專利名稱：離心式壓縮機的制作方法
離心式壓縮才幾本發明涉及一種小型離心式壓縮機葉輪以及包含該葉輪的小型離 心式壓縮機，其特征在于，該葉輪具有大小適于被卡裝或壓配合于電 動機驅動軸上的中心孔。
背景技術：
眾所周知，小型離心式壓縮機具有5-10kw的驅動動力，其可用于 向其它機器如(例如裝釘機或其它生產機器)提供壓縮空氣。該動力 范圍內的標準壓縮才幾在體積流率為2,000 mVh時產生大約80毫巴的總 體壓力差，其效率相對較低。并且，在小尺寸多級壓縮機中，公知的做法是用機械加工去除一 些材料，以使重心位于旋轉軸線上。 一般情況下，小尺寸多級壓縮機 的葉輪至少分為兩部分制造一一帶有葉輪葉片的輪轂和封閉葉輪葉片 的葉輪罩。第一部分是鑄造的葉輪輪轂，其具有從葉輪輪轂徑向延伸 的多個二維葉片。盡管就制造難度而言，二維葉片更有優勢，但這種 簡單的葉片設計將使得效率受到損害。第二部分是葉輪罩，葉輪罩通 常焊接于葉輪輪轂上。這種兩部分的葉輪使得其在電機軸上更難以平 衡，并且也增加了制造成本。此外，公知的小尺寸多級壓縮機一般在 擴散器中具有葉片。發明內容本發明提供一種具有驅動電機的兩級離心式壓縮機，驅動電機的 驅動軸上設置有兩個葉輪，驅動電機是速度超出10,000轉/分、動力源 的范圍為5至10kW的快速運轉的異步電機。兩級壓縮機與在臨界速 度上的運轉的結合提供了一種非常高性能的壓縮機，該壓縮機在體積 流率為700至900m3/h時產生超過200毫巴的整體壓力差。在一種實施方案中，本發明的兩個葉輪是相同的整體式葉輪。這樣理論上降低了制造成本，因為這樣允許為相同數量的離心式壓縮機 制造更大量的葉輪。在另 一種實施方案中，本發明的整體式葉輪除了葉輪孔之外都是相同的，葉輪孔是不同的。各葉輪孔至少在其75%的長度上是截錐體， 最接近電機的第二葉輪孔大于遠離所述電機的第一葉輪孔，這使得葉 輪可相對容易地從電機驅動軸上取下。本發明的葉輪具有整體的葉輪葉片，該葉輪葉片與葉輪輪轂是一 體的，并且是從所述葉輪輪轂徑向和軸向延伸的三維葉片。該葉輪是 空間扭曲的。在小直徑上中心線的偏差超過在大直徑上中心線的偏差。本發明的葉輪質量輕，其由單片的鋁合金鑄件構成，以提供一體 的葉輪輪轂、葉輪葉片和葉輪罩。這允許葉片制作成本發明三維彎曲 的形狀。為此，可采用熔芯法(lost core )。采用的鋁合金鑄件特有的 輕重量提供了較低的總體重量。可對葉輪的外表面進行機械加工(即 通過切屑加工工藝)，以提供平滑均勻的表面。在本發明的另一種實施方案中，通過將葉輪卡裝(jam)或壓配合 于驅動軸，使得葉輪附著于電機驅動軸上。這使得可以省去導向鍵等 在葉輪高速驅動時，會產生不平衡和強度等方面的問題的元件。在另一種實施方案中，通過在驅動軸和葉輪之間提供公差環，本 發明確保葉輪保持精確限定，并優選地位于相對于驅動軸的中心位置。在另一種實施方案中，壓縮機具有一對除了葉輪孔之外均相同的 整體式葉輪。第一葉輪的葉輪轂孔是截錐體，該截錐體的第一端(離 壓縮機電機最遠的一端)具有小于其第二端的直徑。第二葉輪的葉輪 轂孔也是截錐體，該截錐體的第一端(離壓縮機電機最遠的一端)具 有小于其第二端的直徑。所述第二葉輪孔的第一端具有大于第一葉輪 孔第二端的直徑。所述第二葉輪孔的第一端的直徑也大于電機驅動軸 延伸至超出第二葉輪的任何部分，因而第二葉輪可容易地從電機驅動 軸上取下，以維^修或更換。在另一種實施方案中，整體式葉輪驅動軸上具有相間隔的截錐體， 各截錐體略大于對應的第一和第二葉輪的截錐體孔，因而葉輪可壓配 合于驅動軸上。在另一種實施方案中，本發明提供具有多個平衡孔的葉輪，所述 平衡孔內可任選地附著平衡元件(如螺栓、螺釘或圓盤等)。