壓縮機喘振檢測的製作方法

2023-11-05 05:46:57 1

壓縮機喘振檢測的製作方法
【專利摘要】一種壓縮機（22），具有帶抽吸埠（24）和排放埠（26）的外殼組件（50）。軸（70）被安裝用於圍繞軸線（500）旋轉，且葉輪（44）被安裝至軸以在至少第一條件下被驅動，以便通過抽吸埠吸入流體並從排放埠排出流體。磁軸承系統（66，67，68）支撐軸。控制器（84）聯接至傳感器（80，82）並配置為檢測喘振和喘振前旋轉失速中的至少一個，以及響應於所述檢測，採取動作以阻止或反抗喘振。
【專利說明】壓縮機喘振檢測
[0001]相關申請的交叉引用
本發明要求2011年6月30日提交的、並且題為「壓縮機喘振檢測」的美國專利申請N0.61/503, 196的利益，其公開內容通過引用全部結合到本文中，就如被詳細闡述一樣。
【技術領域】
[0002]本公開內容涉及壓縮機。更具體地，本公開內容涉及電機驅動的磁軸承壓縮機。【背景技術】
[0003]電機驅動壓縮機的一個特定用途是液體冷凍器(chiller)。示例性的液體冷凍器使用封閉離心壓縮機。示例性的單元包括壓縮機，冷卻器單元，冷凍器單元，膨脹設備，和各種附加組件的獨立組合。
[0004]一些壓縮機包括介於電機轉子與葉輪之間的變速器以在比電機更快的速度下驅動葉輪。在其它壓縮機中，葉輪由轉子直接驅動(例如，它們在相同軸上)。
[0005]各種軸承系統已被用於支撐壓縮機軸。壓縮機的一個特定類別使用磁軸承(更具體地，電磁軸承)。為提供軸的徑向支撐，可使用一對徑向磁軸承。這些軸承中的每一個可由機械軸承(所謂的「著地」軸承)支持。此外，一個或多個其它磁軸承可配置為抵抗上遊向軸施加的負載(以及還有相反的負載)。上遊運動收緊葉輪與其護罩之間的間隙，並且由此有損壞的風險。相反的運動打開間隙並減少效率。
[0006]磁軸承使用位置傳感器來調整相關磁場，以維持徑向和軸向定位，抵抗給定操作條件的相關徑向和軸向靜態負載，並進一步控制同步振動。
[0007]離心壓縮機由於稱為「喘振」的流不穩定性而對於在高壓頭(head)下操作具有限制。喘振的效果是葉輪和軸承的高振動和對葉輪和軸承的損壞。因此，優選在壓縮機中避免喘振。在給定速度下，壓縮機具有喘振規定的相關最大壓頭限制。對於具有用於容量控制的入口導葉的壓縮機，在恆定抽吸壓力下，喘振發生的排放壓力隨負載減小。喘振可能由在冷凝器處增加飽和溫度或在蒸發器減小飽和溫度的事件觸發。例如，如果冷凝器水溫升高，就可能發生喘振。

【發明內容】

[0008]通常地，旋轉失速先於喘振。旋轉失速的典型頻率是小於25Hz (例如，20-25HZ)。喘振可跟隨在稍低的頻率(例如，小於20Hz或3-lOHz)。壓縮機的特定配置，製冷劑的性質，和操作條件可影響喘振和旋轉失速發生的確切頻率。喘振和旋轉失速兩者引起次同步軸振動。通過監測頻率和振動頻譜的內容(例如,來自磁軸承的現有傳感器的輸出),可能檢測旋轉失速或喘振。在檢測之後，可採取動作以阻止喘振發作或反抗(終止)喘振。示例性的動作包括提高壓縮機速度和打開熱氣旁通閥中的一種或兩種。
[0009]因此，本公開內容的一個方面涉及一種具有帶抽吸埠和排放埠的外殼組件的壓縮機。軸被安裝用於圍繞軸線旋轉，並且葉輪安裝至軸以在至少第一條件被驅動，以便通過抽吸埠吸入流體並從排放埠排放流體。磁軸承系統支撐軸。控制器聯接至傳感器並配置為檢測喘振和喘振前旋轉失速中的至少一個，並響應於所述檢測，採取動作以阻止或反抗喘振。
[0010]在各種實施方式中，外殼可具有電機室,且電機可具有在電機室內的定子和在定子內的轉子。
[0011]一個或多個實施例的細節在附圖和以下說明中闡明。其它特徵，目的和優點從說明和附圖，以及從權利要求書將是顯而易見的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是冷凍器系統的局部示意圖。
[0013]圖2是冷凍器系統的壓縮機的示意縱向剖視圖。
