CN1690428A - 螺杆机 - Google Patents

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CN1690428A CNA2005100740223A CN200510074022A CN1690428A CN 1690428 A CN1690428 A CN 1690428A CN A2005100740223 A CNA2005100740223 A CN A2005100740223A CN 200510074022 A CN200510074022 A CN 200510074022A CN 1690428 A CN1690428 A CN 1690428A
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C·V·库珀
R·T·德罗斯特
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H·E·伊顿
H·E·卡利法
K·B·库马
R·R·林
P·H·麦克卢斯基
R·德布洛伊斯
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Abstract

一螺机(10)，其具有一个限定部分重叠的孔(12－1、12－2)的转子壳(12)。凹转子(14)位于孔(12－1)中，凸转子(16)位于孔(12－2)中。在这些转子的齿尖(14－1、16－1)上沉积有耐磨涂层。在这些转子的齿根(14－2、6－2)上沉积有适合的涂层。在上述孔与转子共同起作用的表面上沉积有适合的涂层。

Description

螺杆机
背景技术
在一种传统的螺杆机中，一个凸转子和一个凹转子分别平行地位于限定在一个转子壳体内的部分重叠的孔中，共同作用以聚集和压缩气体容积。虽然两个转子是最通常的设计，但三个或更多的转子可以共同成对作用。凸转子和凹转子的齿廓以及齿和齿槽的数目不同。例如，凹转子可以具有由六个齿槽分开的六个齿，而与之共轭的凸转子可以具有由五个齿槽分开的五个齿。相应的，齿和齿槽的每种可能的组合在转子间的共同作用是发生在一个基圆上的。共轭转子对之间的共同作用是滑动和滚动接触的组合，这产生不同的磨损率。除了成对共同作用之外，转子还与壳体共同作用。因为转子接触的所有组合都发生在共轭对之间，不同结合之间的密封/泄漏可能会由于加工公差和磨损情况而不同。尽管加工公差由于附带的加工成本而被精密的把握，并且提供了足够的润滑和其它的液体喷射来进行密封，但还可能出现上述情况。
螺旋转子的共轭对的轮廓设计必须在大部分的部段内设有余隙。大量因素导致设置余隙的需要，这些因素包括：由于气体在压缩过程中被加热而导致转子的热膨胀；转子由于来自压缩过程的压力负载而产生的偏差；支撑轴承结构的公差和转子的机加工公差有时可能倾向于使转子彼此靠得太近，这将导致干扰；并且转子轮廓上的机加工公差本身就可导致干扰。叠加在上述因素上的是从吸气到排气的过程中伴随压力和温度的增加的压力和温度梯度。
压力梯度在操作中通常是沿一个方向的，从而流体压力倾向于迫使转子向吸气侧运动。转子通常在每一端安装于轴承上，从而同时提供了径向和轴向约束。转子在排气侧的端隙对于密封是关键的，流体压力倾向于打开该端隙。
