一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机

技术领域

本发明属于压缩机技术领域，特别是涉及一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机。

背景技术

现有技术中，离心式压缩机多采用单级或者两级、三级离心叶轮串联式悬臂布局结构，此结构会导致轴在高速运转时失稳，传统的做法是将轴径设计的更为粗壮，增大轴的刚度，结果是牺牲了压缩机的效率和经济型。对于小型离心压缩机，为避免轴的失稳干脆不采用悬臂连接方式，将吸气口改为侧面进气，牺牲压缩机的进气效率。因此，亟待研究一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机，以便于解决上述问题。

发明内容

本发明在于提供一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机，其目的是为了解决上述背景技术中所提出的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机，包括并排安装的电机壳体、压缩机蜗壳及进风罩；所述进风罩具有一与压缩机蜗壳相配套的进风通道；所述电机壳体的内部安装有电机定子；所述电机定子的内侧转动穿插有电机转子轴系；所述电机转子轴系上并排安装有非叶轮端径向轴承与叶轮端径向轴承；所述非叶轮端径向轴承与叶轮端径向轴承分别设置于电机定子的相对两侧；所述电机定子与叶轮端径向轴承之间设置有叶轮端着陆轴承；所述叶轮端着陆轴承安装于电机转子轴系上；所述电机定子与非叶轮端径向轴承之间安装有非叶轮端着陆轴承；所述非叶轮端着陆轴承安装于电机转子轴系上；所述非叶轮端径向轴承远离非叶轮端着陆轴承的一侧安装有与电机转子轴系相配套的反向止推轴承；所述反向止推轴承远离非叶轮端径向轴承的一侧安装有相配套的止推套环；所述止推套环远离反向止推轴承的一侧安装有相配套的止推轴承；所述电机转子轴系具有同轴设置的悬臂端；所述悬臂端穿插于进风通道内；所述悬臂端上安装有与压缩机蜗壳相对应的叶轮；所述叶轮的周侧设置有扩压器；所述扩压器安装于压缩机蜗壳上；所述叶轮的一侧设置有支撑架；所述支撑架固定于进风通道内；所述支撑架与悬臂端之间安装有辅助气体轴承；所述辅助气体轴承套设于悬臂端上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述悬臂端上安装有导流风锥；所述导流风锥设置于进风通道内。

作为本发明的一种优选技术方案，所述非叶轮端径向轴承和电机转子轴系之间的间隙大小与叶轮端径向轴承和电机转子轴系之间的间隙大小相等；所述辅助气体轴承和悬臂端之间的间隙大小大于非叶轮端径向轴承和电机转子轴系之间的间隙大小。

作为本发明的一种优选技术方案，所述辅助气体轴承为动压气箔轴承。

作为本发明的一种优选技术方案，所述辅助气体轴承为静压气浮轴承；所述静压气浮轴承的供气孔连接有高压供气管路；所述高压供气管路上安装有供气调节阀。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过在电机转子轴系上一体成型一同轴设置的悬臂端，并在悬臂端上安装辅助气体轴承，不仅能够降低了轴及压缩机的尺寸，而且还提高了承载刚度和轴系的临界转速，同时也提高了离心式压缩机的可靠性，避免了电机转子轴系运转失稳等问题，适用于高速轻载的离心压缩机设计应用，可应用于半封闭式或者开启式多级高速直驱的离心式压缩机制冷系统，具有较高的市场应用价值。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机的结构示意图。

图2为本发明的非叶轮端径向轴承和电机转子轴系之间的间隙、叶轮端径向轴承和电机转子轴系之间的间隙以及辅助气体轴承和悬臂端之间的间隙之间的位置关系图。

图3为现有技术中的不具有辅助气体轴承的离心式压缩机的轴系无阻尼的临界转速图。

图4为现有技术中的不具有辅助气体轴承的离心式压缩机的轴系动态响应曲线图。

图5为本发明的一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机的轴系无阻尼的临界转速图。

图6为本发明的一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机的轴系动态响应曲线图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-电机壳体，2-压缩机蜗壳，3-进风罩，4-电机定子，5-电机转子轴系6-非叶轮端径向轴承，7-叶轮端径向轴承，8-叶轮，9-扩压器，10-辅助气体轴承，11-支撑架，12-导流风锥，13-高压供气管路，14-供气调节阀，15-叶轮端着陆轴承，16-非叶轮端着陆轴承，17-反向止推轴承，18-止推套环，19-止推轴承，20-供气分配总管路，501-悬臂端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施例：