由于葉輪 被驅動于臨界速度以上，在壓縮機裝配后，必須進行非常細心的平衡。 這只能在離心式壓縮機裝配后進行，因為即使之前完全平衡的葉輪， 在安裝葉輪過程中(例如由于驅動軸略微的偏心配置)產生的不平衡 在運轉過程中也會產生嚴重后果。第一葉輪(與電機相距最遠的葉輪) 的平衡孔在壓縮機的抽吸端是可接近的，因此，在平衡之后，不需要 在旋轉部分做任何工作。已經證明僅僅利用第一葉輪的平衡孔實現最 后的平衡是完全足夠的。第二葉輪(與電機相距最近的葉輪)的平衡 孔是不需要的，在安裝第一葉輪之后，第二葉輪的平衡孔不再可接近。按照本發明的另一種實施方案，所述葉輪下游設置有出口擴散器。 所述出口擴散器具有平行的壁而沒有葉片。所述出口擴散器確保減小 從葉輪排出的媒介的流速，這樣能提高靜態壓力。眾所周知，盡管葉 片擴散器提高效率，但可能的流動范圍受到限制，在擴散器內省去葉 片產生寬范圍的高效率的性能。按照又一種實施方案，所述驅動軸支撐于兩滾柱軸承上，其中一 滾柱軸承安裝于葉輪與驅動電機之間，而另一滾柱軸承位于驅動電機 遠離所述葉輪的一端。換言之，兩葉輪設置于自由伸出的驅動軸上。 軸承的這種設置(會意想不到受到潛在可能的葉輪振蕩的影響)具有 這樣優勢，即，在兩個軸承之間只有很少的接點(即兩個接點)是必 須。兩個軸承座套設置于驅動電機的端板內部，各端板直接安裝于電 機殼體上。反之，如果在葉輪兩端的軸承是必須，壓縮機殼體的所有 部分將必須被制造為具有很高的精度。由于殼體由多個部分組成，就 必須防止殼體公差累積而導致兩軸承的軸有不允許的錯誤位置。為了改進所述驅動軸的軸承設置，所述滾柱軸承具有由鋼鐵制成 的軸承環和由陶資制成的滾柱。這種動靜壓混合軸承對潤滑劑的要求 低，且使用壽命長。在另一種實施方案中，驅動電機上遠離所述葉輪的一端設置有平 衡盤。就驅動電機和葉輪的速度(在臨界速度之上)而言，已經證明 將平衡盤作為額外平衡元件以實現包括驅動軸、葉輪和電動機的裝置的平衡是有利的。優選地所述平衡盤和與其相鄰的滾柱軸承導熱連接，因此所產生 的摩擦熱量以及由電動機散出而進入滾柱軸承的熱量均可通過平衡盤 釋放至外界。下面結合附圖根據優選實施方案描述本發明。
圖1是按照本發明的離心式壓縮機的第一立體圖；圖2是圖1的離心式壓縮機的第二立體圖；圖3是圖1的離心式壓縮機的一種實施方案的局部剖視圖；圖4是按照本發明的離心式壓縮機的葉輪的葉片的第 一 示意圖；以及圖5是葉片的第二示意圖。圖6是本發明的葉輪的立體圖。圖7是本發明的離心式壓縮機的另一實施方案的局部剖視示意圖。
具體實施方式
參見圖1和2,本發明的兩級離心式壓縮機具有驅動電機5、驅動 電機外部冷卻風扇6、壓縮機殼體7、壓縮機殼體出口 22以及壓縮機 殼體進口 24。驅動電機5是帶有頻率逆變器的快速運轉的異步電機，其具有大 約15000轉/分的驅動速度。參見圖3,其示出了本發明的實施方案。驅動電機5具有由單個 連續片(優選為鋼鐵)制成的驅動軸14。驅動軸14支撐于兩滾柱軸 承16上，兩滾柱軸承16位于兩端板上 一個位于驅動電機5的前端， 另一個位于驅動電機5的后端。滾柱軸承16是動靜壓混合軸承，其具 有由鋼鐵制成的軸承環和由陶覺制成的滾柱。由于容納滾柱軸承16 的元件之間接點較少，因此滾柱軸承16可相對于彼此高精度地對準。與驅動電機5連接的是壓縮機殼體7。壓縮機殼體由多個部分構成。本發明的第一壓縮機葉輪IO和第二壓縮機葉輪12容納于壓縮機 殼體7內。雙壁出口擴散器18、 20通向出口 22 (參見圖1和2)。在 遠離驅動電才幾5的一端，進口 24和驅動軸14同心。