CN102341604B - 气体压缩机及气体压缩机的流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备能够抑制失速(stall)及喘振(surge)的可变式扩压器系统的气体压缩机。该气体压缩机包括：I)叶轮，固定在旋转轴上，且外周面上具备包括叶面及端面的多个叶片；II)护罩，围绕叶面；III)环状阀，设置在与叶轮出口相连的扩压器通道上，沿平行于旋转轴的方向移动，以开闭扩压器通道；IV)多个翼片，在扩压器通道中的环状阀外侧沿扩压器通道的圆周方向设置；V)致动器，与环状阀及多个翼片相结合，依次控制环状阀的移动及多个翼片的转动角度。

Description

气体压缩机及气体压缩机的流量控制方法

技术领域

本发明涉及一种气体压缩机，更具体地涉及一种设置在与叶轮(impeller)出口相连的扩压器通道(diffuser channel)上，用于防止失速(stall)及喘振(surge)的可变式扩压器系统(diffuser system)及利用该系统的气体压缩机的流量控制方法。

背景技术

常规的气体压缩机使气体流经旋转中的叶轮，利用叶轮的离心压缩力对气体进行加速及压缩。扩压器通道与叶轮出口相连，以减少噪音并提高送风效率，而且使从叶轮排出的高速高压气体减速，起到将气体的动能转换为压力能量的作用。

若流经叶轮的气体流量减少或者叶轮入口与出口的压力差减小，则气流会变得不稳定。从而，在扩压器通道发生逆流，由此出现失速及喘振现象。尤其，如果气体流量进一步减少或者叶轮入口与出口的压力变得相等，就会进入喘振状态而在扩压器通道内周期性地发生全逆流，从而大幅降低压缩机的效率。

因此，为了能够最大限度地减小失速及喘振的同时控制流量，提出了一种能够改变扩压器通道面积的可变式扩压器。常规的可变式扩压器由沿扩压器通道的圆周方向配置的多个翼片(vane)组成。若流量减少或者叶轮入口与出口的压力差变得越小，可变式扩压器就会缩小扩压器通道的面积，反之，会扩大扩压器通道的面积，以使气流变得稳定。

然而，现有的可变式扩压器无法完全封闭叶轮出口，会允许气体通过叶轮与可变式扩压器之间的空间逆流，因此对于失速及喘振的预防有局限性。而且，现有的可变式扩压器对流量控制范围有局限性，通过现有的可变式扩压器能够控制的最大流量范围是额定流量的大约45％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过改进可变式扩压器系统以切断气体的逆流，从而能够有效地预防失速及喘振的气体压缩机及气体压缩机的流量控制方法。

本发明的另一个目的在于提供一种通过改进可变式扩压器系统，从而能够扩大可控最大流量范围的气体压缩机及气体压缩机的流量控制方法。

根据本发明一实施例的气体压缩机，包括：I)叶轮，其固定在旋转轴上，且外周面上具备包括叶面及端面(edge)的多个叶片(blade)；II)护罩(Shroud)，其具备围绕叶面并与端面平行的外壁；III)环状阀，其设置在与叶轮出口相连的扩压器通道上，用于开闭扩压器通道，而且沿叶轮的放射方向与叶轮端部保持间距。环状阀与护罩外壁相接触并沿护罩外壁滑动移动。

环状阀沿叶轮径向与叶轮端部保持满足以下条件的间距G。

0.002D≤G≤0.008D

其中，D表示叶轮的出口侧直径(mm)。

气体压缩机可进一步包括：在扩压器通道中的环状阀外侧，沿扩压器通道的圆周方向设置的多个翼片。

根据本发明另一实施例的气体压缩机，包括：I)叶轮，其固定在旋转轴上，且外周面上具备包括叶面及端面的多个叶片；II)护罩，其围绕叶面；III)环状阀，其设置在与叶轮出口相连的扩压器通道上，并沿平行于旋转轴的方向移动，以开闭扩压器通道；IV)多个翼片，其沿扩压器通道的圆周方向设置在扩压器通道中的环状阀外侧，且分别具备翼片轴；V)致动器(actuator)，其与环状阀及多个翼片轴相结合，依次控制环状阀的移动及翼片的转动角度。

环状阀沿叶轮的放射方向与叶轮端部保持满足以下条件的间距G。

0.002D≤G≤0.008D

其中，D表示叶轮的出口侧直径(mm)。

护罩的外壁与端面平行，环状阀与护罩的外壁接触并沿护罩的外壁能够滑移。

叶轮可采用叶片之间的空间在护罩内侧越过叶面相互连通的结构。另一方面，叶轮可采用叶片之间的空间在叶面侧被盖板相互分开的结构。

致动器可包括：I)内侧导环，其围绕翼片轴；II)球头连杆(ball lever)，其沿叶轮的放射方向贯穿内侧导环及翼片轴，以使内侧导环与翼片轴相结合；III)外侧导环，其围绕内侧导环，并通过连接部与环状阀连接成一体，且具备倾斜滑孔；IV)固定销，其贯穿倾斜滑孔并固定在内侧导环上。气体压缩机可进一步包括支撑翼片轴、内侧导环及环状阀的扩压器框架(diffuserframe)。

翼片轴上形成有沿叶轮的放射方向贯穿翼片轴的空穴(cavity)，内侧导环上可形成有沿叶轮的放射方向与空穴相对的多个开口部。多个球头连杆可分别包括：球头部件，其压靠在内侧导环的开口部侧壁上；支撑部件，其插入于空穴并固定在翼片轴上。

