ES2242368T3 - Compresor de tornillo rotativo con empuje equilibrado. - Google Patents

Abstract

LAS PARTES DE EJE (20 - 1, 21 - 1) DE ROTORES DE TORNILLO HELICOIDAL (20, 21) ESTAN CARGADAS AXIALMENTE PARA COMPENSAR LA CARGA DE EMPUJE DE LOS ROTORES DE TORNILLO DEBIDO A LAS FUERZAS EJERCIDAS SOBRE LOS ROTORES DE TORNILLO POR EL FLUIDO QUE ES COMPRIMIDO Y TIENDE A MOVER LOS ROTORES DE TORNILLO SIN FIN DE LA DESCARGA HACIA LA ASPIRACION. ESTO PERMITE ELIMINAR LOS RODAMIENTOS DE EMPUJE. PREFERIBLEMENTE, EL EXTREMO DE DESCARGA DE LOS LOBULOS DE LOS ROTORES ESTA CANTEADO EN BISEL CON EL FIN DE GENERAR UNA PELICULA HIDRODINAMICA DURANTE EL FUNCIONAMIENTO.

Description

Compresor de tornillo rotativo con empuje equilibrado.

En los compresores de tornillo de doble rotor el gradiente de presión se encuentra normalmente en una dirección durante el funcionamiento, de forma que la presión del fluido tiende a empujar a los rotores hacia el lado de aspiración. Convencionalmente los rotores se instalan sobre unos cojinetes en cada extremo para proporcionar una fijación tanto radial como axial. La holgura de los rotores en el extremo del lado de descarga resulta crítica para la estanqueidad y la presión del fluido tiende a incrementar dicha holgura. Además, las fuerzas axiales tienden a desplazar el extremo de aspiración de los rotores hacia el interior del bastidor, lo que puede provocar la rotura de los rotores si se permite el contacto entre éstos y el bastidor. La necesidad de utilizar cojinetes, concretamente cojinetes de empuje, aumenta el coste significativamente, complica la fabricación y el montaje y añade requerimientos de mantenimiento.

US 1.218.602 describe un compresor de tornillo que tiene unas cámaras de presión conectadas a la descarga del compresor. La reivindicación 1 queda caracterizada por esta descripción. US5.207.568 describe un compresor de tornillo provisto de una compensación de la fuerza de empuje.

La presente invención proporciona un sistema de soporte del empuje para generar fuerzas opuestas que compensen las fuerzas de empuje en los lados tanto de aspiración como de descarga de los rotores de tornillo. El sistema de soporte del empuje incluye un disco (o pistón) compensador con una junta de laberinto de una o varias etapas mecanizada en su diámetro exterior. El pistón se monta en el extremo de admisión del eje del rotor y se fija mediante una tuerca autoblocante. El bastidor de admisión del compresor está diseñado y mecanizado para dotar al pistón con un cilindro de una o varias etapas. El cilindro queda cubierto por una chapa atornillada y sellada mediante un anillo en O o similar para formar una cámara cerrada con un solo camino de escape de flujo a través de las juntas de laberinto. La tapa de cierre tiene un agujero roscado o una unión de bridas con una tubería que está conectada mediante unas roscas o una brida a la envolvente del lado de descarga. Se taladra un agujero a través de la pared de descarga de la envolvente para conectar la tubería con la zona de descarga del rotor, de forma que el gas a alta presión fluya hasta el lado de alta presión del pistón. Se taladran uno o más agujeros en el bastidor de admisión del compresor para conectar la zona de admisión del rotor con el lado de baja presión del pistón. De esta forma, se consigue un camino completo de recirculación del flujo y se controla el caudal ajustando el diseño para adaptar las fugas de la junta de laberinto y la caída de presión. Alternativamente, el camino del flujo puede realizarse a través de una serie de taladros internos que interseccionan en el bastidor y que tienen un tapón adecuado para evitar fugas.

El empuje sobre el lado de descarga del rotor se compensa con la fuerza del lado de alta presión del pistón si se dimensiona correctamente la zona de alta presión del pistón. El empuje sobre el lado de aspiración del rotor se compensa con la fuerza del lado de baja presión del pistón al dimensionar correctamente la zona de baja presión del pistón. El empuje resultante sobre el rotor del compresor puede compensarse o controlarse totalmente para cualquier nivel de presión, tanto en la aspiración como en la descarga.

