离心式压缩机.pdf

一对整体的铸造叶轮，具有径向延伸的且在三维弯曲的叶片，该对叶轮位于压缩机壳体内。压缩机壳体与驱动电机连接，通过将叶轮卡装或压配合于电机驱动轴上，而将叶轮安装于轴上，从而提供一种两级离心式压缩机，其中有驱动电机(5)和驱动轴(14)。驱动轴(14)设置有叶轮(10、12)，可以预期，驱动电机(5)是速度超出10,000转/分、动力源的范围为大约5至10kW的快速运转的异步电机。

权利要求书
1.  一种小型压缩机叶轮，具有轮毂(17)和与所述轮毂(17)连接的多个径向延伸的叶轮叶片(26)和环绕所述叶轮叶片(26)的叶轮罩(19)，其特征在于，所述轮毂(17)具有大小适于被卡装或压配合于驱动轴(14；50)上的孔(13、43)。

2.  根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮叶片(26)与所述轮毂(17)是一体的。

3.  根据权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮叶片是空间弯曲的、三维的叶轮叶片(26)。

4.  根据权利要求1-3中任意一项所述的叶轮，其特征在于，所述轮毂孔(43、44)具有截锥体部分，所述截锥体部分延伸所述轮毂孔的至少75％的长度。

5.  根据权利要求1-4中任意一项所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮罩(19)具有多个平衡连接部分(36)，以将所述叶轮的重心移至旋转轴。

6.  根据权利要求5所述的叶轮，其特征在于，所述平衡连接部分是环绕叶轮进口周围的多个螺纹孔(36)。

7.  根据权利要求1-6中任意一项所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮是整体式叶轮。

8.  根据权利要求7所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮是整体铸造的铝合金叶轮。

9.  根据权利要求1-8中任意一项所述的叶轮，其特征在于，两级离心式压缩机中有一对所述叶轮(10、12；41、42)，二者轴向安装于电机驱动轴上。

10.  根据权利要求9所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮安装于电机驱动轴(14、50)上，所述电机驱动轴(14、50)与速度超出10,000转/分、动力源的范围为大约5至10kW的快速运转的电动机连接。

11.  根据权利要求1-10中任意一项所述的叶轮，其特征在于，具有驱动电机(5)、驱动轴(14、50)的两级离心式压缩机中有一对所述叶轮，所述驱动轴(14、50)上设置有两个叶轮(10、12；41、42)。

12.  根据权利要求9、10或11所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮(10、12)是相同的，所述轴(14)和所述叶轮(10、12)之间设置有公差环(34)。

13.  根据权利要求9-12中任意一项所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮(10、12；41、42)具有多个平衡孔(36)，所述平衡孔(36)内可任选地附着平衡元件。

14.  根据权利要求9-13中任意一项所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮下游设置有出口扩散器(18、20)。

15.  根据权利要求14所述的叶轮，其特征在于，所述出口扩散器(18、20)被设计为具有平行的壁而没有叶片。

16.  根据权利要求9-15中任意一项所述的叶轮，其特征在于，所述轴(14、50)支撑于两滚柱轴承(16)上，其中一所述滚柱轴承(16)安装于所述叶轮(10、12、41、42)与所述驱动电机(5)之间，而另一所述滚柱轴承(16)位于所述驱动电机远离所述叶轮的一端。

17.  根据权利要求9-16中任意一项所述的叶轮，其特征在于，为支撑所述驱动轴(14、50)，所使用的滚柱轴承(16)的轴承环由钢铁制成，滚柱轴承(16)的滚柱由陶瓷制成。

