专利名称：螺杆机的润滑的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如螺杆扩张器等螺杆机(screw machines)的润滑，其可使用例如蒸汽作为工作流体来发电。
背景技术：
容积式扩张器正越来越广泛地应用在发电中。最成功的容积式机器之一是多螺杆机，其最常用的实施方式是双螺杆机。这种机器在Svenska Rotor Maskiner (SRM)公司的专利 GB1197432、GB1503488 和 GB2092676 中公开。螺杆机能够作为压缩机或扩张器使用。本发明的最主要的理念涉及这两种类型的螺杆机，但是本发明在扩张器领域中尤其有用。因此本说明书主要涉及用作扩张器的螺杆机并且结合用作扩张器的螺杆机来描述本发明。在本说明书中，用作扩张器的螺杆机将简称为螺杆扩张器。螺杆扩张器优于涡轮扩张器的关键之处在于能够操作湿工作流体(S卩，包含气相和液相的流体)而几乎没有损坏的风险。这是因为螺杆机内的流体速度的数量级大约低于通常在涡轮机中遇到的流体速度的数量级。因此，螺杆扩张器能允许从纯液体到干燥蒸汽的任何构成的流体，同时在这些相位之间保持热力学平衡。相反，如果在工作流体中夹带有相当部分的液相，则涡轮扩张器容易发生叶片侵蚀。螺杆扩张器包括壳体，其具有至少两个重叠但不相交的孔。这些孔容纳各自的啮合螺旋形带叶的转子，它们在被固定的壳体中反向旋转。壳体以极其紧密的配合完全包围转子。这些孔的中心纵向轴线是成对共面的并且通常平行。凸转子(或“主转子”)以及凹转子(或“闸转子”)安装到轴承上的壳体，用于围绕其各自的轴线旋转，这些轴线中的每一个均与壳体中的多个孔轴线中的一个相应轴线重合。转子通常由诸如低碳钢等金属制成，但是它们可由高速钢制成。转子还可以由陶瓷材料制成。通常，如果由金属制成，则它们由机器加工，但是替代性地，可以对它们进行研磨或铸造。每个转子均具有螺旋棱面(helical land),其与至少一个其它转子的棱面之间的螺旋形槽啮合。啮合的转子有效地形成一对或多对的螺旋齿轮，同时其凸角(lobe)起到齿的作用。沿横截面观察，该凸转子或每个凸转子均具有对应于棱面并且从它的节距圆向外凸出的一组凸角。同样地沿横截面观察，该凹转子或者每个凹转子均具有从它的节距圆向内延伸并且对应于凹转子的槽的一组凹部。凸转子的棱面和槽的数量不同于凹转子的棱面和槽的数量。转子轮廓的现有技术的示例在附图的图I (a)到I (d)以及图2 Ca)到图2 Cd)中示出，并且稍后将更详细地描述。螺杆扩张器的工作原理是基于三维的体积改变。每个转子的任意两个连续的凸角之间的空间和周围壳体形成单独的工作室。该室的容积随着两个转子之间的接触线的转移导致的旋转而改变。在凸角之间的整个长度因转子之间的啮合接触而无障碍时，该室的容积是最大的。相反地，在端表面处转子之间具有完全的啮合接触时，该室的容积最小，几乎接近O值。待膨胀的流体通过进入端口(主要位于壳体的前平面)或形成高压的开口进入螺杆扩张器。因此，被允许的流体填充在凸角之间限定的室中。当旋转进行并且转子之间的接触线退回时，每个室中获得的容积增加。在进入端口被隔断时，填充或准入进程终止，并且进一步的旋转将导致流体在通过螺杆扩张器向下游移动时膨胀 。进一步下游的，在凸转子凸角和凹转子凸角开始再次啮合时，露出壳体中的低压端口或排放端口。当进一步的旋转压缩凸角与壳体之间截留的流体的体积，该端口进一步打开。这使得流体以接近恒定的压力通过排放端口排放。该过程持续到截留的容积被减小到几乎为O并且基本上凸角之间截留的全部流体都已经排出。然后，每个室均重复该过程。因此，根据凸转子和凹转子中的凸角的数量，进而根据这些凸角之间的室的数量，在每次旋转中实现连续的填充、膨胀和排放过程。当转子旋转时，凸角的啮合动作本质上与螺旋形齿轮的啮合动作相同。然而，另夕卜，凸角的形状必须使得在任何接触位置，密封线形成在转子之间以及在转子与壳体之间，以便防止接连的室之间发生内部渗漏。进一步的要求是凸角之间的室应当尽可能大，从而使每次旋转的流体位移最大化。此外，转子之间的接触力应当较低，从而使内部摩擦损耗最小化并且使磨损最小化。