致动器可进一步包括：I)止动部件，其用于限制内侧导环的转动量；II)控制手柄，其固定在外侧导环上；III)弹性部件，其设置在扩压器框架与固定销之间。

止动部件可包括：I)一对第一杆体，其在内侧导环的一侧，沿圆周方向彼此隔开设置；II)第二杆体，其固定在扩压器框架上，而且其一部分突出地位于一对第一杆体之间。

另一方面，致动器可包括：I)连接件，其固定在翼片轴上；II)导向轴，其与翼片轴保持距离并固定在连接件上；III)控制部件，其一侧面上形成有容置导向轴的第一导槽，通过移动导向轴使翼片轴转动。

第一导槽沿叶轮的放射方向形成，控制部件可进一步包括与第一导槽相连并沿控制部件的圆周方向形成的第二导槽。气体压缩机进一步包括围绕环状阀，并支撑环状阀、翼片轴及控制部件的扩压器框架，扩压器框架在与环状阀重叠的区域内可形成倾斜滑孔。

控制部件可进一步包括第三导槽，所述第三导槽与第二导槽相连，且形成在控制部件的内表面上。致动器可进一步包括固定键，所述固定键贯穿倾斜滑孔，且一端固定在环状阀上，而另一端容置于第三导槽内。

扩压器框架上形成有多个翼片孔，翼片轴沿平行于旋转轴的方向贯穿该翼片孔，倾斜滑孔可在相邻的两个翼片孔之间与翼片孔隔开配置。控制部件与感测气体压缩机的工作条件的控制部相连接，可根据控制部的指令运行。

另一方面，致动器可包括：I)第一致动器，其与多个翼片轴相结合，用于控制翼片的转动角度；II)第二致动器，其与环状阀相结合，用于控制环状阀的移动。第一致动器可包括：I)连接件，其固定在翼片轴上；II)导向轴，其固定在连接件上并与翼片轴保持距离；III)控制部件，其一侧面上形成有用于容置导向轴的第一导槽，通过移动导向轴使翼片转动。

第一导槽沿叶轮的放射方向形成，控制部件可进一步包括第二导槽，该第二导槽与第一导槽相连，并沿控制部件的圆周方向形成。

环状阀在其外表面上形成有扩张环，第二致动器可包括：I)第一喷嘴，其向面对扩压器通道的扩张环的一面喷射压缩空气；II)第二喷嘴，其向远离扩压器通道的扩张环的相反面喷射压缩空气。

气体压缩机可进一步包括设置在扩压器框架与环状阀之间的顶盖。第一喷嘴横跨顶盖和扩压器框架而形成，第二喷嘴可形成在顶盖上。控制部件、第一喷嘴及第二喷嘴与感测气体压缩机的工作条件的控制部相连接，可根据控制部的指令运行。

根据本发明一实施例的气体压缩机的流量控制方法，包括：I)第一步骤，初始启动时关闭环状阀进而封闭扩压器通道，且关闭多个翼片，以在环状阀的外侧缩小扩压器通道的面积；II)第二步骤，为了额定驱动而开启环状阀，以开放扩压器通道；III)第三步骤，开启多个翼片，以在环状阀的外侧扩大扩压器通道的面积。

在第三步骤之后，为了停止运行，气体压缩机的流量控制方法可进一步包括：I)第四步骤，关闭多个翼片，以在环状阀的外侧缩小扩压器通道的面积；II)第五步骤，关闭环状阀以封闭扩压器通道。

根据本实施例的气体压缩机具备环状阀以封闭叶轮的整个出口，从而使压缩气体无法流出叶轮或者阻止使用处的压缩气体逆流到叶轮中。因此，初始启动时可进行无负载运行，而且在驱动及停止时可有效地防止因气体逆流而产生的失速及喘振。此外，通过联动驱动环状阀及多个翼片，能够扩大可控最大流量范围。

此外，根据本实施例的气体压缩机利用单一致动器依次控制环状阀的移动及翼片的转动角度，从而可以简化用于控制环状阀和翼片转动角度的可变式扩压器系统的机构构成。因此，易于制作及组装零部件，从而能够降低制造成本。

另外，根据本实施例的气体压缩机，由于环状阀驱动时几乎不产生噪音，因此不必安装消音器，而且由于不是通过连通压缩气体和大气来控制压缩气体的流动的结构，因此可以免去管道的设置。

附图说明

图1是本发明第一实施例的气体压缩机的局部剖视图。

图2是图1所示气体压缩机的局部放大图。

图3是表示图1所示气体压缩机的叶轮及环状阀的平面图。

图4是表示比较例之气体压缩机的叶轮及环状阀的平面图。

图5是根据环状阀与叶轮端部的间距变化而改变的振动状态的检测曲线图。

图6及图7是图1所示气体压缩机的可变式扩压器系统的分解立体图。

图8是图7所示可变式扩压器系统中的外侧导环、环状阀及连接部的剖视图。

图9是图1所示气体压缩机的可变式扩压器系统的结合状态的立体图。

图10至13是本发明第一实施例之气体压缩机中，为了说明流量控制方法所表示的可变式扩压器系统的示意图。

图14是本发明第二实施例的气体压缩机的局部剖视图。

图15是图14所示气体压缩机的局部放大图。

图16是图14所示气体压缩机中可变式扩压器系统的分解立体图。

图17是图16的局部放大图。

图18是表示图17所示扩压器框架与环状阀的结合状态的立体图。

图19是图14所示气体压缩机中可变式扩压器系统的右视图。

图20是图19所示可变式扩压器系统的构成中，表示控制部件的一部分、导向轴及固定键的局部放大立体图。

图21至23是分别表示图19所示(a)处、(b)处及(c)处的环状阀和翼片状态的立体图。

图24是本发明第三实施例的气体压缩机的局部剖视图。

图25是图24所示气体压缩机中可变式扩压器系统的分解立体图。

图26是图24所示可变式扩压器系统的右视图。

图27是图24所示气体压缩机的局部放大图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的实施例，以使所属领域的普通技术人员容易实施。本发明能够实施为各种不同形式，并不局限于下述实施例。