18.  根据权利要求9-17中任意一项所述的叶轮，其特征在于，所述平衡盘(38)设置于所述驱动电机(5)上远离所述叶轮的一端。

19.  根据权利要求18所述的叶轮，其特征在于，所述平衡盘(38)和与其相邻的滚柱轴承(16)导热连接。

说明书离心式压缩机
本发明涉及一种小型离心式压缩机叶轮以及包含该叶轮的小型离心式压缩机，其特征在于，该叶轮具有大小适于被卡装或压配合于电动机驱动轴上的中心孔。
背景技术
众所周知，小型离心式压缩机具有5-10kw的驱动动力，其可用于向其它机器如(例如装钉机或其它生产机器)提供压缩空气。该动力范围内的标准压缩机在体积流率为2,000m3/h时产生大约80毫巴的总体压力差，其效率相对较低。
并且，在小尺寸多级压缩机中，公知的做法是用机械加工去除一些材料，以使重心位于旋转轴线上。一般情况下，小尺寸多级压缩机的叶轮至少分为两部分制造——带有叶轮叶片的轮毂和封闭叶轮叶片的叶轮罩。第一部分是铸造的叶轮轮毂，其具有从叶轮轮毂径向延伸的多个二维叶片。尽管就制造难度而言，二维叶片更有优势，但这种简单的叶片设计将使得效率受到损害。第二部分是叶轮罩，叶轮罩通常焊接于叶轮轮毂上。这种两部分的叶轮使得其在电机轴上更难以平衡，并且也增加了制造成本。此外，公知的小尺寸多级压缩机一般在扩散器中具有叶片。
发明内容
本发明提供一种具有驱动电机的两级离心式压缩机，驱动电机的驱动轴上设置有两个叶轮，驱动电机是速度超出10,000转/分、动力源的范围为5至10kW的快速运转的异步电机。两级压缩机与在临界速度上的运转的结合提供了一种非常高性能的压缩机，该压缩机在体积流率为700至900m3/h时产生超过200毫巴的整体压力差。
在一种实施方案中，本发明的两个叶轮是相同的整体式叶轮。这样理论上降低了制造成本，因为这样允许为相同数量的离心式压缩机制造更大量的叶轮。
在另一种实施方案中，本发明的整体式叶轮除了叶轮孔之外都是相同的，叶轮孔是不同的。各叶轮孔至少在其75％的长度上是截锥体，最接近电机的第二叶轮孔大于远离所述电机的第一叶轮孔，这使得叶轮可相对容易地从电机驱动轴上取下。
本发明的叶轮具有整体的叶轮叶片，该叶轮叶片与叶轮轮毂是一体的，并且是从所述叶轮轮毂径向和轴向延伸的三维叶片。该叶轮是空间扭曲的。在小直径上中心线的偏差超过在大直径上中心线的偏差。
本发明的叶轮质量轻，其由单片的铝合金铸件构成，以提供一体的叶轮轮毂、叶轮叶片和叶轮罩。这允许叶片制作成本发明三维弯曲的形状。为此，可采用熔芯法(lost core)。采用的铝合金铸件特有的轻重量提供了较低的总体重量。可对叶轮的外表面进行机械加工(即通过切屑加工工艺)，以提供平滑均匀的表面。
在本发明的另一种实施方案中，通过将叶轮卡装(jam)或压配合于驱动轴，使得叶轮附着于电机驱动轴上。这使得可以省去导向键等在叶轮高速驱动时，会产生不平衡和强度等方面的问题的元件。
在另一种实施方案中，通过在驱动轴和叶轮之间提供公差环，本发明确保叶轮保持精确限定，并优选地位于相对于驱动轴的中心位置。
在另一种实施方案中，压缩机具有一对除了叶轮孔之外均相同的整体式叶轮。第一叶轮的叶轮毂孔是截锥体，该截锥体的第一端(离压缩机电机最远的一端)具有小于其第二端的直径。第二叶轮的叶轮毂孔也是截锥体，该截锥体的第一端(离压缩机电机最远的一端)具有小于其第二端的直径。所述第二叶轮孔的第一端具有大于第一叶轮孔第二端的直径。所述第二叶轮孔的第一端的直径也大于电机驱动轴延伸至超出第二叶轮的任何部分，因而第二叶轮可容易地从电机驱动轴上取下，以维修或更换。
