具有擴壓器的變速多級離心式製冷壓縮的製造方法

2023-07-07 08:09:01 1

具有擴壓器的變速多級離心式製冷壓縮的製造方法
【專利摘要】製冷系統包括具有製冷劑迴路的冷卻器。壓縮機是製冷劑迴路的一部分並且與製冷劑迴路流體連通。壓縮機具有兩級，一個是何形狀可變的擴壓器，另一個是幾何形狀固定的擴壓器。
【專利說明】具有擴壓器的變速多級離心式製冷壓縮機

【技術領域】
[0001] 本發明涉及在製冷系統中使用的離心壓縮機，並且更具體地涉及具有至少一個有 葉片式擴壓器的變速多級離心式壓縮機。

【背景技術】
[0002] 具有無葉片或有葉片式擴壓器的現有的單級和兩級離心式製冷壓縮機典型地在 壓縮機入口具有至少一組可調進氣導片，以在各操作狀態期間調節壓縮機的容量。
[0003] 變速離心壓縮機用無級變速作為他們的主要容量控制機制，但這種壓縮機仍需要 可調進氣導片，以便在低容量狀態無浪湧地操作。
[0004] 多級離心壓縮機使用多級，用具有進氣導片且可變速的固定的、通常無葉片的擴 壓器作為容量控制機構。已經提出了單級製冷壓縮機，除了在葉輪上遊的一組可旋轉進氣 導片之外，該單級製冷壓縮機使用變頻驅動（VFD)進行容量控制。在變速容量的情況下，幾 何形狀可變的擴壓器已經在葉輪的下遊使用，以改進部分載荷工作狀態下的壓縮機浪湧特 性。


【發明內容】

[0005] 製冷系統包括具有製冷劑迴路的冷卻器。壓縮機與製冷劑迴路流體連通。壓縮機 具有第一和第二壓縮機級，幾何形狀可變的擴壓器和固定擴壓器分別設置在第一和第二級 葉輪的下遊。
[0006] 在一個實例中，壓縮機包括具有第一級入口和出口以及第二級入口和出口的殼 體。第一和第二級葉輪設置在殼體中，第一級葉輪流體地設置在第一級入口和出口之間，第 二級葉輪流體地設置在第二級入口和出口之間。第一和第二級擴壓器設置在殼體內，第一 級擴壓器流體地設置在第一級葉輪入口和第二級壓縮機入口之間。第二級擴壓器流體地設 置在第二級葉輪下遊。第一和第二級擴壓器彼此不同，這些擴壓器中的一個是幾何形狀可 變的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 當結合附圖理解時參考下面的詳細說明能進一步理解本發明，其中：
[0008] 圖1是具有多級的示例性製冷壓縮機的製冷系統的高度示意圖。
[0009] 圖2是本發明的兩級製冷壓縮機的流路的子午面的剖面圖。
[0010] 圖3A是在處於基本不受限的狀態的一個示例性的壁可運動、幾何形狀可變的擴 壓器的子午面的放大剖面圖。
[0011] 圖3B是處於受限的狀態的圖3中所示的壁可運動、幾何形狀可變的擴壓器的子午 面的放大剖面圖。
[0012] 圖3C是另一示例性的壁可運動、幾何形狀可變的擴壓器的垂直於壓縮機軸線的 平面的剖面圖。
[0013] 圖4是壁固定、葉片旋轉、幾何形狀可變的擴壓器的垂直於壓縮機旋轉軸線的平 面的示意性剖面圖。
[0014] 圖5A是處於基本不受限的狀態的幾何形狀可變的葉片分裂式擴壓器的垂直於壓 縮機旋轉軸線的平面的示意性剖面圖。
[0015] 圖5B是處於基本不受限的狀態的圖5A中所示的幾何形狀可變的葉片分裂式擴壓 器的垂直於壓縮機旋轉軸線的平面的示意性剖面圖。
[0016] 圖6是低密實度固定葉片式擴散器的示意圖。
[0017] 附圖中相同的附圖標記可用於表示相同元件。

