带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械制造技术

一种带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而且不需要变内压缩比设置和/或串接脉动衰减器。带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，包括至少一气缸，上有气流进口、气流排气口和两者间的气流传送腔或压缩腔；安装在气缸和压缩腔内的由外力驱动改变压缩腔容积的转子，通过周期运动推动气流从进口到排气口的增压和流动；旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成脉动陷阱腔，脉动陷阱腔内至少有一个气流脉动衰减设置，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱进口连接压缩腔，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱出口连接容积式气/汽体机械的气流排气口。

【技术实现步骤摘要】
相关交叉引用专利申请本专利申请是以下美国和中国专利申请的继续：于2014年5月23日提交的美国非临时专利申请14/285,678(涡旋式，中国申请号或专利号：201510226596.1)，于2012年9月15日提交的美国非临时专利申请13/621,202(内燃机，中国申请号或专利号：201210344360.4)，于2012年2月24日提交的美国非临时专利申请13/404,022(容积式，中国申请号或专利号：201210047941.1)、于2011年12月29日提交的美国非临时专利申请13/340,592(螺杆式，中国申请号或专利号：201110449760.7)及于2011年6月7日提交的美国非临时美国专利13/155,123。所有这些在此引入本文，作为参考其全部而且出于所有目的。
本专利技术通常与各种容积式流体机械领域相关，细属于容积式气/汽体机械的旁支脉动陷阱，具有减少一次性气/汽流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高变工况气/汽动效率而不需要串接气/汽流脉动衰减器(也称消音器)和/或使用变内压缩比设置的特点。
技术介绍
如图1a所示，容积式气/汽体机械通常分为容积式压缩机和容积式膨胀机两大类，其中压缩机将轴功转换为气/汽体内能，反之膨胀机则将气/汽体内能转换为轴功，两者均具有高压比增压或高压比膨胀能力，适用于宽广的流域和不同的介质(如不同气体或汽体或汽液两相)，被广泛地应用于各种各样的工业或民用应用，如给天然气管道增压，将其从生产基地输送到千里以外的千家万户，或用于各种石油化工流程的驱动和工厂车间内压缩空气的气源。另外，容积式压缩机和膨胀机还是空调制冷循环中的心脏，用于工业化制冷或每家每户的空调和冰箱内。尽管下面的有关图示和描述采用的是针对空气的容积式压缩机来展示本专利技术的具体实现方案，其原理和精神也可以用于不同汽体(如蒸汽或空调制冷介质)或其它真实气体或气液态两相流。此原理也适用于容积式膨胀机，不同之处在于膨胀机使用压差来产生轴功。容积式压缩机将轴功率转换为被压缩介质(广义上包括不同的气体或汽体)的内能。它的工作原理是依靠工作腔容积的缩小来增加气体压力。如图1a所示，按工作腔和运动部件形状，容积式压缩机又可分为“往复式”和“回转式”两大类。前者的运动部件进行往复运动，后者的运动部件做单方向回转运动，如螺杆压缩机、涡旋压缩机、滑片压缩机、罗茨式或回转活塞式等。尽管容积式压缩机种类繁多优缺点各异，但都含有一个进气口，一个容积可变化(变化程度从0到任何设计的容积比)的工作腔(压缩腔)和一个可控制排气时机的排气口。此外，其压缩过程都是循环性的，且步骤和顺序都相同，即可抽象成如下通用原理图：进气→传递和压缩→排气→消音降噪，其流程如图2a所示，而图2b-2e进一步展示了不同类型的传统容积式压缩机(分别是罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式)压缩循环的通用原理图。用传统往复活塞式为例，当活塞在气缸内向下运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时气体从进气口推开进气阀门进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；然后活塞反向向上运动，气缸容积缩小，气体压力升高，当气缸压力达到一定的设计值时，排气阀门打开，这时活塞继续运动，气体从排气口排出气缸，进入串接的消音器或脉动衰减器，再向下游输送。因为容积式压缩机的机理是将原本连续的气流分成一个个与压缩机工作腔大小相同的不连续的流体团，再将其压缩并在排气后重新汇合到一起，故气流或压力脉动为容积式压缩机的固有属性，其频率为单位时间内压缩腔的排气次数，而脉动大小则与排气时压缩腔内与压缩机排气口处(也称系统背压)的压力差相关。通常将排气时压缩腔的压力大于排气口压力的工况叫过压缩，而将排气时压缩腔的压力小于排气口压力的工况叫欠压缩，如图1b的P-V图展示。对于有定压缩比的压缩机，当系统所需压力(背压)变化时，都会有过压缩或欠压缩的情形出现，而过压缩或欠压缩的大小程度是产生气流或压力脉动的直接原因(源头)。大的压力脉动和气流脉动会使下游的系统零部件产生疲劳破坏，并诱发很大的振动和噪音(可达140-200dB)。作为特例，罗茨型鼓风机由于没有内压缩，总是处于欠压缩状态，其欠压缩大小程度等于进排气的压差，所以罗茨风机的严重气体脉动是由其原理所决定而天生存在的。为了控制容积式压缩机排气口气流和压力脉动，通常的办法是在压缩机排气口串接一个消音器或脉动衰减器，这些消音器或脉动衰减器以抗式为主，内有空腔、隔板和多孔管等。其降噪和减小气流脉动的效果一般很显著，可达10-20分贝以上，但缺点是在消音器内有流动压力损失(图4f上阴影部分表示)，造成系统气动效率下降，损失大小与脉动衰减大小成正比，另外，衰减大的消音器通常体积较大，其板焊结构和额外的表面积也使其会产生很大的振动并辐射其它频率的噪音，即二次性振动和噪音，并且其内部结构受气流脉动力的作用，会产生疲劳破坏并潜在地影响下游系统零件的寿命。针对上述问题，已经有不同的技术试图取代通常在出口串接消音器或脉动衰减器的做法。比如，针对罗茨型鼓风机，美国专利4,215,977(专利技术人Weatherston)，提出逆流降低压力脉动；针对螺杆压缩机，美国专利5,051,077(专利技术人Yanagisawa)和5,370,512(专利技术人Fujitani)，提出改变出气口几何形状以致出口逐渐打开来降低压力脉动。然而，这两种方法的效果都是有限的：一般只有5-8dB(图4g中中间试验曲线所示),在压缩机出口仍需要串接消音器或脉动衰减器，没能从根本上取代串接消音器。究其原因，可能是对气流脉动机理认识的局限性。所以，美国专利9,140,260、9,140,261(容积式，中国申请号或专利号：201210047941.1)、9,151,292(螺杆式，中国申请号或专利号：201110449760.7)、9,243,557(内燃机，中国申请号或专利号：201210344360.4)及美国专利申请14/285,678(涡旋式，中国申请号或专利号：201510226596.1)，从激波管气流压力脉动机理入手(见图3a-3b，激波管原理图)，提出了气流脉动问题的主要起因类似激波管原理，是容积式压缩机在非设计工况下欠压缩或过压缩之压差突然释放所引发的脉动流体和强波的相互及共同作用的新观点。图3c-3f展示了传统容积式压缩机(分别是罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式)在欠压缩或过压缩时，排气口突然打开后所激发的压缩波(同心密圆弧标注)及脉动流和膨胀波(同心疏圆弧标注)向压缩腔和排气管道传播的新机理图，并在此基础上提出了取代通常在排气口串接消音器或脉动衰减器的新方法-在压缩腔旁并接脉动衰减设置，及本专利技术所称的旁支脉动陷阱方法，其通用原理图如图4a所展示，而图4b-4e则展示了旁支脉动陷阱方法分别应用于罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式的最佳方案，图4g展示其在罗茨风机上应用的试验结果，表明旁支脉动陷阱方法可以在源头减少气流和压力脉动，其效果与传统的串接脉动衰减器(消音器)一样显著(10倍以上的压力脉动衰减，等同20dB以上的压力脉动的衰减)，但变工况系统气动效率比传统的串接脉动衰减器更好(耗功为图4f中去除阴影部分)，同时又减本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，它包括：a.至少一气缸，上有气流进口，气流排气口和两者间的气流传送腔或压缩腔；b.安装在气缸和压缩腔内的由外力驱动改变压缩腔容积的转子，通过周期运动推动气流从进口到排气口的增压和流动；c.旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成脉动陷阱腔，脉动陷阱腔内至少有一个气流脉动衰减设置，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱进口连接压缩腔，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱出口连接容积式气/汽体机械的气流排气口；d.此带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械能够减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而且不需要串接脉动衰减器和变内压缩比设置。

