CN101994711A - 离心压缩机及制冷装置 - Google Patents

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CN101994711A CN2010102545300A CN201010254530A CN101994711A CN 101994711 A CN101994711 A CN 101994711A CN 2010102545300 A CN2010102545300 A CN 2010102545300A CN 201010254530 A CN201010254530 A CN 201010254530A CN 101994711 A CN101994711 A CN 101994711A
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Abstract

本发明以提供在各种各样的流量条件下动作范围大且高效率的涡轮制冷机用离心压缩机及制冷装置为目的。有关本发明的制冷装置的离心压缩机具备多级叶轮(9)；配设在各叶轮(9)的外周的带叶片扩散器(10)及无叶片扩散器(19)；将带叶片扩散器(10)和后级的叶轮(9)相连的返回流路(11)。其中，在向最终级的叶轮(9)连接的返回流路(11)上，在周方向配置多片可动式的下游导向叶片(13)，并且最终级的扩散器由不设置扩散器叶片的无叶片扩散器(19)构成。

Description

离心压缩机及制冷装置
技术领域
本发明涉及离心压缩机及制冷装置，尤其涉及具备扩散器和在部分负荷运转时能够控制流量的导向叶片的涡轮制冷机用的离心压缩机及制冷装置。
背景技术
用于空调用等的涡轮制冷机是以蒸气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，由此，实现从低温向高温的热输送。
涡轮制冷机的运转状态被粗分成作为100％输出运转的额定运转和作为此以外的输出运转的部分负荷运转。一般地，涡轮制冷机以满足在额定运转中的性能的方式设计，但是，为了运转条件与使用环境相应地逐渐变化，要求在额定运转以外也稳定地动作，且高效率。
因此，本发明是涉及在部分负荷运转中的涡轮制冷机的动作范围扩大和效率提高的发明。作为同样涉及动作范围扩大和效率提高的发明，可以举出专利文献1、2、3。
[在先技术文献]
[专利文献]
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
专利文献3：日本特开平8-284892号公报
发明内容
发明所要解决的课题
作为以往的离心压缩机1’，如图8所示，设置了下述部件，即，设置在初级吸入部的入口导向叶片16’；呈多级地设置的叶轮9’；设置在各叶轮的下游侧的带叶片扩散器10’；设置在此带叶片扩散器10’的下游侧，并将流动向后级叶轮引导的返回流路11’；呈圆形翼列状地配置在此返回流路11’上的固定导向叶片17’。
在这样的结构中，入口导向叶片16’具备能够以旋转轴为中心运动的机构，通过使向叶轮流入的流体的流动角度变化，离心压缩机能够与涡轮制冷机的运转状态相应地任意地进行流量控制。
但是，在图8所示的以往的涡轮制冷机用离心压缩机中，没有将入口导向叶片16’设置在后级，存在在部分负荷运转时导致后级叶轮的失速、动作范围狭窄的问题。
另外，在以往的涡轮制冷机用离心压缩机中，如图8所示的那样，以提高额定运转时的效率为目的，在各叶轮的下游侧设置了带叶片扩散器10’。带叶片扩散器10’是在周方向安装了多片扩散器叶片18’的扩散器。
一般地，扩散器叶片18’以在额定运转中叶轮的流出角和扩散器叶片18’的叶片入口角大致一致的方式设计，此时压缩机能够得到高效率，但是，在部分负荷运转中，因为叶轮的流出角变化，所以，效率降低。
因此，本发明以提供在各种各样的流量条件下动作范围广且高效率的涡轮制冷机用离心压缩机及制冷装置为目的。
为了解决课题的手段
为了解决上述课题，在本发明中采用下述那样的结构。
