带有分流辅助压缩和脉动陷阱的螺杆压缩机的制作方法

专利查询4月前  31



1.本发明总体上涉及旋转式气体压缩机领域,更具体地涉及具有双啮合螺旋形多叶转子的旋转式螺杆压缩机,通常称双螺杆压缩机。


背景技术:

2.旋转螺杆压缩机使用两个称为转子的螺旋螺杆来压缩气体。在干运转的螺杆式压缩机中,一对定位齿轮确保公转子和母转子各自保持精确的位置和间隙。在油浸式旋转螺杆压缩机中,注入的润滑油膜填充转子之间及转子与机壳之间的空隙,既提供液压密封又在驱动和从动转子之间传递机械能。气体从压缩机的吸入口进入,并被困在移动的螺纹和压缩机外壳之间,随着螺杆的旋转形成一系列移动的空腔。然后移动空腔的体积逐渐减小导致空腔中气体被压缩。气体在螺杆压缩机的末端通过通常连接到排放消音器的排放口排出以完成压缩循环。它本质上是一个容积式压缩机理,但使用螺杆转动而不是往复运动,因此与传统的往复活塞式相比,容积变化速度可以更快,流体连续性更好和压缩机尺寸更紧凑。
3.然而,长期以来一直观察到,螺杆压缩机在排放时固有地产生具有空腔通过频率的气体(流)脉动,并且在高压和/或非设计条件下运行时,脉动幅度特别显著,无论是欠压缩(uc)或过压缩(oc)。如图1c所示,当压缩机出口(排放口)处的气体压力大于排放口即将打开之前压缩机空腔内的气体压力时,就会发生欠压缩。这会导致气体从出口“爆炸性”回流到空腔中,如图1a所示。另一方面,如图1d所示,当压缩机出口处的压力小于排气口开口前压缩机空腔内的压力时,就会发生过压缩,导致“爆炸性”前向流动,即气体突然从压缩空腔进入图1b所示的压缩机出口。由于不可能将只有一个固定设计压力比与变化的系统背压相匹配,因此所有固定压力比容积式压缩机都会遭受欠压缩和/或过压缩。具有可变压力比的典型应用包括各种制冷和热泵系统以及真空泵。例如,当环境温度上升或下降时,制冷和热泵系统中使用的压力比必须相应地改变。通常,压力比变1化的范围很大,而且oc和uc的影响会因工质是制冷剂导致运行所需的压力升高而进一步增强。另一个需要大范围压力比工况的例子是真空泵,它用于增加大容器中的真空度(例如,将空气从容器抽到大气),随着容器中真空度的增加,压力比不断增加而越来越高。对于这些应用,uc和oc引起的能量损失和气体脉动是显着的,尤其是后者,如果压缩机出口不加气流脉动衰减器,可能会损坏下游管道、设备并在压缩机系统内引起严重的振动和噪音。
4.为了解决压比失配问题所引发的后遗症,通常在螺杆压缩机的排放口安装在行业中称为反应式(抗式)和/或吸收式(阻式)的气流脉动阻尼器(也称消音器),如图2a所示,以抑制和衰减气体脉动和诱发的振动和噪音。脉动阻尼器通常在气体脉动控制方面非常有效,可降低压力脉动20-40db,但尺寸较大并会导致其他问题,例如由于额外的振动表面而引起更多噪音产生源,或者有时会导致阻尼器结构疲劳失效损坏,从而可能对下游组件和设备造成灾难性破坏。同时,如今使用的排气阻尼器会产生很大的压力(背压)损失,如图2b所示,从而导致压缩机整体效率降低。由于这个原因,与离心压缩机等动力类型压缩机相
比,螺杆压缩机经常被认为具有高气体脉动、高振动、高噪音、低非设计工况效率和体积庞大等缺点。
5.为了从源头上克服螺杆压缩机压比失配问题,自1960年代以来,已经广泛探索了称为滑阀的概念,如图3a-3b所示。有下述案例,滑阀概念出现在授予h.r.nilsson等人的题为“调节螺旋旋转活塞发动机的装置”(美国专利号3,088,659),以及授予n.shaw的题为“无欠压缩和过压缩的螺旋螺杆旋转压缩机”(美国专利号3,936,239)。滑阀概念,通常称为可变容积比(vi)方案,是使用滑动阀门机械地改变压缩机的内部容积比,从而改变压缩机的气体压缩比以满足不同工况的压力要求,并消除欠压缩和/或过压缩,这是排气气流脉动和能量损失的源头。然而,滑阀系统通常结构非常复杂,成本高,可靠性低。此外,它们不适用于广泛使用的干式螺杆应用,因为滑动部件之间的润滑必不可少。
6.另外一种技术也可以实现滑阀变容积比概念的目标但没有其复杂性和应用限制,案例如本发明人几个公开了的旁支分流脉动陷阱(spt)技术,如图4a-4b所示(美国专利号9,140,260、9,155,292、9,140,261、9,243,557、9,555,342和9,732,754)。这个技术是使用可流动的气体来补偿可变负载条件,而不是移动对摩擦、疲劳失效和响应频率敏感的固体机械部件。spt能够通过自动反馈流量回路实现滑阀相同的目标,即在压缩机空腔和出口(排放口)之间进行连通,通过增加或减少空腔内气体来补偿压缩腔的压力(就像给篮球充气或放气来调节其压力一样)以消除排放口打开时的欠压缩或过压缩。传统的spt技术在欠压模式下可有效抑制低频压力脉动,并通过消除串联阻尼器固有的背压损失来降低能耗。然而,它在过压模式下效果不佳,特别是对于在很宽的压力比范围内运行的螺杆压缩机。