图1是本发明第一实施例的气体压缩机100的局部剖视图。

请参照图1，第一实施例的气体压缩机100，包括：旋转轴11、叶轮12、护罩13、环状阀14、多个翼片15(图1中示出一个翼片)及致动器20。图1所示的气体压缩机100以旋转轴11的中心线(A-A线)为基准左右对称。

叶轮12固定在旋转轴11上，旋转轴11结合在未图示的电动机旋转轴上。叶轮12的外周面上形成有弯曲放射状的多个叶片16。叶片16包括以预定曲率形成的叶面161及连接于叶面161并与旋转轴11平行的端面162。护罩13设置成与叶面161相隔预定距离且围绕叶轮12。

当叶轮12通过电动机的驱动而旋转时，外部气体会流入到旋转的叶轮12中，并且在流经叶片16之间的空间的同时被加速及压缩后，排出到叶片16的端面162外侧。图1中用箭头示出了气体的流入方向和排出方向。本实施例中“叶轮出口”是指排出压缩气体的叶轮12的端部周围。

扩压器通道17位于叶轮12出口的外侧。扩压器通道17是形成在排出涡管(scroll)18与扩压器框架30之间空间，呈具有预定高度和宽度的环状。扩压器通道17和排出涡管18的内部通道相连，使从叶轮12排出的高速高压气体扩散及减速，从而起到将气体的动能转换为压力能量的作用。

本实施例中，环状阀14、多个翼片15及致动器20构成可变式扩压器系统。环状阀14用于开闭扩压器通道17，在初始启动时封闭扩压器通道17，以防止失速和喘振。多个翼片15的工作使其转动角度发生变化，在环状阀14的外侧改变扩压器通道17的面积，以稳定气流。致动器20与环状阀14及多个翼片15相机构式结合，依次控制环状阀14的移动和翼片15的转动角度。

图2是图1所示气体压缩机100的局部放大图，表示了环状阀14向排出涡管18下降而封闭扩压器通道17的状态。图3是表示图1所示气体压缩机100的叶轮12及环状阀14的平面图。

请参照图2及图3，护罩13的外壁131平行于叶片16的端面162，而且沿叶轮12的放射方向与端面162及叶轮12端部保持预定间距。其中，“放射方向”定义为从叶轮12的中心沿着正交于旋转轴11的方向向四周延伸的方向。

环状阀14与护罩13的外壁相接触，通过沿护罩的外壁131滑动来开闭扩压器通道17。因此，当环状阀14向排出涡管18下降而封闭扩压器通道17时，与端面162及叶轮12的端部保持预定间距。

本实施例中，将沿叶轮12的放射方向检测到的环状阀14与叶轮12端部的间距G(请参照图2的放大部分及图3)设定为，基于叶轮12的出口侧直径D(mm)(请参照图3)满足下述条件。

0.002D≤G≤0.008D  ———(1)

间距G的最小值考虑了叶轮12和环状阀14的热膨胀及旋转轴11的半径方向间隙等限制因素。即，若间距G小于0.002D，则由于叶轮12和环状阀14的热膨胀，叶轮12和环状阀14有可能会接触，在设置过程中难以精确调整旋转轴11与叶轮12的间隙。另外，如果组装精度过低，气体压缩机运转时叶轮12与环状阀14有可能相互碰撞。

间距G的最大值考虑了预防失速和喘振的环状阀14的功能。即，如果间距G大于0.008D，则会允许气体通过叶轮12与环状阀14之间的空间逆流，从而导致失速及喘振，其结果会大幅降低气体压缩机100的稳定性及效率。对于第一实施例的气体压缩机100，将环状阀14与叶轮12端部的间距G设定成越接近条件(1)范围中的最小值，就越能实现高效率。

叶轮12的出口侧直径D可为10～800mm，此时环状阀14与叶轮12端部的间距G根据条件(1)设为0.02～6.4mm。气体压缩机100为7000rpm以上的高速气体压缩机时，根据额定风量及压力会有些差异，但是叶轮12的出口侧直径D为50mm时，间距G可以是0.2mm，而叶轮12的出口侧直径D为500mm时，间距G可以是2mm。

图4是表示环状阀14′与叶轮12端部的间距G2大于0.008D的比较例之气体压缩机的叶轮12及环状阀14′的平面图。参照图3及图4说明满足条件(1)的实施例之气体压缩机和，不能满足条件(1)的比较例之气体压缩机之间产生稳定性及效率差异的理由。图3及图4中箭头B表示叶轮12的旋转方向。

首先，请参照图3，本实施例中气体压缩机100的环状阀14沿叶轮12的周围与叶轮12端部保持满足条件(1)的间距G。例如，叶轮出口侧直径D为200mm时，间距G设在0.4～1.6mm范围内。

本实施例的气体压缩机100中，若使环状阀14下降而封闭扩压器通道17，则叶轮12除了外部气体流入的流入口之外，会被护罩13及环状阀14完全包围。在此状态下，如果进行初始启动，在叶片16之间的空间19被压缩的气体无法排出到叶轮12的外侧，而且由于离心力无法逆流出叶轮12，会在同一空间内继续旋转。

图3中用点划线箭头示出了压缩气体的旋转方向。整个叶片16之间的空间19被压缩气体填满，从叶轮12入口无法吸入更多的外部气体。

其结果，初始启动时，除了吸入最少量的气体之外，未进一步吸入气体的状态下上升至额定转数，因而能够进行无负载运行，而且能够预防由于气体逆流而导致的失速及喘振。此外，因与排出涡管18相连的使用处等的问题，即使气体向叶轮12逆流的情况下，用环状阀14封闭扩压器通道17就能切断气体逆流，因此能够有效地抑制失速及喘振。

