в места, где крутильные колебания могут возбуждать другие степени свободы (осевые и/или боковые). Положение зубчатого колеса со спицами (связь между крутильным, осевым и возможным боковым перемещением) будет, как правило, антиузлом для крутильных колебаний. Следовательно, на зубчатом колесе отсутствует крутильное скручивание, и осевое или боковое движение не возбуждается крутильными колебаниями.

Посредством удаления упругой муфты, жесткая цепь привода станет чрезвычайно чувствительной к всевозможным погрешностям допусков компонентов, размещенных на разных осях, в том числе к размеру самого зубчатого колеса. Из–за уменьшенной жесткости цепи привода через спицы зубчатого колеса, эта чувствительность сильно снижается, и индуцированные колебания, вызванные этими ошибками допуска, будут резко уменьшены.

Согласно предпочтительной характеристике изобретения, зубчатое колесо синхронизации или ведущее зубчатое колесо наибольшего диаметра, обеспечивается спицами между зубчатым венцом, поддерживающим зубчатое зацепление, и соответствующей ступицей зубчатого колеса.

Преимущество этого заключается в том, что самое большое и самое тяжелое зубчатое колесо может быть не только значительно облегчено, что также экономит много материала, но также и в том, что самое большое зубчатое колесо, которое, как правило, лучше всего воспринимает колебания, будет еще более эффективным для принятия колебаний вибраций посредством обеспечения спиц.

С целью лучшего показа характеристик изобретения, несколько предпочтительных вариантов осуществления винтового компрессора согласно изобретению описаны в дальнейшем в качестве примера без какого–либо ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 схематично показывает винтовой компрессор согласно изобретению;

Фиг.2 показывает ведущее зубчатое колесо компрессорного устройства с фиг.1;

Фиг.3 показывает сечение по линии III–III с фиг.2;

Фиг.4 схематично показывает вариант с фиг.1; и

Фиг.5 схематично показывает вариант с фиг.2.

Фиг.1 схематично показывает винтовой компрессор 1 согласно изобретению, который снабжен компрессорным элементом 2.

Компрессорный элемент 2 содержит корпус 3, в котором установлены два ротора 4, 5 с подшипниками в их осях 6, 7. Эти роторы 4, 5 представляют собой, так называемые винтовые роторы, то есть охватываемый винтовой ротор 4 и охватывающий винтовой ротор 5 с лопастями 8, которые могут совместно вращаться друг с другом.

Например, охватываемый винтовой ротор 4 имеет пять лопастей 8, а охватывающий винтовой ротор 5 имеет три лопасти 8.

Конечно, возможно, что роторы 4, 5 имеют различное количество лопастей 8 или что винтовой компрессор 1 снабжен более чем одним таким компрессорным элементом.

На одном конце 7а оси 7 одного из роторов 5 предусмотрено первое ведущее зубчатое колесо 9, которое может зацепляться со вторым ведущим зубчатым колесом 10, посредством чего это второе ведущее зубчатое колесо 10 установлено на оси 11 электрического двигателя 12. В этом случае первое ведущее зубчатое колесо 9 установлено на охватывающем винтовом роторе 5, но она также может быть установлена на охватываемом винтовом роторе 4.

Электрический двигатель 12 представляет собой высокоскоростной двигатель, который может развивать скорость вращения, по меньшей мере, 3000 об/мин.

Из–за этой высокой скорости, второе ведущее зубчатое колесо 10 на электрическом двигателе 12 может иметь меньший диаметр, чем у электрического двигателя 12 с частотой вращения, например, максимальной 1500 об/мин. Кроме того, следовательно, можно гарантировать, что передаточное число между двумя ведущими зубчатыми колесами 9, 10 составляет максимум шесть.

Дополнительно, на другом конце 7b оси 7 упомянутого охватывающего винтового ротора 5 и на соответствующем конце 6b оси 6 охватываемого винтового ротора 4, установлено так называемое зубчатое колесо 13, 14 синхронизации.