有关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多个扩散器；将扩散器和后级的叶轮相连的返回流路，其中，在向最终级的叶轮连接的返回流路上，在周方向配置多片可动式的导向叶片，并且，最终级的扩散器由不设置扩散器叶片的无叶片扩散器构成。
或者，有关本发明的制冷装置依次连接离心压缩机、及蒸发器、冷凝器、中间冷却器而构成制冷循环，该离心压缩机具备多级叶轮；配设在各叶轮的外周的多个扩散器；将扩散器和后级的叶轮相连的返回流路，在所述制冷装置中，在向上述离心压缩机的最终级的叶轮连接的返回流路上，在周方向配置多片可动式的导向叶片，并且，最终级的扩散器由不设置扩散器叶片的无叶片扩散器构成。
发明的效果
根据本发明，能够提供在各种各样的流量条件下动作范围大且高效率的涡轮制冷机用离心压缩机及制冷装置。
附图说明
图1是表示有关本发明的第一实施例的图，是第一实施例中的离心压缩机的剖视图。
图2是表示第一实施例中的离心压缩机的系统结构的概略图。
图3是第一实施例中的制冷循环线图。
图4是表示第一实施例中的上游导向叶片和下游导向叶片的配置及下游导向叶片的轴支承位置的图。
图5是表示带叶片扩散器和无叶片扩散器的流量和效率的关系的坐标图。
图6是表示带叶片扩散器和无叶片扩散器的流量和绝热头的关系的坐标图。
图7是表示有关本发明的第二实施例的图，是第二实施例中的离心压缩机的剖视图。
图8是以往的离心压缩机的剖视图。
具体实施方式
下面，说明本发明的实施方式。
有关本实施方式的离心压缩机具备多级叶轮；配设在各叶轮的外周的多个扩散器；将扩散器和后级的叶轮相连的返回流路，其中，在向最终级的叶轮连接的返回流路上，在周方向配置多片可动式的导向叶片，并且，最终级的扩散器由不设置扩散器叶片的无叶片扩散器构成。
另外，有关本实施方式的制冷装置依次连接离心压缩机、及蒸发器、冷凝器、中间冷却器而构成制冷循环，该离心压缩机具备多级叶轮；配设在各叶轮的外周的多个扩散器；将扩散器和后级的叶轮相连的返回流路，在所述制冷装置中，在向上述离心压缩机的最终级的叶轮连接的返回流路上，在周方向配置多片可动式的导向叶片，并且，最终级的扩散器由不设置扩散器叶片的无叶片扩散器构成。
根据上述结构，能够由在向最终级的叶轮连接的返回流路上配置的可动式的导向叶片进行后级叶轮的流量控制，在部分负荷下的效率和动作范围扩大。另外，由可动式的导向叶片和最终级所具备的无叶片扩散器来抑制部分负荷运转中的失速，动作范围扩大。因此，具备这样的离心压缩机的制冷装置即使在部分负荷运转时也能够以稳定的状态高效率地运转。
另外，最终级以外的其它的扩散器中的至少一个由在周方向具备了多片扩散器叶片的带叶片扩散器构成。因此，由于由带叶片扩散器将返回流路中的损失抑制在最小限度，能够将一样的流动向下游侧引导，所以，能够谋求离心压缩机的高效率化。
另外，在上述返回流路上，与上述可动式的导向叶片相比在上游侧配置固定式的导向叶片。因此，由于由带叶片扩散器将返回流路中的损失抑制在最小限度，且能够将一样的流动向固定式的导向叶片引导，所以，能够谋求离心压缩机的高效率化。
另外，设置上述带叶片扩散器的级的叶轮的出口半径和带叶片扩散器的出口半径之比被设定为1.3～1.8。
[实施例1]
下面，根据附图，详细说明实施例1。实施例1涉及以蒸气压缩式的制冷循环为基本原理的两级式涡轮制冷机。图2是模式地表示有关实施例1的涡轮制冷机的结构的图，图3是模式地表示基于p-h线图的制冷循环线图的图。
此涡轮制冷机具备图2的那样的两级离心压缩机，根据下述的原理动作。如图3所示，在状态点S9，作为湿蒸气的制冷剂在蒸发器5中从被冷却物夺取热，到达状态点S1。状态变化成过热蒸气的制冷剂由离心压缩机1的第一级进行绝热压缩，内部能量增大，向更大的过热度的状态点S2升压。在状态点S2的制冷剂获取在节热器4中节流膨胀时产生的闪蒸蒸气，到达状态点S3。在状态点S3，由压缩机第二级升压至压力P4，成为具有更大的过热度的状态点S4。