请参照图4，比较例之气体压缩机中，环状阀14′沿叶轮12的周围与叶轮12的端部保持未满足条件(1)的间距G2。例如，叶轮12的出口侧直径D为200mm时，间距G2大于1.6mm。

比较例的情况下，通过叶轮12和环状阀14′之间的空间允许气体逆流。即，叶轮12旋转时，在叶片16之间的空间19内被压缩的气体，通过叶轮12和环状阀14′之间的空间，沿叶轮12旋转方向的反方向逆流到其他叶片16之间的空间内，进而流向叶轮12入口。图4中用箭头示出了压缩气体的移动方向。因此，比较例的气体压缩机中不可能进行无负载运行，会容许因气体逆流而导致的失速及喘振。

图5是表示根据环状阀与叶轮端部的间距G的变化而改变的振动状态检测曲线图。用于实验的气体压缩机中，叶轮的出口侧直径D为200mm，叶片高度为18mm，而且在常温及大气压条件下进行了实验。环状阀与叶轮端部的间距G根据条件(1)大于0.4mm且每次扩大0.2mm，并检测出叶轮的振动值。

请参照图5，环状阀与叶轮端部的间距G越大振动值越高，但间距G为1.6mm以下的区域属于正常工作范围。相反地，间距G大于1.6mm时，振动值急剧上升，可确认进入了初始失速及喘振区域。从图5的结果可知，未满足条件(1)的比较例之气体压缩机的稳定性及效率大幅降低。

第一实施例的气体压缩机100中，环状阀14不仅具有基本的流量控制功能，而且更主要地具有封闭整个叶轮12出口的功能，以用于压缩气体不能脱离叶轮12。因此，利用环状阀14来切断气体逆流，能够有效地预防失速及喘振。

致动器20与环状阀14及多个翼片15相机构结合，依次控制环状阀14的移动和翼片15的转动角度。下面，对环状阀14和多个翼片15以及致动器的结合结构进行说明。

图6及图7是图1所示气体压缩机100的可变式扩压器系统的分解立体图。

请参照图6及图7，多个翼片15沿扩压器通道17的圆周方向以等间距配置在扩压器框架30的一侧。各翼片15上固定有翼片轴21，翼片轴21上沿放射方向形成有贯穿翼片轴21的空穴211。

扩压器框架30由相互隔开配置的第一法兰31、第二法兰32及连接第一法兰31的内侧端部与第二法兰32的内侧端部的连接法兰33构成。第一法兰31及第二法兰32上，沿圆周方向以等间距配置有用于安装翼片轴21的多个第一开口部301。

致动器20包括：围绕多个翼片轴21的内侧导环22；连接翼片轴21和内侧导环22的多个球头连杆23；围绕内侧导环22且与环状阀14连接成一体的外侧导环24；连接内侧导环22和外侧导环24的多个固定销25。

内侧导环22上沿圆周方向以等间距配置有多个第二开口部221，所述第二开口部221沿叶轮12的放射方向贯穿内侧导环22。如果翼片轴21贯穿扩压器框架30的第一开口部301而结合在扩压器框架30上，内侧导环22会配置在连接法兰33和第二法兰32的外侧，从而围绕多个翼片轴21。此时，翼片轴21的空穴211与内侧导环22的第二开口部221沿放射方向相互对置。

球头连杆23贯穿内侧导环22的第二开口部221及翼片轴21的空穴211而固定在翼片轴21上。球头连杆23包括压靠在内侧导环22的第二开口部221侧壁上的球头部件231，以及插入于空穴211并固定在翼片轴21上的支撑部件232。因此，当内侧导环22转动时，通过球头连杆23带动翼片轴21与内侧导环22联动转动。

扩压器框架30和内侧导环22上设有限制内侧导环22转动量的止动部件26。止动部件26包括一对第一杆体27和第二杆体28。所述一对第一杆体27在内侧导环22一侧，沿圆周方向彼此隔开设置，所述第二杆体28固定在扩压器框架30上，而且其一部分突出设置而位于一对第一杆体27之间。一对第一杆体27之间的距离相当于内侧导环22的最大转动距离，通过一对第一杆体27中的任何一个第一杆体27被第二杆体28卡住，以此限制内侧导环22的转动。

另一方面，翼片轴21上形成有用于插入固定螺丝29的内部空间，用固定螺丝29能够拧紧球头连杆23。另外，连接法兰33上形成有沿叶轮12的放射方向贯穿连接法兰33的多个第三开口部331。在分解可变式扩压器系统时，从连接法兰33的内侧向第三开口部331推入工具，进而推出球头连杆23，能够从翼片轴21分离出球头连杆23。

外侧导环24和环状阀14彼此平行，并通过连接件34与环状阀14形成为一体。图8是图7所示可变式扩压器系统的外侧导环24、环状阀14及连接部34的剖面图。请参照图8，外侧导环24的形成高度小于环状阀14，连接部34将环状阀14的端部和外侧导环24的端部连接成一体。

请再参照图6及图7，外侧导环24上形成有至少一个倾斜滑孔35。例如，沿外侧导环24的圆周方向可配置4个倾斜滑孔35。具有与倾斜滑孔35相同数量的固定销25，各固定销25贯穿倾斜滑孔35并固定在内侧导环22上。

图9是表示图1所示气体压缩机100的可变式扩压器系统的结合状态立体图。

请参照图9，扩压器框架30与固定销25之间设有弹性部件36。弹性部件36的一端固定在扩压器框架30上，弹性部件36的另一端固定在固定销25上。弹性部件36利用回复力发挥向顺时针方向(以附图为基准)拉拽固定销25的拉力。