El sistema de soporte del empuje también puede utilizarse para invertir el empuje del rotor hacia el lado de descarga con la fuerza deseada. Esta fuerza desplaza el rotor axialmente hacia la pared del extremo de descarga de la envolvente. En una aplicación sumergida en aceite, las superficies del extremo de descarga del rotor tienen una geometría "taper land" construida en el extremo de cada rotor. Las áreas de empuje "taper land" generan una película hidrodinámica de aceite para separar las superficies adyacentes durante la rotación del rotor. En una aplicación sin aceite, se aplica sobre la superficie del extremo de descarga del rotor un revestimiento abrasible para crear dos superficies de conformación. En ambos casos, la máquina tendrá muy poca holgura entre la superficie de descarga del rotor y la pared final del bastidor. Esta holgura tan ajustada reducirá las fugas y mejorará la eficiencia.

Para un compresor de tornillo dado, el sistema de soporte del empuje puede utilizarse tanto en el rotor macho, en el rotor hembra o en ambos rotores.

Un objetivo de esta invención consiste en compensar las cargas del empuje en un compresor de tornillo.

Otro objetivo de esta invención consiste en eliminar la necesidad de utilizar cojinetes de empuje en un compresor de tornillo.

Otro objetivo más consiste en reducir las pérdidas mecánicas asociadas a los cojinetes de empuje y de esta forma mejorar la eficiencia del compresor.

Otro objetivo de esta invención consiste en proporcionar un diseño más compacto de un compresor de tornillo.

Un objetivo adicional de esta invención consiste en permitir la ubicación de los rotores de tornillo contra la pared del extremo de descarga para proporcionar una holgura cero entre la superficie final del rotor y la superficie de la pared final de la envolvente. Estos objetivos, y otros más que se irán poniendo de manifiesto, se consiguen mediante la presente invención.

Según la presente invención se proporciona una máquina de tornillo según la reivindicación 1. Básicamente, la parte del eje de un rotor de tornillo está cargada axialmente para compensar la carga del empuje del rotor de tornillo debido a las fuerzas ejercidas sobre él por los fluidos a comprimir, y tienden a desplazar el rotor de tornillo desde la descarga hacia la aspiración.

Las Figuras 1A-F muestran el desarrollo de unos rotores de tornillo e ilustran secuencialmente el movimiento de un volumen encerrado entre el cierre de admisión y la descarga;

La Figura 2 es una vista de una sección parcial de una maquina de tornillo que utiliza la presente invención;

La Figura 3 es una vista ampliada de una parte del extremo de aspiración de la máquina de tornillo de la Figura 2;

La Figura 4 es una vista ampliada de una parte del extremo de descarga de la máquina de tornillo de la Figura 2; y

La Figura 5 es una vista del extremo de descarga de los rotores de la Figura 4.

En las Figuras 1A-F, la referencia 20 representa el desarrollo del rotor macho y la referencia 21 representa el desarrollo del rotor hembra de la máquina de tornillo 10. El puerto de aspiración axial 14 está situado en la pared final 15 y el puerto de descarga axial 16 está situado en la pared final 17. El punteado en las Figuras 1A-F representa el volumen de refrigerante encerrado comenzando con el cierre del puerto de admisión 14 en la Figura 1A y continuando hasta un punto justo antes de la comunicación con el puerto de descarga axial 16 de la Figura 1F. Con la excepción de la Figura 1A en la que el volumen encerrado se encuentra esencialmente a la presión de aspiración, el volumen encerrado ejerce una carga axial o de empuje únicamente sobre la pared final 17. A medida que el volumen encerado avanza desde la posición de la Figura 1A hasta la posición de la Figura 1F, el volumen encerrado disminuye con el correspondiente aumento de la carga axial o de empuje sobre la pared final 17. La carga de empuje tiende a separar los rotores 20 y 21 de la pared final 17 y, como se muestra claramente en las Figuras 1A-F, esta separación provocaría un paso de fugas entre todos los volúmenes encerrados y el puerto de descarga 16. Como se mencionó anteriormente, esta carga de empuje se soporta normalmente utilizando cojinetes de empuje. La patente asignada habitualmente U.S. 5.722.163, señala algunas de las dificultades asociadas con la limitación de las fugas al utilizar cojinetes de empuje.

En la Figura 2, se han utilizado las mismas referencias para la estructura que en la estructura correspondiente de la Figura 1. Sin embargo, para permitir la representación en una única vista de las trayectorias del fluido, ha sido necesario ilustrar tan sólo el rotor macho 20 y distorsionar parte de la estructura para completar las conexiones del fluido.