在另一种实施方案中，整体式叶轮驱动轴上具有相间隔的截锥体，各截锥体略大于对应的第一和第二叶轮的截锥体孔，因而叶轮可压配合于驱动轴上。
在另一种实施方案中，本发明提供具有多个平衡孔的叶轮，所述平衡孔内可任选地附着平衡元件(如螺栓、螺钉或圆盘等)。由于叶轮被驱动于临界速度以上，在压缩机装配后，必须进行非常细心的平衡。这只能在离心式压缩机装配后进行，因为即使之前完全平衡的叶轮，在安装叶轮过程中(例如由于驱动轴略微的偏心配置)产生的不平衡在运转过程中也会产生严重后果。第一叶轮(与电机相距最远的叶轮)的平衡孔在压缩机的抽吸端是可接近的，因此，在平衡之后，不需要在旋转部分做任何工作。已经证明仅仅利用第一叶轮的平衡孔实现最后的平衡是完全足够的。第二叶轮(与电机相距最近的叶轮)的平衡孔是不需要的，在安装第一叶轮之后，第二叶轮的平衡孔不再可接近。
按照本发明的另一种实施方案，所述叶轮下游设置有出口扩散器。所述出口扩散器具有平行的壁而没有叶片。所述出口扩散器确保减小从叶轮排出的媒介的流速，这样能提高静态压力。众所周知，尽管叶片扩散器提高效率，但可能的流动范围受到限制，在扩散器内省去叶片产生宽范围的高效率的性能。
按照又一种实施方案，所述驱动轴支撑于两滚柱轴承上，其中一滚柱轴承安装于叶轮与驱动电机之间，而另一滚柱轴承位于驱动电机远离所述叶轮的一端。换言之，两叶轮设置于自由伸出的驱动轴上。轴承的这种设置(会意想不到受到潜在可能的叶轮振荡的影响)具有这样优势，即，在两个轴承之间只有很少的接点(即两个接点)是必须。两个轴承座套设置于驱动电机的端板内部，各端板直接安装于电机壳体上。反之，如果在叶轮两端的轴承是必须，压缩机壳体的所有部分将必须被制造为具有很高的精度。由于壳体由多个部分组成，就必须防止壳体公差累积而导致两轴承的轴有不允许的错误位置。
为了改进所述驱动轴的轴承设置，所述滚柱轴承具有由钢铁制成的轴承环和由陶瓷制成的滚柱。这种动静压混合轴承对润滑剂的要求低，且使用寿命长。
在另一种实施方案中，驱动电机上远离所述叶轮的一端设置有平衡盘。就驱动电机和叶轮的速度(在临界速度之上)而言，已经证明将平衡盘作为额外平衡元件以实现包括驱动轴、叶轮和电动机的装置的平衡是有利的。
优选地所述平衡盘和与其相邻的滚柱轴承导热连接，因此所产生的摩擦热量以及由电动机散出而进入滚柱轴承的热量均可通过平衡盘释放至外界。
下面结合附图根据优选实施方案描述本发明。
附图说明
图1是按照本发明的离心式压缩机的第一立体图；
图2是图1的离心式压缩机的第二立体图；
图3是图1的离心式压缩机的一种实施方案的局部剖视图；
图4是按照本发明的离心式压缩机的叶轮的叶片的第一示意图；以及
图5是叶片的第二示意图。
图6是本发明的叶轮的立体图。
图7是本发明的离心式压缩机的另一实施方案的局部剖视示意图。
具体实施方式
参见图1和2，本发明的两级离心式压缩机具有驱动电机5、驱动电机外部冷却风扇6、压缩机壳体7、压缩机壳体出口22以及压缩机壳体进口24。
驱动电机5是带有频率逆变器的快速运转的异步电机，其具有大约15000转/分的驱动速度。
参见图3，其示出了本发明的实施方案。驱动电机5具有由单个连续片(优选为钢铁)制成的驱动轴14。驱动轴14支撑于两滚柱轴承16上，两滚柱轴承16位于两端板上：一个位于驱动电机5的前端，另一个位于驱动电机5的后端。滚柱轴承16是动静压混合轴承，其具有由钢铁制成的轴承环和由陶瓷制成的滚柱。由于容纳滚柱轴承16的元件之间接点较少，因此滚柱轴承16可相对于彼此高精度地对准。