当制造要求规定在转子之间以及在转子与壳体之间要具有较小的间隙时，转子轮廓是确定流速和螺杆扩张器的效率的最重要的特征。多个转子轮廓已经被试验了很多年，并且改变了成功度。如图1(a)中所示，最早的螺杆扩张器使用的是非常简单的对称性转子轮廓。沿横截面观察，凸转子10包括围绕节距圆等角度间隔的多个部分圆(part-circular)凸角12,其半径的中心都定位在节距圆14上。凹转子16的轮廓通过对等的一组部分圆凹部18以简单的方式与之成镜像。诸如这样的对称性转子轮廓具有非常大的气孔区域，这会产生很大的内部渗漏。这将对称性转子轮廓排除在包含高压力比或者甚至中等压力比的应用之外。为了解决这个问题，SRM引入其“A”形轮廓，其在图I (b)中示出并且在前述的英国专利GB1197432、GB1503488和GB2092676中以多种形式公开。这种“A”形轮廓大大减少了内部渗漏并且因此使螺杆压缩机获得与往复式机器相同量级的效率。图I (c)中示出的Cyclon轮廓进一步减少了渗漏，不过这是以削弱凹转子16的凸角为代价。这使得处于高压力差的凹转子16存在扭曲的风险，并且使它们难以制造。图I (d)中示出的Hyper轮廓试图通过加强凹转子16来克服该缺陷。在以上现有技术的所有转子轮廓中，啮合的转子之间的相对移动是旋转和滑动的
彡口口 参照该背景，申请人开发出了公开号为W097/43550的国际专利申请PCT/GB97/01333所公开的“N”形转子轮廓。W097/43550的内容以引用方式并入本文。在该说明书中对“N”形转子轮廓的引用指的是W097/43550中所描述和限定的发明的轮廓。“N”形转子轮廓的特征在于，当沿横截面观察时，至少凸角的向凸转子的节距圆的外部凸出的那些部分的轮廓以及至少向凹转子的节距圆的内部延伸的凹部的轮廓通过相同的齿条构造产生。后者沿围绕凸转子轴线的一个方向以及沿围绕凹转子轴线的相反方向弯曲，产生转子的高压齿侧的齿条部分通过转子之间的转子共轭动作而产生。有益地，齿条的一部分、优选地形成转子凸角的高压齿侧的那部分呈旋轮线(cycloid)的形状。替代性地，该部分可形成为广义的抛物线，例如ax+bytl的形式。通常，凸转子的槽的底部处 于作为“齿根”部而位于节距圆以内，并且凹转子的棱面的尖端作为“齿顶”部向其节距圆以外延伸。优选地，这些齿根部和齿顶部也通过齿条构造产生。图2 (a)的双螺杆机的图解剖视图中示出的主转子(或凸转子)I和闸转子(或凹转子)2在它们的节距圆PpP2上围绕它们的中心O1和O2转动通过相应的角度Ψ和τ =Z1/Z2 ψ = ψ / i ο节距圆P的半径与相应的转子上的棱面和槽的数量成比例。如果弧段在主转子或闸转子上被定义为角参数Φ的任意函数并且由下标d表示Xd=Xd(^)(I)yd=yd (Φ)⑵则在另一个转子上的对应的弧段是Φ和Ψ两者的函数x=x ( Φ , Ψ) =_acos ( ψ/i)+xd cosk Ψ +ydsink Ψ (3)y=y ( Φ , Ψ) =asin ( Ψ/i) _xd sink Ψ +ydcosk Ψ (4)ψ是主转子的旋转角，第一弧段和第二弧段具有该旋转角的接触点。该角度满足Sakun 于 1960 年在 Vintovie kompressori, Mashgiz Leningrad 中描述的共辄条件( δ xd/ δ φ ) ( δ yd/ δ ψ) - ( δ xd/ δ ψ) ( δ yd/ δ φ ) =0(5)这是所有“d”曲线的包络线(envelope)的微分方程。它的展开式是( δ yd/ δ xd) ((a/i) sin Ψ ~kyd) - (- (a/i) cos Ψ +kxd) =0(6)这能够被表达为sinv的二次方程。虽然其能够采用分析法来解开，但是由于它的混合根，所以建议采用数解。一旦决定，则Ψ被插入到(3)和(4)中以获得相对的转子上的共轭曲线。该步骤要求定义仅仅一个给定的弧段。另一个弧段总是通过一般步骤而获得。即使这些方程的坐标系统独立于转子而定义，它们也是有效的。因此，可以在不参照转子的情况下指定所有的“d”曲线。