En las Figuras 1-5 la referencia 10 designa en general a una máquina de tornillo, específicamente a un compresor de tornillo de doble rotor con un rotor macho 20 y un rotor hembra 21. Sin embargo, la presente invención puede aplicarse a máquinas de tornillo con más de dos rotores. El rotor 20 tiene una parte del eje 20-1, una parte intermedia de diámetro reducido 20-4 y una parte exterior de diámetro más reducido 20-6. Entre la parte del eje 20-1 y el rotor 20 se forma un primer saliente 20-2. Un segundo saliente 20-3 se forma entre las partes del eje 20-1 y 20-4 y un tercer saliente 20-5 se forma entre las partes del eje 20-4 y 20-6. La parte del eje 20-4 se sujeta mediante el anillo interno 34-1 del rodamiento 34.

De forma similar, el rotor 21 tiene una parte del eje 21-1, una parte intermedia de diámetro reducido 21-4 y una parte exterior de diámetro más reducido 21-6. Entre la parte del eje 21-1 y el rotor 21 se forma un primer saliente 21-2. Un segundo saliente 21-3 se forma entre las partes del eje 21-1 y 21-4 y un tercer saliente 21-5 se forma entre las partes del eje 21-4 y 21-6. La parte del eje 21-4 se sujeta mediante el anillo interno 35-1 del rodamiento 35.

Como puede verse mejor en la Figura 4, los rotores 20 y 21 y sus partes del eje del lado de descarga 20-8 y 21-8 se acogen como apoyo en el bastidor 12 del rotor, estando las partes del eje 20-8 y 21-8 soportadas por los rodamientos 34 y 35 respectivamente. Uno de los rotores 20 y 21 es el rotor de impulsión y está conectado a un motor o similar.

Durante el funcionamiento, como compresor refrigerante, considerando que el rotor macho 20 sea el rotor de impulsión, el rotor 20 gira engranando al rotor 21 y provocando su rotación. La acción conjunta de los rotores 20 y 21 en rotación impulsa el gas refrigerante a través de la admisión de aspiración 14 hasta las ranuras de los rotores 20 y 21 que engranan para atrapar y comprimir los volúmenes de gas y suministrar el gas comprimido y caliente al puerto de descarga 16.

La estructura y el funcionamiento descritos hasta ahora son bastante convencionales. En referencia principalmente a las Figuras 2 y 3, la envolvente de admisión 13 tiene unos primeros taladros 13-1 y 13-1a que reciben a los rodamientos 34 y 35 respectivamente, unos taladros intermedios 13-3 y 13-3a que están separados de los primeros taladros 13-1 y 13-1a por los salientes 13-2 y 13-2a respectivamente, y unos taladros exteriores 13-5 y 13-5a que están separados de los taladros intermedios 13-3 y 13-3a por los salientes 13-4 y 13-4a respectivamente. La presente invención añade unos discos o pistones de compensación 50 y/o 51 situados en las partes del eje 20-6 y 21-6 respectivamente, y sujetos en fijación estanca a los salientes 20-5 y 21-5 mediante las tuercas de cierre 60 y 61 respectivamente, las cuales están enroscadas a las partes roscadas 20-7 y 21-7 de las partes del eje 20-6 y 21-6 respectivamente. El disco o pistón de compensación 50 tiene una primera parte del diámetro 50-1 que define un laberinto alojado en el taladro 13-3 y una segunda parte del diámetro 50-2, más grande, que define una segunda junta de laberinto alojada en el taladro 13-5. El disco o pistón de compensación 50 coactúa con el taladro 13-3 y la parte del eje 20-4 para definir una cámara anular 70 en comunicación de fluido con la admisión de aspiración 14 a través del camino de baja presión 14-1.

De forma similar, el disco o pistón de compensación 51 tiene una primera parte del diámetro 51-1 que define un laberinto alojado en el taladro 13-3a y una segunda parte del diámetro 51-2, más grande, que define una segunda junta de laberinto alojada en el taladro 13-5a. El disco o pistón de compensación 51 coactúa con el taladro 13-3a y la parte del eje 21-4 para definir una cámara anular 71 la cual, al igual que la cámara 70, está en comunicación de fluido, bien directamente o a través de ramificaciones (no se muestran), con la admisión de aspiración 14 a través del camino de baja presión 14-1.