与驱动电机5连接的是压缩机壳体7。压缩机壳体由多个部分构成。本发明的第一压缩机叶轮10和第二压缩机叶轮12容纳于压缩机壳体7内。双壁出口扩散器18、20通向出口22(参见图1和2)。在远离驱动电机5的一端，进口24和驱动轴14同心。
两叶轮10、12中的每一个都是铝合金铸件，其采用砂型铸造法制造。各叶轮是叶轮轮毂17、由叶轮轮毂限定的圆柱孔13、从所述叶轮轮毂17延伸出的多个基本径向叶轮叶片26一体铸造的整体件，并由一体的叶轮罩19封闭。流道在叶轮的叶片之间延伸。在铸造过程中，流道以及叶片26由可熔芯法限定。各叶片26被设计成三维弯曲。当采用驱动轴14的中心线作为叶片中心线时，叶片的角度从大约45度增加至与驱动轴在出口端的中心线平行。如上所述，中心线在小半径上的偏差超过在较大的半径的偏差。叶片自身以大约螺纹的形状扭曲。本发明的三维叶轮提供较高的流体流动效率。
图4和5示出了叶片26的三维弯曲的形状。图5以展开方式示出图4的Y视图。E指进口边缘，A指出口边缘，而D指在盖板上的轮廓，N指轮毂的轮廓。
如图3所示，驱动轴14具有多个槽27。每个叶轮10、12和隔离物30对应于至少一个槽。公差环34安装于各轴槽27中。在叶轮和隔离物被安置于轴上之前，先将公差环34设置于其重心所在平面的区域内。公差环基本上是横截面为波浪状的刚性弹簧卡装垫圈。公差环消除了驱动轴和叶轮之间的间隙，这对装配而言是必须的。公差环有助于在驱动轴和叶轮之间传递扭矩，并被尽可能多地使用，以使两叶轮10、12中心地定位，并在操作过程中保持它们的位置。驱动轴的直径略大于叶轮孔的直径。
两叶轮10、12是相同的整体式叶轮，仅仅通过将它们卡装至驱动轴上而将它们固定在驱动轴14上。在将叶轮10、12和隔离物30安置于驱动轴14上之前，它们被静态平衡。在静态平衡之后，第二叶轮12和隔离环30被卡装至驱动轴14上，然后第一叶轮10被卡装至驱动轴14上。仅仅通过驱动轴和叶轮孔13之间的紧配合将两叶轮10、12固定在驱动轴上。在图3的实施方案中，接触环32设置于轴上，以与轴肩35邻接，然后第二叶轮12和隔离环30被卡装至驱动轴上，最后第一叶轮10被卡装至轴14上。采用锁紧螺母28通过隔离环30锁紧两叶轮10、12，并使接触盘32抵靠于驱动轴14的肩部35而完成最后的紧固。
此外，装配完成后进行动态平衡。为此，每个叶轮均具有多个平衡孔36，平衡孔36内可选择地附着有平衡元件，如螺钉、螺栓或圆盘。当需要采用螺钉或螺栓时，孔内具有适当的螺纹。当优选地采用圆盘或其它类型的平衡装置时，孔也被适当地配置。仅仅对第一叶轮10进行动态平衡。第二叶轮12上可能也有平衡孔，这仅仅是出于制造的原因，因为叶轮10、12被相同地制造。
此外，驱动电机5远离叶轮10、12的一端具有平衡盘38。由于采用平衡盘38，因此可进一步减少不平衡。平衡盘38还可用于冷却设置于该端的滚柱轴承16。为此，滚柱轴承16与平衡盘38具有导热连接，平衡盘38位于外部风扇6的冷却气流中。
参见图6，其为本发明的具有多个平衡槽或孔36、轮毂17、叶轮叶片26以及罩19的整体式铸造叶轮。