7.因此,希望提供一种新型的螺杆式压缩机的设计和结构,它能够在源头实现低气流脉动和低振动噪音并提高压缩机非设计工况效率,而无需使用滑阀以及在排气口处使用外接消音器,同时具有尺寸小、可靠性高、可在宽广变压力比应用中高效率运行。


技术实现要素:

本发明的目的是提供一种带有分流辅助压缩和脉动陷阱的螺杆压缩机,是一种新型的螺杆式压缩机的设计和结构,它能够在源头实现低气流脉动和低振动噪音并提高压缩机非设计工况效率,而无需使用滑阀以及在排气口处使用外接消音器,同时具有尺寸小、可靠性高、可在宽广变压力比应用中高效率运行。本发明是这样实现的:一种带有分流辅助压缩和脉动陷阱的螺杆压缩机,其特征在于,它包括:压缩室和容纳在压缩室内的一对啮合的多螺旋叶转子,其中压缩室具有吸气口和排气口,其中转子在压缩室内旋转在压缩室内形成一系列移动腔,用于吸入和压缩气体并将气体从吸气口推向排气口;和分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)装置,包括至少一个扩散室,该扩散室具有在压缩室内部的移动压缩腔和扩散室之间提供流体连通的第一级气体喷嘴,并且具有在扩散室和排放口之间提供流体连通的反馈区域,其中分流辅助压缩和脉动陷阱定义了反馈流回路的第一级,分流辅助压缩和脉动陷阱在运行中,大大降低了气流脉动和诱生振动及噪音,提高压缩机非设计工况运行效率,而无需使用串联脉动阻尼器或/和滑阀。
其中,所述第一级气体喷嘴位于离吸气口至少一个转子螺距(即与吸入口完全隔离),但位于所述排气口之前。其中,还包括第二级气体喷嘴,所述第二级气体喷嘴与所述第一级气体喷嘴相距至少一个转子螺距(即与第一级气体喷嘴完全隔离),但位于所述排气口之前,由此限定反馈流回路的第二级。其中,还包括第三级气体喷嘴,所述第三级气体喷嘴与所述第二级气体喷嘴相距至少一个转子螺距(即与第二级气体喷嘴完全隔离),但位于所述排气口之前,由此限定反馈流回路的第三级。其中,所述各级气体喷嘴为圆形截面形状,具有沿喷嘴轴线逐渐过渡的收敛或收敛-发散分布的截面面积。其中,所述各级气体喷嘴为矩形截面形状,截面面积沿喷嘴轴线逐渐过渡的收敛或收敛-发散分布的截面面积。其中,所述收敛横截面从喷嘴喉部开始的圆形横截面形状连续过渡到面积相等的压缩室内壁面的矩形狭槽形状,其中位于压缩室内壁面的矩形狭槽形喷嘴的长边与移动压缩腔的狭槽形长边平行。其中,所述收敛-发散截面从喷嘴喉部开始的圆形截面形状连续过渡到面积逐渐发散的压缩室内壁面的矩形狭槽形状,其中位于压缩室内壁面的矩形狭槽形喷嘴的长边与移动压缩腔的狭槽形长边平行。其中,所述各级气体喷嘴定位成远离所述转子轴线一定距离并且指向与所述转子之一的旋转方向大致相同的切向。其中,所述一对啮合的多螺旋叶转子包括阳转子和阴转子,对应每级具有至少两个气体喷嘴设置,至少有一个位于阳转子侧和至少一个位于阴转子侧,并且每对喷嘴的位置对处在压缩室中对应的的移动阳压缩腔和移动阴压缩腔同时打开。一种带有分流辅助压缩和脉动陷阱的螺杆压缩机,其特征在于,它包括:压缩室和容纳在压缩室内的一对啮合的多螺旋叶转子,其中压缩室具有吸气口和排气口,其中转子在压缩室内旋转在压缩室内形成一系列移动腔,用于吸入和压缩气体并将气体从吸气口推向排气口;和分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)装置,包括至少一个扩散室,该扩散室具有在压缩室内部的移动压缩腔和扩散室之间提供流体连通的第一级气体喷嘴,并且具有在扩散室和周边大气之间提供流体连通的反馈区域,其中分流辅助压缩和脉动陷阱定义了反馈流回路的第一级,分流辅助压缩和脉动陷阱在运行中,可以达到吸气口深真空,并大大降低了气流脉动和诱生振动及噪音,提高了压缩机非设计工况运行效率,而无需使用串联脉动阻尼器或/和滑阀。其中,所述第一级气体喷嘴位于离吸气口至少一个转子螺距(即与吸入口完全隔离),但位于所述排气口之前。其中,还包括第二级气体喷嘴,所述第二级气体喷嘴与所述第一级气体喷嘴相距至少一个转子螺距(即与第一级气体喷嘴完全隔离),但位于所述排气口之前,由此限定反馈流回路的第二级。
