适用于高压场景的转动装置及应用其的机械装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于机械领域，尤其涉及一种适用于高压场景的转动装置及应用其的机械装置，如泵、压缩机、流体马达和发动机。
【背景技术】
[0002]为了提高油田的采收率，早期注水被证明是非常有效的办法。通过早期注水可以提高地层压力，使油层具有强有力的驱油条件，可以保持较高的油层压力，从而达到油田高产稳产的目的。
[0003]近些年来，页岩油和页岩气的开发飞速繁荣。开采页岩油和页岩气最常用的方法为水力压裂法，即将高压水(经常混有化学物质)注入油井中，把被圈闭的油和天然气释放出来。目前，约有半数以上的页岩油和页岩气开采采用水力压裂法。
[0004]无论是上述提及的油田早期注水、页岩油/页岩气的开发，还是海水淡化、工程机械等其他领域，高压泵技术均起着重要的作用，其已经成为制约生产效率进一步提高的关键因素。现有技术中已经存在各种各样的高压泵，例如:柱塞泵、往复泵、螺杆泵、偏心转子栗等等。
[0005]本申请的申请人在2013年I月15日提交了一份专利申请(申请号:201310030773.X)。在该份专利申请中，申请人提供了一种星旋式转动装置及应用其的转子式压缩机和流体马达。图1A为现有技术转子式压缩机的纵切面示意图。图1B为图1A所示转子式压缩机沿A-A面的剖视图。如图1A和图1B所示，该转子式压缩机包括:缸体110、前/后端盖(120,130)、主轴200、偏心转子组件300和隔离机构400。其中，缸体110与位于其两侧的前/后端盖(120、130)限定一圆筒形内腔。主轴200由前/后端盖(120、130)可转动地支撑，部分地位于圆筒形内腔内，其中心轴线与缸体110的中心轴线重合。偏心转子组件300套设于主轴200位于圆筒形内腔的部分，包括:偏心轴310、滚动活塞轮330及两个滚动轴承320。其中，偏心轴310套设于主轴200位于圆筒状内腔的部分，其中心轴线与主轴200的中心轴线平行且错开预设距离。滚动活塞轮330套设于偏心轴310上，其中心轴线与偏心轴310的中心轴线重合。两个滚动轴承320，对称地套设于偏心轴310上，其内套圈固定于偏心轴310，其外套圈固定于滚动活塞轮330，以隔绝两者的转动，两个滚动轴承320与滚动活塞轮330之间的预紧弹性力将滚动活塞轮330压紧于圆筒形内腔的内圆筒面，使圆筒形内腔的内圆筒面和滚动活塞轮330的外圆柱面形成轴向延伸的密封腔室。隔离机构400将密封腔室分隔为相互独立的第一腔室和第二腔室，该第一腔室和第二腔室分别与设置在缸体110的第一组通孔和第二组通孔相连通。
[0006]对于图1A、图1B所示的星旋式压缩机而言，其在偏心轴和滚动活塞轮之间采用滚动轴承。使用滚动轴承后，转子压缩机就有望实现无油化或者说少油化，就有望克服因大量使用润滑油而带来的诸多缺点，从而使该结构可以在大型的压缩机、空压机、泵领域应用。
[0007]然而，对于例如油田使用的高压注水泵，由于高压因素的存在，上述结构会出现问题而不能使用。以市场上一种型号的双面滚柱轴承为例。如图2所示，该双面滚柱轴承的高度为50mm，外径为180mm，内径为130mm。假设活塞的长度L为6.6cm，半径R为28cm，工作气压P为20MPa(200kgf/cm2)，偏心转子的偏心距I为5mm(即0.005m)，泵的转速η为740rev/min,由于腔体空间轴向距离的限制，只能设置I个滚动轴承，则:
[0008]活塞面积S = 28X6.6 = 184.8cm2
[0009]活塞推力F = PXS = 100kgf/cm2X184.8cm2= 18480kgf
[0010]转子扭矩M =IXF = 0.005mX18480kgf = 906.444N_m
[0011]该I个滚动轴承所承受的负荷f = 18480kgf
[0012]轴承的基本动负荷C = 27900kgf
[0013]速度系数fn = (33.3/n) 3/10 = 0.394
[0014]寿命系数fh= (33.3/n) 3/10 X C/f = 0.394X27900/18480 = 0.5948
[0015]寿命时间h = 500Xfhl0/3 = 500X (0.5948) 10/3 = 500X0 = 88.5h
[0016]可见，由于缸体内腔的活塞空间非常狭小，只能容纳I个NNU4926轴承。对于偏心转子转动装置而言，由于滚动轴承所承载的压力过大，导致其寿命时间仅为88.5h，远远达不到实用化的要求。