【具體實施方式】
[0018] 參考圖1，製冷系統12包括用於使製冷劑循環的製冷劑壓縮機10。製冷劑壓縮機 10包括殼體14,電動機16設置在該殼體內。殼體14被不意性地不出並且可包括一個或多 個部件。電動機16藉助轉子軸20圍繞軸線A旋轉地驅動第一和第二葉輪18、19,以便以兩 級壓縮機的結構來壓縮製冷劑。轉子軸20可包括一個或多個部件。
[0019] 雖然示出了兩個壓縮機級，但本發明也可在具有更多級的壓縮機中使用。在示出 的實例中，第一和第二葉輪18、19定位在轉子軸20的相對的端部上，但葉輪可定位成彼此 相鄰（如圖2中所示的）。在圖1中所示的實例中，壓縮機包含離心式葉輪18。S卩，葉輪入 口被軸向設置，並且葉輪出口被徑向設置。參考例如第一葉輪18,每個葉輪包括輪葉40,輪 葉40從入口端42沿著通向出口端44的弧形路徑基本徑向向外延伸。
[0020] 第一葉輪18包括第一壓縮機入口 22和第一壓縮機出口 24。第二葉輪19包括第 二壓縮機入口 21和第二壓縮機出口 23。第一和第二葉輪18、19與冷卻劑迴路26流體連 通，冷卻劑迴路使冷卻劑間循環到工作部件，例如冷卻器28。冷卻劑迴路26包括冷凝器，蒸 發器，膨脹裝置（未示出）。
[0021] 在所示的設置中，冷卻劑在第一壓縮機級被第一壓縮機入口 22接收並在從第一 壓縮機出口 25排出之前被第一葉輪18壓縮。被壓縮的製冷劑被送到第二壓縮機級的第二 壓縮機入口 21並被第二葉輪19進一步壓縮。被進一步被壓縮的冷卻劑被提供到冷卻器 28,在這裡被進一步壓縮的冷卻劑在返回到第一壓縮機級之前被冷凝、膨脹和蒸發。
[0022] 提供無油軸承配置以支撐轉子軸20,以便使得無油冷卻劑能在冷卻劑冷卻器28 中被使用。在實例中，轉子軸20相對於殼體14被磁軸承30旋轉地支撐，磁軸承以高度示 意性的方式被示出。磁軸承30可包括例如徑向和/或軸向的磁軸承元件。軸承控制器32a 與磁軸承30通訊，從而提供磁軸承指令以便給磁軸承30供給能量。磁軸承產生使轉子軸 20漂浮的磁場並在製冷劑壓縮機10工作期間控制其特性。應該理解，本發明的壓縮機設置 也能與空氣軸承或其他類型的軸承一起使用。
[0023] 電動機16包括轉子34,在一個實例中轉子支撐圍繞其外周的多個磁體36。定子 38圍繞轉子34設置以便在供給能量時將旋轉驅動傳遞到轉子軸20。在一個實例中，電動 機控制器32b與定子38通訊並提供變速指令以根據壓縮機工作狀體以變速旋轉地驅動葉 輪18和19。電動機控制器32b與多個傳感器（未示出）通訊，以監控和保持壓縮機工作狀 態。
[0024] 外殼14包括在第一壓縮機入口 22處的上遊區域，現有技術中上遊區域典型地容 納現有技術可調進氣導片。所示的實施例中冷卻劑壓縮機10不使用在上遊區域的可調進 氣導片。替代性地，是幾何形狀可變的擴壓器48的第一擴壓器設置在第一壓縮機出口 24 的下遊，以調節經過第一葉輪18的流量和第一葉輪18上的壓力，而不需要使用進氣導片。 幾何形狀固定的擴壓器148設置在第二級壓縮機的通道146中。
[0025] 葉輪出口 24包括緊鄰出口端44的具有喉部的通道46,喉部是最小的橫截面流通 面積。通道46延伸到蝸殼25。在所示的實例中，幾何形狀可變的擴壓器48設置在喉部處 並且與葉輪18在出口端44的徑向向外的至少一部分對準。在一個實例中，通道46沒有額 外的結構或葉片，從而在幾何形狀可變的擴壓器48和蝸殼25之間的下遊區域64中提供 "無葉片"的擴壓器。在圖3A-3B中描繪了環可動、幾何形狀可變、有葉片的擴壓器的配置。 使用葉片的不同的幾何形狀可變的配置也可在製冷系統12中被使用。
[0026] 例如，致動器50設置在殼體14的腔58中，以便使幾何形狀可變的擴壓器48在非 受限（3A)和受限（3B)狀態之間運動。也可使用致動器50,以便使其他類型的可調擴壓器 運動。