而且，外侧导环24上装有控制手柄37，通过控制手柄37来控制外侧导环24的转动。控制手柄37连接在控制部38且根据控制部38的指令运行，所述控制部38用于感测由于流经叶轮12的气体流量、叶轮12入口与出口的压力差、使用处等问题而产生的气体逆流等气体压缩机100的工作条件。

参照图9至图13，对利用可变式扩压器系统的气体压缩机100的流量控制方法进行说明。下面提到的“顺时针方向”和“逆时针方向”以附图为基准。

图10及图11表示初始启动阶段的环状阀14和翼片15的状态。请参照图10及图11，初始启动时外侧导环24和环状阀14下降，环状阀14封闭扩压器通道17。另外，多个翼片15保持关闭状态，借此在环状阀14的外侧最大限度地减小扩压器通道17的面积(第一步骤)。

此时，固定销25位于倾斜滑孔35的上端。虽然，弹性部件36通过回复力向顺时针方向拉拽固定销25，但是内侧导环22由于止动部件26无法再向顺时针方向转动。从而在指定的最低流量位置上，限制翼片15的角度。

如上所述，如果在用环状阀14封闭扩压器通道17的状态下开始启动，如同参照图3所进行的说明，能够进行无负载运行。而且，能够防止压缩气体的逆流，从而抑制失速和喘振。

之后，为了额定驱动向逆时针方向转动控制手柄37和外侧导环24。那么如图9所示，固定销25起到倾斜导向作用，外侧导环24从扩压器框架30上升。因此，环状阀14上升，从而开放扩压器通道17(第二步骤)。

此时，由于弹性部件36向顺时针方向拉拽固定销25，因此内侧导环22及被其联动的翼片15不会转动，保持最低流量位置。第二步骤中固定销25位于倾斜滑孔35的下端。

接着，进一步向逆时针方向转动控制手柄37及外侧导环24。那么如图12及图13所示，外侧导环24在高度不变的情况下，克服施加于固定销25上的弹性部件36的回复力，向逆时针方向带着固定销25转动。由此，带动固定销25、内侧导环22及翼片轴21，从而开放翼片15进而扩大扩压器通道17的面积(第三步骤)。在此过程中，固定销25移动至内侧导环22被止动部件26停转为止。

其次，用于停止运行的操作顺序和上述过程相反。

即，在图12的状态下，如果向顺时针方向转动控制手柄37，由于弹性部件36向顺时针方向拉拽固定销25，因而固定销25对外侧导环24无法起到倾斜导向作用。因此，外部导环24在无高度变化的情况下，只是向顺时针方向转动，被弹性部件36的回复力拉拽的固定销25向顺时针方向移动，从而关闭翼片15(第四步骤，参照图9)。在此过程中，固定销25移动至内侧导环22被止动部件26停转为止。

而且，在图9的状态下，如果向顺时针方向进一步转动控制手柄37，由于固定销25起到倾斜导向作用，如图11所示外部导环24和环状阀14下降，从而封闭扩压器通道17(第五步骤)。因此，从额定驱动至叶轮12停止的时段，也能有效地抑制喘振。

如上所述，本实施例的气体压缩机100利用单一致动器20来一同控制环状阀14和多个翼片15，从而能够简化用于控制的机构构成。另外，本实施例的气体压缩机100依次驱动环状阀14和翼片15，因此能够将用可变式扩压器系统来控制的流量范围最大扩大至100％。本实施例中，环状阀14的流量控制范围大致为0～45％，翼片15的流量控制范围大致为45～100％。

另一方面，图1至图3中示出了叶片16之间的空间在护罩13的内侧越过叶面161能够相互连通的结构，但是也可适用叶面上固定有盖板(未图示)，从而叶片16之间的空间在叶面161侧被相互分离的结构。

即，后者的情况下，叶轮12中除了气体流入的入口和排出压缩气体的出口(端面侧)，叶片16之间的空间被盖板分离。盖板随叶轮12一起旋转，并在护罩13内侧与护罩13保持距离。对于后者而言，除了盖板，气体压缩机100的形状与前述实施例的结构均相同，环状阀14与叶轮12端部的间距G也满足前述条件(1)。

图14是本发明第二实施例的气体压缩机200的局部剖视图，图15是图14所示气体压缩机200的局部放大图，图示了环状阀141向排出涡管18下降，进而封闭扩压器通道17的状态。

请参照图14及图15，第二实施例的气体压缩机200包括：旋转轴11、叶轮12、护罩132、环状阀141、多个翼片15(图14中示出一个翼片)及致动器40。

第二实施例的气体压缩机200除了环状阀141、致动器40及扩压器框架50的形状，其他结构与前述第一实施例的气体压缩机100相同。与第一实施例相同的部件使用相同的符号，下面主要说明不同于第一实施例的部分。

图16是图14所示气体压缩机200中可变式扩压器系统的分解立体图，图17是图16的局部放大图。

请参照图16及图17，多个翼片15沿扩压器通道17的圆周方向以等间距配置在扩压器框架50的一侧，各翼片15上固定有翼片轴21。

扩压器框架50包括环状的法兰51及从法兰51的内侧以预定高度延伸的圆筒状支撑部52。法兰51在护罩132的内部与排出涡管18对置，从而在与排出涡管18之间形成扩压器通道17。支撑部52从法兰51的内侧沿远离排出涡管18的方向延伸。

支撑部52上形成有沿平行于旋转轴11的方向贯穿支撑部52的多个翼片孔53。而且，各翼片轴21插入于翼片孔53中，翼片15和翼片轴21被扩压器框架50支撑。此时，翼片轴21的长度大于支撑部52的高度，并且翼片轴21结合在扩压器框架50之后，翼片轴21的端部向支撑部52的外侧突出。

