一种循环机的制作方法

1.本公开涉及空气循环机技术领域，具体涉及一种循环机。


背景技术：

2.采用空气为工质的压缩空气循环制冷系统，采用透平式压缩机和膨胀机，分别实现压缩和膨胀过程，同时系统还需要风机用以实现对流换热。气体膨胀输出功，而气体压缩和风机送风需要消耗功，若将气体膨胀功用以气体压缩和风机送风，则可达到节能的目的。
3.用于压缩空气制冷系统的空气循环机，其转子系统组件由膨胀叶轮、压缩叶轮和风叶等组成。转子系统的轴向被一对止推气动轴承支承。膨胀叶轮、压缩叶轮和风叶三者之间的轴向不平衡气动力需要分布到止推气动轴承上。从而实现止推气动轴承力抵消转子系统轴向气动力。
4.由于现有技术中的空气循环机存在轴向气动载荷较大、导致止推轴承的承载力过大而影响轴承的可靠性等技术问题，因此本公开研究设计出一种循环机。
5.公开内容
6.因此，本公开要解决的技术问题在于克服现有技术中的空气循环机存在轴向气动载荷较大、导致止推轴承的承载力过大而影响轴承的可靠性的气动轴向力的缺陷，从而提供一种循环机。
7.为了解决上述问题，本公开提供一种循环机，包括轴、涡轮机部分、压气机部分和风机部分、止推结构和平衡件，所述涡轮机部分、压气机部分和风机部分共用所述轴，所述止推结构和所述平衡件均套设于所述轴上；
8.所述止推结构设置于所述涡轮机部分与所述压气机部分之间的位置，所述平衡件设置于所述风机部分与所述压气机部分之间的位置，且所述平衡件的朝向所述风机部分的一侧能够引入气体而形成压力p1，所述平衡件的朝向所述压气机部分的一侧能够引入气体而形成压力p2，p2≠p1。
9.在一些实施方式中，所述平衡件的朝向所述风机部分的一侧能够引入所述风机部分中的气体而形成压力p1，所述平衡件的朝向所述压气机部分的一侧能够引入所述涡轮机部分中的气体而形成压力p2，且p2>p1。
10.在一些实施方式中，所述涡轮机部分包括膨胀壳体，所述膨胀壳体的内部具有膨胀腔室，所述循环机还包括连通通道和第一腔室，所述第一腔室形成在所述平衡件的朝向所述压气机部分的一侧，以对所述平衡件产生压力p2，所述连通通道一端能够从所述膨胀腔室中引入气体、另一端能够将其导入至所述第一腔室中。
11.在一些实施方式中，所述连通通道包括第一气路、连接管路和第二气路，所述第一气路设置在所述膨胀壳体上且与所述膨胀腔室连通，所述风机部分还包括风机座，所述第二气路开设在所述风机座上，所述连接管路位于所述膨胀壳体和所述风机座的外部，且所述连接管路的一端能够与所述第一气路连通以从所述第一气路中引入气体，另一端能够与所述第二气路连通以将气体输送至所述第二气路中，所述第二气路的另一端与所述第一腔
室连通。
12.在一些实施方式中，所述循环机还包括第一连接件和第二连接件，所述第一连接件固定连接到所述膨胀壳体上，所述第二连接件固定连接到所述风机座上，所述连接管路的一端固定到所述第一连接件上，所述连接管路的另一端固定连接到所述第二连接件上。
13.在一些实施方式中，还包括径向轴承，所述径向轴承设置在所述平衡件的朝向所述压气机部分的一侧，且所述径向轴承与所述平衡件之间夹设所述第一腔室。
14.在一些实施方式中，还包括径向轴颈，所述径向轴颈套设在所述径向轴承的径向内周，且所述径向轴颈的轴向一端与所述平衡件抵接，作用于所述平衡件上的轴向气动合力为f4＝π(d
12
‑
d
22
)*(p2
‑
p1)/4，其中d1为所述平衡件的外直径，d2为所述径向轴颈的外直径，并有d1/d2的取值范围为1.27～1.72。
15.在一些实施方式中，所述循环机还包括第二腔室，所述第二腔室形成在所述平衡件的朝向所述风机部分的一侧，以对所述平衡件产生压力p1，所述风机部分包括风叶，所述风叶与所述平衡件之间夹设所述第二腔室。
16.在一些实施方式中，所述平衡件的径向外周还设置有动密封件。