La chapa de cierre 72 queda fijada de forma estanca a la envolvente de admisión 13 y coactúa con los taladros 13-5 y 13-5a y con los discos o pistones de compensación 50 y 51 para definir las cámaras 80 y 81 respectivamente, las cuales pueden tener una comunicación directa del fluido. Las cámaras 70 y 80 tienen una separación del fluido realizada mediante las juntas de laberinto 50-1 y 50-2 de forma que la única comunicación posible entre ellas sea a través de las fugas de las juntas de laberinto 50-1 y 50-2. De forma similar, las cámaras 71 y 81 tienen una separación del fluido realizada mediante las juntas de laberinto 51-1 y 51-2, para que la única comunicación posible entre ellas sea a través de las fugas de los cierres de laberinto 51-1 y 51-2. El pasaje de alta presión 16-1 conecta el puerto de descarga 16 con el camino 74 del fluido. El camino 74 del fluido conecta el pasaje de alta presión 16-1, y de ese modo el puerto de descarga 16 con la cámara 80, que de este modo se mantiene nominalmente a la presión de descarga. De forma similar, el camino del flujo 74 y la ramificación 74-1 conectan el pasaje de alta presión 16-1, y por tanto el puerto de descarga 16, con la cámara 81, que de este modo se mantiene nominalmente a la presión de descarga. Alternativamente se puede eliminar la ramificación 74-1 si existe comunicación directa del fluido entre las cámaras 80 y 81.

Tal como se muestra en las Figuras 2 y 4, la presión de descarga actúa sobre el extremo derecho de los rotores 20 y 21, tendiendo a desplazar los rotores 20 y 21 hacia la izquierda y a separarlos de la pared final 17. La presión de descarga que actúa sobre el lado izquierdo de los discos o pistones de compensación 50 y 51, los cuales están sujetos al eje de los rotores 20 y 21 respectivamente, tiende a desplazar los rotores 20 y 21 hacia la derecha, tal como se muestra en las Figuras 2 y 3. Si las superficies de los discos o pistones de compensación 50 y 51 que están expuestas a las cámaras 80 y 81 están bien dimensionadas, las fuerzas de empuje producidas por la presión de descarga anulan y por tanto eliminan la necesidad de utilizar cojinetes de empuje. La presión de aspiración actuará sobre el extremo izquierdo de los rotores 20 y 21, esto es sobre los salientes 20-2 y 21-2 respectivamente, y tenderá a desplazar los rotores 20 y 21 hacia la derecha y a separarlos de la pared final 15. La presión de aspiración en las cámaras 70 y 71 tenderá a aumentar debido a las fugas de la presión de descarga a través de las juntas de laberinto 50-1 y 50-2 hasta la cámara 70, y a través de las juntas de laberinto 51-1 y 51-2 hasta la cámara 71, pero la presión de las cámaras 70 y 71 actuará sobre el lado derecho de los discos o pistones de compensación 50 y 51 respectivamente, tendiendo a desplazar los rotores 20 y 21 hacia la izquierda y oponiéndose a la presión que actúa sobre los salientes 20-2 y 21-2 respectivamente.

Si se dimensionan correctamente las superficies de los discos o pistones de compensación 50 y 51 sobre las que actúa la presión del fluido en las cámaras 70 y 80, y 71 y 81 y los extremos de los rotores 20 y 21 sobre los que actúa la presión del fluido, la fuerza de empuje puede reducirse hasta al menos un grado donde no se requieran los cojinetes de empuje.

De la explicación anterior, debería quedar claro que es necesario que la presión del fluido actúe sobre determinadas zonas y que las fugas pueden originar problemas si no se controlan adecuadamente. Una de estas zonas es el extremo de descarga de los rotores 20 y 21. Haciendo referencia a las Figuras 1A a 1F, se observa claramente que existen gradientes de presión entre los volúmenes encerrados adyacentes que se encuentran en etapas diferentes del proceso de compresión. Para facilitar que la presión de descarga del fluido actúe sobre los extremos de descarga de los rotores 20 y 21, los lóbulos de los rotores 20 y 21 se cortan a bisel o se cantean en sus extremos de descarga. Haciendo referencia específica a las Figuras 4 y 5, los lóbulos de los rotores 20 y 21 se cortan a bisel formando un ángulo \alpha tal que la profundidad mayor de las superficies 20-a y 21-a relativa a la pared final 17 se encuentre en la dirección de rotación del rotor. Además de permitir que la presión de descarga del fluido actúe sobre las superficies 20-a y 21-a, los biseles que definen las superficies 20-a y 21-a generan una película hidrodinámica de aceite para separar y sellar las superficies 20-a y 21-a en relación con la superficie enfrentada de la pared final 17 durante la rotación del rotor. El ángulo \alpha es menor de 1º y preferiblemente es del orden de veinte a treinta minutos.