这种设置使一些曲线能够以更简单的数学形式来表达，并且另外能够简化曲线生成步骤。这种类型的特殊坐标系统是齿条(无限半径的转子)坐标系统(在图2 (b)中以R表示)，其示出了用于产生图2 (a)中所示的转子轮廓的齿条的一个单元。然后，齿条上的弧段被定义为参数的任意函数Xd=Xd (Φ)(7)yd=yd (Φ)(8)在转子上的第二弧段由此作为Φ和Ψ两者的函数而导出x=x ( Φ , IlO=Xd cos Ψ - (yd-rw Ψ) sin Ψ (9)y=y ( Φ , Ψ) +xd sin Ψ + (yd-rw Ψ) cos Ψ (10)ψ代表给定的弧段凸出处的转子的旋转角，其定义接触点。该角度满足条件(5)，其是
(dyd/dxd) (rw Ψ -yd) - (rw~xd) =0(11)然后，显解Ψ被插入到(9)和(10)以获得转子上的共轭弧段。图2 (C)示出了图2 (b)的齿条构造与图2 (a)中示出的转子的关系，并且示出了齿条和该齿条产生的转子。图2 (d)以对照的方式示出了在现有技术的转子对上叠加图2 (c)中示出的转子的轮廓。无论在哪儿给出曲线，其方便形式可以是
axg+ byd = 1(12)其是“常规圆”曲线。对于p=q=2和a=b=l/r的情况而言,它是圆的。在a和b不相等的情况下，将得到椭圆；反号的a和b将得到双曲线；在？=1和q=2的情况下，将得到抛物线。除了通过一个坐标系统来定义所有给出的曲线的便利之外，与转子坐标系统相t匕，齿条形成提供两个优势a)与其它转子相比，齿条轮廓代表最短的接触路径，其意味着来自齿条的点将凸出到转子上而没有任何重叠或其它缺点；b)齿条上的直线将作为渐伸线凸出到转子上。为了最小化转子轮廓的高压侧上的气孔面积，该轮廓通常由两个转子的共轭动作产生，这两个转子底切(undercut)它们的高压侧。该实践得到广泛地应用在专利GB1197432中，使用主转子和闸转子上的单数点；在专利GB 2092676和GB 2112460中使用圆；在专利GB 2106186中使用椭圆；并且在专利EP 0166531中使用抛物线。合适的底切并不能直接从齿条预先获得。可以发现，在能够精确地替代转子的共轭动作的齿条上仅存在一个分析曲线。优选的是摆线，其作为主转子上的外摆线以及作为闸转子上的内摆线而进行底切。这与在两个转子上产生外摆线的单数点所产生的底切相反。这样的缺陷通常通过使闸转子的节距圆内的闸转子外径显著减小而得以最小化。这减小气孔面积，但也减小了生产能力。共轭动作是当旋转期间一个转子上的点(或者曲线上的多个点)切割另一个转子上的它的(或者它们的)路径的过程。如果同一时间存在两个或更多的共同接触点时，底切发生，这在轮廓中产生“凹穴(pocket)”。当显著的滑动发生时，如果较小的曲线部分(或者点)产生较长的曲线部分，则通常会发生底切。“N”形转子轮廓克服了这种缺陷，因为齿条的高压部通过底切该齿条上的合适曲线的转子共轭动作而产生。该齿条稍后用于通过通常的齿条产生步骤来形成主转子和闸转子的轮廓。以下详细描述设计用于通过结合的步骤来获得的对空气、常用制冷剂和多种过程气体有效压缩的齿条产生的轮廓族的简单的转子凸角形状。该轮廓几乎包含公开的文献资料中给出的现代螺杆转子轮廓的所有元件，但是其特征为附加的细微改良和优化提供了稳妥的基础。这里相对于齿条坐标系统概括齿条上的所有主要的弧段的坐标。这种轮廓的凸角划分为多个弧段。轮廓弧段之间的分界处由大写字母表示并且每个弧段被分别定义，如图2 (c)所
/Jn οA-B段是P=O. 43且q=l时齿条上的axg+ byqd= 1类型的常规弧段。
B-C段是齿条上的直线，p=q=l。C~D段是齿条上的圆弧段，p=q=2, a=b。D-E段是齿条上的直线。
E-F段是齿条上的圆弧段，p=q=2, a=b。F-G段是直线。G-H段是弧段G2-H2的底切，其是p=l且q=0. 75时主转子上的axpd+ by〗=·]类型的常规弧段。齿条上的H-A段是弧段A1-H1的底切，其是闸转子上p=l，q=0. 25时的axg+ byqd= 1
