適用于高壓場景的轉(zhuǎn)動裝置及應(yīng)用其的機械裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于機械領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于高壓場景的轉(zhuǎn)動裝置及應(yīng)用其的機械裝置，如泵、壓縮機、流體馬達和發(fā)動機。
【背景技術(shù)】
[0002]為了提高油田的采收率，早期注水被證明是非常有效的辦法。通過早期注水可以提高地層壓力，使油層具有強有力的驅(qū)油條件，可以保持較高的油層壓力，從而達到油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。
[0003]近些年來，頁巖油和頁巖氣的開發(fā)飛速繁榮。開采頁巖油和頁巖氣最常用的方法為水力壓裂法，即將高壓水(經(jīng)常混有化學(xué)物質(zhì))注入油井中，把被圈閉的油和天然氣釋放出來。目前，約有半數(shù)以上的頁巖油和頁巖氣開采采用水力壓裂法。
[0004]無論是上述提及的油田早期注水、頁巖油/頁巖氣的開發(fā)，還是海水淡化、工程機械等其他領(lǐng)域，高壓泵技術(shù)均起著重要的作用，其已經(jīng)成為制約生產(chǎn)效率進一步提高的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)存在各種各樣的高壓泵，例如:柱塞泵、往復(fù)泵、螺桿泵、偏心轉(zhuǎn)子栗等等。
[0005]本申請的申請人在2013年I月15日提交了一份專利申請(申請?zhí)?201310030773.X)。在該份專利申請中，申請人提供了一種星旋式轉(zhuǎn)動裝置及應(yīng)用其的轉(zhuǎn)子式壓縮機和流體馬達。圖1A為現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)子式壓縮機的縱切面示意圖。圖1B為圖1A所示轉(zhuǎn)子式壓縮機沿A-A面的剖視圖。如圖1A和圖1B所示，該轉(zhuǎn)子式壓縮機包括:缸體110、前/后端蓋(120,130)、主軸200、偏心轉(zhuǎn)子組件300和隔離機構(gòu)400。其中，缸體110與位于其兩側(cè)的前/后端蓋(120、130)限定一圓筒形內(nèi)腔。主軸200由前/后端蓋(120、130)可轉(zhuǎn)動地支撐，部分地位于圓筒形內(nèi)腔內(nèi)，其中心軸線與缸體110的中心軸線重合。偏心轉(zhuǎn)子組件300套設(shè)于主軸200位于圓筒形內(nèi)腔的部分，包括:偏心軸310、滾動活塞輪330及兩個滾動軸承320。其中，偏心軸310套設(shè)于主軸200位于圓筒狀內(nèi)腔的部分，其中心軸線與主軸200的中心軸線平行且錯開預(yù)設(shè)距離。滾動活塞輪330套設(shè)于偏心軸310上，其中心軸線與偏心軸310的中心軸線重合。兩個滾動軸承320，對稱地套設(shè)于偏心軸310上，其內(nèi)套圈固定于偏心軸310，其外套圈固定于滾動活塞輪330，以隔絕兩者的轉(zhuǎn)動，兩個滾動軸承320與滾動活塞輪330之間的預(yù)緊彈性力將滾動活塞輪330壓緊于圓筒形內(nèi)腔的內(nèi)圓筒面，使圓筒形內(nèi)腔的內(nèi)圓筒面和滾動活塞輪330的外圓柱面形成軸向延伸的密封腔室。隔離機構(gòu)400將密封腔室分隔為相互獨立的第一腔室和第二腔室，該第一腔室和第二腔室分別與設(shè)置在缸體110的第一組通孔和第二組通孔相連通。
[0006]對于圖1A、圖1B所示的星旋式壓縮機而言，其在偏心軸和滾動活塞輪之間采用滾動軸承。使用滾動軸承后，轉(zhuǎn)子壓縮機就有望實現(xiàn)無油化或者說少油化，就有望克服因大量使用潤滑油而帶來的諸多缺點，從而使該結(jié)構(gòu)可以在大型的壓縮機、空壓機、泵領(lǐng)域應(yīng)用。
