CN101571138B - 离心压缩机及使用该离心压缩机的涡轮制冷机 - Google Patents

Abstract

一种即使在部分负荷运转时等流量减少的情况下，也不会导致效率降低，能在很宽的流量范围内运转的离心压缩机及使用该离心压缩机的涡轮制冷机。离心压缩机(1)具备：配设在叶轮第一级的外周的扩散器；连接扩散器和后级叶轮的返回流路，其中，将沿周向设置在该返回流路中的多片导翼分割为固定式的上游导翼和可动式的下游导翼，在额定运转中以连结上游导翼后缘和下游导翼前缘的线朝向半径方向的方式配设，而在部分负荷运转中下游导翼绕旋转轴中心旋转，对后级叶轮赋予预回旋角。

Description

离心压缩机及使用该离心压缩机的涡轮制冷机

技术领域

本发明涉及一种离心压缩机及使用该离心压缩机的涡轮制冷机及其控制方法，尤其是涉及具备在部分负荷运转时能进行容量控制的导翼的离心压缩机及使用该离心压缩机的涡轮制冷机及其控制方法。

背景技术

用于空调等的涡轮制冷机是以蒸汽压缩式的制冷循环为原理的制冷装置，由离心压缩机消耗动力，经蒸发器从被冷却物获取热， 在冷凝器中向高温部排出热量，由此实现从低温向高温输送热。涡轮制冷机的运转状态大致被分成作为100％输出运转的额定运转(额定点)和此外的作为输出运转的部分负荷运转。

一般地，涡轮制冷机虽然是以满足在额定运转中的性能的方式设计，但因为与使用环境相对应，运转条件逐次变化，所以，要求即使是在额定运转之外也能稳定地工作，且效率高。因此，本发明是涉及扩大部分负荷运转中的涡轮制冷机的工作范围及提高效率的技术。同样地，作为扩大工作范围及提高效率的技术，可以举出专利文献1及2。

专利文献1：日本特开2001-200797号公报专利文献2：日本特开2002-327700号公报发明内容发明所要解决的课题

上述涡轮制冷机，通常，为了控制部分负荷运转中的循环 风量，在离心压缩机的初级吸入部设置了入口导翼17(图16)。入口导翼17具备可绕旋转轴中心转动的机构，能在改变吸入部的截面积以控制流量的同时，改变流体的流动角。一般地，叶轮是以在额定运转中流入角与叶片入口角大致一致的方式设计，此时，压缩机虽然稳定工作且能获得高效率，但在部分负荷运转中，因为流入角变化，工作范围、效率都降低。因此，通过使用上述的入口导翼17，能使流体的流动角转向，消除流入角与叶片入口角之间的偏差，所以，压缩机始终能进行稳定的运转。

但是，这样的入口导翼17的效果，因为仅对就在其后设置的叶轮(初级叶轮)起作用，所以，对后级叶轮来说，并没有消除流入角与叶片入口角之间的偏差，容易变得工作不稳定。另外，在一般的涡轮制冷机用离心压缩机中，如图16所示，在连接前级和后级的返回流路12中，设置了固定导翼18。

固定导翼18具有去除从前级扩散器向后级叶轮流入的流动的回旋成分的功能。如图17所示，在额定运转那样的不需要回旋成分的运转状态下，使流动A转向，向后级叶轮引导轴向的流动B。但是，固定导翼18因为不管运转状态如何，朝向叶轮的流入角是一定的，所以，在部分负荷运转中不能消除后级叶轮的流入角与叶片入口角之间的偏差，压缩机性能降低。

因此，为了同时解决这些课题，虽然有设置固定导翼18后方的弯曲部、或者在固定导翼18和弯曲部之间设置能旋转的导翼的方法，但因为空间的问题，很难配置。

本发明的目的在于提供一种如下的离心压缩机：将设置在连接前级扩散器和后级叶轮的返回流路中的导翼分割为固定式的上游导翼及可动式的下游导翼，在额定运转中不用对后级叶轮赋予预回旋地引导流体，而在部分负荷运转中使下游导翼转动，可靠地对后级叶轮赋予预回旋，且在所有的流量条件下损失小。为了解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明的离心压缩机具备：多级叶轮；配设在各叶轮的外周的扩散器；连接扩散器和后级叶轮的多级返回流路，其特征是：在上述返回流路的至少一级上沿周向设置多片固定式的上游导翼及可动式的下游导翼，在额定运转中，以连结上游导翼后缘和下游导翼前缘的线朝向半径方向的方式配设上述上游导翼及可动式的下游导翼，在部分负荷运转中，下游导翼绕旋转轴中心旋转，且在上游导翼后缘和下游导翼前缘之间形成间隙，对后级叶轮赋予预回旋角。