其中,还包括第三级气体喷嘴,所述第三级气体喷嘴与所述第二级气体喷嘴相距至少一个转子螺距(即与第二级气体喷嘴完全隔离),但位于所述排气口之前,由此限定反馈流回路的第三级。其中,所述各级气体喷嘴为圆形截面形状,具有沿喷嘴轴线逐渐过渡的收敛或收敛-发散分布的截面面积。其中,所述各级气体喷嘴为矩形截面形状,截面面积沿喷嘴轴线逐渐过渡的收敛或收敛-发散分布的截面面积。其中,所述收敛横截面从喷嘴喉部开始的圆形横截面形状连续过渡到面积相等的压缩室内壁面的矩形狭槽形状,其中位于压缩室内壁面的矩形狭槽形喷嘴的长边与移动压缩腔的狭槽形长边平行。其中,所述收敛-发散截面从喷嘴喉部开始的圆形截面形状连续过渡到面积逐渐发散的压缩室内壁面的矩形狭槽形状,其中位于压缩室内壁面的矩形狭槽形喷嘴的长边与移动压缩腔的狭槽形长边平行。其中,所述各级气体喷嘴定位成远离所述转子轴线一定距离并且指向与所述转子之一的旋转方向大致相同的切向。其中,所述一对啮合的多螺旋叶转子包括阳转子和阴转子,对应每级具有至少两个气体喷嘴设置,至少有一个位于阳转子侧和至少一个位于阴转子侧,并且每对喷嘴的位置对处在压缩室中对应的的移动阳压缩腔和移动阴压缩腔同时打开。
8.一般而言,本发明涉及一种用于螺杆压缩机的分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt),其具有带吸入口和排出口的压缩室,以及容纳在压缩室中的一对多螺旋叶转子。压缩室转子之间形成一系列移动空腔,用于吸入、压缩和推动压缩腔中的气体从吸入口到排放口。分流辅助压缩和脉动陷阱包括作为压缩室整体组成部分的内机壳和外包部分的外机壳。靠近排放口的内机壳形成至少一个扩散室,其中容纳至少一个反馈流动回路在移动压缩腔和排放口之间连通,每个反馈分流回路通过至少一个喷嘴与移动压缩腔连通,喷嘴位于离吸入口至少一个转子螺距(与吸气口完全隔离)。这样,分流辅助压缩和脉动陷阱可以自动补偿压缩腔体内压缩压力,就像给篮球充气或放气一样,通过连通的背压自动调节向移动压缩腔体添加或减少气体分子数量来满足不同出口压力(背压)的工况,从而消除排气口打开时的欠压缩和/或过压缩,部分回收与欠压缩(uc)相关的势能,并在排气口打开之前隔离和衰减气体脉动和噪音。本发明的有益效果是:它是一种新型的螺杆式压缩机的设计和结构,它能够在源头实现低气流脉动和低振动噪音并提高压缩机非设计工况效率,而无需使用滑阀以及在排气口处使用外接消音器,同时具有尺寸小、可靠性高、可在宽广变压力比应用中高效率运行。
9.本发明的这些和其他方面、特征和优点将参考本文的附图和详细描述来理解,并且将通过所附权利要求中特别指出的各种元件和组合来实现。应当理解,以上概述和以下附图的简要描述以及示例实施例的详细描述都是对本发明示例实施例的说明,而不是对本发明的限制。
附图说明
10.图1a和图1b为现有螺杆压缩机在欠压缩和过压缩情况下压缩机排气时产生气流脉动的触发机理(瞬时产生“压缩波-诱生流动-膨胀波”形式的气流脉动)的示意图。
11.图1c和1d是现有技术螺杆压缩机的欠压缩和过压缩工况下的相关能量损失的p-v图。
12.图2a示出了现有技术具有串联排放消音器的螺杆压缩机压缩循环的相变示意图。
13.图2b是现有技术排放串联消音器(具有背压)的压缩机相关能量损失的p-v图。
14.图3a和3b示出了具有滑阀的现有技术螺杆压缩机的典型设计示意图。
15.图4a示出了现有技术旁支分流脉动陷阱(spt)的透视图。
16.图4b是图4a的现有技术分流脉动陷阱的(a-a)截面的横截面图。图4b显示了可选择的不同形状的喷嘴。
17.图5是根据本发明的带有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)的压缩循环相变流程图,示出了欠压缩状态和过压缩状态。
18.图6a是根据本发明的第一示例性实施例的单级分流辅助压缩和脉动陷阱的横截面图,示出了欠压缩状态。
19.图6b是单级分流辅助压缩和脉动陷阱图6a的缸体内壁面展开图。
20.图6c是单级分流辅助压缩和脉动陷阱图6a的剖视图,显示过压缩状态。
21.图7a示出了喷嘴侧视图和俯视截面图,其中从喷嘴喉部到分流辅助压缩和脉动陷阱压缩腔内壁没有形状过渡并且保持相同圆形截面面积。
22.图7b示出了喷嘴侧视图和俯视截面图,其中从喷嘴喉部到分流辅助压缩和脉动陷阱压缩腔内壁的横截面形状从圆形转变为矩形但保持相同横截面积。
23.图7c示出了喷嘴侧视图和俯视截面图,其中从喷嘴喉部到分流辅助压缩和脉动陷阱压缩腔内壁不仅具有从圆形到矩形的横截面形状过渡,而且同时增加横截面面积(发散)。
24.图8a是根据第二示例性实施例的两级分流辅助压缩和脉动陷阱的剖视图,示出了两级均处于欠压缩状态。
25.图8b是两级分流辅助压缩和脉动陷阱图8a的缸体内壁面展开图。
26.图8c是两级分流辅助压缩和脉动陷阱图8a的剖视图,显示两级均处于过压缩状态。
27.图8d是两级分流辅助压缩和脉动陷阱图8a的剖视图。显示了第一级处于欠压缩状态和第二级处于过压缩状态。
28.图9a是根据第三示例实施例的单级分流辅助压缩和脉动陷阱的剖视图,示出了处于深真空模式的分流辅助压缩和脉动陷阱。
29.图9b是根据第四示例性实施例的两级分流辅助压缩和脉动陷阱的剖视图,示出了处于深真空模式的分流辅助压缩和脉动陷阱。具体实施例方式