在转子上有某些部段，例如接触带，在该处转子之间保持零余隙。转子限定接触带的部段是在转子间传递所需转矩的区域。转子之间的负载对于凸转子驱动和对于凹转子驱动是不同的。在凸转子驱动中，转子之间的负载可以等于整个压缩机转矩的大约10％，而在凹转子驱动的情况中，转子之间的负载可以等于整个压缩机转矩的大约90％。这些部段通常位于转子的节圆附近，该位置是在转子上导致滚动接触的等转速位置，从而减小了或者就没有滑动接触，并因此减少了磨损。
大量的端运行余隙必须被保持在螺杆压缩机的排气端，以防止由于转子咬粘而引起的失效。咬粘可能由于转子的热膨胀引起，或者由于压缩过程中因压力脉动在转子和端壳之间产生的断续接触引起。
发明内容
本发明的一个目的是减小螺杆机中的泄漏。
本发明的另一个目的是在不增加泄漏的情况下，放宽机加工公差。
本发明的再一个目的是减少螺杆机中所需的油密封。
本发明的另外的目的是使由于摩擦造成的功率损耗最小，并防止磨损。通过本发明的完成，这些目的和其它的目的都将变得清楚。
按本发明，一涂层被涂敷到螺旋转子和/或壳体的内孔表面的一个或多个部分上。
在本发明的一方面中，一低摩擦的耐磨材料可位于转子齿尖，在这里转子可具有与壳体的正常接触以及相互的正常接触。这些转子彼此成对共同作用，也与壳体共同作用。而精密的机加工公差减少了由于转子自身之间以及与壳体之间的共同作用而造成的泄漏，通过结合精密公差或者按照精密公差也可以完成其它的事情。合适的低摩擦的耐磨材料的实例包括多层的金刚石状碳(DLC)涂层、氮化钛和其它的单一材料，单一的氮化物涂层以及硬质合金和陶瓷涂层，它们具有高的耐磨性和低的摩擦系数。
在本发明的另一方面中，合适的涂层可位于壳体的内孔表面和/或转子齿槽上。合适的涂层的实例包括：例如磷酸铁涂层、磷酸镁涂层、镍汞聚合物和其它材料，它们在施加力时产生弹性。合适的涂层在壳体的内孔表面和/或转子齿槽上位置可以减少泄漏和油密封的需要，而却放宽了加工公差。
一涂敷有低摩擦的耐磨材料的表面或者通过等同处理的表面比一个未处理的表面更能容忍滑动接触。这存在一种与这样的处理有关的协同效果，即该被涂敷的表面对于滑动接触具有更大的耐受度。按本发明的又一方面，这允许接触带从节圆更远离地运动开，从而进一步减小了接触力并减小了在带有再定位的接触带的被处理的转子上的全部磨损的可能。在传统实践中，是将接触带靠近转子的节圆设置，如所指出的，这体现了接近纯滚动接触的需要。
接触带的位置是一个设计特征，并可从节圆或者是你想设置的位置处去除。通过从节圆处移走接触带，转子之间的负载便可被减小，这对于凹转子驱动而言特别重要的。随着接触开始从节圆移开，这里就有更多的滑动接触，而不是纯滚动接触。如果相应的节圆与凸转子的齿根圆和凹转子的齿顶圆一致，则涉及由啮合的转子齿尖和螺杆机相邻孔之间的交点的边缘所限定的泄漏区的气穴区只可被减小到零。这必定需要接触带要远离节圆设置，以响应传动角、接触压力、凸转子的齿根半径的切削性和将发生的滑动量之间的协调。
维持这种大的端齿侧隙的代价是增加了从高压区向低压区的泄漏。按本发明的另一方面，通过在转子的端表面上或在端壳的表面上涂敷一层具有低摩擦系数的耐磨涂层，或者通过在转子端部和端壳之间插入一被涂敷了的构件，上述端齿侧隙至少可被减少50％。由于排气端的减少的泄漏，改善了压缩机的性能。
附图说明
为了更完整地理解本发明，现在请参见下文结构附图对各种实施例进行的详细说明，附图所示为：
图1是通过一个螺杆机的横截面图；
图2是图1螺杆机的部分截面图；
图3是图1螺杆机的排气端的一部分的放大视图；
图4是图1的带有本发明所示的各种涂层的放大部分；
图5是部分截面图，表示了涂敷在转子端部上的DLC；
图6是部分截面图，表示了涂敷在排气端壳上的DLC；和
图7是部分截面图，表示了一个DLC涂层盘；