翼片轴21的端部固定在连接件41的一端，导向轴42固定在连接件41的另一端且与翼片轴21相隔预定距离。连接件41和导向轴42的数量对应于翼片轴21的数量，并且导向轴42的长度小于翼片轴21。随着翼片轴21通过连接件41与导向轴42相连接，如果导向轴42以翼片轴21为中心旋转移动，翼片轴21会转动从而能够调节翼片15的开闭程度。

环状阀141结合在支撑部52的内侧，并且环状阀141的外表面压靠在支撑部52的内表面上。支撑部52上形成有沿叶轮12的放射方向贯穿支撑部52的多个倾斜滑孔54。倾斜滑孔54位于相邻的两个翼片孔53之间，以免与翼片孔53相连，而且针对平行于旋转轴11的方向倾斜配置。

图18是表示图17所示扩压器框架50与环状阀141的结合状态的立体图。

请参照图18，环状阀141结合在支撑部52的内侧之后，多个固定键55从支撑部52的外侧贯穿倾斜滑孔54而固定在环状阀141上。此时，固定键55的端部向支撑部52的外侧突出。而且，固定键55的宽度小于倾斜滑孔54的宽度，以使固定键55沿倾斜滑孔54的长度方向移动。

如果固定键55位于远离法兰51的倾斜滑孔54端部，环状阀141与排出涡管18保持距离，从而开放扩压器通道17。相反地，如果固定键55位于面向法兰51的倾斜滑孔54端部，环状阀141与排出涡管18接触，从而封闭扩压器通道17。用实线图示了前者的情况，并用点划线图示了后者的情况。

请再参照图16及图17，支撑部52的外侧设有环状控制部件43。控制部件43与固定键55相结合而移动固定键55，从而控制环状阀141的前后移动。与此同时控制部件43也与导向轴42结合而旋转移动导向轴42，从而控制翼片15的转动角度。第二实施例的气体压缩机200中，由控制部件43、多个连接件41、多个导向轴42及多个固定键55构成致动器40。

控制部件43的一侧沿放射方向形成有多个第一导槽431。而且，与第一导槽431相连的第二导槽432沿控制部件43的圆周方向形成。第一导槽431及第二导槽432的数量对应于翼片轴21的数量。此外，控制部件43的内面上沿控制部件43的厚度方向形成有第三导槽433。第三导槽433的数量对应于固定键55的数量，并且与第二导槽相连。

导向轴42容置于第一导槽431及第二导槽432中，并在控制部件43转动时沿第一导槽431及第二导槽432移动。固定键55容置于第三导槽433中，并在控制部件43转动时沿第三导槽433移动。控制部件43的外表面上设有用于向控制部件43传递旋转动力的控制手柄37。控制手柄37与控制部38相连接且根据控制部38的指令运行。

图19是图14所示气体压缩机200中可变式扩压器系统的右视图，图20是表示图19所示可变式扩压器系统的构成中，示出控制部件43的一部分、导向轴42及固定键55的局部放大立体图。

请参照图19及图20，控制部件43根据转动方向和转动角度依次控制环状阀141的位置及翼片15的转动角度。即，在(a)处与(b)处之间的第一区间，通过控制部件43的转动来控制环状阀141的移动量。而且，在(b)处与(c)处之间的第二区间，通过控制部件43的转动来控制翼片15的转动角度。

首先，在(a)处固定键55位于面向排出涡管18的倾斜滑孔54端部(参照图18的点划线表示)。因此，环状阀141与排出涡管18接触，从而封闭扩压器通道17。此时，固定键55的端部位于面向排出涡管18的第三导槽433的端部。此外，在(a)处导向轴42位于远离第一导槽431的第二导槽432端部。在此状态下，翼片15对环状阀141外表面切线的倾斜角度最小，从而缩小扩压器通道17的面积。

当控制手柄37从(a)处向(b)处移动而控制部件43向逆时针转动时，固定键55沿第三导槽433向远离排出涡管18的方向移动。因此，环状阀141向后移动，从而开放扩压器通道17。

虽然在第一区间导向轴42的位置没有变化，但是由于控制部件43的转动，导向轴42在(b)处位于与第一导槽431相连的第二导槽432端部。由于在第一区间导向轴42的位置没有变化，翼片15依然保持关闭状态。如上所述，在第一区间翼片15的转动角度没有变化的情况下，能够控制环状阀141的移动量。

当控制手柄37从(b)处向(c)处移动而控制部件43向逆时针方向转动时，导向轴42沿第一导槽431滑移，从而使翼片轴21转动。因此，翼片15转动至对环状阀141外表面切线的倾斜角度最大，从而扩大扩压器通道17的面积。

虽然在第二区间固定键55的位置没有变化，但是由于控制部件43的转动，固定键55在(c)处位于与第一导槽431相连的第二导槽432端部。由于在第二区间固定键55的位置没有变化，环状阀141依然保持开启状态。如上所述，在第二区间环状阀141没有移动的情况下，能够控制翼片15的转动角度。

参照图21至图23对利用了可变式扩压器系统的流量控制方法进行说明。

图21是表示图19所示(a)处的环状阀141和翼片15的状态立体图。

请参照图21，初始启动时环状阀141从扩压器框架50上升，从而封闭扩压器通道17。而且，多个翼片15保持关闭状态，从而在环状阀141的外侧缩小扩压器通道17的面积(第一步骤)。如上所述，当用环状阀141封闭扩压器通道17的状态下开始启动时，能够进行无负载运行。而且，防止压缩气体的逆流，因而能够抑制失速及喘振。

图22是表示图19所示(b)处的环状阀141和翼片15的状态立体图。

请参照图22，当为了额定驱动向逆时针方向(图19为基准)转动控制手柄37和控制部件43时，固定键55沿第三导槽433移动并使环状阀141向后移动，从而在环状阀141的位置开放扩压器通道17(第二步骤)。此时，多个翼片15依然保持初始状态。

