RU2014504C1

RU2014504C1 - Screw compressor

Info

Publication number: RU2014504C1
Authority: RU
Inventors: С.Н. Сосков; Ю.А. Паранин
Original assignee: Казанский компрессорный завод
Priority date: 1991-03-21
Filing date: 1991-03-21
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: manufacture of compressors. SUBSTANCE: mounted in working chamber of housing in sliding bearings are drive and driven rotors forming the end chambers on the suction end between bearing and rotor; end chambers are connected with pressure source for unloading the rotors of axial forces. One of rotors is made stepped forming together with bearing the circular and end chambers isolated from each other. One chamber is brought in communication with the high-pressure source and other chamber is brought in communication with low-pressure source. Isolated circular chamber of driven rotor and end chamber of drive rotor are brought in communication with the high-pressure source. End chamber of driven rotor is brought in communication with the low-pressure source. EFFECT: enhanced reliability. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к винтовым компрессорам, работающим при больших перепадах давления. The invention relates to compressor engineering, namely to screw compressors operating at large pressure drops.

Известна винтовая машина с устройством для компенсации осевых усилий, действующих на ведущий ротор. Для этого между упорными подшипниками и специальным упорным подшипникам установлено разгрузочное устройство, состоящее из колец (заявка N 453318, Швеция, кл. F 04 C 18/16, 1987). Known screw machine with a device for compensating axial forces acting on the driving rotor. For this, an unloading device consisting of rings is installed between the thrust bearings and the special thrust bearings (application N 453318, Sweden, CL F 04 C 18/16, 1987).

Ввиду того, что разгрузочное устройство установлено только на валу ведущего ротора, данный винтовой компрессор работает при относительно небольших перепадах давления и, следовательно, имеет ограниченное применение. Due to the fact that the unloading device is installed only on the shaft of the driving rotor, this screw compressor operates at relatively small pressure drops and, therefore, has limited use.

Известна конструкция винтового компрессора, содержащая ведущий и ведомый роторы, установленные на подшипникх, разгрузочного устройств, выполненного в виде невращающейся герметичной пары поршень-цилиндр и расположенного со стороны камеры нагнетания и снабженного перекладиной. A known design of a screw compressor containing a driving and driven rotors mounted on bearings of a discharge device made in the form of a non-rotating hermetic pair of piston-cylinder and located on the side of the discharge chamber and provided with a crossbar.

Нагрузочная полость сообщена с источником давления. Перекладина жестко связана с подшипниками и со штоком поршня. Шток установлен на расстоянии "а" от оси ведущего ротора, определяемого из соотношения:
a = A/(F_из/F_м + 1), где A - расстояние между осями роторов,
F_из и F_м - площадь поперечного сечения винтовой ведущего и ведомого роторов. (авт.св. N 1423805, кл. F 04 C 18/16, 1988).The loading cavity is in communication with a pressure source. The crossbar is rigidly connected with bearings and with the piston rod. The rod is installed at a distance "a" from the axis of the driving rotor, determined from the ratio:
a = A / (F _of / F _m + 1), where A is the distance between the axes of the rotors,
F _of and F _m - the cross-sectional area of the screw leading and driven rotors. (ed. St. N 1423805, class F 04 C 18/16, 1988).

Данная конструкция разгрузочного устройства винтового компрессора учитывает неравномерное распределение осевых нагрузок путем приложения равнодействующей разгружающего усилия, которое разгружает каждый ротор в осевом направлении в соответствии с величиной осевых усилий. This design of the unloading device of the screw compressor takes into account the uneven distribution of axial loads by applying the resultant unloading force, which unloads each rotor in the axial direction in accordance with the magnitude of the axial forces.