图8是DLC涂层的放大视图；和
图9是图1的转子对的轴向段的透视图。
具体实施方式
在图1中示出了一个螺杆机10，例如一个螺杆压缩机，其具有一个转子壳体或壳12，部分重叠的孔12-1和12-2位于该壳体中。具有一个节圆PF的凹转子14位于孔12-1中。具有一个节圆PM的凸转子16位于孔12-2中。由点A和B所示的平行轴线垂直于图1的平面，并相隔一个等于凹转子14的节圆PF的半径RF和凸转子16的节圆PM的半径RM之和的距离。由点A所示的轴线是凹转子14的转轴并通常为孔12-1的中心，孔12-1的直径通常与凹转子14的齿顶圆TF的直径相一致。同样，由点B所示的轴线是凸转子16的转轴并通常为孔12-2的中心，孔12-2的直径通常与凸转子16的齿顶圆TM的直径相一致。典型的情况为，转子和孔的中心线错开一个非常小的量，以补偿余隙和偏差。忽略操作余隙，孔12-1的经过与孔12-2部分重叠的部分的延伸部在与凸转子16的齿根圆RMR切点处与线A-相交。同样，孔12-2的经过与孔12-1部分重叠的部分的延伸部在与凹转子14的齿根圆RFR的切点处与线A-B相交。该共同点由F1、M1标出，其中F1是相对于凹转子14的，M1是相对于凸转子16的。
在所示实施例中，凹转子14具有六个由六个凹齿槽或齿槽14-2分开的齿刃或齿尖14-1，而凸转子16具有五个由五个凹齿槽或齿槽16-2分开的齿刃或齿尖16-1。相应的，转子16的转速是转子14的转速的6/5或120％。或者是凹转子14，或者是凸转子16，都可以被连接到一个原动力(未示出)上，并作为驱动转子。也可以使用其它个数的凹和凸齿刃和齿槽的结合。
现在参见图2和3，转子14具有一个轴部14-3，其带有一个在轴部14-3和转子14之间形成的轴肩14-4。转子14的轴部14-3在出口或排气壳13中被支承在一个或多个轴承30上。同样，转子16具有一个轴部16-3，其带有一个在轴部16-3和转子16之间形成的轴肩16-4。转子16的轴部16-3在出口或排气壳13中被支承在一个或多个轴承31上。转子14和16的吸气侧轴部14-5和16-5各由滚柱轴承32和33分别支撑容纳在转子壳12中。
在操作中，作为一个致冷压缩机，假设凸转子16作为驱动转子，转子16转动啮合的转子14，并使其转动。位于相应的孔12-1和12-2中的转动转子16和14的共同作用通过吸入口18将致冷气体吸入转子16和14的齿槽中，转子16和14相互啮合以聚集和压缩气体容积，并将热的压缩气体输送到排气口19。该作用于转子14和16上的被聚集的气体是可运动的，倾向于从出口壳表面13-1分开排气端14-4，以产生/增加泄漏通道。转子14和16从出口壳表面13-1离开的运动导致转子14和16分别通过轴肩14-6和16-6朝向或进入与转子壳12的表面12-3的啮合。除了转子轴肩14-4、16-4和出口壳表面13-1之间的泄漏路径之外，泄漏也可以横贯转子14和16之间的线接触以及齿刃尖部14-1和16-1与孔12-1和12-2之间的线接触发生。横贯齿刃/线接触的泄漏可通过使用密封油减少，但是油会在运动部件之间产生粘滞曳力损失，并必须从排出的气体中去除。
如本文所指出的，接触带由零余隙限定，而不是由位置限定。图4示出了图1的一个放大部分，以便表示按本发明的一方面的接触带的再定位。该接触带位于凹齿尖14-1的区域中的凹转子14的节圆PF的内侧和凸齿根16-2的区域中的凸转子16的节圆PM的外侧。