【技术特征摘要】
2015.08.26 US 14/836,1941.一种带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，它包括：a.至少一气缸，上有气流进口，气流排气口和两者间的气流传送腔或压缩腔；b.安装在气缸和压缩腔内的由外力驱动改变压缩腔容积的转子，通过周期运动推动气流从进口到排气口的增压和流动；c.旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成脉动陷阱腔，脉动陷阱腔内至少有一个气流脉动衰减设置，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱进口连接压缩腔，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱出口连接容积式气/汽体机械的气流排气口；d.此带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械能够减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而且不需要串接脉动衰减器和变内压缩比设置。2.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的陷阱进口上游至少有一个渐开槽，槽的开始处位于离开压缩机气流进口距离等于或大于压缩腔刚刚对进气口关闭(密闭)处，但始终在容积式气/汽体机械排气口之前。3.如权利要求2所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的陷阱进口渐开槽长度与脉动陷阱进口宽度的比不大于五比一。4.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的脉动陷阱腔内至少包括一个气流脉动衰减设置，每个脉动衰减设置至少包括一个非板状的多孔装置。5.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置形状像吸尘器吸头，即从陷阱进口长方形截面形状逐渐连续过渡到管形截面。6.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置形状是具有相同截面积的圆柱形状。7.如权利要求6所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的圆柱形状的多孔装置的圆柱长对圆柱直径比至少大于或等于2。8.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置端面(陷阱进口对面)是曲面而且曲面上面没有穿孔。9.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置形状是具有从陷阱进口端开始不断减小横截面积的圆锥形状。10.如权利要求4所述的带有旁支脉动...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秀保，
申请(专利权)人：黄秀保，
类型：发明
国别省市：美国;US