Aunque se ha descrito e ilustrado una realización preferida de la presente invención, pueden ocurrírseles otros cambios a aquellos expertos en la técnica. Por ejemplo, la presente invención podría aplicarse a una máquina de tornillo de tres rotores. Además, la compensación del empuje puede utilizarse en el rotor macho únicamente, en el rotor hembra únicamente y en todos los rotores. Por lo tanto se pretende que la presente invención sólo quede limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

1. Una máquina de tornillo (10) que incluye un bastidor para el rotor, una envolvente de admisión (13) sujeta a dicho bastidor para el rotor, un par (20, 21) de rotores conectados operativamente dotados de unos primeros y segundos extremos y ubicados en dicho bastidor para el rotor, teniendo cada motor una parte del eje (20-1, 21-1) que se prolonga hasta dicha envolvente de admisión, unos medios de rodamiento (32, 33, 34, 35) que sostienen dichos rotores, unos medios (14) para suministrar gas a dichos rotores a la presión de aspiración, unos medios (16) para entregar el gas comprimido desde dichos rotores a la presión de descarga, actuando el gas a la presión de descarga sobre un primer extremo de cada uno de dichos rotores y tendiendo a desplazar cada uno de dichos rotores en una primera dirección, y una estructura de compensación del empuje para proporcionar una fuerza sobre al menos uno de dichos rotores que tiende a desplazar dicho un rotor en una segunda dirección opuesta a dicha primera dirección, comprendiendo dicha estructura de compensación de empuje:

unos medios (50, 51) sensibles a la presión del fluido situados en la parte respectiva del eje de dicho un rotor para quedar integrados con él;

formando dichos medios sensibles a la presión del fluido una parte de una primera cámara estanca (80, 81), con una primera superficie expuesta a dicha primera cámara estanca de forma que la presión del fluido tienda a desplazar dicho un rotor en dicha segunda dirección al actuar sobre dicha primera superficie; y

unos medios (74, 74-1) para suministrar gas a una presión de descarga a dicha primera cámara estanca, caracterizada porque dichos medios sensibles a la presión del fluido tienen una segunda superficie separada de dicha primera superficie, de forma que la presión del fluido que actúa sobre dicha primera superficie se opone a la presión del fluido que actúa sobre dicha segunda superficie;

formando dicha segunda superficie una parte de una segunda cámara estanca (70, 71); y

se proporcionan unos medios (14-1) para suministrar gas a dicha segunda cámara estanca a la presión de aspiración.

2. La máquina de tornillo de la reivindicación 1, en la que se colocan unos medios de cierre de laberinto (50-1, 50-2, 51-1, 51-2) entre dichas primera y segunda cámaras estancas.

3. La máquina de tornillo de las reivindicaciones 1 o 2, en la que dicho primer extremo (20-a, 21-a) de dicho un rotor está cortado a bisel.

4. La máquina de tornillo de la reivindicación 3, en la que dicho primer extremo biselado está a un ángulo menor de 1º.

5. La máquina de tornillo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye además una estructura de compensación del empuje para proporcionar una fuerza sobre un segundo rotor de dichos rotores en dicha segunda dirección, comprendiendo dicha estructura de compensación del empuje para dicho segundo rotor de dichos rotores:

unos segundos medios sensibles a la presión del fluido situados en la parte respectiva del eje de dicho segundo rotor de dichos rotores para quedar integrados con él;

formando dichos segundos medios sensibles a la presión una parte de una segunda cámara estanca con una primera superficie expuesta a dicha segunda cámara estanca, de forma que la presión del fluido que actúa sobre dicha primera superficie de dichos segundos medios sensibles a la presión del fluido tiende a desplazar dicho segundo rotor de dichos rotores en dicha segunda dirección; y

unos medios para suministrar gas a dicha segunda cámara estanca a la presión de descarga.

6. La máquina de tornillo de la reivindicación 5, en la que:

dichos segundos medios sensibles a la presión del fluido tienen una segunda superficie separada de dicha primera superficie de dichos segundos medios sensibles a la presión del fluido, de forma que la presión del fluido que actúa sobre dicha primera superficie de dichos segundos medios sensibles a la presión del fluido se opone a la presión del fluido que actúa sobre dicha segunda superficie de dichos segundos medios sensibles a la presión del fluido;

formando dicha segunda superficie de dichos segundos medios sensibles a la presión del fluido una parte de una segunda cámara estanca; y

se proporcionan unos medios para suministrar gas a dicha segunda cámara estanca a la presión de aspiración.

7. La máquina de tornillo de las reivindicaciones 5 o 6 en la que dicho primer extremo de dicho segundo rotor de dichos rotores está cortado a bisel.

8. La máquina de tornillo de la reivindicación 7, en la que dicho primer extremo biselado de dicho segundo rotor de dichos rotores está a un ángulo menor de 1º.