此后制冷剂在通过冷凝器2的过程中，将输送的热量向冷却水交付，被冷却，在经过干饱和蒸气、湿蒸气、饱和液这样的状态变化后，到达作为过冷却液的状态点S5。成为过冷却液的制冷剂以保持在状态点S5的状态不变地通过受液器3，流入节热器4。在节热器4中，被暂时减压至中间压力Peco，被分离为此时产生的闪蒸蒸气和高压液。其中，仅高压液被节流膨胀至蒸发压力P1，在状态点S9恢复到湿蒸气，再次反复进行同样的循环。
如图1所示的那样，离心压缩机1采用了两级式的涡轮型离心压缩机，在第一级吸入部具备入口导向叶片16，各级具有进行旋转驱动的旋转轴8和被保持在旋转轴8上并具备在圆周方向以大致等间隔设置的叶片的叶轮9，在第一级叶轮9a外周设置了具有在圆周方向配设了多片扩散器叶片18的带叶片扩散器10，在第二级叶轮9b外周设置了不具有扩散器叶片的无叶片扩散器19，进而，作为连结级和级的静止流路具备返回流路11，并具备将制冷剂排出的涡形管路15。
在返回流路11上设置固定式的上游导向叶片12(相当于上述固定式的导向叶片)和可动式的下游导向叶片13(相当于上述可动式的导向叶片)，它们分别构成圆形翼列。另外，在实施例1的离心压缩机1中，下游导向叶片13经下游导向叶片旋转轴14可旋转地被支承，通过安装在叶片上的驱动装置7旋转。
在上述结构中，由第一级叶轮9a的旋转从吸入口向入口导向叶片16引导而吸入的制冷剂由第一级叶轮9a的离心作用增速、升压，在通过带叶片扩散器10的过程中被减速，由此，将运动能量转换成内部能量，进而由设置在返回流路11上的上游导向叶片12以及下游导向叶片13减速，在额定运转中，被施加轴向的流动而向第二级叶轮9b引导。另外，在部分负荷运转中，被施加与运转状态相适应的预旋回角而向第二级叶轮9b引导。
图4表示本实施例1中的上游导向叶片12和下游导向叶片13的配置及下游导向叶片旋转轴14的轴支承位置。以在额定运转时连结上游导向叶片12的后缘12a和下游导向叶片13(在图4中由虚线表示)的前缘13a的线朝向半径方向的方式设置，将从扩散器流入的流动的旋回成分除去向第二级叶轮9b引导。
另一方面，在部分负荷运转等流量变化了的情况下，向第二级叶轮9b的流入角相对于叶片入口角变得过大(或小)，叶轮失速，动作范围狭窄。为了避免这样的状况，由下游导向叶片旋转轴14旋转下游导向叶片13(在图4中由实线表示)，对流体施加旋回成分，消除向叶轮的流入角和叶片入口角的偏差。本实施例1中的上游导向叶片12和下游导向叶片13的关系如下。
在使用前缘半径r2及后缘半径r2，使用前缘半径r3及后缘半径r4，用算式(1)、算式(2)
L1＝r1-r2(1)
L2＝r3-r4(2)
表示上游导向叶片12的前后缘半径差L1、下游导向叶片13的前后缘半径差L2时，使上游导向叶片12的前后缘半径差L1和下游导向叶片13的前后缘半径差L2为相同长度。即，是算式(3)
L1＝L2(3)。
如上所述，在部分负荷运转等流量变化了的情况下，产生了对第二级叶轮9b施加预旋回的必要。此时，例如若为L1＞L2，则为了得到任意的运转状态下的预旋回角，必要的下游导向叶片旋转角增加。其结果，相对于流动的下游导向叶片的角度变得过大，在整个流量区域中压力损失增大，效率降低。
另一方面，因为若流量减少，则向上游导向叶片12流入的制冷剂的迎角增大，在翼的后缘流动失速，所以，压力损失增大，效率降低。在本实施例1中，通过使下游导向叶片13旋转，在上游导向叶片12后缘和下游导向叶片13前缘之间产生间隙，将上游导向叶片12压力面侧的高能量流体从此间隙向负压面侧引导，将能量向失速区域供给。
依靠通过这样的间隙的流动的作用，在上游导向叶片12后缘的流动的剥离被消除，能够降低压力损失，改善效率。此时，若设下游导向叶片旋转轴14的轴支承位置半径为rrot，则下游导向叶片13前缘和轴支承位置的差Lrot用算式(4)
Lrot＝r3-rrot    (4)
表示，将与下游导向叶片13的前后缘半径差L2的关系作为算式(5)
L2/2≥Lrot≥L2(5)
