[发明专利]带有旁支脉动陷阱的容积式压缩机

说明书

技术领域

本发明通常与各种鼓风机、压缩机和泵领域相关，细属用于容积式压缩机的旁支脉动陷阱，具有减少脉动，噪音和振动危害，提高变工况气动效率而不需要串接消音器或脉动减振器等特点。 

背景技术

容积式压缩机具有高压增压能力，适用于宽广的流域和不同的介质(如不同气体或气液两相)，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成百上千公里以外的千家万户，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，容积式压缩机还是空调制冷循环中的心脏，用在每家每户的空调和冰箱内。 

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气液两相)的内能。它的工作原理是依靠工作腔容积的缩小来压缩气体。如图2所示，按工作腔和运动部件形状，容积式压缩机可分为“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，一个容积可变化的工作腔(压缩腔)和一个可用阀门控制排气时机和压力的排气口。此外，其压缩过程都是循环性的，且步骤和顺序都相同，即：进气→压缩→排气→消音降噪。图3a-3b展示了不同类型的传统容积式压缩机转子和气缸被抽象成一活塞和气缸及排气口串接消音器或脉动减振器的通用原理图。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，气体从排气口排出气缸，进入串接的消音器或脉动减振器。 

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，其频率为压缩腔单位时间的排气次数，而脉动大小则与排气时压缩腔内与排气口处(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。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程度大小是产生气流或压力脉动的直接来源。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140dB以上)。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的排气口气流脉动，通常的办法是在压缩机排气口串接一个消音器或脉动减振器，如图3所示。这些消音器或脉动减振器以抗式或阻抗复合式为主，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20-40dB，但也有明显的缺点，如在消音器内有流动损失，其大小与脉动的衰减大小成正比，另外，额外的体积重量和成本，其板焊结构和额外的表面本身使其会产生很大的振动并辐射噪音，并且其内部结构受气流脉动的作用，会产生疲劳破坏并导致下游系统的破坏。 

另外，在欠压缩或过压缩时(也称变工况)，容积式压缩机的效率会下降，传统的解决方法是采用可调节的几何形状，来改变内容积比(即内压缩比)，使得压缩腔的压力在变工况时也可以等于系统所需压力。但此系统结构复杂，操作困难，成本高昂，不适于普遍应用。 

为了解决以上问题，本发明从一种新的气流脉动机理入手(图1，激波管原理图)，提出了脉动问题的主要起因是流体和强波的相互作用的新观点， 图3c-3d展示了传统容积式压缩机在欠压缩或过压缩时，排气口突然打开后所激发的压缩波和膨胀波向压缩腔和脉动陷阱腔的传播的新机理图，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减振器的新方法-旁支脉动陷阱方法，这样不仅可以减少脉动，噪音和振动危害，而且不需要外接脉动减振器和变内容积比设置，使得效率和安全可靠性更好，同时又大大减少系统的体积重量和成本。 

发明内容

因此，本发明的第一个目的是提供一种崭新和独特的容积式压缩机旁支脉动陷阱的设计与结构，它与压缩腔并联，可以在出口排气前控制气流和压力脉动及其诱发的噪音和振动。 

本发明的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式压缩机旁支脉动陷阱的设计与结构，它与压缩腔并联，以等同的变工况气动效率取代传统变内容积比调节设置，结构简单安全可靠性好。