兩葉輪10、 12中的每一個都是鋁合金鑄件，其采用砂型鑄造法制 造。各葉輪是葉輪輪穀17、由葉輪輪轂限定的圓柱孔13、從所述葉輪 輪轂17延伸出的多個基本徑向葉輪葉片26—體鑄造的整體件，并由 一體的葉輪罩19封閉。流道在葉輪的葉片之間延伸。在鑄造過程中， 流道以及葉片26由可熔芯法限定。各葉片26被設計成三維彎曲。當 采用驅動軸14的中心線作為葉片中心線時，葉片的角度從大約45度 增加至與驅動軸在出口端的中心線平行。如上所述，中心線在小半徑 上的偏差超過在較大的半徑的偏差。葉片自身以大約螺紋的形狀扭曲。 本發明的三維葉輪提供較高的流體流動效率。圖4和5示出了葉片26的三維彎曲的形狀。圖5以展開方式示出 圖4的Y視圖。E指進口邊緣，A指出口邊緣，而D指在蓋板上的輪 廓，N指輪轂的輪廓。如圖3所示，驅動軸14具有多個槽27。每個葉輪IO、 12和隔離 物30對應于至少一個槽。公差環34安裝于各軸槽27中。在葉輪和隔 離物被安置于軸上之前，先將公差環34設置于其重心所在平面的區域 內。公差環基本上是橫截面為波浪狀的剛性彈簧卡裝墊圈。公差環消 除了驅動軸和葉輪之間的間隙，這對裝配而言是必須的。公差環有助 于在驅動軸和葉輪之間傳遞扭矩，并被盡可能多地使用，以使兩葉輪 10、 12中心地定位，并在操作過程中保持它們的位置。驅動軸的直徑 略大于葉輪孔的直徑。兩葉輪IO、 12是相同的整體式葉輪，僅僅通過將它們卡裝至驅動 軸上而將它們固定在驅動軸14上。在將葉輪IO、 12和隔離物30安置 于驅動軸14上之前，它們被靜態平衡。在靜態平衡之后，第二葉輪 12和隔離環30被卡裝至驅動軸14上，然后第一葉輪IO被卡裝至驅 動軸14上。僅僅通過驅動軸和葉輪孔13之間的緊配合將兩葉輪10、 12固定在驅動軸上。在圖3的實施方案中，接觸環32設置于軸上， 以與軸肩35鄰接，然后第二葉輪12和隔離環30被卡裝至驅動軸上，最后第一葉輪IO被卡裝至軸14上。采用鎖緊螺母28通過隔離環30 鎖緊兩葉輪IO、 12，并使接觸盤32抵靠于驅動軸14的肩部35而完 成最后的緊固。此外，裝配完成后進行動態平衡。為此，每個葉輪均具有多個平 衡孔36，平衡孔36內可選擇地附著有平衡元件，如螺釘、螺栓或圓 盤。當需要采用螺釘或螺栓時，孔內具有適當的螺紋。當優選地采用 圓盤或其它類型的平衡裝置時，孔也被適當地配置。僅僅對第一葉輪 IO進行動態平衡。第二葉輪12上可能也有平衡孔，這僅僅是出于制 造的原因，因為葉輪IO、 12^皮相同地制造。此外，驅動電機5遠離葉輪10、 12的一端具有平衡盤38。由于 采用平衡盤38,因此可進一步減少不平衡。平衡盤38還可用于冷卻 設置于該端的滾柱軸承16。為此，滾柱軸承16與平衡盤38具有導熱 連接，平衡盤38位于外部風扇6的冷卻氣流中。參見圖6，其為本發明的具有多個平衡槽或孔36、輪轂17、葉輪 葉片26以及罩19的整體式鑄造葉輪。在另一個優選實施方案中，如圖7所示，本發明的兩級離心式壓 縮機具有兩個整體式鑄造葉輪41和42以及驅動軸43。圖7僅僅示出 了壓縮機的局部剖視圖，未示出安裝于壓縮機殼體內的葉輪的所有特 征。圖7示出了本發明優選葉輪的重要特征和電機驅動軸結構。在圖 7中，釆用和圖l-3相同的數字表示各個部件的相同部分。除了葉輪輪 轂孔的形狀外，圖7的葉輪和圖3的葉輪具有大體相同的結構。兩葉 輪41、 42是鋁合金鑄件，其采用砂型鑄造法制造。各葉輪41、 42具 有輪轂17、多個空間彎曲的徑向延伸的三維葉片26、以及罩19。整 體葉片26之間形成流道。在鑄造過程中，流道以及葉片26由熔芯法 限定。如圖4和5所示，各葉片26是三維彎曲的。