[0014]圖3是在正常操作中的壓縮機的振動頻譜。
[0015]圖4是喘振期間壓縮機的振動頻譜。
[0016]圖5是控制流程圖。
[0017]各附圖中相同的附圖標號和指示代表相同的元件。
【具體實施方式】
[0018]圖1示出了蒸氣壓縮系統20。示例性的蒸氣壓縮系統20是冷凍器系統。系統20包括具有抽吸埠(入口)24和排放埠(出口)26的離心壓縮機22。該系統進一步包括在正常操作模式中是排熱換熱器(例如，氣體冷卻器或冷凝器)的第一換熱器28。在基於現有冷凍器的示例性系統中，換熱器28是由冷凝器單元31中的管束29，30形成的製冷劑-水換熱器，在冷凝器單元中製冷劑被外部水流冷卻。浮閥32控制通過冷凝器出口來自圍繞過冷器管束30的過冷器室的流。
[0019]系統進一步包括第二換熱器34 (在正常模式下，吸熱換熱器或蒸發器)。在示例性系統中，換熱器34是由管束35形成的製冷劑-水換熱器，用來在冷凍器單元36內冷凍被冷凍水流。單元36包括製冷劑分配器37。膨脹裝置38是沿正常模式製冷劑流路40 (該流路被相關管線等部分圍繞)在壓縮機下遊並且在蒸發器上遊。
[0020]熱氣旁通閥42沿旁路流路分支44設置，該分支在壓縮機出口 26的下遊和在隔離閥34的上遊的第一位置與在冷卻器入口上遊和膨脹裝置38下遊的第二位置之間延伸。
[0021]壓縮機(圖2)具有外殼組件(外殼)50。不例性的外殼組件包含電機52和一個或多個工作葉輪54，該一個或多個工作葉輪在壓縮流體(製冷劑)的第一模式下可由電機驅動來通過抽吸埠 24吸入流體(製冷劑)，壓縮該流體並從排放埠 26排放該流體。示例性的葉輪由電機(即，沒有介入的變速器)直接驅動。
[0022]外殼限定了電機室60，電機室包含在該室內的電機的定子62。電機的轉子64部分在定子內，並被安裝用於圍繞轉子軸線500旋轉。示例性的安裝是經由一個或多個電磁軸承系統66，67，68將轉子的軸70安裝至外殼組件。示例性的葉輪54安裝至軸(例如，至端部72)以與軸作為一個單元圍繞軸線500旋轉。
[0023]示例性軸承系統66是徑向軸承並將軸的中間部分(即在葉輪與電機之間)安裝至外殼組件。示例性軸承系統67也是徑向軸承並將軸的相對部分安裝至外殼組件。示例性的軸承68是推力/反推軸承。徑向軸承徑向地保留軸，而推力/反推軸承具有軸向保留軸抵抗推力和反推位移的相應部分。圖2進一步顯示了軸向位置傳感器80和徑向位置傳感器82。這些可聯接至控制器84，控制器84還控制電機，軸承供電，以及其他壓縮機和系統部件功能。控制器可從輸入裝置(例如開關，鍵盤等)和附加傳感器(未示出)接收用戶輸入。控制器可通過控制線(例如，硬連線或無線通信路徑)聯接至可控的系統部件(例如，閥，軸承，壓縮機電機，導葉致動器等)。控制器可包括下面中的一個或多個:處理器；存儲器(例如，用於存儲程序信息來通過處理器執行以執行操作方法，以及用於存儲由(多個)程序使用或產生的數據);以及用於與輸入/輸出裝置和可控系統部件對接的硬體接口裝置(例如，埠)。
[0024]推力方向對反推方向的分配有些武斷。為說明目的，反推軸承識別為抵抗由其與流體合作引起的葉輪的上遊移動。推力軸承抵抗相反運動。示例性的推力/反推軸承是有吸引力的軸承(通過磁吸引而非磁排斥工作)。軸承68具有剛性安裝至軸72的推力環120。反推圈單元122和推力圈單元124在推力環的相對側上安裝至外殼，它們的電磁力作用在推力環上。在圈單元122和124與推力環120之間存在相應高度H1和H2的空隙。
[0025]圖2還顯示了機械軸承74和76，它們分別作為徑向著地軸承，以便分別對磁性徑向軸承66和67提供機械支持。內滾道(race)具有作用為軸向著地軸承的臺肩(shoulder)。
[0026]如上所述，系統和壓縮機可為許多系統和壓縮機配置的任何代表。傳感器80和82可為用於電磁軸承控制的現有傳感器。在來自基準的這種系統和壓縮機的示例性變形中，控制器84的控制例程可隨使用傳感器80和82中一個或兩個的輸出的附加例程或模塊而增加以預期喘振，並控制壓縮機和/或系統部件以避免或減輕這種喘振。另外，硬體可相對於基準被保留。