17.在一些实施方式中，所述止推结构包括第一止推轴承、第二止推轴承和止推部，所述第一止推轴承位于所述止推部的轴向一侧、所述第二止推轴承位于所述止推部的轴向另一侧，所述止推部能够与所述第一止推轴承接触而通过所述第一止推轴承抵消第一轴向方向的轴向力，所述止推部还能够与所述第二止推轴承接触而通过所述第二止推轴承抵消第二轴向方向的轴向力。
18.在一些实施方式中，所述轴包括相接的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段与所述第二轴段的外径不等、而在二者的相接处形成台阶面，所述止推部卡设在所述台阶面的位置。
19.在一些实施方式中，所述风机部分包括风叶，所述压气机部分包括压缩叶轮，所述涡轮机部分包括膨胀叶轮，作用于所述风叶上的轴向气动合力为f1，作用于所述压缩叶轮的轴向气动合力为f2，作用于所述膨胀叶轮的轴向气动合力为f3，作用于所述平衡件的轴向气动合力为f4，所述第一止推轴承和所述第二止推轴承共同作用于所述止推部的轴承合力为f5，f1、f2、f3、f4和f5沿着所述轴的轴线的方向，并满足平衡关系式：f1+f3＝f2+f4+f5。
20.本公开提供的一种循环机具有如下有益效果：
21.1.本公开通过在风机部分和压气机部分之间设置的平衡件，且通过平衡件的朝向风机的一侧引入压力而形成压力p1，平衡件的朝向空压机的一侧引入涡轮机中的压力p2，使得p2和p1形成的压力差作用于平衡件上，能够减小转子系统轴向气动载荷，即减小了作用于气动止推轴承上的载荷，从而降低止推轴承的承载力，易于气动止推轴承的结构实现，提高气动轴承的可靠性，降低了气动止推轴承的实现难度，利于气动轴承的可靠性设计；
22.2.本公开还通过将第一止推部卡设于轴的台阶面处，并且将第一止推轴承设置于止推部的轴向一侧、第二止推轴承设置于止推部的轴向另一侧，第一止推轴承能够与止推部接触而抵消第一轴向方向的气动轴向力，第二止推轴承能够与止推部接触而抵消第二轴向方向的气动轴向力，使得轴上由于风机、压缩机以及涡轮机等运动产生的气动轴向力作用于轴，而轴直接通过止推部将其直接传递到第一止推轴承或第二止推轴承上，从而有效
地将膨胀叶轮、压缩叶轮和风叶三者之间的轴向不平衡气动力分布到两个止推气动轴承上，最终有效地通过止推气动轴承力抵消转子系统轴向气动力，解决空气循环机存在轴向气动载荷无法有效地被分布到止推轴承上而导致系统仍然存在不平衡的气动轴向力的问题，实现独立的止推部结构有效地将轴向气动载荷的分布到止推轴承上的效果，并且容易实现装拆维护。
附图说明
23.图1是本公开的空气循环机的立体结构图；
24.图2是本公开的空气循环机的正视内部剖视图；
25.图2a是图2中a部分的局部放大图；
26.图2b是图2中b部分的局部放大图；
27.图3是本公开的空气循环机中的止推结构部分的爆炸结构图；
28.图4是本公开的空气循环机止推结构中的轴与止推部的尺寸关系图。
29.附图标记表示为：
30.100、涡轮机部分；200、压气机部分；300、风机部分；301、第二腔室；400、止推结构；01、膨胀壳体；011、膨胀腔室；0101、第一气路；02、第一连接件；0201、第三气路；0202、第四气路；03、连接管路；04、第二连接件；0401、第五气路；05、风机座；0501、第二气路；0502、第一腔室；06、动密封件；07、转子系统；0701、轴；71、第一轴段；72、第二轴段；0702、压缩叶轮；0703、轴向定位件；0704、径向轴颈；0705、止推部；0706、膨胀叶轮；0707、膨胀叶轮定位垫片；0708、膨胀轮锁紧螺栓；0709、平衡件；0710、风叶；0711、风叶定位垫片；0712、风叶锁紧螺栓；0713、轴线；0714、台阶面；0715、径向轴承；0801、第一止推轴承；0802、第二止推轴承。