来构成。此外若使轴支承位置过于接近下游导向叶片13前缘，则消除失速的能量的供给变得不充分，效率降低。因此，若将旋转轴设置在满足L2/2≥Lrot≥L2的位置，则能够充分得到间隙的效果。
在本实施例1中，通过与上述的上游导向叶片12、下游导向叶片13一起，在第一级叶轮9a外周设置具有在圆周方向配设的多片扩散器叶片18的带叶片扩散器10，在第二级叶轮9b外周设置不具有扩散器叶片的无叶片扩散器19，因为同时满足作业范围和效率，所以能够得到最佳的结构。
首先，设置在第一级的带叶片扩散器10具有将从第一级叶轮9a排出的制冷剂充分减速并向返回流路11引导的作用。一般地，返回流路11具有使制冷剂的流动从外径方向向内径方向转向的弯曲部20，例如，在为没有扩散器叶片的无叶片扩散器的情况下，不能得到充分的减速，在弯曲部20中产生壁面摩擦损失、碰撞损失，导致效率的降低。
进而，此时在弯曲部20中流动变得不均匀，必须由设置在下游侧的上游导向叶片12整流，需要足够的距离。其结果，上游导向叶片12大型化，在涡轮制冷机用离心压缩机的有限的空间中不能维持算式(3)的关系。
另外，若为了得到充分的减速，向径向延长无叶片扩散器，则在扩散器中的壁面摩擦损失增加，效率降低。图5是表示了上述说明的带叶片扩散器及无叶片扩散器的流量V和效率E的关系的坐标图。此坐标图表示在本实施例1的结构中在第一级设置带叶片扩散器的情况(图5中A所示)与设置无叶片扩散器的情况(图5中B所示)相比，效率明显提高。
根据上述情况，通过设置带叶片扩散器10，并与上游导向叶片12和下游导向叶片13的算式(3)、算式(5)的关系组合，能够在所有的流量范围内谋求离心压缩机的高效率化。
接着，叙述设置在第二级的无叶片扩散器19。如上所述，在本实施例1中，在部分负荷运转时，由下游导向叶片旋转轴14旋转下游导向叶片13，向流体施加旋回成分，消除向叶轮的流入角和叶片入口角的偏差，抑制叶轮的失速。其结果，由于在叶轮出口的流动的一致性被确保，所以，也可以不像以往的那样配置扩散器叶片，对流动进行整流。
另外，一般地，扩散器叶片以在额定运转中叶轮的流出角和扩散器叶片的叶片入口角大致一致的方式设计，此时压缩机能够得到高效率，但是，在部分负荷运转中，因为叶轮的流出角变化，与扩散器叶片的叶片入口角不一致，流动失速，达到动作界限，所以，最好不设置扩散器叶片。
图6是表示带叶片扩散器及无叶片扩散器的流量V和绝热头H的关系的坐标图。此坐标图表示在本实施例1的结构中在第二级设置无叶片扩散器的情况(图6中由C所示)与设置带叶片扩散器的情况(图6中D所示)相比，动作范围提高。即，在图6中，动作范围向低流量侧扩大。
根据上述情况，第二级通过设置无叶片扩散器，并与上游导向叶片12和下游导向叶片13组合，能够谋求部分负荷运转时的动作范围的扩大。另外，在实施例1中，对两级离心压缩机进行了说明，但是，并不限于这样的结构，如下面的实施例2所示，也可以同样适用于三级以上的多级离心压缩机。
[实施例2]
实施例2涉及以蒸气压缩式的制冷循环为基本原理的多级式涡轮制冷机。图7表示有关实施例2的多级离心压缩机的结构图。
如图7所示的那样，离心压缩机1采用了多级式的涡轮型离心压缩机，在第一级吸入部具备入口导向叶片16，各级具有进行旋转驱动的旋转轴8和被保持在旋转轴8上并具有在圆周方向以大致等间隔设置的叶片的叶轮9，作为将级和级相连的静止流路具备返回流路11，并具备将制冷剂排出的涡形管路15，在第一级和中间级的至少一级中，在叶轮9外周设置了具有在圆周方向配设的多片扩散器叶片18的带叶片扩散器10，在最终级的叶轮9外周设置了不具有扩散器叶片的无叶片扩散器19。另外，在返回流路11上设置固定式的上游导向叶片12和可动式的下游导向叶片13，它们分别构成圆形翼列。
在本实施例2的多级离心压缩机中，下游导向叶片13经下游导向叶片旋转轴14可旋转地被支承，与涡轮制冷机的运转状态相应地由安装在叶片上的驱动装置7旋转，使向叶轮9流入的流体的流动角变化。根据此效果，无论在怎样的运转状态下，叶轮9的入口角和向叶轮9流入的制冷剂的流动角都不错开，能够维持离心压缩机1的效率。