另外，为了实现上述目的，上述下游导翼的旋转轴支承位置位于从下游导翼半径方向长度的中央到后缘之间。

另外，为了实现上述目的，上游导翼和下游导翼的半径方向长度相同。

另外，为了实现上述目的：本发明的涡轮制冷机，其特征是，具备：上述离心压缩机；使由上述离心压缩机进行了绝热压缩并排出的制冷剂进行散热冷却的冷凝器；使被冷却了的制冷剂进行节流膨胀的膨胀机构；使膨胀了的制冷剂蒸发的蒸发器，测定上述压缩机的入口压力、入口温度、出口压力、出口温度、转速的机构；将来自该测定机构的输出作为输入来计算朝向后级叶轮的流入角和基于上述流入角及数据库来计算上述下游导翼的翼片旋转角度的运算处理器；将来自该运算处理器的输出作为输入来改变上述下游导翼的翼片角度的驱动装置。

另外，为了实现上述目的，以上述压缩机的叶轮流入角与额定运转中的叶轮流入角相同的方式改变下游导翼的翼片角度。

发明的效果

根据本发明，在涡轮制冷机用离心压缩机中，将设置在连接扩散器和后级叶轮的返回流路中的导翼分割为固定式的上游导翼和可动式的下游导翼，并将下游导翼做成了可绕旋转轴中心转动的结构。因此，能提供通过在额定运转中去除流体的回旋成分，在部分负荷运转中可靠地对后级叶轮赋予预回旋，在任何流量条件下都工作范围宽且效率高的涡轮制冷机。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的图，是第一实施方式中的离心压缩机的剖视图。图2是表示第一实施方式中的涡轮制冷机用离心压缩机的系统结构的简图。图3是第一实施方式中的制冷循环线图。图4是表示第一实施方式中的上游导翼和下游导翼的配置及下游导翼的轴支承位置的图。图5是表示必要预回旋角α和下游导翼旋转角γ的关系的图。图6是表示L₁和L₂的关系对压力损失的影响的图。图7是表示第二实施方式中的涡轮制冷机用离心压缩机的系统结构的简图。图8是用于说明在第二实施方式中确定状态点的方法的制冷循环线图。图9表示本发明的第二实施方式的图，是第二实施方式中的离心压缩机的剖视图。图10是表示在额定运转中的在叶轮入口的速度三角形的图。图11是表示在部分负荷运转中的在叶轮入口的速度三角形的图。图12是表示在部分负荷运转中在控制下游导翼时在叶轮入口的速度三角形的图。图13是表示在第二实施方式中确定状态点的处理的流程的图。图14是表示第二实施方式中的处理的流程的图。图15是表示流量和效率的关系的图。图16是现有的离心压缩机的剖视图。图17是表示现有的离心压缩机中的固定导翼的图。符号说明

1：离心压缩机    2：冷凝器    3：储液器    4：节能器    5： 蒸发器    6：马达    7：驱动装置    8：运算处理器    9：旋转轴    10：叶轮    10a：叶轮第一级    10b：叶轮第二级    11：扩散器    12：返回流路    13：上游导翼    14：下游导翼    15：下游导翼旋转轴    16：涡形管路    17：入口导翼    18：固定导翼

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的详细情况进行说明。[实施例1]

在第一实施方式中，将本发明适用于以蒸汽压缩式的制冷循环为基本原理的多级式涡轮制冷机。图2是本实施方式中的涡轮制冷机的结构图。图3是表示基于p-h线图的制冷循环线图的模式图。在图2、图3中，涡轮制冷机如果是具备两级离心压缩机的涡轮制冷机，则根据以下原理工作。即，在状态点9，作为湿蒸汽的制冷剂在蒸发器5中从被冷却物夺取热，到达状态点1。变化成过热蒸汽状态的制冷剂在离心压缩机的初级中被进行绝热压缩，内能增大，被升压到更大的过热度的状态点2。在状态点2的制冷剂，获取由节能器4进行节流膨胀时产生的快速蒸汽，到达状态点3。在状态点3，由压缩机第一级升压到图3所示的压力P₄，成为具有更大的过热度的状态点4。然后，制冷剂在通过冷凝器2的过程中，将输送的热量交给冷却水，被冷却，在经过了干饱和蒸汽、湿蒸汽、饱和液的状态变化后，到达作为过冷却液的状态点5。已成为过冷却液的制冷剂在保持状态点5不变的状态下通过储液器3，流入到节能器4。