[0017]目前，业内亟待出现一种具有较大空间以容纳更多轴承以承受较高压力，从而具有合理使用寿命的高压泵。
【发明内容】
[0018](一)要解决的技术问题
[0019]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种转动装置及应用其的机械装置，其能够应用于高压场景下，并具有能够实用化的工作寿命。
[0020]( 二 )技术方案
[0021]根据本发明的一个方面，提供了一种转动装置。该转动装置包括:缸体110、前后端盖(120、130)、主轴200、偏心转动组件300、隔离机构400。其中，缸体110及前后端盖(120、130)，三者共同限定一内腔，该内腔分为中心轴线重合的两部分，第一部分为圆筒形腔，作为偏心轴运动腔；第二部分为在第一部分的内壁朝向外侧凹陷而形成的环形腔，作为活塞运动腔。主轴200，由缸体110和/或前后端盖(120、130)可转动地支撑，部分位于内腔内，其中心轴线与偏心轴运动腔的中心轴线重合。偏心转动组件300包括:偏心轴310，套设于主轴200位于内腔的部分，其中心轴线与主轴200的中心轴线平行且错开预设距离；滚动活塞轮330，包括:套筒部331和活塞部332，套筒部331呈圆筒状构造，套设于偏心轴310的外侧；活塞部332呈圆环状构造，套设于套筒部331的外侧，其轴向长度等于活塞运动腔的轴向长度，其侧面与活塞运动腔的两侧面接触密封，其中，偏心轴310及套筒部331在偏心轴运动腔内运动，而活塞部332的至少部分部位在活塞运动腔内运动，活塞运动腔的内圆筒面与活塞部332的外圆柱面之间形成轴向延伸的月牙形密封腔室；以及至少一个轴承320，设置于偏心轴310和滚动活塞轮的套筒部331之间，偏心轴运动腔的轴向范围内。隔离机构400，将月牙形密封腔室分隔为相互独立的第一腔室和第二腔室，该第一腔室和第二腔室分别与设置在缸体上的第一组通孔和第二组通孔相连通。
[0022]根据本发明的另一个方面，还提供了一种泵。该泵包括上述的转动装置，其中:第一腔室为入口腔411，其通过开设于缸体上的吸入通孔412与流体进口相连通；第二腔室为出口腔413，其通过开设于缸体上的排出通孔414与流体出口相连通。
[0023]根据本发明的再一个方面，还提供了一种压缩机。该压缩机包括上述的转动装置，其中:第二腔室为吸入腔，其通过开设于缸体上的第二组通孔与低压压缩介质输入口相连通；第一腔室为压缩腔，其通过开设于缸体上的第一组通孔与高压压缩介质排出口相连通。
[0024]根据本发明的又一个方面，还提供了一种流体马达。该流体马达包括上述的转动装置，其中:第二腔室为做功腔，其通过开设于缸体上的第二组通孔与高压流体进口相连通；第一腔室为排出腔，其通过开设于缸体上的第一组通孔与低压流体出口相连通。
[0025]根据本发明的又一个方面，还提供了一种发动机。该发动机包括上述的转动装置，其中:第二腔室通过开设于缸体上的第二组通孔与燃烧室相连通；第一腔室通过开设于缸体上的第一组通孔与废气排出口相连通。
[0026](三)有益效果
[0027]从上述技术方案可以看出，本发明应用高压场景的转动装置及应用其的流体机械具有以下有益效果:
[0028](I)将偏心轴运动腔与活塞运动腔分开，轴承可以在偏心轴运动腔的轴向设置，由于偏心轴运动腔的轴向长度大于活塞运动腔的轴向长度，从而轴承设置数量和灵活度均有了很大的空间扩张，多个轴承能够承受的压力自然增大，进而应用该转动装置的流体机械的承压能力大幅提高，能够应用于高压场景，并具有能够实用化的工作寿命；
[0029](2)由于具有较大的偏心轴运动腔，从而平衡配重更加便于布置，能够更好地减轻由于转动装置偏心转动而引起的动量不平衡的问题，更加符合精密工学原理，运行起来振动小，噪音低；
[0030](3)在一般场景下，采用多个滚动轴承已经足够，而在超高压泵中，行星活塞轮承受的超高压负荷可以用静压轴承来承受，工作更为可靠。
【附图说明】
[0031]图1A为现有技术转子式压缩机的纵切面示意图；
[0032]图1B为图1A所示转子式压缩机沿A-A面的剖视图；
[0033]图2为轴承寿命时间模型的示意图；
[0034]图3为根据本发明实施例偏心转子式泵的纵切面剖视图
[0035]图4A和图4B分别为图3所示偏心转子式泵在两个状态下沿A-A面的剖视图；
[0036]图5为根据本发明另一实施例采用静压轴承的泵的示意图；
[0037]图6为图3所示偏心转子式泵的隔离机构中旋阀片的示意图；