进而，若以在设置于具备固定式的上游导向叶片12和可动式的下游导向叶片13的返回流路11的上游侧的带叶片扩散器10中，图7所示的叶轮9的出口半径rA和带叶片扩散器10的出口半径rB之比rB/rA满足算式(6)的关系的方式构成，
1.3＜rB/rA＜1.8(6)
则能够在带叶片扩散器10中得到充分的减速，使在弯曲部20中的碰撞损失、壁面摩擦损失最小化，因此，能够在所有的流量范围内谋求离心压缩机的高效率化。
另外，与叶轮9的出口半径rA和带叶片扩散器10的出口半径rB之比rB/rA相关的算式(6)的关系，不仅适合于本实施例2的多级式离心压缩机，也适合于实施例1的两级式离心压缩机。
在由上述结构构成的离心压缩机中，将在使扩散器和后级叶轮相连的返回流路上设置的导向叶片分割为固定式的上游导向叶片和可动式的下游导向叶片，做成使下游导向叶片可以以旋转轴为中心运动的结构，进而，在初级和中间级的任意一级中设置了带叶片扩散器，在最终级中设置了无叶片扩散器。其结果，能够由下游导向叶片的效果进行后级叶轮的流量控制，在部分负荷下的效率和动作范围扩大。
另外，根据安装在返回流路的上游侧的带叶片扩散器的效果，由于能够将设置在返回流路上的弯曲部中的损失抑制在最小限度，且将一样的流动向上游导向叶片引导，所以，能够谋求离心压缩机的高效率化。
另外，根据下游导向叶片和安装于最终级的无叶片扩散器的效果，部分负荷运转中的失速被抑制，动作范围扩大。通过满足上述结构，在各种各样的流量条件下都能够实现动作范围大且高效率的涡轮制冷机。
另外，本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可进行各种变更。
例如，在上述的实施方式中，设置在返回流路上的导向叶片被分割为固定式的上游导向叶片和可动式的下游导向叶片，但是，也可以是仅设置可动式的下游导向叶片，不设置固定式的导向叶片。
另外，在多级离心压缩机中，可动式的导向叶片不限于设置在全部的返回流路上，只要设置在至少一个返回流路上即可。
符号说明
1：离心压缩机；2：冷凝器；3：受液器；4：节热器；5：蒸发器；6：马达；7：驱动装置；8：旋转轴；9：叶轮；9a：第一级叶轮；9b：第二级叶轮；10：带叶片扩散器；11：返回流路；12：上游导向叶片；13：下游导向叶片；14：下游导向叶片旋转轴；15：涡形管路；16：入口导向叶片；17：固定导向叶片；18：扩散器叶片；19：无叶片扩散器；20：弯曲部。

Claims (5)

1.一种离心压缩机，所述离心压缩机具备多级叶轮；配设在各叶轮的外周的多个扩散器；将扩散器和后级的叶轮相连的返回流路，其特征在于，
在向最终级的叶轮连接的返回流路上，在周方向配置多片可动式的导向叶片，并且，
最终级的扩散器由不设置扩散器叶片的无叶片扩散器构成。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，最终级以外的其它的扩散器中的至少一个由在周方向具备了多片扩散器叶片的带叶片扩散器构成。
3.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，在上述返回流路上，与上述可动式的导向叶片相比在上游侧配置固定式的导向叶片。
4.根据权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，设置上述带叶片扩散器的级的叶轮的出口半径和带叶片扩散器的出口半径之比被设定为1.3～1.8。
5.一种制冷装置，所述制冷装置依次连接离心压缩机、及蒸发器、冷凝器、中间冷却器而构成制冷循环，该离心压缩机具备多级叶轮；配设在各叶轮的外周的多个扩散器；将扩散器和后级的叶轮相连的返回流路，所述制冷装置的特征在于，
在向上述离心压缩机的最终级的叶轮连接的返回流路上，在周方向配置多片可动式的导向叶片，并且，
最终级的扩散器由不设置扩散器叶片的无叶片扩散器构成。
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