在节能器4中，一旦被减压到中间压力P_eco(图3所示)，就被分离为此时产生的快速蒸汽和高压液。其中，仅高压液被进行节流膨胀到蒸发压力P₁，在状态点9，返回到湿蒸汽，再次重复同样的循环。

如图1所示，离心压缩机1采用了两级式的涡轮型离心压 缩机，初级吸入部具备入口导翼17，各级具有：进行旋转驱动的旋转轴9；保持在此旋转轴9上，具有在圆周方向以大致相等的间隔设置的叶片的叶轮10；安装在叶轮的外周上，具有在圆周方向以大致相等的间隔设置的翼片的扩散器11，进而作为连接级与级的静止流路，具备返回流路12、排出制冷剂的涡形管路16。

在返回流路12中设置固定式的上游导翼13及可动式的下游导翼14，分别形成圆形叶栅。另外，在本发明的离心压缩机1中，下游导翼14由下游导翼旋转轴15可旋转地被支承，由装设在翼片上的驱动装置7驱动旋转。

在上述结构中，因为通过第一级叶轮的旋转，从吸入口被入口导翼引导吸入的制冷剂依靠叶轮第一级10a的离心作用被增速、升压，在通过第一级扩散器11的过程中被减速，所以将动能转换为内能，进而由设置在返回流路12中的上游导翼13及下游导翼14减速，在额定运转中将轴向的流动引导到叶轮第二级10b，在部分负荷运转中赋予与运转状态相适应的预回旋角而引导到叶轮第二级10b。

图4是表示本实施例中的上游导翼13和下游导翼14的配置及下游导翼旋转轴支承位置的图。

在图4中，在据此进行额定负荷运转时，是以连结上游导翼13的后缘和下游导翼14的前缘的线朝向半径方向的方式设置的，上游导翼13及下游导翼14合起来可以看作一片导翼。根据此结构，与设置1片半径方向的固定导翼18的现有的涡轮制冷机用多级离心压缩机(图16)同样，满足作为可靠地去除从扩散器流入的流动的回旋成分并向后级叶轮引导这样的导翼的基本功能。

另一方面，在部分负荷运转等流量变化的情况下，朝向后级叶轮的流入角，对于叶片入口角来说变得过大(或者过小)，存在叶轮陷入工作不稳定的可能性。为了避免这样的状况，由下游导翼旋转轴15使下游导翼14旋转，对流体赋予回旋成分，消除朝向叶轮的流入角和叶片入口角的偏差。本实施方式中的上游导翼13和下游导翼14的关系如下。

在用前缘半径r₁及后缘半径r₂表示上游导翼13的后前缘半径差L₁、用前缘半径r₃及后缘半径r₄表示下游导翼14的后前缘半径差L₂，由式(1)、式(2)L₁＝r₁-r₂    (1)L₂＝r₃-r₄    (2)表示时，使上游导翼13的前后缘半径差L₁和下游导翼14的前后缘半径差L₂为相同的长度。即，是式(3)。L₁＝L₂    (3)

如已述的那样，在部分负荷运转等流量变化的情况下，需要对后级叶轮赋予预回旋。此时，例如，如果L₁＞L₂，则为了获得任意的运转状态下的预回旋角，所需要的下游导翼旋转角要增大(图5)。其结果，相对于流动而言的下游导翼的角度变得过大，在整个流量区域中压力损失增大(图6)。

可是，因为如果流量减少，则流向上游导翼的制冷剂的迎角就增大，在翼的后缘，流动失速，所以，该翼功能降低。在本实施方式中，通过使下游导翼旋转，在上游导翼后缘和下游导翼前缘之间形成间隙，从此间隙将上游导翼压力面侧的高能流体向负压面侧引导，将能量供给到死水区。另外，所谓死水区是指制冷剂从导翼脱离而失速的区域。

由于通过这样的间隙的流动的作用，在上游导翼后缘的流动的脱离被消除，能降低压力损失。此时，若设下游导翼旋转轴的支承位置半径为r_rot，则下游导翼前缘和轴支承位置之间的差L_rot由式(4)L_rot＝r₃-r_rot    (4)表示，将与下游导翼的前后缘半径差L₂之间的关系作为式(5)来构成。L₂/2≥L_rot≥L₂    (5)

若使轴支承位置超过上述范围地过于靠近下游导翼前缘，则未被供给充分的能量用于消除失速，在死水区的损失未被改善。因 此，如果将旋转轴设置在满足L₂/2≥L_rot≥L₂的位置，则能充分获得间隙的效果。[实施例2]