Недостатком этого решения является то, что разгрузочное устройство расположено на стороне нагнетания, тогда как осевые силы роторов направлены от камеры нагнетания к камере всасывания и, вследствие этого, конструктивная сложность разгрузочного устройства. Кроме того, при работе на нерасчетных режимах, т.е. при переходе с режима на режим, компрессор некоторое время работает в неустановившемся режиме, при котором имеет место колебание величин действующих нагрузок и, вследствие этого, равнодействующая разгружающей силы будучи приложенной через шток поршня, который установлен на расстоянии "а" вызовет неравномерное распределение осевых нагрузок, действующих на упорные подшипники, так как величина "а" может изменяться при нерасчетных режимах, а при работе на больших перепадах давлений сжимаемого газа изменение величины "а" может оказаться таким, что равнодействующая разгружающей силы может вызывать перегрузку упорных подшипников на одном из роторов и, вследствие этого, выход из строя компрессора. The disadvantage of this solution is that the discharge device is located on the discharge side, while the axial forces of the rotors are directed from the discharge chamber to the suction chamber and, consequently, the structural complexity of the discharge device. In addition, when working in off-design modes, i.e. when switching from mode to mode, the compressor for some time operates in an unsteady mode, in which there is a fluctuation in the values of the effective loads and, as a result, the resultant unloading force being applied through the piston rod, which is installed at a distance "a", will cause an uneven distribution of axial loads, acting on thrust bearings, since the value of "a" can change under off-design conditions, and when working at large pressure drops of a compressible gas, a change in the value of "a" can be m, which is discharged by the resultant force can cause overloading of thrust bearings on one of the rotor and, therefore, failure of the compressor.

Известен винтовой компрессор, выбранный в качестве прототипа, консольные подшипники которого установлены во внутренней расточке ротора с образованием торцовых полостей, которые сообщены с источником давления для разгрузки роторов от осевых сил (авт. св. N 1346853, кл. F 04 C 18/16, 1987). Known screw compressor, selected as a prototype, cantilever bearings of which are installed in the inner bore of the rotor with the formation of end cavities, which are in communication with the pressure source for unloading the rotors from axial forces (ed. St. N 1346853, class F 04 C 18/16, 1987).

Недостатком указанного технического решения является неравномерное распределение осевых усилий, действующих на упорные подшипники ведущего и ведомого роторов, так как осевые силы действующие на ведущий и ведомый роторы не равны, а силы разгрузки создают одинаковые разгружающие усилия на ведущем и ведомом роторе и, как следствие, упорный подшипник одного из роторов будет более нагружен, чем подшипник другого ротора и это приведет к снижению надежности и долговечности конструкции в целом. The disadvantage of this technical solution is the uneven distribution of axial forces acting on the thrust bearings of the driving and driven rotors, since the axial forces acting on the driving and driven rotors are not equal, and the unloading forces create the same unloading forces on the driving and driven rotors and, as a result, are resistant the bearing of one of the rotors will be more loaded than the bearing of the other rotor and this will lead to a decrease in the reliability and durability of the structure as a whole.

Для устранения этих недостатков предложен винтовой компрессор, содержащий корпус с рабочей камерой, установленные в ней на подшипниках скольжения ведущий и ведомый роторы с образованием на стороне всасывания между подшипником и ротором торцовых полостей, связанных с источником давления для разгрузки роторов от осевых усилий. По крайней мере один из роторов совместно с подшипником выполнены ступенчатыми с образованием изолированных друг от друга кольцевой и торцевой полостей одна из которых сообщена с источником высокого давления, а другая полость - с источником низкого давления. To eliminate these drawbacks, a screw compressor is proposed that includes a housing with a working chamber, leading and driven rotors installed on it on sliding bearings with the formation of end cavities between the bearing and the rotor on the intake side, connected with a pressure source for unloading the rotors from axial forces. At least one of the rotors together with the bearing is made stepwise with the formation of annular and end cavities isolated from one another, one of which is connected to a high pressure source, and the other cavity to a low pressure source.