具体实施方式
31.如图1
‑
4所示，本公开提供一种循环机(优选空气循环机)，其包括：
32.轴0701、涡轮机部分100、压气机部分200和风机部分300、止推结构400和平衡件0709，所述涡轮机部分100、压气机部分200和风机部分300共用所述轴0701，所述止推结构400和所述平衡件0709均套设于所述轴0701上；
33.所述止推结构400设置于所述涡轮机部分100与所述压气机部分200之间的位置，所述平衡件0709设置于所述风机部分300与所述压气机部分200之间的位置，且所述平衡件0709的朝向所述风机部分300的一侧能够引入气体而形成压力p1，所述平衡件0709的朝向所述压气机部分200的一侧能够引入气体而形成压力p2，p2≠p1。
34.本公开通过在风机部分和压气机部分之间设置的平衡件，利用平衡件的朝向风机的一侧引入压力而形成压力p1，平衡件的朝向空压机的一侧引入压力p2，使得p2和p1形成的压力差作用于平衡件上，能够减小转子系统轴向气动载荷，即减小了作用于气动止推轴承上的载荷，从而降低止推轴承的承载力，易于气动止推轴承的结构实现，提高气动轴承的可靠性，降低了气动止推轴承的实现难度，利于气动轴承的可靠性设计。
35.如图4所示，由于止推轴承设置在压气机和膨胀机之间，气体作用于止推轴承的轴向力f5朝左，因此引入的气体压力p2应大于p1而产生向左的f4进而来减小f5；可以根据引入的气体的来源位置等情况产生改变。
36.在一些实施方式中，所述平衡件0709的朝向所述风机部分300的一侧能够引入所述风机部分300中的气体而形成压力p1，所述平衡件0709的朝向所述压气机部分200的一侧能够引入所述涡轮机部分100中的气体而形成压力p2，且p2>p1。本公开通过在风机部分和压气机部分之间设置的平衡件，利用平衡件的朝向风机的一侧引入风机内部的压力而形成压力p1，平衡件的朝向空压机的一侧引入涡轮机中的压力p2，使得p2和p1形成的压力差作用于平衡件上，能够减小转子系统轴向气动载荷，即减小了作用于气动止推轴承上的载荷，从而降低止推轴承的承载力，易于气动止推轴承的结构实现，提高气动轴承的可靠性，降低了气动止推轴承的实现难度，利于气动轴承的可靠性设计。
37.如图1所示。用于压缩空气制冷系统的空气循环机，转子系统07的旋转动力来自于气体的膨胀功，气体流入膨胀进口t01后膨胀做功，做功后的气体温度降低，低温气体从膨胀出口t02流出，被输送到需要制冷的区域。膨胀功驱动转子系统07旋转，转子系统07上的压缩叶轮将气体从压缩进口c01吸入，经压缩后从压缩出口c02排出。与此同时，转子系统07上的风叶由风机进口f01吸入空气，在风机出口f02处排出，驱动空气。
38.如图2所示。转子系统07的轴向被一对止推气动轴承(包括第一止推轴承0801和第二止推轴承0802)支承。止推气动轴承抵消膨胀叶轮、压缩叶轮和风叶三者之间的轴向不平衡气动力。
39.在一些实施方式中，所述涡轮机部分100包括膨胀壳体01，所述膨胀壳体01的内部具有膨胀腔室011，所述循环机还包括连通通道和第一腔室0502，所述第一腔室0502形成在所述平衡件0709的朝向所述压气机部分200的一侧，以对所述平衡件0709产生压力p2，所述连通通道一端能够从所述膨胀腔室011中引入气体、另一端能够将其导入至所述第一腔室0502中。这是本公开的循环机的优选结构形式，通过设置连通通道以及在平衡件朝向压气机部分的一侧开设的第一腔室，能够有效地通过连通通道从膨胀腔室中引入气体而进入第一腔室中，进而产生作用于平衡件上的压力p2。膨胀腔室中的压力大于风机部分的压力，风机部分通常处于外部空间(例如风机外部)，其压力相对较低，并且随着高度的增高而进一步降低。