图23是表示图19所示(c)处的环状阀141和翼片15的状态立体图。

请参照图23，如果向逆时针方向(图19为基准)进一步转动控制手柄37和控制部件43，导向轴42沿第一导槽431移动并转动翼片轴21。因此，多个翼片15转动到最大流量位置，从而开放扩压器通道17(第三步骤)。

在第三步骤实现额定驱动，控制部38根据感测到的工作状态控制翼片15，进而为了气流的稳定而改变扩压器通道17的面积。此外，在额定驱动时，如果检测到使用处等问题而导致的流向叶轮12的气体逆流，可变式扩压器系统将会复位到图11所示的初始位置，以便用环状阀141封闭扩压器通道17，以防止产生喘振。

停止运行的操作顺序与上述过程相反。

若向顺时针方向(图19为基准)转动控制手柄37和控制部件43，则如图22所示翼片15就会关闭并缩小扩压器通道17的面积(第四步骤)。然后，若进一步向顺时针方向(图19为基准)转动控制手柄37和控制部件43，则如图21所示环状阀141从扩压器框架50上升，从而封闭扩压器通道17(第五步骤)。因此，在从额定驱动达到叶轮12停止的时段，也能有效地抑制产生喘振。

图24是本发明第三实施例的气体压缩机的局部剖视图。

请参照图24，第三实施例的气体压缩机300不同于前述的第二实施例的结构，由分别不同的致动器控制多个翼片15和环状阀142。即，第三实施例的气体压缩机300包括：第一致动器60，其与翼片轴21相结合，用于控制翼片15的转动角度；第二致动器70，其利用压缩空气来控制环状阀142的前后移动。

除了第一致动器60及第二致动器70的结构，翼片15及环状阀142的基本结构及作用和前述第二实施例相同。与第二实施例相同的部件使用相同的符号，下面主要说明不同于第二实施例的部分。

图25是图24所示气体压缩机300中可变式扩压器系统的分解立体图，图26是图24所示可变式扩压器系统的右视图。

请参照图25及图26，翼片15及翼片轴21的形状与第二实施例相同。除了支撑部52上未形成倾斜滑孔，而扩压器框架56上形成有下面要说明的第一喷嘴71之外，扩压器框架56的形状与前述的第二实施例相同。

控制部件44一侧面上沿放射方向形成有多个第一导槽441。翼片轴21与扩压器框架56结合后，其端部向支撑部52的外侧突出，且翼片轴21的端部固定在连接件41的一端上。导向轴42固定在连接件41的另一端上，且与翼片轴21相隔预定距离。导向轴42容置于第一导槽441中，连接件41配置成与放射方向平行。控制部件44的外表面设有用于向控制部件44传递旋转动力的控制手柄37。

第三实施例中，由多个连接件41、多个导向轴42及控制部件44构成第一致动器60。当控制部件44向顺时针方向(图26为基准)转动时，导向轴42沿第一导槽441向顺时针方向转动，并使翼片轴21及翼片15向同一方向转动，从而扩大扩压器通道17的面积。相反地，当控制部件44向逆时针方向(图26为基准)转动时，导向轴42沿第一导槽441向逆时针方向转动，并使翼片轴21及翼片15向同一方向转动，从而缩小扩压器通道17的面积。

图27是图24所示气体压缩机300的局部放大图，图示了环状阀142向排出涡管18前进而封闭扩压器通道17的状态。

请参照图25及图27，环状阀142在其外表面上形成扩张环143，并且结合在支撑部件52的内侧，扩张环143的外表面压靠在支撑部52的内表面上。支撑部52与环状阀142之间设有顶盖45，顶盖45通过螺接固定在支撑部52上。和第二实施例一样，从叶轮12出口沿叶轮12的放射方向，环状阀142与叶轮12的端部保持满足前述条件(1)的间距G。

第二致动器70包括：形成在顶盖45和支撑部52上，且向面对扩压器通道17的扩张环143的一面(图27为基准扩张环的左侧面)喷射压缩空气的第一喷嘴71；形成在顶盖45上，且向远离扩压器通道17的扩张环143的另一面(图27为基准扩张环的右侧面)喷射压缩空气的第二喷嘴72。

因此，当第一喷嘴71被开放而通过第一喷嘴71喷射压缩空气时，扩张环143会受到远离排出涡管18的推力而使环状阀142向后移动，进而开放扩压器通道17。相反地，当第二喷嘴72被开放而通过第二喷嘴72喷射压缩空气时，扩张环143会受到靠近排出涡管18的推力而使环状阀142向前移动，进而封闭扩压器通道17。

第三实施例的可变式扩压器系统中，第一致动器60的控制手柄37和第二致动器70的第一喷嘴71及第二喷嘴72与控制单元38相连接，从而根据控制部38的指令依次运转。利用环状阀142和多个翼片15的气体压缩机300流量控制方法与前述的第二实施例相同。

另一方面，图12及图27中示出了叶片16之间的空间在护罩132的内侧越过叶面161能够相互连通的结构，但是也可适用叶面上固定有盖板(未图示)，叶片16之间的空间在叶面161侧被相互分离的结构。

以上对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明并不局限于此，在权利要求书和说明书及附图范围内能够以各种方式变形并实施，这也理所当然地属于本发明的范围。

Claims (21)