请参阅图1所示，本发明为一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机，可应用于半封闭式或者开启式多级高速直驱的离心式压缩机制冷系统，半封闭式离心压缩机是内置有电机和电机冷却系统，而开启式离心式压缩机是不内置电机，电机外置；离心式压缩机包括并排安装的电机壳体1、压缩机蜗壳2及进风罩3；电机壳体1、压缩机蜗壳2及进风罩3之间的连接关系以及具体结构均为本领域的常规手段；进风罩3具有一与压缩机蜗壳2相配套的进风通道；电机壳体1的内部安装有本领域的常规电机定子4；电机定子4的内侧转动穿插有电机转子轴系5；电机转子轴系5上并排安装有本领域的常规非叶轮端径向轴承6与本领域的常规叶轮端径向轴承7；非叶轮端径向轴承6与叶轮端径向轴承7分别设置于电机定子4的相对两侧；电机定子4与叶轮端径向轴承7之间设置有本领域的常规叶轮端着陆轴承15；叶轮端着陆轴承15安装于电机转子轴系5上；电机定子4与非叶轮端径向轴承6之间安装有本领域的常规非叶轮端着陆轴承16；非叶轮端着陆轴承16安装于电机转子轴系5上；非叶轮端径向轴承6远离非叶轮端着陆轴承16的一侧安装有与电机转子轴系5相配套的反向止推轴承17；反向止推轴承17远离非叶轮端径向轴承6的一侧安装有相配套的止推套环18；止推套环18远离反向止推轴承17的一侧安装有相配套的止推轴承19；反向止推轴承17、止推套环18及止推轴承19的连接关系以及具体结构均为本领域的常规手段；非叶轮端径向轴承6、叶轮端径向轴承7、反向止推轴承17及止推轴承19通过供气分配总管路20供气；供气分配总管路20设置于电机壳体1；电机转子轴系5具有同轴设置的悬臂端501；悬臂端501穿插于进风通道内；悬臂端501上安装有本领域的常规导流风锥12；导流风锥12设置于进风通道内；悬臂端501上安装有与压缩机蜗壳2相对应的叶轮8；叶轮8为本领域的常规结构；叶轮8的周侧设置有本领域的常规扩压器9；扩压器9安装于压缩机蜗壳2上；叶轮8的一侧设置有支撑架11；支撑架11有同轴设置的外撑环与内撑环以及四个连接外撑环与内撑环的支杆构成；支撑架11固定于进风通道内；支撑架11与悬臂端501之间安装有辅助气体轴承10；辅助气体轴承10套设于悬臂端501上；辅助气体轴承10的外圈采用本领域的常规可自调心的弹簧结构(具体可参考本领域的常规自调心轴承的外圈结构)，因为非叶轮端径向轴承6与叶轮端径向轴承7之间已形成一个稳定的支撑结构，再增加辅助气体轴承10时，就属于过约束结构布局，因此必须释放这个多余的约束，确保当非叶轮端径向轴承6与叶轮端径向轴承7形成稳定支撑后，再安装悬辅助气体轴承10时，不会导致无法装配和转动卡阻。

其中如图2所示，非叶轮端径向轴承6和电机转子轴系5之间的间隙大小与叶轮端径向轴承7和电机转子轴系5之间的间隙大小相等；辅助气体轴承10和悬臂端501之间的间隙大小大于非叶轮端径向轴承6和电机转子轴系5之间的间隙大小。设定辅助气体轴承10和悬臂端501之间的间隙为δ

具体实施例一：

在上述具体实施例的基础上，辅助气体轴承10为本领域的常规动压气箔轴承；动压气箔轴承的外部箔片是波纹状的，可以弯曲以适应辅助气体轴承10和悬臂端501的动态对中；动压气箔轴承的内部箔片是圆柱形的，可紧密包裹在悬臂端501上。当电机转子轴系5旋转时，气体因粘性作用随电机转子轴系5进入扇形段，形成动压润滑膜,从而使动压气箔轴承的箔带变形与悬臂端501脱离接触；利用这个原理在移动的箔带与起导向作用的刚性表面(圆柱面、圆弧面、平面)间建立润滑膜，避免箔带与导向面直接接触，从而减小摩擦。气体在轴和顶部箔之间被吸入，形成一个狭窄的间隙，允许以最小的摩擦旋转，动压气箔轴承本身的特性决定了轴在旋转状态下可以通过自身的旋转吸入气体形成动压气膜。

具体实施例二：

在上述具体实施例的基础上如图1所示，辅助气体轴承10为静压气浮轴承；静压气浮轴承的供气孔连接有高压供气管路13；高压供气管路13穿插于进风罩3上；高压供气管路13上安装有本领域的常规供气调节阀14。使用时，采用压缩机的排气供气到静压气浮轴承的运行模式为：引入压缩机的一部分排气压力至高压供气管路13内并经过供气调节阀14节流降压后引入气体供给静压气浮轴承，确保一个固定的供气压差引入到静压气浮轴承中，支撑电机转子轴系5在高速运转下的扰动力，气体从静压气浮轴承和电机转子轴系5的悬臂端501的间隙中排出，因为气体是系统用的气体，可以直接进入到系统中，完成气浮轴承供气工艺过程。

如图3及图4所示，现有技术中不具有辅助气体轴承的离心式压缩机运行时，轴承刚度曲线和轴的刚度曲线的交叉点为轴系的临界转速32000rpm，虚线所示为最高运行转速MOS为32000rpm，临界转速等于最高运行转速，在高速运转的时候，将导致轴系的不稳定运动，同时图4为不平衡相应的转子动力学分析。

如图5及图6所示，本发明的一种具有辅助气体轴承的离心式压缩机运行时，因为增加了辅助的刚度，相当于增加了轴承的刚度，轴承刚度曲线和轴的刚度曲线的交叉点为轴系的临界转速，可以看到临界转速提高到了45000rpm，临界转速已经较大幅度的高于压缩机的最高运行转速，运行更加可靠。同时由于阻尼的作用，悬臂端结构的不平衡相应被大幅度抑制。从图6可看出，增加了辅助气体轴承10后，一阶临界转速为45000rpm，最大的不平衡响应为5m；二阶临界转速75000rpm运行时，最大不平衡响应为19m。而在图4中，未增加辅助气体轴承10，一阶临界转速为32000rpm，最大的不平衡响应为12m，二阶临界转速为65000rpm，最大不平衡响应为35m。因此，可以看到增加了辅助气体轴承10后，临界转速提高了，不平衡响应降低了，同时轴系的高速轻载运行更加稳定可靠。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。