基于附图对本发明的第二实施方式进行说明。对与第一实施方式等同的部分标相同的符号，省略说明。图7是本实施方式中的涡轮制冷机的结构图。图8是基于p-h线图的制冷循环线图。图9是表示两级离心压缩机主体及控制系统的模式图。

如图7所示，在第二实施方式中的涡轮制冷机中，对离心压缩机1出入口、马达6、冷凝器2及节能器4设置了传感器，测量离心压缩机1的入口压力、入口温度、出口压力、出口温度、转速、冷凝器2的出口温度及节能器4的压力，交给运算处理器8。在运算处理器8中预先存储了图8所示的那样的p-h线图，基于测量值，确定制冷循环上的状态点。

图9是与上述第一实施例中的图1相当的图，在图9中，本实施方式的离心压缩机，其装设在返回流路中的下游导翼14被支承在下游导翼旋转轴15上，并由装设在翼片上的驱动装置7驱动旋转。而且，为了控制翼片旋转，连接了对由配备在上述涡轮制冷机上的传感器检测出的测定值进行处理的运算处理器8，由运算处理器8算出下游导翼旋转角，将驱动信号传递给驱动装置7。在这样构成的本发明的实施例的涡轮制冷机用离心压缩机中，对控制下游导翼旋转角的考虑方法进行说明。

图10、图11所示的速度三角形，都是将在第二级叶轮入口部的叶轮入口圆周速度U₁、制冷剂的叶轮入口相对速度W₁及叶轮入口绝对速度C₁的关系模式化了的图，分别表示在额定点的速度三角形、在部分负荷运转中的速度三角形。一般地，叶轮以能在额定点稳定工作且能获得高效率的方式设计，如果满足此时的相对流入角β_D，则能持续稳定工作和高效率。

但是，在偏离额定点、流量变化的情况下，由于伴随叶轮 入口绝对速度C₁的变化，流入角也偏离β_D，所以，引起叶轮效率降低和工作不稳定现象。为了避免这种现象，在部分负荷运转等流量变化的情况下，如图12所示，必须是具有与额定点相同的相对流入角β_D的速度三角形。因此，在本实施例中，逐次运算任意的部分负荷运转中的β₁，以叶轮流入角β₁＝β_D的方式使下游导翼能够绕轴中心转动。

在第二实施方式中，将用于根据测定值确定制冷循环的流程表示在图13中。另外，此处理是基于预先存储在运算处理器的数据存储部中的程序自动地执行的。首先，由运算处理器接受从传感器输出的离心压缩机的入口压力P₁、入口温度T₁、出口压力P₄、出口温度T₄、转速N、冷凝器出口温度T₅及节能器压力P_eco的输入(步骤101)。

其中，根据离心压缩机入口压力P₁、入口温度T₁、出口压力P₄、出口温度T₄及节能器压力P_eco，从图8所示的p-h线图确定状态点1、状态点2、状态点3、状态点4。在图8中，如果设等温线T₁及P₁的交点为状态点1(步骤102)、等温线T₄及P₄的交点为状态点4(步骤103)，将这些状态点1及状态点4所处的绝热线设为s₁、s₄，则s₁、s₄和中间压力P_eco的交点分别是状态点2(步骤104)及状态点3(步骤105)。接着，根据蒸发器出口温度T₅确定状态点6。

在图8中，如果设从状态点4到状态点5是等压过程，即，P₅＝P₄，则等温线T₅和P₄的交点是状态点5(步骤106)，另外，从状态点5到状态点6，因为节流膨胀(等焓过程)，即h₅＝h₆，所以，h₅和中间压力P_eco的交点是状态点6(步骤107)。最后，确定状态点7、状态点8及状态点9。状态点7表示在节能器内产生的快速蒸汽(干饱和蒸汽)，是中间压力P_eco和干饱和蒸汽线(b-c曲线)的交点(步骤108)。

另一方面，状态点8是中间压力P_eco和饱和液线(a-b曲线)的交点，表示在节能器中与快速蒸汽分离了的饱和液(步骤109)。从状态点8到状态点9，由于经节流膨胀(等焓过程)，即h₈＝h₉，返回到蒸发压力P₁，所以，将h₈和P₁的交点作为状态点9(步骤110)。 这样，通过根据测定值求出状态点1到状态点9，确定了在任意运转状态下的制冷循环线图及在各状态点的压力P、温度T和焓h(步骤111)。