30.虽然现在将使用参考附图描述本发明的具体实施例,但是应当理解,这样的实施例仅是示例,并且仅是说明可以代表本发明原理的许多可能应用的具体实施例中的少数。对本发明所属领域的技术人员,显而易见的各种变化和修改被认为落入本发明的精神、范
围和构思之内,并受所附权利要求的进一步限定。
31.还需要指出的是,虽然本发明中对用于辅助气体内压缩和减弱气体脉动的双转子螺杆压缩机进行了图示和描述,但该原理也可以应用于螺杆真空泵和/或其他转子组合如单转子螺杆压缩机或三转子螺杆压缩机。该原理也适用于其他汽体介质,如制冷汽体,也适合气液两相流,如广泛用于制冷的喷油式螺杆压缩机。此外,螺杆膨胀机是另一种变体,用于从介质压力降低来产生轴功率。
32.为了说明本发明的原理,图5是根据本发明的示例实施例“分流辅助压缩和脉动陷阱”(secapt)的螺杆压缩循环的流程图,展示将内压缩相和排放口连通起来。从广义上讲,分流辅助压缩和脉动陷阱用于辅助内压缩(ic),同时隔离和减弱气流脉动和噪音,并提高非设计工况的运行效率,而无需使用滑阀和/或传统的串联脉动抗式消音器。如图5所示,分流辅助压缩和脉动陷阱涉及对标准(传统)螺杆压缩循环的修改,即从串联模式,也就是从图2a的现有技术中所示的串联内压缩和欠、过压缩及脉动衰减,变化到内压缩和欠、过压缩及脉动衰减并联运行,以便在更长的时间间隔内两者同时和协同进行。由于欠压δp
uc
(=p
outlet-p
cavity
)或过压δp
oc
(=p
cavity

p
outlet
)导致压缩机腔内压力与目标出口压力的任何压差,都会自动触发反馈流动,即压缩腔和排气口之间的δp诱导流体流动(iff),以增加或减少进出压缩腔的额外气体分子数量的方式,达到排放阀打开之前压缩腔和排气口之间的压差(δp)最小的目的。这种螺杆压缩腔内压力补偿方式,原理类似于通过向固定容积空腔注入或释放气体来调节空腔内压力,如体育用篮球的充气或放气。使用内压缩和分流辅助压缩和脉动陷阱的复合压缩方案,压缩机排气口打开时的任何欠压缩或过压缩都将补偿至最小,因此无需使用下游抗式消音器(但是如果需要,可以使用适当的阻式消音器来进行宽带噪声的衰减,例如用于真空应用时气体需要排放到大气)。
33.参照图6a至图6c,示出了根据第一示例性实施例的具有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)装置50的螺杆压缩机10的典型布置。通常,螺杆压缩机10具有分别与两个转子轴11一体的两个转子12,其中一个转子轴11由外部旋转驱动机构(未示出)驱动。转子12通常通过一组定位齿轮驱动(在干式运转的情况下)或它们直接相互驱动(对于注油式的情况)。转子12通常是一对多螺旋叶转子,一个公一个母,容纳在压缩室32中,形成一系列移动腔,例如38和39,用于吸入、压缩和推进被吸入的气体从压缩机10的吸入口36到排出口37。螺杆压缩机10还具有作为压缩室32的整体部分的内壳20,其中转子轴11安装在内部轴承支撑结构(没有显示)。壳体结构还包括一外壳体28环绕内壳20靠近排出口37的部分,形成至少一扩散室55。
34.作为本发明的新颖且独特的特征,分流辅助压缩和脉动陷阱装置50包括至少一个从压缩室32分支到至少一个扩散室55的流动喷嘴(陷阱入口)51和反馈区域(陷阱出口)58与压缩机出口37连通。在图6b中,流动喷嘴(陷阱入口)51的起始线位于压缩腔38或39移动至距吸入口36关闭线至少一叶跨度(或螺距t),并定位为(图6b上的距离d)尽可能远离旋转轴11并指向与旋转转子12的方向大致相同的方向,以辅助转子旋转(例如,定位成平行于旋转方向的切线)。图6b还示出了使用的两种类型的喷嘴51:左侧是具有矩形横截面形状的喷嘴,其横截面面积分布沿轴线缩小;右侧是两个具有圆形横截面形状的喷嘴,横截面面积分布沿轴线缩小。图6a显示了欠压缩状态的流动模式,其中大方向箭头30显示了由转子12形成的空腔从压缩机10的吸入口36推动到排放口37的压缩空腔运动的方向,而图中反馈流
iff,如小方向箭头53所示,从反馈区域(陷阱出口)58通过扩散室55,然后会聚到流动喷嘴(陷阱入口)51并释放到对流动喷嘴51打开的压缩腔39中。另一方面,图6c显示了过压缩状态的流动模式,其中大方向箭头30仍然显示了由转子12形成的空腔从压缩机10的吸入口36推动到排放口37的压缩空腔运动的方向,而图中反馈流iff,如小箭头54所示,从现在向排气口打开的压缩腔39通过流动喷嘴51到达扩散室55,并释放到与排放气流30汇合的陷阱出口58。