[0027] 離心壓縮機效率能通過用離散通道擴壓器替代無葉片式擴壓器而提高4-7%。 離散通道擴壓器的實例是單一厚度有葉片式擴壓器、翼型有葉片式擴壓器、臺葉片 (vane-island)擴壓器和管擴壓器。遵循通用的渦輪機術語，我們將所有這些不同類型的離 散通道擴壓器稱為有葉片式擴壓器。由於有葉片式擴壓器相對於無葉片式擴壓器對流動角 度的變化更敏感，所以它們的效率的提高被部分負載狀態下導致早期浪湧的壓縮機的穩定 的操作範圍的減小而抵消。
[0028] 參考圖2並沿著壓縮流的方向，另一類型的兩級壓縮機的流路包括：壓縮機入口 部分60、短的無葉片式擴壓器64前面的第一級葉輪62、幾何形狀可變的有葉片式擴壓器 66、橫跨彎頭68和返回通道70、第二級入口 72、第二級葉輪74、第二級短的無葉片式擴壓 器76、固定的低密實度有葉片式擴壓器78、第二無葉片式擴壓器80和最後的、在排出錐擴 壓器84前面的流量手機蝸殼82。所有這些元件都容納在壓縮機殼體86中。兩個葉輪是安 裝在由電動機（未示出）驅動並且以高速旋轉的軸68上的壓縮機元件，從而將能量傳遞到 流體，這是流體壓縮所需要的。
[0029] 雖然在圖2中示出了兩個壓縮機級，但本發明也可在具有更多級的壓縮機中使 用。
[0030] 在示出的實例中，第一和第二葉輪62和74定位成彼此相鄰（所謂的直列兩級壓 縮機結構）。對於直接驅動無齒輪多級壓縮機來說，葉輪也可能處於轉子軸的相對端上（所 謂的圖1中示出的背靠背結構），從而減小軸的軸向推力載荷。
[0031] 圖3A是在處於基本不受限的狀態的壁可運動、幾何形狀可變的擴壓器構思之一 的子午面的放大剖面圖。圖3B示出處於受限狀態的同一擴壓器。根據圖3C、垂直於壓縮機 軸線的平面中的該擴壓器的剖面圖，能看到擴壓器包括位於可動擴壓器壁元件90的下遊 的多個固定楔形葉片92。在該實例中可動壁元件是鋸齒狀的，鋸齒部94的後緣與有葉片式 擴壓器的喉部面積（其是最小橫截面的流動通道）重疊。
[0032] 圖4示出在垂直於壓縮機軸線的平面中的可旋轉、有葉片式擴壓器的剖面圖。通 過旋轉葉片，擴壓器的喉部面積變化。以實線畫出的葉片的喉部面積96比以虛線畫出的葉 片的喉部面積98大。通過旋轉各葉片，擴壓器的喉部面積被調節，因而壓縮機的容量被調 節。
[0033] 圖5A和5B示出具有外擴壓器環100和內擴壓器環102的葉片分裂式擴壓器的剖 面圖。通過使一個擴壓器環相對於另一擴壓器環旋轉而實現喉部面積的調節。完全打開的 擴壓器的喉部面積104在圖5A中不出，而圖5B不出喉部面積106是怎樣由於內擴壓器環 相對於外擴壓器環旋轉而減小的。
[0034] 圖6示出低密實度固定擴壓器120的剖面圖，低密實度固定擴壓器包括低密實度 葉片上有的無葉片部分76、具有單個葉片122的低密實度有葉片式擴壓器部分78和位於低 密實度葉片後緣與蝸殼入口之間的下遊無葉片部分80(也參見圖2中的軸向/徑向剖面）。 LSVD結構缺少在擴壓器通道中的有幾何形狀的喉部。一個合適類型的LSVD配置包括10個 葉片，葉片的密實度為〇. 7,其直徑比葉輪頂圓直徑大11%。
[0035] 本申請的壓縮機提供變速多級壓縮機，該壓縮機相比於可旋轉進氣導片式的設置 提供了超過設計範圍的效率的改進和更好的浪湧特性。
[0036] 雖然已經公開了示例性實施例，但本領域技術人員將意識到某些修改將落在權利 要求的範圍內。出於該原因，下面的權利要求應被研究以確定其真實範圍和內容。
【權利要求】
1. 一種離心式製冷壓縮機，其包括： 殼體，其包括第一壓縮機入口和出口以及第二壓縮機入口和出口； 設置在殼體中的第一葉輪和第二葉輪，第一葉輪流體地設置在第一壓縮機入口和出口 之間，第二葉輪流體地設置在第二壓縮機入口和出口之間；和 設置在殼體中的第一擴壓器和第二擴壓器，第一擴壓器流體地設置在第一葉輪出口和 第二壓縮機入口之間，第二擴壓器流體地設置在第二葉輪出口下遊，第一擴壓器和第二擴 壓器彼此不同，其中第一擴壓器和第二擴壓器中之一是幾何形狀可變的。