在另一个优选实施方案中，如图7所示，本发明的两级离心式压缩机具有两个整体式铸造叶轮41和42以及驱动轴43。图7仅仅示出了压缩机的局部剖视图，未示出安装于压缩机壳体内的叶轮的所有特征。图7示出了本发明优选叶轮的重要特征和电机驱动轴结构。在图7中，采用和图1-3相同的数字表示各个部件的相同部分。除了叶轮轮毂孔的形状外，图7的叶轮和图3的叶轮具有大体相同的结构。两叶轮41、42是铝合金铸件，其采用砂型铸造法制造。各叶轮41、42具有轮毂17、多个空间弯曲的径向延伸的三维叶片26、以及罩19。整体叶片26之间形成流道。在铸造过程中，流道以及叶片26由熔芯法限定。如图4和5所示，各叶片26是三维弯曲的。
除了孔43和44外，叶轮41和42彼此相同。第一叶轮41的叶轮孔43是这样的截锥体，该截锥体具有直径小于其第二端47的第一端46。第二叶轮42的孔44是这样的截锥体，该截锥体具有直径小于其第二端49的第一端48。第二叶轮42的孔44的第一端48的直径大于第一叶轮42的孔43的第二端47。第二叶轮42的孔44的第一端48的直径也大于驱动轴50向第一叶轮41延伸至超出第二叶轮42的任何部分，因此第二叶轮42可易于沿箭头51的方向从驱动轴50上取下，也易于装回到驱动轴50上，当然也可以将与第二叶轮42相同的另一叶轮安装到驱动轴50上。
驱动轴50具有截锥体部分52，截锥体部分52邻近于轴的与电机连接的一端。截锥体部分52朝电动机膨胀。截锥体部分52略大于叶轮42的截锥体孔44，因而叶轮可被压配合于其上。
驱动轴还具有另一截锥体部分53，截锥体部分53邻近于与和电机连接的轴端相反的轴端。截锥体部分53略大于叶轮41的截锥体孔43，因而叶轮41可被压配合于轴50上。
轴50的截锥体部分52和53的外表面分别与叶轮孔43和叶轮孔44的大于75％的表面接触。为了在驱动轴与叶轮的截锥体孔之间实现需要的压配合，轴的直径在其与叶轮孔的接触点略大一些。
叶轮在轴上的压配合使叶轮可固定于驱动轴上，而无需不必要的额外外部元件，并允许叶轮更平衡地运转。
优选地叶轮孔在铸造过程中形成，但如果需要，也可在铸造后由机械加工形成。
仅仅通过将叶轮41、42压配合于驱动轴截锥体部分52、53上，即可将叶轮41、42固定于驱动轴50上。在将叶轮41、42和隔离物55安置于驱动轴50上之前，它们被静态平衡。在本实施方案中，轴上不具有肩部，而是压缩机壳体7最接近电动机的端部附近形成有槽。接触环54和挡圈56保持于该槽内。在静态平衡后，手动将第二叶轮42推至轴上。然后，通过旋转锁紧螺母28(a)，将第二叶轮42压配合于轴截锥体部分53上的最终的压配合完成。然后将隔离环55和第一叶轮41手动压紧于驱动轴上，并使叶轮41与轴截锥体52配合。之后，将锁紧螺母28旋转半圈，完成最终的压配合，使得叶轮41和42抵靠隔离环55。上述是使叶轮移动限定的距离的“路径控制”压配合。然而，也可采用向叶轮施加预定力的“力量控制”压配合。
另外，正如上述结合图3的实施方案所讨论的，在装配之后执行动态平衡。为此，各叶轮具有多个平衡孔36，平衡孔36内可选地附着有平衡元件，如螺钉、螺栓或圆盘。当需要采用螺钉或螺栓时，孔具有适当的螺纹。当优选地采用圆盘或其它类型的平衡元件时，孔也被适当地配置。仅仅对第一叶轮41进行动态平衡。第二叶轮12上可能也有平衡孔，这仅仅是出于制造的原因，如果需要，第二叶轮12上的平衡孔也可消除。
由于叶轮10、12、41、42具有相对较轻的重量，也由于本发明的叶轮可保持很高的平衡精度，因此，尽管在叶轮领域，驱动轴是以自由伸出的方式设计，但本发明的叶轮也可被驱动为在临界速度以上运转。