[0007]然而，對于例如油田使用的高壓注水泵，由于高壓因素的存在，上述結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)問題而不能使用。以市場上一種型號的雙面滾柱軸承為例。如圖2所示，該雙面滾柱軸承的高度為50mm，外徑為180mm，內(nèi)徑為130mm。假設(shè)活塞的長度L為6.6cm，半徑R為28cm，工作氣壓P為20MPa(200kgf/cm2)，偏心轉(zhuǎn)子的偏心距I為5mm(即0.005m)，泵的轉(zhuǎn)速η為740rev/min,由于腔體空間軸向距離的限制，只能設(shè)置I個滾動軸承，則:
[0008]活塞面積S = 28X6.6 = 184.8cm2
[0009]活塞推力F = PXS = 100kgf/cm2X184.8cm2= 18480kgf
[0010]轉(zhuǎn)子扭矩M =IXF = 0.005mX18480kgf = 906.444N_m
[0011]該I個滾動軸承所承受的負(fù)荷f = 18480kgf
[0012]軸承的基本動負(fù)荷C = 27900kgf
[0013]速度系數(shù)fn = (33.3/n) 3/10 = 0.394
[0014]壽命系數(shù)fh= (33.3/n) 3/10 X C/f = 0.394X27900/18480 = 0.5948
[0015]壽命時間h = 500Xfhl0/3 = 500X (0.5948) 10/3 = 500X0 = 88.5h
[0016]可見，由于缸體內(nèi)腔的活塞空間非常狹小，只能容納I個NNU4926軸承。對于偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動裝置而言，由于滾動軸承所承載的壓力過大，導(dǎo)致其壽命時間僅為88.5h，遠遠達不到實用化的要求。
[0017]目前，業(yè)內(nèi)亟待出現(xiàn)一種具有較大空間以容納更多軸承以承受較高壓力，從而具有合理使用壽命的高壓泵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018](一)要解決的技術(shù)問題
[0019]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種轉(zhuǎn)動裝置及應(yīng)用其的機械裝置，其能夠應(yīng)用于高壓場景下，并具有能夠?qū)嵱没墓ぷ鲏勖?br>[0020]( 二 )技術(shù)方案
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種轉(zhuǎn)動裝置。該轉(zhuǎn)動裝置包括:缸體110、前后端蓋(120、130)、主軸200、偏心轉(zhuǎn)動組件300、隔離機構(gòu)400。其中，缸體110及前后端蓋(120、130)，三者共同限定一內(nèi)腔，該內(nèi)腔分為中心軸線重合的兩部分，第一部分為圓筒形腔，作為偏心軸運動腔；第二部分為在第一部分的內(nèi)壁朝向外側(cè)凹陷而形成的環(huán)形腔，作為活塞運動腔。主軸200，由缸體110和/或前后端蓋(120、130)可轉(zhuǎn)動地支撐，部分位于內(nèi)腔內(nèi)，其中心軸線與偏心軸運動腔的中心軸線重合。偏心轉(zhuǎn)動組件300包括:偏心軸310，套設(shè)于主軸200位于內(nèi)腔的部分，其中心軸線與主軸200的中心軸線平行且錯開預(yù)設(shè)距離；滾動活塞輪330，包括:套筒部331和活塞部332，套筒部331呈圓筒狀構(gòu)造，套設(shè)于偏心軸310的外側(cè)；活塞部332呈圓環(huán)狀構(gòu)造，套設(shè)于套筒部331的外側(cè)，其軸向長度等于活塞運動腔的軸向長度，其側(cè)面與活塞運動腔的兩側(cè)面接觸密封，其中，偏心軸310及套筒部331在偏心軸運動腔內(nèi)運動，而活塞部332的至少部分部位在活塞運動腔內(nèi)運動，活塞運動腔的內(nèi)圓筒面與活塞部332的外圓柱面之間形成軸向延伸的月牙形密封腔室；以及至少一個軸承320，設(shè)置于偏心軸310和滾動活塞輪的套筒部331之間，偏心軸運動腔的軸向范圍內(nèi)。