除了孔43和44外，葉輪41和42彼此相同。第一葉輪41的葉專侖 孔43是這樣的截錐體，該截錐體具有直徑小于其第二端47的第一端 46。第二葉輪42的孔44是這樣的截錐體，該截錐體具有直徑小于其 第二端49的第一端48。第二葉4侖42的孔44的第一端48的直徑大于 第一葉輪42的孔43的第二端47。第二葉輪42的孔44的第一端48的直徑也大于驅動軸50向第一葉輪41延伸至超出第二葉輪42的任何 部分，因此第二葉輪42可易于沿箭頭51的方向從驅動軸50上取下， 也易于裝回到驅動軸50上，當然也可以將與第二葉輪42相同的另一 葉輪安裝到驅動軸50上。驅動軸50具有截錐體部分52，截錐體部分52鄰近于軸的與電機 連接的一端。截錐體部分52朝電動機膨脹。截錐體部分52略大于葉 輪42的截錐體孔44，因而葉輪可被壓配合于其上。驅動軸還具有另一截錐體部分53，截錐體部分53鄰近于與和電 機連接的軸端相反的軸端。截錐體部分53略大于葉輪41的截錐體孔 43,因而葉輪41可^皮壓配合于軸50上。軸50的截錐體部分52和53的外表面分別與葉輪孔43和葉輪孔 44的大于75%的表面接觸。為了在驅動軸與葉輪的截錐體孔之間實現 需要的壓配合，軸的直徑在其與葉輪孔的接觸點略大一些。葉輪在軸上的壓配合使葉輪可固定于驅動軸上，而無需不必要的 額外外部元件，并允許葉輪更平衡地運轉。優選地葉輪孔在鑄造過程中形成，但如果需要，也可在鑄造后由 機械加工形成。僅^f叉通過將葉4合41、 42壓配合于驅動軸截錐體部分52、 53上， 即可將葉輪41、 42固定于驅動軸50上。在將葉輪41、 42和隔離物 55安置于驅動軸50上之前，它們被靜態平衡。在本實施方案中，軸 上不具有肩部，而是壓縮機殼體7最接近電動機的端部附近形成有槽。 接觸環54和擋圈56保持于該槽內。在靜態平衡后，手動將第二葉輪 42推至軸上。然后，通過旋轉鎖緊螺母28(a)，將第二葉輪42壓配合 于軸截錐體部分53上的最終的壓配合完成。然后將隔離環55和第一 葉輪41手動壓緊于驅動軸上，并使葉輪41與軸截錐體52配合。之后， 將鎖緊螺母28旋轉半圈，完成最終的壓配合，使得葉輪41和42抵靠 隔離環55。上述是使葉輪移動限定的距離的"路徑控制"壓配合。然 而，也可采用向葉輪施加預定力的"力量控制"壓配合。另外，正如上述結合圖3的實施方案所討論的，在裝配之后執行 動態平衡。為此，各葉輪具有多個平ff孔36,平衡孔36內可選地附著有平衡元件，如螺釘、螺栓或圓盤。當需要采用螺釘或螺栓時，孔 具有適當的螺紋。當優選地釆用圓盤或其它類型的平衡元件時，孔也被適當地配置。僅僅對第一葉輪41進行動態平衡。第二葉輪12上可 能也有平衡孔，這僅僅是出于制造的原因，如果需要，第二葉輪12 上的平衡孔也可消除。由于葉輪IO、 12、 41、 42具有相對較輕的重量，也由于本發明的 葉輪可保持很高的平衡精度，因此，盡管在葉輪領域，驅動軸是以自 由伸出的方式設計，但本發明的葉輪也可被驅動為在臨界速度以上運 轉。
權利要求
1.一種小型壓縮機葉輪，具有輪轂(17)和與所述輪轂(17)連接的多個徑向延伸的葉輪葉片(26)和環繞所述葉輪葉片(26)的葉輪罩(19)，其特征在于，所述輪轂(17)具有大小適于被卡裝或壓配合于驅動軸(14；50)上的孔(13、43)。
2. 根據權利要求1所述的葉輪，其特征在于，所述葉輪葉片(26) 與所述輪轂(17)是一體的。
3. 根據權利要求1或2所述的葉輪，其特征在于，所述葉輪葉片 是空間彎曲的、三維的葉輪葉片(26)。