类型的一般弧段。在每个接合点A…H处，相邻的段具有共同的切线。齿条坐标通过与方程(7)到(11)逆向的程序而获得。结果，获得齿条曲线E-H-A，其在图2 (C)中示出。图2 Cd)示出了由该齿条程序产生的主转子3和闸转子4的轮廓，该轮廓与根据专利GB 2092676产生的相应转子的公知轮廓5、6在5/7的构造上重叠。借助中心之间的相同距离和相同转子直径，齿条产生的轮廓增加2. 7%的位移，同时凹转子的凸角更厚并且因此更坚固。在图2 (C)中示出的齿条的改型方案中，GH段和HA段由Y=RtjCos τ -Rp,Y=R0Sin τ -Rp τ形式的摆线的连续段GHA形成，其中％是主转子的(并且因此是它的孔的)外部半径，Rp是该主转子的节距圆半径。AB、BC、CD、DE、EF和FG段都是由以上的方程(12)产生。对于AB段而言，a=b，p=0. 43,q=l0对于其它段而言，a=b=l/r，且p=q=2。p和q的值可改变± 10%。对于BC、DE和FG段而言，r大于主转子的节距圆半径，并且优选地是无穷大，使得每个这种段均为直线。当p=q=2时，⑶和EF段是a=b曲线的圆弧段。以上描述的“N”形转子轮廓是基于齿轮的数学理论。因此，与之前参考图I (a)到图I (d)描述的转子轮廓不同，转子之间的相对移动是几乎接近纯滚动转子之间的接触带处于非常靠近其节距圆的位置。“N”形转子轮廓与其它转子轮廓相比具有很多额外的优势，包括低扭矩的传动装置，因此转子之间的接触力较小；凹转子坚固；位移大且导致低渗漏的密封线短。总的来说，它的使用提高了螺杆扩张器的隔热性能，尤其是在较低的端速处的隔热性能，其比记录的当前使用中的其它转子轮廓的情况可提高10%。现有技术中的公知常识是，如果转子的螺旋结构没有被润滑，则外部啮合的“定时”齿轮必须被设置为支配并同步转子的相对运动。转子之间的同步扭矩的传递经由定时齿轮而生效，因此其避免了转子的啮合螺旋结构之间的直接接触。这样，定时齿轮允许转子的螺旋结构不被润滑。替代性地，外部的定时齿轮可省略，使得转子的同步由它们的啮合关系单独决定。这必然地暗示从一个转子到另一个转子的同步扭矩的传递是经由它们的啮合螺旋结构。在那种情况下，转子的螺旋结构必须被润滑，以避免转子之间的硬接触，结果造成磨损并且可能咬死。出于对转子的同步和它们的不同润滑要求的这些替代性途径的考虑，螺杆扩张器有两个主要类型“充油”型和“无油”型。充油机依靠工作流体中携带的油来润滑转子的螺旋结构及其轴承，并且密封转子之间以及转子与周围的壳体之间的间隙。充油机需要外部轴密封但是不需要内部密封，并且它在机械设计方面简单。因此，其制造成本低，并且紧凑和高效。相反，无油机不会使油与工作流体混合。因此，定时齿轮被设置为避免转子的螺旋结构之间接触。每个定时齿轮通过相应的一个转子而转动，并且那些齿轮在壳体的外部啮合，其中它们在外部通过油来润滑。因此，“无油”指的是壳体的内部，而非整个机器。为了防止油进入壳体并且带入工作流体中，需要在壳体与齿轮之间的每个轴上进行内部密封以及外部轴密封。结果是，无油机比充油机明显庞大，并且比充油机的制造成本高得多。然而，无油机的转子能够以更高的速度旋转，而没有过多的粘性阻力。因此 ，无油机的每个单元容积的流量高于充油机。充油机和无油机在再次装入机器之前都需要用于润滑油的外部热交换器。在扩张器的应用中，热交换器的用途在充油机和无油机中是不同的。无油机使用热交换器来冷却油。为了完成循环，油箱、滤油器以及循环泵都需要使油返回到轴承和定时齿轮。相反地，充油机需要扩张器下游的分离器以从排放的工作流体中去除油。然后，分离的油必须在泵中被再次加压，并且热交换器必须在油返回到壳体的高压端之前加热油。这避免了使进入壳体的工作流体变冷，否则这将降低扩张器的效率。这些润滑系统增加两种类型的扩张器的总成本，但是增加的成本比用于无油扩张器的大得多。事实上，无油扩张器的总成本通常在数量级上大于等容量的充油扩张器的成本。除了成本之外，无油和充油的润滑系统都具有其它缺陷。生产无油扩张器的尝试已经引起的困难在于内部轴密封不能完全地隔离工作流体和润滑定时齿轮的油。