隔離機構(gòu)400，將月牙形密封腔室分隔為相互獨立的第一腔室和第二腔室，該第一腔室和第二腔室分別與設(shè)置在缸體上的第一組通孔和第二組通孔相連通。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種泵。該泵包括上述的轉(zhuǎn)動裝置，其中:第一腔室為入口腔411，其通過開設(shè)于缸體上的吸入通孔412與流體進口相連通；第二腔室為出口腔413，其通過開設(shè)于缸體上的排出通孔414與流體出口相連通。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，還提供了一種壓縮機。該壓縮機包括上述的轉(zhuǎn)動裝置，其中:第二腔室為吸入腔，其通過開設(shè)于缸體上的第二組通孔與低壓壓縮介質(zhì)輸入口相連通；第一腔室為壓縮腔，其通過開設(shè)于缸體上的第一組通孔與高壓壓縮介質(zhì)排出口相連通。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，還提供了一種流體馬達。該流體馬達包括上述的轉(zhuǎn)動裝置，其中:第二腔室為做功腔，其通過開設(shè)于缸體上的第二組通孔與高壓流體進口相連通；第一腔室為排出腔，其通過開設(shè)于缸體上的第一組通孔與低壓流體出口相連通。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，還提供了一種發(fā)動機。該發(fā)動機包括上述的轉(zhuǎn)動裝置，其中:第二腔室通過開設(shè)于缸體上的第二組通孔與燃燒室相連通；第一腔室通過開設(shè)于缸體上的第一組通孔與廢氣排出口相連通。
[0026](三)有益效果
[0027]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明應(yīng)用高壓場景的轉(zhuǎn)動裝置及應(yīng)用其的流體機械具有以下有益效果:
[0028](I)將偏心軸運動腔與活塞運動腔分開，軸承可以在偏心軸運動腔的軸向設(shè)置，由于偏心軸運動腔的軸向長度大于活塞運動腔的軸向長度，從而軸承設(shè)置數(shù)量和靈活度均有了很大的空間擴張，多個軸承能夠承受的壓力自然增大，進而應(yīng)用該轉(zhuǎn)動裝置的流體機械的承壓能力大幅提高，能夠應(yīng)用于高壓場景，并具有能夠?qū)嵱没墓ぷ鲏勖?br>[0029](2)由于具有較大的偏心軸運動腔，從而平衡配重更加便于布置，能夠更好地減輕由于轉(zhuǎn)動裝置偏心轉(zhuǎn)動而引起的動量不平衡的問題，更加符合精密工學(xué)原理，運行起來振動小，噪音低；
[0030](3)在一般場景下，采用多個滾動軸承已經(jīng)足夠，而在超高壓泵中，行星活塞輪承受的超高壓負(fù)荷可以用靜壓軸承來承受，工作更為可靠。
【附圖說明】
[0031]圖1A為現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)子式壓縮機的縱切面示意圖；
[0032]圖1B為圖1A所示轉(zhuǎn)子式壓縮機沿A-A面的剖視圖；
[0033]圖2為軸承壽命時間模型的示意圖；
[0034]圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例偏心轉(zhuǎn)子式泵的縱切面剖視圖
[0035]圖4A和圖4B分別為圖3所示偏心轉(zhuǎn)子式泵在兩個狀態(tài)下沿A-A面的剖視圖；
[0036]圖5為根據(jù)本發(fā)明另一實施例采用靜壓軸承的泵的示意圖；
[0037]圖6為圖3所示偏心轉(zhuǎn)子式泵的隔離機構(gòu)中旋閥片的示意圖；