2. 根據權利要求1所述的離心式製冷壓縮機，其中殼體容納第一級壓縮機和第二級壓 縮機，所述第一級壓縮機具有葉輪、幾何形狀可變的擴壓器、橫跨彎頭和返回通道，所述第 二級壓縮機具有幾何形狀固定擴壓器和蝸殼。
3. 根據權利要求2所述的離心式製冷壓縮機，其中至少一個擴壓器是有葉片式擴壓 器。
4. 根據權利要求3所述的離心式製冷壓縮機，其中第一擴壓器是幾何形狀可變的，第 二擴壓器是幾何形狀固定的。
5. 根據權利要求4所述的離心式製冷壓縮機，其中第二擴壓器是低密實度有葉片式擴 壓器。
6. 根據權利要求5所述的離心式製冷壓縮機，其中低密實度葉片的後緣相對於前緣的 半徑比小於1.2。
7. 根據權利要求5所述的離心式製冷壓縮機，其中幾何形狀可變的擴壓器的密實度大 於1. 2,低密實度有葉片式擴壓器的密實度小於0. 9。
8. 根據權利要求4所述的離心式製冷壓縮機，其中幾何形狀可變的擴壓器包括特徵部 件，所述特徵部件配置成響應於致動器接收壓縮機調節指令而減小有葉片式擴壓器的物理 喉部面積。
9. 根據權利要求4所述的離心式製冷壓縮機，其中幾何形狀可變的擴壓器包括側壁 段，所述側壁段配置成沿著大體平行於葉輪旋轉軸線的方向能大體線性運動，並因此響應 於致動器接收壓縮機調節指令而影響擴壓器的喉部面積。
10. 根據權利要求9所述的離心式製冷壓縮機，其中第二擴壓器是低密實度有葉片式 擴壓器。
11. 根據權利要求4所述的離心式製冷壓縮機，其中幾何形狀可變的擴壓器包括配置 成響應於致動器接收壓縮機調節指令而旋轉的各個葉片。
12. 根據權利要求11所述的離心式製冷壓縮機，其中第二擴壓器是低密實度有葉片式 擴壓器。
13. 根據權利要求4所述的離心式製冷壓縮機，其中幾何形狀可變的擴壓器包括物理 喉部面積，所述物理喉部面積配置成響應於由於致動器接收壓縮機調節指令而引起的有葉 片式擴壓器的內部相對於外部的旋轉而減小。
14. 根據權利要求1所述的離心式製冷壓縮機，其中第一和第二級葉輪設置在轉子軸 的相對的端部上。
15. 根據權利要求1所述的離心式製冷壓縮機，其包括支撐轉子軸的磁軸承和軸承控 制器，所述軸承控制器配置成響應於軸承指令而控制磁軸承，從而磁性地支撐轉子軸。
16. -種製冷系統，其包括： 冷卻器，其具有製冷劑迴路；和 與製冷劑迴路流體連通的壓縮機，具有第一和第二壓縮機級的所述壓縮機具有幾何形 狀可變的擴壓器和固定擴壓器。
17. 根據權利要求16所述的製冷系統，其中固定擴壓器是低密實度有葉片式擴壓器， 低密實度葉片的後緣相對於前緣的半徑比小於1. 2,並且其中幾何形狀可變的擴壓器的密 實度大於1. 2,低密實度有葉片式擴壓器的密實度小於0. 9。
18. 根據權利要求16所述的製冷系統，其中幾何形狀可變的擴壓器通過軸向可動壁被 提供。
19. 根據權利要求16所述的製冷系統，其中固定擴壓器通過低密實度有葉片式擴壓器 被提供。
20. 根據權利要求16所述的製冷系統，其包括配置為旋轉地驅動轉子軸的定子、可操 作地連接到幾何形狀可變的擴壓器的致動器、支撐轉子軸的磁軸承，和 與定子、磁軸承和致動器通訊的控制器，所述控制器配置成向定子提供變速指令、向磁 軸承提供軸承指令並向幾何形狀可變的擴壓器提供擴壓器狀態指令。
【文檔編號】F25B1/04GK104067071SQ201280067952
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年1月23日 優先權日:2012年1月23日
【發明者】L·孫, J·布拉茨, M·拉斯穆森 申請人:丹佛斯特波科爾壓縮機有限公司