对于无油润滑压缩机，转子齿尖必须尽可能地靠近转子壳孔12-1和12-2，以便减少由于没有使用油进行密封而产生的泄漏。如果在转子和壳体之间发生接触的话，则由于转子齿尖和壳体之间的摩擦而造成的摩损和功率损耗将是很大的。即使转子被润滑，也会有横贯油密封的泄漏，并且必须将油从致冷剂中去除，以使它经过致冷系统恶化传热效率的循环最小，以及保留所需的油来润滑压缩机。
按本发明的一方面，分别在转子14和16的齿尖或齿槽14-1和16-1上涂敷了一层低摩擦的耐磨的涂层。一种合适的低摩擦的耐磨涂层是低摩擦金刚石状的碳(DLC)涂层，这类涂层被局部地用于在共同转让的US专利5672054中公开的回转式压缩机的叶片的尖部表面上。这样一种DLC涂层用于克服与使用新的油和致冷剂结合有关的润滑困难。DLC涂层既是润滑的，又是耐磨涂层的，因为如在US专利5672054中详细说明的那样，它由一层硬的材料，例如碳化钨和非晶碳构成，在此该专利的完整公开被并入作为参考。
其它合适的低摩擦的耐磨涂层的实例包括氮化钛和其它的单一材料、单一的氮化物涂层以及硬质合金和陶瓷涂层，它们既具有高的耐磨性又具有低的摩擦系数。低摩擦的耐磨涂层在各转子的齿尖或齿刃齿槽中的出现提供了数种优点。第一，在没有过度磨损或摩擦的情况下，相对于转子可以不使用润滑油或减少润滑油的操作。第二，由于可以容忍与转子孔的一定程度的接触，机加工公差便可放宽。第三，因为可以以转子齿尖或齿刃14-1和16-1分别与转子孔12-1和12-2之间的较少的余隙运行，转子和转子孔之间的油密封需要便可以被减小或者被消除。
因为凹转子14上的接触带是靠近齿尖设置的，故可以视转子轮廓而使用单一的DLC涂层来覆盖凹转子上的两个重要区域，这是由于它们的较窄的空间或部分重叠的缘故，凹转子上的单一DLC涂层40优选是便于安装的，如图4所示。涂层40的部分40-1相应于接触带，部分40-2相应于将最接近于孔12-1的的齿尖或齿槽部分14-2。凸转子16上的相应涂层DLC被涂层60和涂层61分开得更宽，其中涂层60位于转子齿尖上，涂层61靠近相应于接触带的齿根部分设置。
与转子齿尖一样，转子端部以一个构成泄漏路径的余隙走向。按本发明的另一方面，DLC涂层可以涂敷到转子的排气端表面上，该表面面对排气端壳13的表面，或者涂敷到位于转子和排气端壳13之间的被涂敷的衬垫上，从而减小齿侧隙，并由此减小泄漏路径。现在参见图5，DLC涂层被涂敷到转子14和16的排气端上。具体而言，DLC涂层42被涂敷到凹转子14的排气端上，DLC涂层62被涂敷到凸转子16的排气端上。因为DLC涂层42和62可以调节与出口壳表面31的一定程度的接触，故可以使用带减小泄漏的减小的端部齿侧隙。现在参见图6，DLC涂层82被涂敷到端壳表面13-1，而不是如图5的实施例那样被涂敷到转子14和16的排气端上。在图7的实施例中，一个分隔件90位于转子14和16的端部和端壳表面13-1之间。因为分隔件90与孔12-1和12-2的横截面相一致，故在分隔件90和转子14和16的排气端之间不会有旋转运动和相对运动。相应地，只有面对转子14和16的分隔件90的表面需要设置DLC涂层92。在图5-7中的实施例中，DLC涂层位于转子14和16的端部和表面13-1之间，从而该涂层的润滑性将保护转子和壳在偶然的接触中免受磨损，从而允许接近的端齿侧隙和窄的泄漏路径。
现在参见图8，其表示了典型涂层40、42、60、61、82和92的较为夸张的横截面，尽管在此处它仅以40标明。DLC涂层40由硬的双分子层40′和润滑的双分子层40″构成。双分子层的厚度范围为1-20nm，优选的范围为5-10nm之间。