40.在一些实施方式中，所述连通通道包括第一气路0101、连接管路03和第二气路0501，所述第一气路0101设置在所述膨胀壳体01上且与所述膨胀腔室011连通，所述风机部分300还包括风机座05，所述第二气路0501开设在所述风机座05上，所述连接管路03位于所述膨胀壳体01和所述风机座05的外部，且所述连接管路03的一端能够与所述第一气路0101连通以从所述第一气路0101中引入气体，另一端能够与所述第二气路0501连通以将气体输送至所述第二气路0501中，所述第二气路0501的另一端与所述第一腔室0502连通。这是本公开的连通通道的优选结构形式，即包括设置在膨胀壳体上的第一气路和设置在风机做上的第二气路，第一气路用于与膨胀腔室连通而引入膨胀气体，第二气路用于将连接管路中的气体导入第一腔室中，连接管路产生有效连接引导气体的作用，连接管路设置于膨胀壳体的外部能够减小内部结构的复杂程度，使得内部结构更为紧凑。
41.在一些实施方式中，所述循环机还包括第一连接件02和第二连接件04，所述第一连接件02固定连接到所述膨胀壳体01上，所述第二连接件04固定连接到所述风机座05上，所述连接管路03的一端固定到所述第一连接件02上，所述连接管路03的另一端固定连接到所述第二连接件04上。本公开通过在膨胀壳体上固定设置的第一连接件能够有效地对连接
管路的一端起到固定作用和连通的作用，通过在风机座上固定设置的第二连接件能够有效地对连接管路的另一端起到固定的作用以及连通的作用。
42.在一些实施方式中，所述第一连接件02内部设置有第三气路0201和第四气路0202，所述第三气路0201的一端与所述第一气路0101连通、另一端与所述第四气路0202的一端连通，所述第四气路0202的另一端与所述连接管路03的一端连通。这是本公开的第一连接件内部的优选结构形式，通过其内部设置的第三气路和第四气路，能够使得气体依次经过膨胀腔室、第一气路、第三气路和第四气路流入连接管路中，形成有效的连接贯通的作用。
43.在一些实施方式中，所述第二连接件04内部设置有第五气路0401，所述第五气路0401的一端与所述连接管路03连通、另一端与所述第二气路0501连通。这是本公开的第二连接件内部的优选结构形式，通过其内部设置的第五气路，能够使得气体依次经过连接管路、第五气路流入风机座的第二气路中，进一步进入第一腔室中，形成有效的连接贯通的作用。
44.如图2所示。在膨胀壳体01的进口，设置第一气路0101。在第一连接件02上布置气路第三气路0201和第四气路0202。第三气路0201与第四气路0202相交互通，第三气路0201贯通连接第一气路0101。连接管路03与第一连接件02焊接装配成一体。第四气路0202贯通连接管路03。第一连接件02固定装配在膨胀壳体01上，在第一连接件02与膨胀壳体01之间设置密封垫片，从而消除它们之间的泄漏。
45.第二连接件04与连接管路03焊接装配成一体。在第二连接件04上布置第五气路0401，第五气路0401贯通连接管路03。第二连接件04固定装配在风机座05上，在第二连接件04与风机座05之间设置密封垫片，从而消除它们之间的泄漏。在风机座上布置第二气路0501，第二气路0501与第五气路0401贯通。
46.在一些实施方式中，所述第三气路0201的延伸方向与所述第一气路0101的延伸方向相同，所述第四气路0202的延伸方向与所述第三气路0201的延伸方向垂直，且所述第四气路0202与其连接的所述连接管路03的一端的延伸方向相同。这是本公开的第三气路和第四气路的优选结构形式，能够起到缓冲气流的作用。