接着，在各状态点的压力P、温度T、焓h，也可以不用确定制冷循环，而是通过另行参照数据库算出的。

以下，使用已在上面确定的在各状态点的压力P、温度T、焓h，算出朝向第二级叶轮的相对流入角β₁，确定满足β₁＝β_D的翼片角度γ。此时，相对流入角β₁和翼片角度γ的关系及在额定点的相对流入角β_D，作为数据库已预先编入在程序中，在运算的过程中逐次参照。图14表示第二实施方式中的翼片旋转流程图。

以下，定压比热C_p、叶片半径r、重力加速度g、叶轮入口的流路截面积A及涡轮制冷机的制冷能力Ф是常数，并作为预先被编入在程序中的常数，而压力P、温度T、焓h的下标，全部取为与在图3(图8)中的状态点对应的标记。另外，下标2st表示压缩机第二级。首先，在叶轮入口部的制冷剂的子午面速度C_m2st，根据制冷剂循环量q和叶轮出口的流路截面积A，由式(6)C_m2st＝q_2st/A_2st    (6)求出。在此，压缩机第二级的制冷剂循环量q_2s由于包含节能器中的快速蒸汽量q_eco，所以，由式(7)q_2s＝q_1st+q_eco＝Ф(h₇-h8)/(h₁-h₉)(h₇-h₆)    (7)求出。

在此式(7)中，通过代入在状态点1的焓h₁、在状态点6的焓h₆、在状态点7的焓h₇、在状态点8的焓h₈及在状态点9的焓h₉，确定在压缩机第二级的制冷剂循环量q_2s(步骤201)。以上，如果将算出的在压缩机第二级的制冷剂循环量q_2s代入式(6)，则求出在叶轮入口部的制冷剂的绝对速度C_m2st(步骤202)。因此，相对流入角β₁，使用根据转速N、叶轮半径r求出的叶轮出口圆周速度u₁＝2πrN/60及绝对速度C_m2st，由式(8)β₁＝tan^-1(C_m2st/U₁)    (8) 算出(步骤203)。

在此，如果算出的β₁＝β_D，则结束运算，否则继续运算(步骤204)。接着，参照编入了由式(8)求出的β₁和应该给出的翼片旋转角γ的关系的数据库，在确定了γ后(步骤205、步骤206)，将其作为驱动信号传递给翼片转动机构，使翼片旋转(步骤207、步骤208)。

通过在部分负荷运转时等进行上述那样的一连串的处理，如图15所示，在实施了翼片控制的情况下，会改善压缩机效率。另外，在本实施例中，作为测定项目，适用了离心压缩机的入口压力P₁、入口温度T₁、出口压力P₄、出口温度T₄及节能器压力P_eco。这些项目在一般的涡轮制冷机中是为了把握运转状态而使用的，例如不用对现有机设置新的传感器即可改进，所以可以说是低成本且简便的方法。

Claims (5)

1.一种离心压缩机，所述的离心压缩机具备：多级叶轮；配设在各叶轮的外周的扩散器；连接扩散器和后级叶轮的多级返回流路，

其特征是：在上述返回流路的至少一级上沿周向设置多片固定式的上游导翼及可动式的下游导翼，在额定运转中，以连结上游导翼后缘和下游导翼前缘的线朝向半径方向的方式配设上述上游导翼及可动式的下游导翼，在部分负荷运转中，下游导翼绕旋转轴中心旋转，且在上游导翼后缘和下游导翼前缘之间形成间隙，对后级叶轮赋予预回旋角。

2.根据权利要求1所记载的离心压缩机，其特征是：

上述下游导翼的旋转轴支承位置位于从下游导翼半径方向长度的中央到后缘之间。

3.根据权利要求1或2所记载的离心压缩机，其特征是：

上游导翼和下游导翼的半径方向长度相同。

4.一种涡轮制冷机，其特征是，所述的涡轮制冷机具备：

权利要求1～3中的任一项所述的离心机；

使由上述离心压缩机进行了绝热压缩并排出的制冷剂进行散热冷却的冷凝器；使被冷却了的制冷剂进行节流膨胀的膨胀机构；

使膨胀了的制冷剂蒸发的蒸发器；

测定上述压缩机的入口压力、入口温度、出口压力、出口温度、转速的机构；

将来自该测定机构的输出作为输入来计算朝向后级叶轮的流入角和基于上述流入角及数据库来计算上述下游导翼的翼片旋转角度的运算处理器；

将来自该运算处理器的输出作为输入来改变上述下游导翼的翼片角度的驱动装置。

5.根据权利要求4所记载的涡轮制冷机，其特征是：

以上述压缩机的叶轮流入角与额定运转中的叶轮流入角相同的方式改变下游导翼的翼片角度。

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