35.当配备本发明分流辅助压缩和脉动陷阱装置50的螺杆压缩机10用于欠压缩和/或过压缩工况运行时,不仅减小了从螺杆压缩机出口传到下游流动的气流脉动和感应噪声,还改善了内部流场(因此也改善其非设计工况下的绝热效率)。本发明的分流辅助压缩和脉动陷阱装置50的工作原理可描述如下。如图6a所示的欠压缩模式,分流辅助压缩和脉动陷阱通常从压缩腔39的气体压力达到应用的最小工作压力p1(但远低于最大压力)的那一刻起开始辅助内压缩。当气压为p1的“移动压缩腔”39突然对气压为p4的分流辅助压缩和脉动陷阱的陷阱入口51打开时,会触发类似激波管突然打开样的反应(如共同拥有的美国专利第9,155,292号中所公开)。这会在突然打开的喷嘴喉部51处产生“压缩波-诱生流动-膨胀波”形式的瞬时气体脉动,其中压缩波c w(未示出)和诱生流动iff 53传入压缩腔39,而膨胀波ew(未示出)则向外由喷嘴51朝陷阱出口58和压缩机排放口37传播。
36.与带有串联连接传统消音器的螺杆压缩机相比,分流辅助压缩和脉动陷阱具有若干优点。首先,使用喷嘴51更高效地将所需质量输送到处于“饥饿”状态下的欠压压缩腔39中,减小了填充压缩腔39的时间和排放时气流脉动的产生。如图6a和图5所示,所需的气体质量流量53首先从出口区域37“借用”,然后通过分流反馈流动回路“返回”到出口区域37,因而诱导流53不会在该过程中丢失。反馈流53的流量被设计为在排放之前可以完成补偿内压缩,这样在排放时压力差δp
uc
或δp
oc
将大部分被消除或减小到接近于零,如图5所示。由于喷嘴喉部的射流速度可以接近或等于当地气体音速(当δp
uc
较大时),远快于移动腔39的运动速度,因此该方案可以用于滑阀变容积比设计无法正常工作的高速干式螺杆压缩机。第二,从降噪的角度来看,只要喷嘴喉部51被阻塞(达到音速),则喷嘴51作为陷阱就可以在排放之前隔离压缩空腔39内的高速射流噪音,从而没有压缩波cw和射流诱生的噪音可以通过喷嘴喉部51向上游逃逸或传播。当喷嘴喉部51未被阻塞时(喉部气体速度小于音速),腔体39内的压缩波cw和射流噪音可以传播出来的也将大大降低,因为噪音逸出所通过的喉部面积非常小。此外,通向扩散室55和下游出口37的喷嘴51扩散端的气体速度比喉部速度低得多,因此流动诱生噪声也小得多。第三,从节能的角度来看,传统上与欠压缩相关的能量损失,如图1c中阴影区域所示,现在可以部分回收(做正功),因为高速射流53产生的扭矩现在被用以推动同一方向运动的转子12,如图6b所示,就像一个用于水轮做功发电的佩尔顿轮(pelton wheel)。在现有技术图1a和图2a所示的传统串联方案中,回流射流通常作用在转子旋转相反的方向上,导致对压缩机系统做负功。
37.另一方面,用于过压缩模式的分流辅助压缩和脉动陷阱设备50的基本操作原理是不同的。如图6c和6b所示,因为分流辅助压缩和脉动陷阱被设计成从压缩腔39的气体压力p1稍微超过压缩机10的出口37处的最小应用工作压力p2的那一刻起辅助内压缩,由于气体压力为p1的“移动压缩腔”39突然打开到分流辅助压缩和脉动陷阱的陷阱入口51,其压力p2仅略低于p1,是小扰动δp
oc
(=p1–
p2),因此类似激波管的反应不会发生。相反,只有小的反
馈流iff 54产生(如图6c中的小方向箭头所示):从压缩腔39到喷嘴51通过扩散室55,并释放到与排放汇合的阱出口58。由于压缩空腔39的容积逐渐减小,即内压缩本质上是逐渐的(而不是突然的),因此在过压缩的情况下,诱导流iff 54的幅度比欠压缩时产生的诱导流iff 53小得多;因此,过压缩情况下流动54引起的喷射噪声会低得多。
38.为了优化在压缩腔体39和扩散室55之间的喷嘴51内任一方向的反馈流53或54,可以在公转子侧或/和母转子侧使用最少一个喷嘴来补偿压缩腔体39的压力,喷嘴可以选择为与腔体39的螺纹密封线平行布置的多个圆孔和/或者狭槽或从圆形过渡到狭槽的形式。为了说明的目的,两者均示于图6b中。此外,如果使用圆形横截面形状的喷嘴,则喉部59以下进入压缩腔39的横截面可以设计为与喷嘴喉部59相同横截面积的圆形(图7a,无形状和面积变化),或由圆形逐渐过渡到槽形(图7b,有形状变化但无面积变化),其槽形方向平行于腔体39的螺纹密封线,或者具有逐渐增加的横截面积(图7c,形状和面积均变化),形成所谓的拉法尔喷嘴。将圆形横截面形状(图7a)替换为如图7b和7c所示的过渡槽形,减小了定义为垂直于转子密封线的多级分流辅助压缩和脉动陷阱的级间距(图6b中所示),从而为第二级分流辅助压缩和脉动陷阱操作获得更多时间。此外,缸体内壁面上喷嘴槽的狭长形状将有助于与狭长形状的压缩腔体39之间的流动交换,即提高用于欠压缩的反馈流53或用于过压缩的反馈流54的流动效率,尤其适用于交换时间短暂的高速干式螺杆应用。