47.在一些实施方式中，所述第五气路0401的延伸方向和与其连接的所述连接管路03的另一端的延伸方向相同，所述第五气路0401的延伸方向和与其连接的所述第二气路0501的延伸方向呈不平行的倾斜夹角。这是本公开的第五气路的优选结构形式，能够起到缓冲气流的作用以及起到减小第二气路的开设长度的作用。
48.在一些实施方式中，还包括径向轴承0715，所述径向轴承0715设置在所述平衡件0709的朝向所述压气机部分200的一侧，且所述径向轴承0715与所述平衡件0709之间夹设所述第一腔室0502。本公开通过设置的径向轴承，除了能够有效地对轴起到径向支撑的作用之外还能与平衡件之间形成所需的第一腔室，以引入膨胀腔室中的气体压力，从而产生对平衡件的压力，能够平衡掉部分的轴向气动载荷，以达到减小作用于止推部的轴向平衡力的作用。
49.在一些实施方式中，还包括径向轴颈0704，所述径向轴颈0704套设在所述径向轴承0715的径向内周，且所述径向轴颈0704的轴向一端与所述平衡件0709抵接，作用于所述平衡件0709上的轴向气动合力为f4＝π(d
12
‑
d
22
)*
50.(p2
‑
p1)/4，其中d1为所述平衡件0709的外直径，d2为所述径向轴颈0704的外直径。这是本公开的平衡件上所受到的轴向气动力的计算公式，通过引入气体而产生的上述力f4，能够有效平衡掉轴上的部分的轴向气动载荷，以达到减小作用于止推部的轴向平衡力的作用。
51.在一些实施方式中，d1/d2的取值范围为1.27～1.72。平衡件0709的外直径d1太小，导致f4太小，由力的平衡关系式得出，轴承合力f5较大，不利于止推轴承的可靠性提高。而平衡件0709的外直径d1太大，虽然利于止推轴承的可靠性，但是会加大动密封件06与轴向平衡件0709之间动态泄漏。因此为了同时保证止推轴承的可靠性和减小动态泄漏，d1/d2的取值范围1.27～1.72。
52.在一些实施方式中，所述循环机还包括第二腔室301，所述第二腔室301形成在所述平衡件0709的朝向所述风机部分300的一侧，以对所述平衡件0709产生压力p1，所述风机部分300包括风叶0710，所述风叶0710与所述平衡件0709之间夹设所述第二腔室301。这是本公开的进一步优选结构形式，通过在平衡件的朝向风机部分的一侧的位置与风叶夹设形成的第二腔室，能够通过第二腔室引入风机部分中的气体，产生压力p1。
53.在一些实施方式中，所述平衡件0709的径向外周还设置有动密封件06。本公开通过在平衡件的径向外周设置的动密封件，能够有效起到对平衡件部分进行有效密封的作用，防止引入的气体泄漏而导致无法产生有效的压力的情况发生。
54.动密封件06固定装配在风机座05上。动密封件06与轴向平衡件0709之间形成迷宫密封形式，从而使平衡件0709两侧形成压差，平衡件0709两侧的压力分别为p1和p2，通常p2>p1。
55.在一些实施方式中，所述止推结构包括第一止推轴承0801、第二止推轴承0802和止推部0705(优选止推盘)，所述第一止推轴承0801位于所述止推部0705的轴向一侧、所述第二止推轴承0802位于所述止推部0705的轴向另一侧，所述止推部0705能够与所述第一止推轴承0801接触而通过所述第一止推轴承0801抵消第一轴向方向的轴向力，所述止推部0705还能够与所述第二止推轴承0802接触而通过所述第二止推轴承0802抵消第二轴向方向的轴向力。本公开通过两个止推轴承中间夹设止推部的结构形式能够通过止推盘传递轴向的载荷，在第一轴向方向上利用第一止推轴承对轴向载荷进行抵消，在第二轴向方向上利用第二止推轴承对轴向载荷进行抵消，能够起到有效地将轴向载荷传递到止推轴承上，提高平衡轴向载荷的作用。
56.在一些实施方式中，所述轴0701包括相接的第一轴段71和第二轴段72，所述第一轴段71与所述第二轴段72的外径不等、而在二者的相接处形成台阶面0714，所述止推部0705卡设在所述台阶面0714的位置。