按本发明的另一方面，一种可研磨或挤压成型的适合的涂层可以被涂敷到转子14和16上和/或孔12-1和12-2上。而整个转子和孔可以被涂敷，如图9所示，转子齿槽或槽14-2和16-2中的各局部涂层实质上提供了相对于转子之间的共同作用的所有益处。虽然接触带是一个无余隙区域并需要精确的机加工，但公差可以相对于转子叶片轮廓的剩余部分之间的共同作用放宽。另外，孔12-1和12-2的合适的涂层调节了转子14和16在真正的操作中的挠曲，从而保持了密封功能。参见图4和9，凹转子槽可以设有合适的涂层44，凸转子槽可以设有合适的涂层64。另外，孔12-1和12-2可以设有合适的涂层84。
也可以使用各种塑性的合适的涂层，其包括：例如磷酸铁、磷酸镁、镍汞聚合物、镍锌合金、带聚酯的铝硅合金和带聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的铝硅合金。当然，传统的涂敷方式，包括例如热喷涂、物理蒸汽沉积(PVD)、化学蒸汽沉积(CVD)或者任何合适的水沉积，都可以被用于处理本发明的螺杆机的表面。
虽然本发明已以双联式转子螺杆机的形式被具体地示出和说明，但它也可以应用于使用三个或更多转子的螺杆机。因此，旨在指出的是，本发明仅由附后的权利要求书的范围限定。

Claims (11)

1.一种螺杆机，其包括一个具有一对平行的部分重叠的孔的转子壳；一对位于所述孔中的共轭的互相啮合转子，所述转子中的每一个都具有螺旋形的齿和介于其间的齿槽；一个位于所述转子壳的排气端的出口端壳，所述转子中的每一个都具有一个面对所述出口端壳的排气端；其特征在于，一耐磨涂层位于所述转子的所述排气端和所述出口端壳之间。
2.按权利要求1所述的螺杆机，其特征在于，所述耐磨涂层包括一位于所述转子的所述排气端上的耐磨涂层。
3.按权利要求2所述的螺杆机，其特征在于，所述耐磨涂层包括金刚石状的碳涂层，该涂层包括一系列可选择的硬的和润滑的层。
4.按权利要求1所述的螺杆机，其特征在于，所述耐磨涂层包括一位于所述出口端壳上的耐磨涂层。
5.按权利要求4所述的螺杆机，其特征在于，所述耐磨涂层包括金刚石状的碳涂层，该涂层包括一系列可选择的硬的和润滑的层。
6.按权利要求1所述的螺杆机，其特征还在于，一个构件位于所述转子的所述排气端和所述出口端壳之间，所述构件具有一个面对所述转子的所述排气端的表面，所述耐磨涂层包括一位于所构件上的耐磨涂层。
7.按权利要求6所述的螺杆机，其特征在于，所述耐磨涂层包括金刚石状的碳涂层，该涂层包括一系列可选择的硬的和润滑的层。
8.一种螺杆机，其包括一个具有一对平行的部分重叠的孔的转子壳；一对位于所述孔中的共轭的相互啮合转子，所述转子中的每一个都具有螺旋形的齿和介于其间的齿槽；一个位于所述转子壳的排气端的出口端壳，所述转子中的每一个都具有一个面对所述出口端壳的排气端；其特征在于，一适合的涂层位于所述转子的所述排气端和所述出口端壳之间。
9.按权利要求8所述的螺杆机，其特征在于，所述耐磨涂层包括一位于所述转子的所述排气端上的耐磨涂层。
10.按权利要求8所述的螺杆机，其特征在于，所述耐磨涂层包括一位于所述出口端壳上的耐磨涂层。
11.按权利要求8所述的螺杆机，其特征还在于，一个构件位于所述转子的所述排气端和所述出口端壳之间，所述构件具有一个面对所述转子的所述排气端的表面，所述适合的涂层包括一位于所构件上的耐磨涂层。
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