39.如果压力比及其变化范围(欠压缩和过压缩的范围)比较小,即当喷嘴51开口到排放口37之间的距离小于一个叶跨度或螺距t时(如图6b所示),一级分流辅助压缩和脉动陷阱足以覆盖整个复合压缩阶段。但是,对于一些压力比及其变化范围较大的应用,当第一喷嘴开口关闭到排放口打开之间的距离大于一个叶片跨度或螺距t时,可以使用两级分流辅助压缩和脉动陷阱来覆盖复合压缩阶段。其原理是每个压缩腔体在复合压缩相的任何瞬间都应始终与压缩机排气口连通,但各个压缩腔之间永远不要连通。基于此原则,第二级喷嘴的起点应位于距第一级喷嘴末端至少一个螺距t,并在排气口打开前的最后一个螺距内。同样,如果两级分流辅助压缩和脉动陷阱不足以覆盖整个复合压缩相,则可以使用三级分流辅助压缩和脉动陷阱。
40.参考图8a至8c,示出了根据具有分流辅助压缩和脉动阱(secapt)装置60的螺杆压缩机10的第二示例实施例:两级分流辅助压缩和脉动陷阱的典型布置。螺杆压缩机10的构造和分流辅助压缩和脉动陷阱装置60的第一级与如上所述的分流辅助压缩和脉动陷阱装置50相同。然而,增加了第二级分流辅助压缩和脉动陷阱装置60,其进一步包括至少另一个旁支回路:从压缩室32通过喷嘴61(陷阱入口)分支到至少一个扩散室63并连接到反馈区(陷阱出口)68并与压缩机出口37连通。如图8b所示,第一级喷嘴51(陷阱入口)仍位于距吸入口36闭合线至少一个叶跨(一个螺距t)的位置,而第二级喷嘴61的起点位于距第一级喷嘴51关闭线至少一个螺距t,两级喷嘴都尽可能远离旋转轴11(图8b中的距离d),并指向与旋转转子12相同的方向以帮助其旋转。图8a显示了两个级都处于欠压缩模式的流动状态,其中大方向箭头30显示了由转子12形成的压缩空腔从压缩机10的吸入口36到排出口37的运动方向,而小方向箭头所示的反馈流53和63从反馈区(陷阱出口)58通过扩散室55和65,然后会聚到流动喷嘴51和61并分别释放到压缩腔38和39中。另一方面,图8c显示了两级均处于过压缩模式的流动状态,其中大方向箭头30仍然显示了由转子12形成的压缩空腔从吸入口36到排放口37的运动方向,而反馈流54和64如小方向箭头所示:从刚刚对喷嘴51和61
打开的压缩腔38和39通过扩散室55和65,最后释放到陷阱出口58和68,与排放气流30合并。图8d示出了第一级处于欠压缩而第二级处于过压缩模式的流动状态,其中第一级的反馈流54从反馈区(陷阱出口)58通过扩散室55,然后流到流动喷嘴51,最后释放到腔38中,而第二级的反馈流64从刚刚打开的压缩腔39到达喷嘴61,通过扩散室65,并释放到陷阱出口68中最后与排放气流30汇合。
41.除了以上针对第一和第二示例性实施例讨论的用于双端口(只有进气口和排气口)配置的螺杆压缩机的应用之外,三端口配置的螺杆真空泵可用于抽吸深真空应用。在真空泵实施例中,压缩机的吸气口连接到要产生深度真空的过程或容器,而压缩机的排口通过消音器连接到大气。此外,增加了第三个端口,该端口也向大气开放,并允许冷空气通过分流辅助压缩和脉动陷阱进入压缩机腔,以扩大压力比范围,例如,从干式螺杆压缩机最大压比大约4/1增加到大约20/1或更多。
42.参考图9a和9b,分别示出了根据第三和第四示例性实施例的具有分流辅助压缩和脉动阱(secapt)装置70和80的螺杆压缩机10:单级和双级分流辅助压缩和脉动陷阱的典型布置。具有分流辅助压缩和脉动陷阱设备70和80的螺杆压缩机10的构造相对于分流辅助压缩和脉动陷阱设备50和60(第一和第二实施例的)的构造不同在于:增加第三端口77(取代图6a中反馈区58),通过分流辅助压缩和脉动陷阱装置70和80将压缩机腔38和/或39与大气78直接连接,而不是与压缩机出口37合并。图9a示出单级分流辅助压缩和脉动陷阱70的典型操作模式。如图9a所示,当工作压力比小于压缩机10的设计压力比时,首先从压缩腔39通过喷嘴51释放流动(未示出),然后通过扩散室55到端口77并进入大气78,提前摆脱过压缩,以节能并减少排气气流脉动。而当工作压力比大于压缩机10的设计压力比时,流动方向(未示出)自动切换以将较冷的大气从端口77通过扩散室55和喷嘴51吸入压缩机腔39。环境空气与内压缩后较热的腔体空气混合,将使压缩机达到比其正常工作范围高得多的最大压力比,例如从大约4/1增加到大约20/1或更高。