Как ясно показано на фиг.1, отсутствует упругая муфта между электрическим двигателем 12 и охватывающим винтовым ротором 5.

Передача между электрическим двигателем 12 и охватывающим винтовым ротором 5 полностью обеспечивается ведущими зубчатыми колесами 9, 10.

Всего винтовой компрессор 1 содержит четыре зубчатых колеса: два ведущие зубчатые колеса 9, 10 и два зубчатых колеса 13, 14 синхронизации.

Упомянутые ведущие зубчатые колеса 9 и 10 обычно снабжены спиральными зубьями 15 на их соответствующих зубчатых венцах 16. Но возможны варианты осуществления, когда они снабжены прямолинейными зубьями.

Упомянутые зубчатые колеса 13 и 14 синхронизации обычно снабжены прямолинейными зубьями 15 на их соответствующих зубчатых венцах 16. Также могут быть варианты осуществления, в которых для зубчатых колес синхронизации предусмотрены спиральные зубья.

Так называемый угол спирали этих спиральных зубьев имеет типичные значения от 20 до 35 градусов, но изобретение не ограничивается этим диапазоном.

Одно из упомянутых ведущих зубчатых колес 9, 10 снабжено спицами 17, как показано на фиг. 2 и 3, которые установлены между зубчатым венцом 16, поддерживающим зубчатое зацепление 15, и ступицей 18 ведущего зубчатого колеса 9, 10.

В этом случае второе ведущее зубчатое колесо 10, установленное на электрическом двигателе 12, снабжено такими спицами 17. Естественно, не исключено, что другое или несколько других зубчатых колес 9, 13, 14 снабжены такими спицами 17.

Фиг. 2 и 3 ясно показывают, что второе ведущее зубчатое колесо 10 в этом случае снабжено восемью спицами 17, которые продолжаются от ступицы 18 до зубчатого венца 16. Таким образом, наибольший общий знаменатель числа спиц 17 и лопастей 8 роторов 4, 5 равен единице.

Спицы 17 в показанном примере, однако, не обязательно для изобретения, имеют форму бруса и имеют постоянное сечение.

Поверхность промежутка 19 между спицами, предпочтительно, более чем в три раза и даже, более предпочтительно, более чем в четыре раза, и в этом случае даже более чем в пять раз превышает поверхность спиц 17, если смотреть вдоль оси 20 зубчатого колеса 10, т.е. как видно на фиг.2.

Оставляя достаточное открытое пространство 19, получается относительно «слабая» структура зубчатого колеса 10 с низкой жесткостью или упругостью, так что упругая деформируемость зубчатого колеса 10 увеличивается.

В дополнение к поверхности открытого пространства 19, толщина спиц 17 также уменьшается относительно ширины зубчатого колеса, так что жесткость уменьшается.

Как показано на фиг.3, пространство 19 между спицами в этом случае заполнено демпфирующим материалом 21.

Этот демпфирующий материал 21 может быть, например, на основе каучука или, в более общем случае, разновидностью композиционного материала, в котором каучук используется в качестве связующего.

Хотя в показанном примере все пространства 19 между спицами заполнены демпфирующим материалом 21, это не обязательно является таковым. Одно или несколько пространств 19 также могут быть пустыми или, например, пространства 19 также могут попеременно заполняться демпфирующим материалом 21 и быть пустыми.

Цель демпфирующего материала состоит в том, чтобы затем увеличить значение демпфирования в цепи привода, чтобы дополнительно уменьшить дополнительные колебания, когда резонансы возбуждаются.

Если винтовой компрессор 1 снабжен несколькими зубчатыми колесами 9, 10, 13, 14 со спицами 17, предпочтительно, по меньшей мере, в одном зубчатом колесе 9, 10, 13, 14 со спицами 17, по меньшей мере, один из промежутков 19 между спицами 17 заполнен демпфирующим материалом 21. Следует отметить, что материал 21 может отличаться от зубчатой передачи к зубчатой передаче 9, 10, 13, 14 и, возможно, даже от заполненного пространства 19 до заполненного пространства 19.