在工作流体是高度易溶于润滑油的碳氢化合物或制冷剂的情况下，该问题特别突出。在充油扩张器的情况下，实际上不可能在膨胀之后将油从工作流体中完全地分离和去除。这导致油在系统的其它部分中逐渐累积，从而产生了操作问题。当然，在无油扩张器中也存在相同的问题，其密封装置不能使油与工作流体完全地隔离。然而，无油扩张器通常在这方面比充油扩张器好一些。因此，对于油污染特别敏感的应用场合，可能需要采用无油扩张器，尽管其体积庞大、复杂且成本较高。如上所述，螺杆扩张器的转子被安装到轴承上的壳体，用以围绕其相应的轴线旋转。可以使用各种类型的轴承。当然润滑在此也是一个问题。多数螺杆机使用滚动体轴承来支撑转子。这允许轴承配合公差很小，进而使转子之间以及转子与壳体之间必须保留的间隙最小化。这因此使内部渗漏最小化并且因而使效
率最大化。滚动体轴承包括滚珠轴承和滚柱轴承。它们的功能是通过分开两个表面的一组球形滚珠或者圆柱形或平头圆锥形滚柱来保持转动接触。如果设置适当，滚动体轴承可支撑径向负载和轴向负载。不管滚动体与在它们上面运行的轨道之间的主要滚动运动如何，油的边界膜必须保持在那些部分之间以使磨损和摩擦加热最小化。申请人:的公开号为WO 2006/131759的国际专利申请PCT/GB2006/02148示出了即使当工作流体的液体成分仅包含低浓度的溶解油时，也可以润滑螺杆扩张器中的滚动体轴承。如果该液体成分供应到轴承，工作流体将因摩擦加热而蒸发，并且将在轴承箱中留下足够的油以供应使轴承有效运转所需的边界膜。然而，当使用用于膨胀流体(该流体例如是蒸汽，或者油不能溶解在它的液相中的任何其它流体)的螺杆扩张器时，不能采用专利W02006/131759的润滑原理，乃至不允许在工作流体中存在微量的润滑油。Shaw的专利US 6217304揭露了用于制冷装置的螺杆压缩机，理论上该螺杆压缩机能够使用带入气相制冷剂中的液体制冷剂的液滴来密封、冷却和润滑转子。如果需要的话，可以将液体制冷剂的液滴注射到制冷剂流中，其具有不利后果的问题。然而，专利US6217304并没有提供这种压缩机如何能够在工作流体中不含油的情况下运行的可行方案。它仅仅涉及使得转子之间间隙较小的凸转子的热塑性材料或者其它合 适的复合材料的使用。尽管专利US 6217304中未提及，但是根据申请人的知识，在制冷剂中没有溶解有或携带有很多油的情况下，制冷压缩机不可能顺利操作。如果在与闭路式压缩机相反的开路式(open-circuit)扩张器中使用蒸汽作为工作流体，那么这没有选择。此外，使用液体制冷剂来润滑压缩机意味着制冷剂不完全蒸发，因而意味着性能系数(即制冷效率)非常差。因此，在专利US 6217304中提出的设计选择难以在实际的机器中得到证明。
发明内容
为了克服该背景技术中的问题，提出了本发明。从一方面来说，本发明涉及利用包含液相的工作流体的螺杆机，所述螺杆机包括两个或者更多的具有啮合的、被润滑的螺旋形结构的转子，其中所述转子具有本文所限定的“N”形轮廓，并且在使用中，所述转子的螺旋形结构的润滑仅仅通过工作流体的液相来实现(或者至少基本如此)。本发明还可表达为一种使用包含液相的工作流体时润滑螺杆机的方法，所述螺杆机包括两个或者更多的具有啮合的、被润滑的螺旋形结构的转子，所述转子具有本文所限定的“N”形轮廓，其中该方法包括基本上仅仅利用工作流体的液相来润滑所述转子的螺旋形结构。本说明书中所提及的“基本上仅仅”是试图表示在工作流体中能携带较小量或者微量的各种其它流体，即使不是故意地添加其中，并且所述其它流体能够具有一些非常轻微的润滑效果。然而，有效的润滑仍然完全或者主要依赖于特定的工作流体的液相的存在，使得该液相的缺乏会导致润滑无效。基本上，所有的润滑责任因此由特定的工作流体的液相来执行。此外,工作流体中携带的润滑液体优选地从进入扩张器的工作流体中获得，基本不会向工作流体预先添加更多的液体。这是有益的简单装置。然而，如果需要的话，可以预先添加更多的液体，并且这种添加在广义上并不排除于本发明。使用工作流体的液相作为用于螺旋形结构的润滑剂省略了用于将油润滑剂输送到那些结构的昂贵的润滑系统。