43.因此,本发明的各种实施例提供优于现有技术的优点。例如,带有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)的螺杆压缩机与压缩机内压缩并行,有助于消除排气口打开时的欠压缩和/或过压缩(排气脉动和能量损失的来源)。带有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)的螺杆压缩机可以与滑阀可变容积比设计方案一样有效,但没有机械运动部件,也没有受注油应用的要求,可以用于高速干式螺杆压缩机应用。带有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)的螺杆压缩机可以是压缩机机壳的一个组成部分,因此去除了排放时串联连接的脉动消音器使其尺寸紧凑。带有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)的螺杆压缩机能够在很宽的压力比变化范围内实现节能。带有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)的螺杆压缩机能够在很宽的压力比变化范围内减少气流脉动和诱发振动噪音。带有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)的螺杆压缩机能够在较宽的速度和空腔通过频率范围内实现节能和气体脉动衰减。带有分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)的螺杆压缩机能够在很宽的压力比变化和速度范围内实现与滑阀技术相同水平的绝热非设计工况效率。应当理解,本发明不限于在此描述和/或示出的示例实施方案的特定装置、方法、条件或参数,并且在此使用的术语是为了描述特定实施例的目的,仅作为示例。因此,该术语意在被广义地解释,而无意于不必要地限制要求保护的发明。例如,如在包括所附权利要求的说明书中所使用的,单数形式“一个”、“一种”和“其”包括复数,术语“或”表示“和/或”,
并且指代特定的数字。除非上下文另有明确规定,否则数值至少包括该特定数值。另外,除非本文另外明确指出,否则本文描述的任何方法均无意限于所描述的步骤的顺序,而是可以以其他顺序进行。以上虽然以示例形式示出并描述了所要保护的发明,但是对于本领域技术人员而言显而易见的是,在不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下,可以对其进行许多修改,添加和变种。

技术特征:
1.一种带有分流辅助压缩和脉动陷阱的螺杆压缩机,其特征在于,它包括:压缩室和容纳在压缩室内的一对啮合的多螺旋叶转子,其中压缩室具有吸气口和排气口,其中转子在压缩室内旋转在压缩室内形成一系列移动腔,用于吸入和压缩气体并将气体从吸气口推向排气口;和分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)装置,包括至少一个扩散室,该扩散室具有在压缩室内部的移动压缩腔和扩散室之间提供流体连通的第一级气体喷嘴,并且具有在扩散室和排放口之间提供流体连通的反馈区域,其中分流辅助压缩和脉动陷阱定义了反馈流回路的第一级,分流辅助压缩和脉动陷阱在运行中,大大降低了气流脉动和诱生振动及噪音,提高压缩机非设计工况运行效率,而无需使用串联脉动阻尼器或/和滑阀。2.如权利要求1所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述第一级气体喷嘴位于离吸气口至少一个转子螺距(即与吸入口完全隔离),但位于所述排气口之前。3.根据权利要求1所述的螺杆压缩机,其特征在于,还包括第二级气体喷嘴,所述第二级气体喷嘴与所述第一级气体喷嘴相距至少一个转子螺距(即与第一级气体喷嘴完全隔离),但位于所述排气口之前,由此限定反馈流回路的第二级。4.根据权利要求1所述的螺杆压缩机,其特征在于,还包括第三级气体喷嘴,所述第三级气体喷嘴与所述第二级气体喷嘴相距至少一个转子螺距(即与第二级气体喷嘴完全隔离),但位于所述排气口之前,由此限定反馈流回路的第三级。5.根据权利要求1所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述各级气体喷嘴为圆形截面形状,具有沿喷嘴轴线逐渐过渡的收敛或收敛-发散分布的截面面积。6.根据权利要求1所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述各级气体喷嘴为矩形截面形状,截面面积沿喷嘴轴线逐渐过渡的收敛或收敛-发散分布的截面面积。7.根据权利要求5所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述收敛横截面从喷嘴喉部开始的圆形横截面形状连续过渡到面积相等的压缩室内壁面的矩形狭槽形状,其中位于压缩室内壁面的矩形狭槽形喷嘴的长边与移动压缩腔的狭槽形长边平行。8.根据权利要求5所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述收敛-发散截面从喷嘴喉部开始的圆形截面形状连续过渡到面积逐渐发散的压缩室内壁面的矩形狭槽形状,其中位于压缩室内壁面的矩形狭槽形喷嘴的长边与移动压缩腔的狭槽形长边平行。9.