1.一种气体压缩机，包括：

叶轮，固定在旋转轴上，且外周面上具备包括叶面及端面的多个叶片；

护罩，围绕所述叶面；

环状阀，设置在与所述叶轮出口相连的扩压器通道上，并沿平行于所述旋转轴的方向移动，以开闭所述扩压器通道；

多个翼片，沿所述扩压器通道的圆周方向设在所述扩压器通道中的所述环状阀的外侧，且分别具备翼片轴；

致动器，与所述环状阀及所述多个翼片轴相结合，依次控制所述环状阀的移动及所述翼片的转动角度。

2.根据权利要求1所述的气体压缩机，其中所述环状阀沿所述叶轮的放射方向与所述叶轮的端部保持满足以下条件的间距G，

0.002D≤G≤0.008D

其中，D表示所述叶轮的出口侧直径(mm)。

3.根据权利要求2所述的气体压缩机，其中所述护罩的外壁与所述端面平行，所述环状阀与所述护罩的外壁接触并沿所述护罩的外壁滑移。

4.根据权利要求3所述的气体压缩机，其中所述叶轮采用所述叶片之间的空间在所述护罩的内侧越过所述叶面相互连通的结构。

5.根据权利要求3所述的气体压缩机，其中所述叶轮采用所述叶片之间的空间在所述叶面侧被盖板相互分开的结构。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的气体压缩机，其中所述致动器包括：

内侧导环，围绕所述翼片轴；

多个球头连杆，沿所述叶轮的放射方向贯穿所述内侧导环和所述翼片轴，以使所述内侧导环与所述翼片轴相结合；

外侧导环，围绕所述内侧导环，并通过连接部与所述环状阀连接成一体，且具备倾斜滑孔；

固定销，贯穿所述倾斜滑孔并固定在所述内侧导环上；

而且，所述气体压缩机进一步包括支撑所述翼片轴、所述内侧导环及所述环状阀的扩压器框架。

7.根据权利要求6所述的气体压缩机，其中所述翼片轴上形成有沿所述叶轮的放射方向贯穿所述翼片轴的空穴，所述内侧导环上形成有沿所述叶轮的放射方向与所述空穴对置的多个开口部。

8.根据权利要求7所述的气体压缩机，其中所述多个球头连杆分别包括：球头部件，压靠在所述内侧导环的开口部侧壁上；支撑部件，插入于所述空穴并固定在所述翼片轴上。

9.根据权利要求6所述的气体压缩机，其中所述致动器进一步包括：

止动部件，用于限制所述内侧导环的转动量；

控制手柄，固定在所述外侧导环上；

弹性部件，设置在所述扩压器框架与所述固定销之间。

10.根据权利要求9所述的气体压缩机，其中所述止动部件包括：

一对第一杆体，在所述内侧导环的一侧，沿圆周方向彼此隔开设置；

第二杆体，固定在所述扩压器框架上，而且所述第二杆体的一部分突出地位于所述一对第一杆体之间。

11.根据权利要求1至5中的任何一项所述的气体压缩机，其中所述致动器包括：

连接件，固定在所述翼片轴上；

导向轴，与所述翼片轴保持距离并固定在所述连接件上；

控制部件，一侧面上形成有容置所述导向轴的第一导槽，通过移动所述导向轴使所述翼片轴转动。

12.根据权利要求11所述的气体压缩机，其中所述第一导槽沿所述叶轮的放射方向形成，所述控制部件进一步包括与所述第一导槽相连并沿所述控制部件的圆周方向形成的第二导槽。

13.根据权利要求12所述的气体压缩机，其中进一步包括围绕所述环状阀，并支撑所述环状阀、所述翼片轴及所述控制部件的扩压器框架，

其中所述扩压器框架在与所述环状阀重叠的区域内形成倾斜滑孔。

14.根据权利要求13所述的气体压缩机，其中所述控制部件进一步包括第三导槽，所述第三导槽与所述第二导槽相连，且形成在所述控制部件的内表面上，

所述致动器进一步包括固定键，所述固定键贯穿倾斜滑孔，且一端固定在所述环状阀上，而另一端容置于所述第三导槽内。

15.根据权利要求13所述的气体压缩机，其中所述扩压器框架上形成有多个翼片孔，所述翼片轴沿平行于旋转轴的方向贯穿所述翼片孔，所述倾斜滑孔在相邻的两个翼片孔之间与所述翼片孔隔开配置。

16.根据权利要求11所述的气体压缩机，其中所述控制部件与感测所述气体压缩机的工作条件的控制部相连接，根据控制部的指令运行。

17.根据权利要求1至5中的任何一项所述的气体压缩机，其中所述致动器包括：

第一致动器，与所述多个翼片轴相结合，用于控制所述翼片的转动角度；

第二致动器，与所述环状阀相结合，用于控制所述环状阀的移动；

其中，所述第一致动器包括：

连接件，固定在所述翼片轴上；

导向轴，固定在所述连接件上并与所述翼片轴保持距离；

控制部件，一侧面上形成有用于容置所述导向轴的第一导槽，通过移动所述导向轴使翼片转动。

18.根据权利要求17所述的气体压缩机，其中所述第一导槽沿所述叶轮的放射方向形成，

所述控制部件进一步包括第二导槽，该第二导槽与所述第一导槽相连，并沿所述控制部件的圆周方向形成。

19.根据权利要求17所述的气体压缩机，其中所述环状阀在外表面上形成有扩张环，

所述第二致动器包括：

第一喷嘴，向面对所述扩压器通道的所述扩张环的一面喷射压缩空气；

第二喷嘴，向远离所述扩压器通道的所述扩张环的相反面喷射压缩空气。

20.根据权利要求19所述的气体压缩机，其中进一步包括支撑所述环状阀、所述翼片轴及所述控制部件的扩压器框架；及设置在所述扩压器框架和所述环状阀之间的顶盖，

所述第一喷嘴横跨所述顶盖和所述扩压器框架而形成，所述第二喷嘴形成在所述顶盖上。

21.根据权利要求19所述的气体压缩机，其中所述控制部件、所述第一喷嘴及所述第二喷嘴与感测所述气体压缩机的工作条件的控制部相连接，根据所述控制部的指令运行。