本发明还避免了工作流体的油污染并且避免了工作流体经过机器之后从工作流体中分离油的需要。转子可由任何合适的材料制成。为了使可能发生的磨损最小化，它们的螺旋形结构可涂覆有低摩擦涂层，例如由Oerlikon Balzers提供的Balinit C2(商标)。Balinit C2是“WC/C”涂层，其通过物理气相沉积法(PVD)来沉积并且包括碳化物相和碳相。优选在转子的至少螺旋形结构上使用低摩擦涂层，该处的磨损特征使这种涂层是值得的。然而，出于成本的原因，如果可能的话，优选地转子的螺旋形结构保持不被涂覆。本发明的潜在的优点就在于通过使用“N”形轮廓转子而允许这种情况。为了确定转子得到令人满意的润滑，使用涂覆的“N”形轮廓的转子是最安全的。然而，申请人的测试也显示，如果涂覆有(例如Balinit C2等)低摩擦涂层，具有其它轮廓的转子能够令人信服地用于一些应用中。因此，从另一方面看，本发 明还涉及利用包含液相的工作流体的螺杆机，输送螺杆机包括两个或者更多的涂覆有低摩擦涂层的、啮合的、被润滑的螺旋形结构的转子，其中在使用中，转子的螺旋形结构的润滑基本上仅仅通过工作流体的液相来实现。本发明的该方案也可以表达为一种使用包含液相的工作流体时的润滑螺杆机的方法，输送螺杆机包括两个或者更多的具有涂覆有低摩擦涂层的、啮合的、被润滑的螺旋形结构的转子，其中该方法包括基本上仅仅通过工作流体的液相来润滑转子的螺旋形结构。在本发明的所有方案中，转子优选地由轴承支撑，所述轴承在使用中也基本上仅仅由工作流体的液相来润滑。使用液相来润滑轴承省略了用于将油润滑剂输送到那些轴承的昂贵的润滑系统。它还避免了工作流体的污染，并且还避免了工作流体经过机器之后从工作流体中分离油的需要。为了简单起见，由工作流体的液相润滑的轴承优选为液体动压的，但是它们可以是静压的。同时，液体动压轴承所需的较大间隙以及随之轴承内的轴的旋转会使机器的效率比使用滚动体轴承的同类机器的效率稍低一点，螺杆蒸汽扩张器能够被制造成使用液相的水作为轴承润滑剂。液体动压轴承通过在旋转部或滑动部与它们的静态壳体之间维持润滑剂薄膜而运行，使得除了启动和停机之外它们之间不发生接触。运行的基本原理是该薄膜不是均匀的厚度。在径向轴承的情况下，这在轴的旋转中心移离周围壳体的半径中心时发生。这会造成围绕该轴的润滑剂的薄膜不均匀，从而导致在薄膜最薄的区域中润滑剂中的压力显著增加。薄膜周围的压力差足以迫使该轴返回成与周围的壳体对齐，因此防止轴和壳体发生接触。润滑剂薄膜中产生的压力取决于润滑剂薄膜中实现的润滑剂的粘度和厚度的减少。通常地，这种轴承是油润滑的。然而，诸如美国威斯康星州的Waukesha Bearings公司等一些专业公司已经开发出采用非常低的粘度的液体的流体(如水和碳氢化合物)的液体动压轴承。这些轴承成功的关键是能够通过非常微小的最小薄膜厚度来运行，而且使用的轴承材料在启动和停机期间不容易卡住或磨损。在本发明广泛的理念中，静压轴承也是可以的，但是由于它们需要外部泵和循环系统来实施它们，所以它们不是最优选的。特别地，这种轴承防止转子轴通过容许高压气体或液体穿过的壳体中的一组衬垫与周围的壳体接触。转子轴与衬垫之间的压力的平衡防止它们之间发生接触并且转子轴在其旋转期间由流体支撑。诸如那些滚珠型或滚轴型的滚动体轴承在适当地设计时也能够用于支撑转子。润滑轴承的液体单独来源于工作流体是可能的。然而，如同转子的螺旋形结构那样，通过从工作流体中获得的液相来润滑轴承是巧妙的并且因此是优选的。在扩张器应用中，工作流体最有益地是水或湿蒸汽，使得用于润滑螺旋形结构的液相、并且可选择地也用于润滑轴承的液相是液态水，例如是可以被携带在蒸汽流中的液态水。然而，螺杆机也可以被相似地设计为用于任何工作流体，如碳氢化合物或制冷剂，只要相同流体的液相容易用于润滑转子的螺旋形结构并且可选择地也容易用于润滑轴承。使用润滑转子的螺旋形结构的低粘度液体(比如水)的另一个优势在于润滑剂引起的粘性阻力比油更少。因此，转子能够以比等同的充油机更高的速度旋转，这有利于流量。