57.本公开还通过将第一止推部卡设于轴的台阶面处，并且将第一止推轴承设置于止推部的轴向一侧、第二止推轴承设置于止推部的轴向另一侧，第一止推轴承能够与止推部接触而抵消第一轴向方向的气动轴向力，第二止推轴承能够与止推部接触而抵消第二轴向方向的气动轴向力，使得轴上由于风机、压缩机以及涡轮机等运动产生的气动轴向力作用于轴，而轴直接通过止推部将其直接传递到第一止推轴承或第二止推轴承上，从而有效地将膨胀叶轮、压缩叶轮和风叶三者之间的轴向不平衡气动力分布到两个止推气动轴承上，最终有效地通过止推气动轴承力抵消转子系统轴向气动力，解决空气循环机存在轴向气动
载荷无法有效地被分布到止推轴承上而导致系统仍然存在不平衡的气动轴向力的问题，实现独立的止推部结构有效地将轴向气动载荷的分布到止推轴承上的效果，并且容易实现装拆维护。
58.在一些实施方式中，所述风机部分300包括风叶0710，所述压气机部分200包括压缩叶轮0702，所述涡轮机部分100包括膨胀叶轮0706，作用于所述风叶0710上的轴向气动合力为f1，作用于所述压缩叶轮0702的轴向气动合力为f2，作用于所述膨胀叶轮0706的轴向气动合力为f3，作用于所述平衡件0709的轴向气动合力为f4，所述第一止推轴承0801和所述第二止推轴承0802共同作用于所述止推部0705的轴承合力为f5，f1、f2、f3、f4和f5沿着所述轴0701的轴线0713方向，并满足平衡关系式：f1+f3＝f2+f4+f5。
59.如图3所示。转子系统07由轴0701、压缩叶轮0702、轴向定位件0703、径向轴颈0704(即轴套)、止推部0705(止推盘)、膨胀叶轮0706、膨胀叶轮定位垫片0707、膨胀轮锁紧螺栓0708、平衡件0709、风叶0710、风叶定位垫片0711和风叶锁紧螺栓0712装配而成。
60.如图4所示。风叶0710的轴向气动合力f1，压缩叶轮0702的轴向气动合力f2，膨胀叶轮0706的轴向气动合力f3，平衡件0709的轴向气动合力f4，两个止推轴承对止推部0705提供的轴承合力f5。f1、f2、f3、f4和f5在轴线0713上，它们只是表示数值，方向如图所示。力的平衡关系式：
61.f1+f3＝f2+f4+f5。f1、f2和f3的大小取决于转子系统的运行工况，当运行工况一定时，f1、f2和f3的数值便确定了、此时增大f4，轴承合力f5便变小。轴承合力f5小了，止推轴承更容易实现，止推轴承的可靠性更容易得到保证。
62.轴向气动合力f4＝π(d
12
‑
d
22
)*(p2
‑
p1)/4，其中d1为平衡件0709的外直径，d2为径向轴颈0704的外直径。通常增大d1从而增大f4，减小轴承合力f5。
63.平衡件0709的外直径d1太小，轴承合力f5较大，不利于止推轴承的可靠性提高。平衡件0709的外直径d1太大，虽然利于止推轴承的可靠性，但是会加大动密封件06与轴向平衡件0709之间动态泄漏。d1/d2的取值范围1.27～1.72。
64.f1、f2、f3、f4和f5的关系示例如上述关系式。f1+f3
‑
f2＝310.5n，如果不采用平衡件0709来平衡轴向气动力，即f4＝0，那么止推轴承需要提供310.5n的轴承力，这无疑增加了气动止推轴承的实现难度。现在采用41mm外径的平衡件0709，实现f4＝258n，这种情况下，只需要设计能提供95.2n的气动止推轴承，降低了气动止推轴承的实现难度，利于气动轴承的可靠性设计。
65.以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。以上所述仅是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本公开的保护范围。