Например, при ступенчатом исполнении ведомого ротора совместно с подшипником его изолированная кольцевая полость и торцовая полость ведущего ротора сообщена с источником высокого давления, например, давления нагнетания, а торцовая полость ведомого ротора сообщена с источником низкого давления (давлением всасывания). For example, with a stepped version of a driven rotor together with a bearing, its insulated annular cavity and the end cavity of the leading rotor are in communication with a high pressure source, for example, discharge pressure, and the end cavity of the driven rotor is in communication with a low pressure source (suction pressure).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый винтовой компрессор отличается тем, что по крайней мере один из роторов совместно с подшипником выполнены ступенчатыми с образованием изолированных друг от друга кольцевой и торцевой полости, одна из которых сообщена с источником высокого давления, а другая полость - с источником низкого давления. Так, при ступенчатом исполнении ведомого ротора совместно с подшипником, его кольцевая полость и торцовая полость ведущего ротора сообщена с источником высокого давления, а торцовая полость ведомого ротора сообщена с источником низкого давления. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive screw compressor is characterized in that at least one of the rotors together with the bearing are made stepwise with the formation of an annular and end cavity isolated from each other, one of which is connected to a high pressure source, and the other cavity to low pressure source. So, with a stepped version of the driven rotor together with the bearing, its annular cavity and the end cavity of the leading rotor are in communication with the high pressure source, and the end cavity of the driven rotor is in communication with the low pressure source.

Таким образом, заявляемый винтовой компрессор соответствует критерию изобретению "новизна". Thus, the inventive screw compressor meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволили выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень". Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in the art did not allow them to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 и 2 изображен винтовой компрессор в горизонтальном разрезе в различных конструктивных вариантах его исполнения со ступенчатым ведомым ротором и подшипником; на фиг. 3 представлены эпюры распределения разгрузочных усилий, действующих на ведущий и ведомый роторы. In FIG. 1 and 2 depict a screw compressor in horizontal section in various structural variants of its execution with a stepped driven rotor and bearing; in FIG. 3 shows diagrams of the distribution of unloading forces acting on the leading and driven rotors.

Винтовой компрессор (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1 и установленные в рабочей полости 2 на подшипниках скольжения 3, 4, 5, 6 ведущий 7 и ведомый роторы 8 с образованием на стороне всасывания 9 торцовых полостей 10 и 11. Торцовая полость ведущего ротора 10 связана с источником высокого давления (на фиг. не показан) через канал 12 выполненного внутри цапфы 3 (фиг. 1) или в корпусе тоpцовой крышки 13 (фиг. 2), а аналогичная полость ведомого ротора 11 связана с источником низкого давления (на фиг. не показан) через канал 14 выполненного внутри цапфы 4 (фиг. 1) или в корпусе торцовой крышки 13 (фиг. 2). Внутри расточки ведомого ротора 8 (фиг. 1) совместно со ступенчатой цапфой подшипника 4 образована дополнительная кольцевая полость 15, которая через канал 16 связана с источником высокого давления (аналогичная полость 15 на фиг. 2 образуется также ступенчатым подшипником 4 и ступенчатым ротором 8). Осевую нагрузку обеих роторов воспринимают опорно-упорные подшипники 5 и 6. В торцовой крышке 13 выполнены каналы отвода масла 17. На роторах 7 и 8 также установлены уплотнения 18 и 19. The screw compressor (Fig. 1 and 2) contains a housing 1 and mounted in the working cavity 2 on the sliding bearings 3, 4, 5, 6, the leading 7 and the driven rotors 8 with the formation on the suction side 9 of the end cavities 10 and 11. The end cavity of the leading rotor 10 is connected to a source of high pressure (not shown in FIG.) Through a channel 12 made inside the pin 3 (FIG. 1) or in the case of the end cap 13 (FIG. 2), and a similar cavity of the driven rotor 11 is connected to a source of low pressure (on Fig. not shown) through a channel 14 made inside the pin 4 (Fig. 1) or in the housing end cap 13 (Fig. 2). Inside the bore of the driven rotor 8 (Fig. 1), together with a stepped pin of the bearing 4, an additional annular cavity 15 is formed, which is connected through the channel 16 to a high pressure source (a similar cavity 15 in Fig. 2 is also formed by a stepped bearing 4 and a stepped rotor 8). The axial load of both rotors is perceived by the thrust bearings 5 and 6. In the end cap 13, oil drainage channels 17 are made. Seals 18 and 19 are also installed on the rotors 7 and 8.