4. 根據權利要求1-3中任意一項所述的葉輪，其特征在于，所述 輪轂孔(43、 44)具有截錐體部分，所述截錐體部分延伸所述輪轂孔 的至少75%的長度。
5. 根據權利要求1-4中任意一項所述的葉輪，其特征在于，所述 葉輪罩(19)具有多個平衡連接部分(36),以將所述葉輪的重心移至 旋轉軸。
6. 根據權利要求5所述的葉輪，其特征在于，所述平衡連接部分 是環繞葉輪進口周圍的多個螺紋孔(36)。
7. 根據權利要求1-6中任意一項所述的葉輪，其特征在于，所述 葉輪是整體式葉輪。
8. 根據權利要求7所述的葉輪，其特征在于，所述葉輪是整體鑄 造的鋁合金葉輪。
9. 根據權利要求1-8中任意一項所述的葉輪，其特征在于，兩級 離心式壓縮機中有一對所述葉輪(10、 12; 41、 42)， 二者軸向安裝于 電機驅動軸上。
10. 根據權利要求9所述的葉輪，其特征在于，所述葉輪安裝于 電機驅動軸(14、 50)上，所述電機驅動軸(14、 50)與速度超出10,000 轉/分、動力源的范圍為大約5至10kW的快速運轉的電動機連接。
11. 根據權利要求1-10中任意一項所述的葉輪，其特征在于，具 有驅動電機(5)、驅動軸(14、 50)的兩級離心式壓縮機中有一對所 述葉輪，所述驅動軸(14、 50)上設置有兩個葉輪(10、 12; 41、 42)。
12. 根據權利要求9、 10或11所述的葉輪，其特征在于，所述葉 輪(IO、 12)是相同的，所述軸(14)和所述葉輪(10、 12)之間設 置有公差環(34)。
13. 根據權利要求9-12中任意一項所述的葉輪，其特征在于，所 述葉輪(10、 12; 41、 42)具有多個平衡孔(36)，所述平衡孔(36) 內可任選地附著平衡元件。
14. 根據權利要求9-13中任意一項所述的葉輪，其特征在于，所 述葉輪下游設置有出口擴散器(18、 20)。
15. 根據權利要求14所述的葉輪，其特征在于，所述出口擴散器 (18、 20)被設計為具有平行的壁而沒有葉片。
16. 根據權利要求9-15中任意一項所述的葉輪，其特征在于，所 述軸(14、 50)支撐于兩滾柱軸承(16)上，其中一所述滾柱軸承(16) 安裝于所述葉輪(IO、 12、 41、 42)與所述驅動電機(5)之間，而另 一所述滾柱軸承(16)位于所述驅動電機遠離所述葉輪的一端。
17. 根據權利要求9-16中任意一項所述的葉輪，其特征在于，為 支撐所述驅動軸(14、 50),所使用的滾柱軸承(16)的軸承環由鋼鐵 制成，滾柱軸承(16)的滾柱由陶瓷制成。
18. 根據權利要求9-17中任意一項所述的葉輪，其特征在于，所 述平衡盤(38)設置于所述驅動電機(5)上遠離所述葉輪的一端。
19. 根據權利要求18所述的葉輪，其特征在于，所述平衡盤(38) 和與其相鄰的滾柱軸承(16)導熱連接。
全文摘要
一對整體的鑄造葉輪，具有徑向延伸的且在三維彎曲的葉片，該對葉輪位于壓縮機殼體內。壓縮機殼體與驅動電機連接，通過將葉輪卡裝或壓配合于電機驅動軸上，而將葉輪安裝于軸上，從而提供一種兩級離心式壓縮機，其中有驅動電機(5)和驅動軸(14)。驅動軸(14)設置有葉輪(10、12)，可以預期，驅動電機(5)是速度超出10,000轉/分、動力源的范圍為大約5至10kW的快速運轉的異步電機。
文檔編號F04D17/00GK101218435SQ200680023923
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月19日 優先權日2005年7月20日
發明者朱爾根·菲舍爾, 格哈德·弗賴, 諾貝特·奧斯特 申請人:加德納·丹佛·紹普夫海姆股份有限公司