[0027]圖3顯示了示例性壓縮機完全在喘振前(即在明顯的喘振前失速之前)的振動頻譜。單個突出峰90處於對應於軸轉速(例如，在本示例中約155Hz)的頻率。圖4顯示了在喘振下的振動頻譜。在整個頻譜，有比圖3中的更大的數據波動。然而，軸速度峰仍然存在並示為90』。然而，存在處於低得多的頻率和更大振幅的另一峰92。峰92的發展可從徑向傳感器80和82的輸出(直接或通過濾波)檢測到。下面討論的示例性實施方式使用徑向位置傳感器82的輸出。
[0028]如果確定了喘振發作，控制器可採取若干糾正動作中的一種。一個控制動作包括控制入口導葉100的取向。示例性的入口導葉以圓周陣列布置正好在入口 24下遊的入口 /抽吸通道中。它們可通過致動器102圍繞相應軸線旋轉，以便選擇性地收縮和釋放入口流。響應於檢測到的喘振，控制器84可導致致動器102以通過增量角關閉導葉。
[0029]然而，替代地，或附加地，速度可被控制。
[0030]然而，替代地，或附加地，控制器84可致動熱氣旁通閥42 (圖1)。
[0031]然而，替代地，或附加地，葉輪間隙可被控制。
[0032]圖5是控制過程300的示例性控制流程圖。這示例性的例程可添加至現有控制例程(例如，基準壓縮機的)。該過程包括接收位置傳感器輸入302。位置傳感器輸入(例如累計)被處理304以提供振動數據(例如圖3和4反映的振幅和頻率信息)。然後確定306是否有喘振或即將發生的喘振(例如，旋轉失速)。例如，這可通過大於在規定頻率範圍內振動的規定振幅的存在確定。示例性的閾值振幅為0.002英寸(0.05mm)(更寬地，大於0.001英寸(0.025毫米)或0.0015-0.003英寸(0.04-0.08毫米)作為閾值)。對於喘振，示例性的頻率為3-lOHz。在此示範性的實施方式中，頻率範圍可為錯過旋轉失速的頻率。檢測旋轉失速的替代實施方式可具有更寬的頻率範圍和更低的閾值振幅(至少低於較高的前述值)。然而，這樣的檢測可能有些更容易誤報。
[0033]如果沒有檢測到喘振(或喘振前失速)，那麼不採取動作(例如，過程可返回至在302的開始點)。如果檢測到喘振，可採取動作或可確定若干動作中適當的一個。例如，示例性的流程圖根據測量到的間隙H3識別了要採取的兩個不同動作。308確定測量到的間隙是否大於最小值。測量到的間隙可反映在可為時間平均或其他方式處理的位置傳感器輸入中。
[0034]在示例性控制器配置中，最小間隙可由查找表確定。這可以是能夠定購給定的額定壓縮機型號的情況，該壓縮機型號具有帶不同葉片高度的多個不同葉輪中的任意一個。每個不同的葉輪可具有與其相關的不同的最小間隙。控制器可具有用於所有可用葉輪/葉片高度的查找表，且特定葉輪的識別可在製造處輸入。這可直接提供查找表，和/或查找表可全部或部分地通過在壓縮機組裝期間執行校準提供。如果間隙大於最小值，則間隙可通過控制磁軸承減小310。例如，施加至軸承一側(例如，反推單元122)的電流可減小增量，並且施加至軸承另一側(例如，推力單元124)的電流可增加增量(例如相同增量)。該增量可與實際位置傳感器輸入電壓(瞬時或時間平均)和與最小間隙相關的位置傳感器輸入電壓(例如在查找表中)之間的差成比例。可選擇比例常數(或其它函數(function))足夠大以充分響應，但足夠小以沒有修正的風險。這可實驗性地進行。替代地，可使用固定減少增量。然而，如果間隙已經下降至或低於最小值，可採取若干替代糾正動作312A-312C中的一個或多個。在第一替代動作312A中，入口導葉(IGV)可被關閉。關閉可通過固定增量或通過類似於在步驟310所述比例常數的比例常數。在第二替代312B，IGV相似地關閉，但速度增加(通過固定增量或通過例如在步驟310確定的比例函數的函數增加)。在第三替代中，熱氣旁通閥42可被打開312C。