Винтовой компрессор работает следующим образом. Газ через всасывающую камеру поступает в рабочую полость компрессора 2, образованную парными полостями ведущего и ведомого роторов 7 и 8. При работе винтового компрессора под действием перепада давления между камерой нагнетания и всасывания на опорно-упорные подшипники 5 и 6 действуют осевые силы. Ввиду того, что осевые силы, действующие на ведущий и ведомый роторы 7 и 8, не равны

, а при больших перепадах давления эта разница еще увеличивается. Осевая сила/ действующая на опорно-упорный подшипник каждого ротора/ равна векторой сумме.Screw compressor operates as follows. Gas through the suction chamber enters the working cavity of the compressor 2, formed by the paired cavities of the leading and driven

rotors

7 and 8. During operation of the screw compressor, axial forces act on the

thrust bearings

5 and 6 when the pressure differential between the discharge and suction chambers occurs. Due to the fact that the axial forces acting on the leading and driven

rotors

7 and 8 are not equal

, and with large pressure differences, this difference is still increasing. The axial force / acting on the thrust bearing of each rotor / is equal to the vector sum.

=

+

где Р_т1iР_т2 - суммарная сила, действующая на торцы винтов ведущего и ведомого роторов;
Р_в1iР_а2 - сила, действующая на профильные поверхности винта ведущего и ведомого роторов;
Р_разгр1iР_разгр2 - разгрузочная сила для суммарных осевых сил ведущего и ведомого роторов соответственно.

=

+

where P _t1i P _r2 - the total force acting on the leading and trailing ends of the screw rotors;
P _b1i P _a2 - the force acting on the profile surface of the screw leading and driven rotors;
P _unload1i P _unload2 - unloading force for the total axial forces of the leading and driven rotors, respectively.

В связи с тем, что сила действующая на профильные поверхности ведущего винта направлена в сторону всасывания, а аналогичная сила для ведомого ротора направлена в сторону нагнетания, т.е. величины и направлены в разные стороны. Вследствие этого результирующая осевая сила ведущего ротора
(2)

=

+

по значению превосходит результирующую силу ведомого ротора

=

+

(Сакун И. Л. Винтовые компрессоры. Машиностроение. Ленинград, 1970, с. 343-347)
В компрессоре ГВ-3, 5-14/95 (Газлифт 0,4) спроектированного в АО НИИтурбокомпрессор с применением данного технического решения осевые силы ведущего ротора Р_ос1 составили 570 кг, а ведомого ротора Р_ос2 - 2600 кг при перепаде давления сжимаемого газа 80 кг/см² в одной ступени. При подаче рабочей среды в полость 10 ведущего ротора 7 под давлением Р₁от источника высокого давления (на рис. не показан) сила разгрузки обуславливается произведением P₁S₁(S₁ - площадь торцовой стенки расточки ведущего ротора). Остаточную силу воспринимали опорно-упорный подшипник 5.Due to the fact that the force acting on the profile surfaces of the drive screw is directed towards the suction side, and a similar force for the driven rotor is directed towards the discharge side, i.e. quantities and are directed in different directions. As a result, the resulting axial force of the driving rotor
(2)

=

+

in value superior to the resulting power of the driven rotor

=

+

(Sakun I. L. Screw compressors. Mechanical engineering. Leningrad, 1970, p. 343-347)
In the GV-3, 5-14 / 95 compressor (Gaslift 0.4) designed at NII Turbocompressor JSC using this technical solution, the axial forces of the driving rotor P _os1 amounted to 570 kg, and the driven rotor P _os2 - 2600 kg with a pressure drop of compressible gas 80 kg / cm ² in one step. When the working medium is supplied into the cavity 10 of the driving rotor 7 under pressure Р ₁ from a high pressure source (not shown in the figure), the discharge force is determined by the product P ₁ S ₁ (S ₁ is the area of the end wall of the bore of the driving rotor). The residual force was perceived by a thrust bearing 5.