根据权利要求1所述的螺杆压缩机,其特征在于,其中,所述各级气体喷嘴定位成远离所述转子轴线一定距离并且指向与所述转子之一的旋转方向大致相同的切向。10.如权利要求1所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述一对啮合的多螺旋叶转子包括阳转子和阴转子,对应每级具有至少两个气体喷嘴设置,至少有一个位于阳转子侧和至少一个位于阴转子侧,并且每对喷嘴的位置对处在压缩室中对应的的移动阳压缩腔和移动阴压缩腔同时打开。11.一种带有分流辅助压缩和脉动陷阱的螺杆压缩机,其特征在于,它包括:压缩室和容纳在压缩室内的一对啮合的多螺旋叶转子,其中压缩室具有吸气口和排气口,其中转子在压缩室内旋转在压缩室内形成一系列移动腔,用于吸入和压缩气体并将气体从吸气口推向排气口;和分流辅助压缩和脉动陷阱(secapt)装置,包括至少一个扩散室,该扩散室具有在压缩
室内部的移动压缩腔和扩散室之间提供流体连通的第一级气体喷嘴,并且具有在扩散室和周边大气之间提供流体连通的反馈区域,其中分流辅助压缩和脉动陷阱定义了反馈流回路的第一级,分流辅助压缩和脉动陷阱在运行中,可以达到吸气口深真空,并大大降低了气流脉动和诱生振动及噪音,提高了压缩机非设计工况运行效率,而无需使用串联脉动阻尼器或/和滑阀。12.如权利要求11所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述第一级气体喷嘴位于离吸气口至少一个转子螺距(即与吸入口完全隔离),但位于所述排气口之前。13.根据权利要求11所述的螺杆压缩机,其特征在于,还包括第二级气体喷嘴,所述第二级气体喷嘴与所述第一级气体喷嘴相距至少一个转子螺距(即与第一级气体喷嘴完全隔离),但位于所述排气口之前,由此限定反馈流回路的第二级。14.根据权利要求11所述的螺杆压缩机,其特征在于,还包括第三级气体喷嘴,所述第三级气体喷嘴与所述第二级气体喷嘴相距至少一个转子螺距(即与第二级气体喷嘴完全隔离),但位于所述排气口之前,由此限定反馈流回路的第三级。15.根据权利要求11所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述各级气体喷嘴为圆形截面形状,具有沿喷嘴轴线逐渐过渡的收敛或收敛-发散分布的截面面积。16.根据权利要求11所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述各级气体喷嘴为矩形截面形状,截面面积沿喷嘴轴线逐渐过渡的收敛或收敛-发散分布的截面面积。17.根据权利要求15所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述收敛横截面从喷嘴喉部开始的圆形横截面形状连续过渡到面积相等的压缩室内壁面的矩形狭槽形状,其中位于压缩室内壁面的矩形狭槽形喷嘴的长边与移动压缩腔的狭槽形长边平行。18.根据权利要求15所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述收敛-发散截面从喷嘴喉部开始的圆形截面形状连续过渡到面积逐渐发散的压缩室内壁面的矩形狭槽形状,其中位于压缩室内壁面的矩形狭槽形喷嘴的长边与移动压缩腔的狭槽形长边平行。19.根据权利要求11所述的螺杆压缩机,其特征在于,其中,所述各级气体喷嘴定位成远离所述转子轴线一定距离并且指向与所述转子之一的旋转方向大致相同的切向。20.如权利要求11所述的螺杆压缩机,其特征在于,所述一对啮合的多螺旋叶转子包括阳转子和阴转子,对应每级具有至少两个气体喷嘴设置,至少有一个位于阳转子侧和至少一个位于阴转子侧,并且每对喷嘴的位置对处在压缩室中对应的的移动阳压缩腔和移动阴压缩腔同时打开。

技术总结
一种带有分流辅助压缩和脉动陷阱的螺杆压缩机,用于螺杆压缩机的分流辅助压缩和脉动陷阱装置(SECAPT)辅助内压缩(IC),减少气体脉动和诱生振动及噪音,并提高非设计工况运行效率,而无需使用滑阀和/或串联脉动衰减器。分流辅助压缩和脉动陷阱包括内壳体(例如,压缩室的一体部分)和外壳体(例如,围绕压缩机排放口附近的内壳体的部分)形成至少一个具有喷嘴和反馈区域的扩散室,在压缩机室和压缩机排出口之间提供至少一个反馈流动回路。分流辅助压缩和脉动陷阱自动补偿压缩腔压力以满足不同出口压力(背压)的工况,从而消除在排放口打开时欠压缩和/或过压缩,部分回收与欠压缩(UC)相关的能量,在压缩腔向排气口打开之前隔离并衰减气体脉动和噪音。减气体脉动和噪音。减气体脉动和噪音。


技术研发人员:黄秀保 向
受保护的技术使用者:海巴鼓风机有限公司
技术研发日:2021.08.10
技术公布日:2022/3/8

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