[0035]儘管以上詳細描述了實施例，但這種描述不意在限制本公開內容的範圍。將理解的是，可進行各種修改而不背離本公開內容的精神和範圍。例如，當應用於現有壓縮機的再設計或現有應用中的壓縮機時，現有壓縮機或應用的細節可影響任何特定實施方式的細節。因此，其它實施方式在以下權利要求的範圍內。
【權利要求】
1.一種壓縮機(22)，其包括: 外殼組件(40)，所述外殼組件具有抽吸埠(24)和排放埠(26)； 軸(70 )，所述軸被安裝用於圍繞軸線(500 )旋轉； 葉輪(44)，所述葉輪被安裝至所述軸以在至少第一條件下被驅動，以便通過所述抽吸埠吸入流體並從所述排放埠排出所述流體； 磁軸承系統(66，67，68)，所述磁軸承系統支撐所述軸； 傳感器(80，82);以及 控制器(84)，所述控制器聯接至所述傳感器並配置為檢測喘振和喘振前旋轉失速中的至少一個，並且響應於所述檢測，採取動作以阻止或反抗喘振。
2.根據權利要求1所述的壓縮機，其中: 所述外殼包括電機室(60)； 電機(42)具有在所述電機室內的定子(62)和在所述定子內的轉子(64)。
3.根據權利要求1所述的壓縮機，其中，所述磁軸承系統包括: 第一徑向軸承(66)； 第二徑向軸承(67);以及 推力軸承(68)。
4.根據權利要求3所述的壓縮機`，其中: 所述推力軸承是推力/反推軸承。
5.根據權利要求3所述的壓縮機，進一步包括: 反推軸承與所述推力軸承軸向間隔開。
6.根據權利要求1所述的壓縮機，其中: 所述傳感器包括: 徑向位置傳感器(82);和 軸向位置傳感器(80);以及 所述控制器被編程為: 檢測並限制同步振動。
7.根據權利要求6所述的壓縮機，其中: 所述控制器被編程為通過檢測振動來檢測所述旋轉失速，並響應於檢測到的旋轉失速，採取不同於同步振動控制的動作。
8.根據權利要求1所述的壓縮機，其中: 所述控制器被編程為通過檢測振動來檢測所述旋轉失速。
9.根據權利要求8所述的壓縮機，其中: 所述控制器被編程為從一個或多個軸承位置傳感器檢測所述振動。
10.根據權利要求8所述的壓縮機，其中: 所述控制器被編程為在3-lOHz的頻率範圍內檢測所述振動。
11.根據權利要求1所述的壓縮機，其中: 所述控制器被編程為通過確定在頻率範圍內超過閾值幅度的振動的存在來檢測所述旋轉失速。
12.根據權利要求1所述的壓縮機，其中，所述控制器被編程為通過以下方式中的至少一種來採取所述動作阻止喘振發作: 提高壓縮機速度；以及 打開熱氣旁通閥(42)。
13.根據權利要求1所述的壓縮機，其中: 所述葉輪是通過所述軸安裝至所述轉子以便與所述轉子直接同軸旋轉的單個葉輪。
14.一種蒸氣壓縮系統，其包括: 根據權利要求1所述的壓縮機； 第一換熱器(28)，所述第一換熱器聯接至所述排放埠以在所述壓縮機的第一操作條件下接收在下遊方向上被驅動的製冷劑； 膨脹裝置(32)，所述膨脹裝置位於所述第一換熱器的下遊； 第二換熱器(30)，所述第二換熱器在所述膨脹裝置的下遊，並聯接至所述抽吸埠以在第一操作條件下返回製冷劑。
15.根據權利要求14所述的系統，其中: 熱氣旁通閥被定位成繞過所述第一換熱器並將製冷劑從所述壓縮機傳送至所述第二換熱器。
16.一種用於操作根據權利要求1所述的壓縮機的方法，其包括: 驅動電機通過所述抽吸埠吸入流體並從所述排放埠排放流體； 檢測旋轉失速；以及 響應檢測到的旋轉失速，採取所述動作以阻止喘振發作。
17.根據權利要求16所述的方法，其中: 所述動作包括調整間隙。
18.根據權利要求17所述的方法，其中: 當所述間隙超過最小值時，調整所述間隙； 當所述間隙沒有超過所述最小值時，所述動作包括打開熱氣旁通閥。
【文檔編號】F04D29/058GK103635697SQ201280032475
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年6月6日 優先權日:2011年6月30日
【發明者】V.M.西什特拉 申請人:開利公司