(4) R_o1 = P_oc1- P₁S₁ (фиг. 3)
Для разгрузки ведомого ротора 8 от осевой силы которая по значению значительно ниже, чем в ведущем роторе, выполнена изолированная кольцевая полость 13, образованная ступенчатым выполнением ротора и подшипника (фиг. 1,2), которая будучи сообщенная с источником высокого давления, аналогично подаваемому в торцовую полость ведущего ротора 10, а торцовая полость 11 сообщена с источником низкого давления. В качестве источников давления необязательно наличие двух насосов. Например известна схема компрессорной установки с винтовым воздушным маслозаполненным компрессором (Винтовые компрессорные машины. Справочник. Машиностроение. Ленинград, 1977, с. 14, рис. 1,9. Амосов, Бобриков, Шварц, верный). В качестве источника высокого давления может быть выбрано давление масла, подаваемого из маслоотделителя в полость сжатия компрессора, на смазку и уплотнение, значение которого соответствует давлению нагнетания, а в качестве источника низкого давления можно взять давление масла, величина которого соответствует величина всасывания или же атмосферному давлению.(4) R _o1 = P _oc1 - P ₁ S ₁ (Fig. 3)
To unload the driven rotor 8 from the axial force, which is significantly lower in value than in the driving rotor, an insulated annular cavity 13 is formed, formed by the stepwise embodiment of the rotor and bearing (Fig. 1,2), which, being in communication with a high-pressure source similar to that supplied to the end cavity of the driving rotor 10, and the end cavity 11 is in communication with a low pressure source. Two pressure pumps are not required as pressure sources. For example, a known scheme of a compressor installation with an oil-filled screw air compressor (Screw compressor machines. Handbook. Engineering. Leningrad, 1977, p. 14, Fig. 1.9. Amosov, Bobrikov, Schwartz, true). As a source of high pressure, the pressure of the oil supplied from the oil separator to the compressor compression cavity for lubrication and sealing, the value of which corresponds to the discharge pressure, can be selected, and as the source of low pressure, you can take the oil pressure, the value of which corresponds to the suction value or atmospheric pressure .

Разгрузка осевого усилия ведомого ротора 8 с целью создания оптимальной нагрузки на опорно-упорный подшипник 6 производится путем подбора соотношения торцовой площади кольцевой изолированной полости S₃и торцовой площади S₂ полости 11.The axial force of the driven rotor 8 is unloaded in order to create the optimal load on the thrust bearing 6 by selecting the ratio of the end face of the annular isolated cavity S ₃ and the end face S _{2 of the} cavity 11.

(5) R_o2 = P_oc2-(P₁S₃ + P₂S₂) P₁ > P₂
Таким образом обеспечивается соответствие разгрузочных сил осевым силам роторов и обеспечивается оптимальная допустимая нагрузка, действующая на упорные подшипники ведущего и ведомого роторов.(5) R _o2 = P _oc2 - (P ₁ S ₃ + P ₂ S ₂ ) P ₁ > P ₂
This ensures compliance of the unloading forces with the axial forces of the rotors and ensures the optimum allowable load acting on the thrust bearings of the driving and driven rotors.

Возможно конструктивное выполнение изолированной кольцевой полости и на обоих роторах, в частности путем подбора соотношения торцевой площади кольцевой изолированной полости и торцовой площади цапфы, но оно обеспечивает удовлетворительной разгрузки обоих роторов от осевых сил. It is possible to constructively insulate the annular cavity on both rotors, in particular by selecting the ratio of the end area of the annular isolated cavity and the end area of the journal, but it provides satisfactory unloading of both rotors from axial forces.

Технико-экономический эффект данного изобретения состоит в том, что данное техническое решение позволяет надежно, конструктивно, просто разгрузить оба ротора в осевом направлении в соответствии с величинами осевых усилий каждого ротора, что позволяет повысить надежность и долговечность подшипниковых опор винтового компрессора. The technical and economic effect of the present invention consists in the fact that this technical solution allows reliably, structurally, simply unloading both rotors in the axial direction in accordance with the axial forces of each rotor, which improves the reliability and durability of the bearing supports of the screw compressor.

Claims

1. SCREW COMPRESSOR, comprising a housing with a working chamber, leading and driven rotors installed on it on sliding bearings with the formation of end cavities on the suction side between the bush and the rotor connected with the pressure source for unloading the rotors from axial forces, characterized in that at least at least one of the rotors together with the bearing is made stepwise with the formation of annular and end cavities isolated from one another, one of which is connected to a high pressure source, and the other to a source Low pressure.

2. The compressor according to claim 1, characterized in that the insulated annular cavity of the driven rotor and the end cavity of the driving rotor are in communication with a high pressure source, and the end cavity of the driven rotor with a low pressure source.