В дополнение к демпфирующему материалу 21, пространства 19 между спицами покрыты в показанном примере. Это хорошо видно на фиг.3, где пространства покрыты пластиковым листом 22 или крышкой, чтобы удерживать демпфирующий материал 21 в пространствах 19.

Упомянутые листы 22 или крышки могут быть закреплены между спицами 17 винтами или тому подобным или плотно защелкнуты защелкивающим соединением.

Также возможно, что пространства 19 между спицами только закрыты, но не заполнены демпфирующим материалом 21, так что пустые камеры как бы создаются.

Также возможно, как и с демпфирующим материалом 21, что не все промежутки 19 между спицами 17 покрыты.

Преимущество покрытия пустых пространств 19 заключается в том, что, когда зубчатое колесо 10 со спицами 17 вращается, нежелательные завихрения не создаются с соответствующими потерями, так называемыми «ветровыми потерями».

Предпочтительно, зубчатое колесо 10 со спицами 17 изготовлено из цельного материала.

Материал, из которого изготовлено зубчатое колесо 10 со спицами 17, может быть, например, сталью или чугуном, но это не является обязательным для изобретения.

Работа винтового компрессора 1 является очень простой и заключается в следующем.

По известному способу двигатель 12 сможет приводить в движение роторы 4, 5 винтового компрессора 1, посредством чего вращение оси 11 электрического двигателя 12 передается через второе ведущее зубчатое колесо 10 на первое ведущее зубчатое колесо 9 на ось 7 охватывающего винтового ротора 5.

Это вращение ротора 5 будет заставлять вращаться как соответствующее зубчатое колесо 13 синхронизации, так и зубчатое колесо 14 синхронизации, так что охватываемый винтовой ротор 4 также будет вращаться.

Во время этой операции винтового компрессора 1, газ может сжиматься роторами 4, 5, в результате чего в компрессорном элементе 2 возникают колебания.

Ослабленное второе ведущее зубчатое колесо 10 будет способно уменьшить эти колебания за счет расцепления между степенями свободы, с одной стороны, и, возможно, с помощью установленного демпфирования, с другой стороны, так что можно избежать нежелательных колебаний, которые могут распространяться через коробку передач и, например, повредить двигатель 12 или так, что осевое и/или боковое движение винтовых роторов 4, 5 сами по себе не возбуждаются.

Фиг.4 показывает вариант согласно фиг.1, согласно которому в этом случае винтовой компрессор 1 содержит только одно второе ведущее зубчатое колесо 10 для привода ротора 5.

В этом случае зубчатые колеса 13, 14 синхронизации установлены на другой стороне роторов 4, 5 по сравнению с фиг.1, так что одно из зубчатых колес 13 синхронизации также служит ведущим зубчатым колесом 9.

Следовательно, винтовой компрессор 1 на фиг.4 снабжен только тремя зубчатыми колесами 10, 13, 14, благодаря чему передача между электрическим двигателем 12 и ведомым ротором 5 обеспечивается вторым ведущим зубчатым колесом 10 и зубчатым колесом 13 синхронизации.

В этом случае второе ведущее зубчатое колесо 10 также является зубчатым колесом 10 со спицами 17, таким как, например, зубчатое колесо 10 на фиг. 2 и 3.

В остальном, работа является аналогичной работе компрессорного устройства по фиг.1.

Фиг.5 показывает альтернативный вариант осуществления фиг.1, согласно которому в этом случае зубчатое колесо 10 снабжено двенадцатью спицами 17 между ступицей 18 зубчатого колеса и зубчатым венцом 16.

Пространства 19 между спицами 17 являются не заполненными или не закрытыми. Другими словами, пространство 19 между спицами 17 зубчатого колеса 10 является открытым.

Настоящее изобретение никоим образом не ограничивается вариантами осуществления, описанными в качестве примера и показанными на чертежах, и винтовой компрессор 1 согласно изобретению может быть реализован во всех видах форм и размерах без отступления от объема изобретения.