出于简单、紧凑和低成本的目的，尤其是为了避免不需要的油润滑，非常优选地，转子没有通过单独的定时齿轮来连接。因此，与充油机一样，转子的同步仅取决于啮合的螺旋形结构的配合是有益的。这意味着同步力矩基本上仅仅经由它们的啮合螺旋形结构从一个转子传递到另一个。在过去的一些时刻，蒸汽螺杆扩张器已经被制造和测试，但是没有对它们中的任何一个进行过程流体润滑的记录，它们中的任何一个也没有成功操作的记录。借助本发明，如果工作流体也能够用于润滑轴承，那么整个油润滑系统以及无油机或充油机所需要的附加部件都能够被去除。测试I在测试具有“N”形转子轮廓的螺杆机中，申请人利用充油型的空气压缩机进行实验，所以没有定时齿轮。因此，该压缩机依靠转子的螺旋形结构之间的润滑接触来同步这些转子。有悖常识的，申请人通过仅借助将水代替油注入到工作流体中来润滑转子的螺旋形结构而进行试验。在那种情况下，将转子安装到壳体的轴承是滚动型的并且充满了润滑齐U。转子是涂有Balinit C2涂层的钢。然后，压缩机通过转子的螺旋形结构之间的接触而运行150小时，仅通过代替油注入到工作流体中的水来润滑。在该阶段结束时，这些转子被检查，并且显示没有磨损或损坏的迹象，只是在接触带上有轻微的磨光。测试2示例I的涂覆转子被一对未被涂覆的钢的“N”形轮廓的转子替代并且运行另外五小时。在该时期结束时，检查未涂覆的转子，它们也没有显示出明显的磨损迹象。测试3随后，在完全没有水注入到工作流体中的情况下，具有未被涂覆的“N”形轮廓转子的压缩机错误地运行两小时。转子仍然维持没有明显的损坏，当然，如果在没有对转子的螺旋形结构进行润滑的情况下机器运行超过相当长的时期，可以预期会产生一些损坏。申请人:已经推断，对于具有“N”形轮廓的转子的螺杆机而言，润滑系统的主要功能是润滑轴承。只要转子的螺旋形结构上存在一些液体(即使该液体是低粘度的，比如水)，就无需定时齿轮来避免直接的转子接触。本发明应用了该发现并且实施了该原理。
已经参考附图的图I (a)到图I (d)和图2 (a)到图2 (d)描述一些现有技术的转子轮廓。为了可更容易地理解本发明，现在将借助示例参考附图，其中图3是穿过根据本发明的第一实施例的蒸汽扩张器的示意性剖视图；以及图4是穿过根据本发明的第二实施例的蒸汽扩张器的示意性剖视图。
具体实施例方式首先参考附图中的图3，螺杆扩张器20包括固定壳体22，其 包含两个啮合的螺旋形带叶转子10、16，这两个转子在壳体内围绕平行的轴线反向旋转。转子10、16由任何合适的材料(如钢)制成，可选择地涂覆有低摩擦涂层(如前述的Balinit C2)。它们具有申请人在专利WO 97/43550中公开的“N”形转子轮廓。每个转子10、16安装到相应的轴24、26，轴24、26进而通过支撑各个轴的各个端的液体动压轴承安装到壳体22。轴26中的一个延伸到壳体22的外部以驱动用于发电的发电机(未示出)。待膨胀的工作流体(在本示例中为湿蒸汽)以高压状态通过进入端口 30进入壳体22。蒸汽通过壳体22的内部而流动并膨胀，从而导致转子10、16以高速转动，并且蒸汽通过排放端口 32以低压状态离开壳体22。无需定时齿轮以使转子10、16同步旋转。作为替代，转子10、16因其螺旋形结构的啮合衔接而同步。这需要对螺旋形结构进行润滑，这由湿蒸汽供应中携带的液相水来确保。在示出的实施例中，轴承28也由来自湿蒸汽供应的水进行润滑。储水部34与进入端口 30连通并且通过供给管路36将处于压力下的水供应到每个轴承28。在附图的图4中示出的可选择的改进方案中，每个转子轴24、26的端部处的平衡活塞(balance piston)38利用工作流体的压力来对抗轴的轴向负载，因而减少了支撑轴的轴承28所承受的负载。这样，压力管路40将平衡活塞38连接到进入端口 30。用于膨胀的工作流体可从多种来源(如来自地热源的蒸汽)中获得。在这方面，可
以回想，螺杆扩张器对涡轮扩张器的关键优势是能够处理湿的工作流体(即，同时包含气相
和液相的流体)而几乎没有损坏的风险。在处理污染的或肮脏的工作流体(如包含来自地
热源的沙子或来自腐蚀管道的铁锈等微小颗粒的湿蒸汽)方面，螺杆扩张器也比涡轮扩张
器好得多。另一个优势是螺杆扩张器潜在地比用于相对小的动力输出的涡轮更具有成本效.、/■
Mo前述内容示出，本发明设计和制造的蒸汽扩张器无需如无油机所要求的定时齿轮、内部轴密封件、润滑剂储存部、润滑剂泵、润滑剂过滤器或热交换器或者无需如充油机所要求的润滑剂泵、热交换器和油分离器。此外，对于现有技术中的无油机和充油机都常见的、润滑油污染工作流体的问题被本发明完全地克服了。工业蒸汽系统代表根据本发明的螺杆扩张器的主要的潜在应用。很多工业过程都需要供应蒸汽，例如准备食物、造纸和化学过程。通常，中央锅炉产生处于适度高的压力的蒸汽，并且该蒸汽经由管道系统分布在工厂、车间或其他工业设施附近。蒸汽通过分支管道在每个需要的位置处排出。由于工业设施中的不同过程可能需要不同的蒸汽压力，所以每个分支管道通常具有控制阀，所述控制阀将蒸汽节流到讨论中的过程所需要的较低压力。可以使用螺杆扩张器替代节流阀来降低蒸汽压力。这使得可以从膨胀过程中回收动力，同时保持以所需的较低压力供应蒸汽。由本发明带来的关于成本、坚固性、紧凑性、可靠性、效率和避免油污染等益处对于接受将蒸汽扩张器用于这种应用、尤其是在工业设 施中代替复式节流阀的意图是至关重要的。
权利要求
1.一种将湿蒸汽用作工作流体的螺杆扩张器，所述扩张器包括两个或更多的具有啮合的、被润滑的螺旋形结构的转子，其中所述转子具有本文所限定的“ N”形轮廓，并且在使用中，所述转子的螺旋形结构的润滑基本上仅仅由湿蒸汽工作流体中携帯的水负责。
2.根据权利要求I所述的扩张器，其中所述螺旋形结构涂覆有低摩擦涂层。
3.根据权利要求2所述的扩张器，其中所述涂层包括碳化物相和碳相。
4.根据前述任意一项权利要求所述的扩张器，其中所述转子由至少ー个轴承支撑，所述至少一个轴承在使用中也基本上仅仅由水来润滑。
5.根据权利要求4所述的扩张器，其中所述轴承是液体动压轴承。
6.根据权利要求4所述的扩张器，其中所述轴承是滚动体轴承。
7.根据权利要求4到6中任意一项所述的扩张器，其中所述轴承由从湿蒸汽工作流体中获得的水来润滑。
8.根据前述任意一项权利要求所述的扩张器，其中所述转子通过经由它们的啮合的螺旋形结构将同步カ矩从ー个转子传递到另一个转子而被同歩。
9.根据权利要求8所述的扩张器，其中没有定时齿轮作用在所述转子之间。
10.根据前述任意一项权利要求所述的扩张器，还包括对抗转子上的轴向负载的推力活塞。
11.根据权利要求10所述的扩张器，其中所述推力活塞通过湿蒸汽工作流体的压カ而发挥作用。
12.根据前述任意一项权利要求所述的扩张器，其中湿蒸汽工作流体中携帯的润滑水从进入所述扩张器的湿蒸汽中获得，基本上无需预先向湿蒸汽添加更多的水。
13.一种在将湿蒸汽用作工作流体时润滑螺杆扩张器的方法，所述扩张器包括两个或更多的具有啮合的、被润滑的螺旋形结构的转子，所述转子具有本文所限定的“ N”形轮廓，其中该方法包括基本上仅仅利用湿蒸汽工作流体中携帯的水来润滑所述转子的螺旋形结构。
14.根据权利要求13的方法，包括使用水来润滑支撑所述转子的轴承。
15.根据权利要求14的方法，包括从湿蒸汽工作流体中获得润滑所述轴承的水。
16.根据权利要求13到15中任意ー项的方法，包括通过经由所述转子的啮合的螺旋形结构将同步カ矩从ー个转子传递到另一个转子来使所述转子同歩。
17.根据权利要求13到16中任意ー项的方法，其中湿蒸汽工作流体中携带的润滑水从进入所述扩张器的湿蒸汽中获得，基本上无需预先向湿蒸汽添加更多的水。
18.ー种动カ发生器，包括根据权利要求I到12中任意ー项所述的螺杆扩张器，或者具有根据权利要求12到17中任意一项所述的方法来操作的螺杆扩张器。
全文摘要
一种利用含有液相的工作流体的螺杆机包括具有啮合的、被润滑的螺旋形结构的转子。转子具有如专利WO 97/43550中公开的“N”形轮廓。在使用中，转子的螺旋形结构的润滑以及可选的转子轴承的润滑基本上仅仅通过工作流体的液相来实现。
文档编号F16N15/04GK102834618SQ201180018654
公开日2012年12月19日 申请日期2011年2月14日 优先权日2010年2月12日
发明者I·K·史密斯, N·R·斯托希克 申请人:城市大学