Винтовой компрессор (1) содержит первый ротор (4) и второй ротор (5). Каждый ротор (4, 5) содержит зубчатое колесо (13, 14) синхронизации. Винтовой компрессор (1) дополнительно снабжен электрическим двигателем (12) и одним или двумя ведущими зубчатыми колесами (9, 10) для приведения в действие первого ротора (4) или второго ротора (5). По меньшей мере, одно из зубчатых колес (13, 14) или ведущих зубчатых колес (9, 10) снабжено соответствующей ступицей (18) зубчатого колеса и спицами (17) между зубчатым венцом (16). Венец (16) поддерживает зубчатое зацепление (15). По меньшей мере, некоторые промежутки (19) между спицами (17), по меньшей мере, одного зубчатого колеса (9, 10, 13, 14) являются закрытыми листом или крышкой (22). Достигается повышение устойчивости к вибрации. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Винтовой компрессор, содержащий первый ротор (4) и второй ротор (5), причем каждый ротор (4, 5) содержит зубчатое колесо (13, 14) синхронизации, при этом винтовой компрессор (1) дополнительно снабжен электрическим двигателем (12) и одним или двумя ведущими зубчатыми колесами (9, 10) для приведения в действие первого ротора (4) или второго ротора (5), отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из зубчатых колес (13, 14) синхронизации или ведущих зубчатых колес (9, 10) снабжено спицами (17) между зубчатым венцом (16), поддерживающим зубчатое зацепление (15), и соответствующей ступицей (18) зубчатого колеса, причем, по меньшей мере, некоторые промежутки (19) между спицами (17), по меньшей мере, одного зубчатого колеса (9, 10, 13, 14) являются закрытыми листом или крышкой (22).

2. Винтовой компрессор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит только одно ведущее зубчатое колесо (10) для привода первого ротора (4) или второго ротора (5).

3. Винтовой компрессор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что зубчатое колесо (13, 14) синхронизации или ведущее зубчатое колесо (9, 10) с наибольшим диаметром снабжено спицами (17) между зубчатым венцом (16), поддерживающим зубчатое зацепление (15), и соответствующей ступицей (18) зубчатого колеса.

4. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из ведущих зубчатых колес (9, 10) или зубчатых колес (13, 14) синхронизации со спицами (17) представляет собой геликоидальное зубчатое колесо (9, 10, 13, 14) с зубьями (15) под углом к оси (20) зубчатого колеса (9, 10, 13, 14).

5. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что одно из ведущих зубчатых колес (9, 10) установлено на электрическом двигателе (12), причем это ведущее зубчатое колесо (9, 10) снабжено спицами (17) между зубчатым венцом (16), поддерживающим зубчатое зацепление (15), и соответствующей ступицей (18) зубчатого колеса.

6. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что спицы (17) имеют форму бруса и имеют постоянное поперечное сечение.

7. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что поверхность промежутка (19) между спицами (17) более чем в три раза, предпочтительно, более чем в четыре раза и, еще более предпочтительно, более чем в пять раз превышает поверхность спиц (17), если смотреть вдоль оси (20) зубчатого колеса (9, 10, 13, 14).

8. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что зубчатые колеса (9, 10, 13, 14) со спицами (17) изготовлены из цельного материала.

9. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что зубчатые колеса (9, 10, 13, 14) со спицами (17) изготовлены из стали или чугуна.

10. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что между электрическим двигателем (12) и ведомыми роторами (4, 5) отсутствует упругое соединение.

11. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что электрический двигатель (12) представляет собой высокоскоростной двигатель, который может развивать скорость вращения более 3000 об/мин.

12. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передаточное число ведущих зубчатых колес (9, 10) составляет максимум шесть.

13. Винтовой компрессор по п. 12, отличающийся тем, что одно из зубчатых колес (13, 14) синхронизации также служит в качестве ведущего зубчатого колеса (9, 10).

14. Винтовой компрессор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в, по меньшей мере, одном зубчатом колесе (9, 10, 13, 14) со спицами (17), по меньшей мере, один из промежутков (19) между спицами (17) заполнен демпфирующим материалом (21).