CN103201462B - 一种离心压缩机和致冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心压缩机和致冷系统，包括壳体，该壳体提供进口、叶轮、扩散器及蜗壳或收集器。电动机设置在壳体中，并且构造成经由轴而绕轴线驱动至少一个叶轮。叶轮包括出口端部，该出口端部与扩散器对准并且布置在喉部处。可变流体喷射装置在一个例子中布置在叶轮的出口端部的下游。可变流体喷射装置构造成响应压缩机调节命令而在叶轮下游引入高压流体。喷射的流体激励低动量边界层，该低动量边界层提供压缩机稳定性。压缩机控制器与可变流体喷射装置通信，以得到所需的压缩机操作条件。

Description

一种离心压缩机和致冷系统

技术领域

本公开涉及一种离心压缩机。更具体地说，本公开涉及具有扩散器的这样一种离心压缩机，该扩散器具有用于增大的稳定操作范围的微射流流体喷射端口。

背景技术

离心压缩机的主要能量转换元件是其叶轮和扩散器。在离心压缩机的转动叶轮内部，机械轴能量转化成流体能量。离开叶轮的流体具有增大的压力和增大的速度。由叶轮实现的差不多仅一半能量转化呈增大压力(势能)的形式，而剩余部分呈高流体速度(动能)的形式。由于压缩机的目的是增大压力，所以离心压缩机在叶轮的下游装有扩散元件。在扩散器中，高速动能转化成势能，从而增大整体压力升高，并且因此增大压缩机的整体效率。叶轮下游的扩散器元件根据压缩机的具体要求，可以是无叶片的或带叶片的。

在小容量非设计操作条件下，扩散器将是离心压缩机的、引起流量不稳定性的元件，该流量不稳定性妨碍稳定的压缩机操作。为了增大离心压缩机在小流量条件下的稳定操作范围，已经引入了可变几何形状的进口引导叶片以及可变几何形状的无叶片和带叶片的扩散器。可变几何形状的进口引导叶片通过在更多关闭的引导叶片位置处的增大节流作用，而增大离心压缩机在较低流量下的稳定操作范围。可变几何形状的扩散器将扩散器横截面流动面积调整到在部分负载条件下发生的低流量，因而保持与在满载设计条件下的流动角度和速度相似的流动角度和速度。

部分负载稳定性也已经借助于使通过压缩机的扩散器的排出流再循环而完成。代替减小扩散器的尺寸以匹配在部分负载下的较低流量，通过借助于流动再循环将扩散器中的流增大到满载值而得到增大的稳定操作范围，同样保持与在满载设计条件下的流动角度和速度相似的流动角度和速度。

然而，可变几何形状和再循环流的所有概念显著地增加了压缩机成本和复杂性。已知这些概念引起可靠性问题，并且显著降低在设计条件(由于增大的泄漏)和非设计条件(由于在部分负载流量条件下的满载摩擦损失)两者下的离心压缩机效率。

发明内容

离心压缩机包括：设有进口的壳体；单个或多个叶轮；用于每个叶轮的扩散器；以及蜗壳或收集器。电动机设置在壳体中，并且构造成经由轴而绕轴线驱动叶轮。叶轮包括出口端部，该出口端部与扩散器对准并且布置在喉部处。可变流体喷射装置在一个例子中布置在叶轮的出口端部的下游。可变流体喷射装置构造成响应压缩机调节命令而从叶轮下游引入高压流体。喷射的流体激励低动量边界层，其提供了压缩机稳定性。压缩机控制器与可变流体喷射装置通信，以得到所需的压缩机操作条件。

公开的离心压缩机通过使用微射流激励边界层，而扩展离心压缩机在小容量下的稳定操作范围。边界层分离是离心压缩机在小流量条件下扩散器流量不稳定性的基本原因。现有方法通过可变几何特征进行机械调整，以保持大流量条件，这样增大稳定操作范围。公开的离心压缩机通过经由微射流的喷射而激励边界层，解决了在小流量条件下的边界层分离问题。这些微射流的交叉流动运动通过使低动量边界层与扩散器芯部流的高动量流体粒子相混合，而激励低动量边界层。用来进给微射流的流体量与在再循环流量概念中使用的流体量相比，是可忽略的。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考如下详细描述可进一步理解本公开，在附图中：

图1是致冷剂系统的示意图，该致冷剂系统具有致冷剂压缩机，该致冷剂压缩机具有磁性轴承。

图2是一种示例性可变流体喷射装置的放大横截面图。

图3A-3C分别是如下的示意说明：A)在没有边界层控制装置的情况下，叶轮下游的边界层厚度；B)当致动微射流时，高动量芯部流与低动量边界层流的混合作用；以及C)微射流边界层控制装置的生成的边界层厚度。

具体实施方式

参照图1，致冷系统12包括用来循环致冷剂的致冷剂压缩机10。为了描述简单，仅具有一个叶轮的单级压缩机示出在图1中。本领域的技术人员将认识到，本公开也可用在多叶轮装置中。压缩机10包括壳体14，在该壳体14内布置有电动机16。应该理解，压缩机10可用在非致冷剂用途中。壳体14被示意地描绘，并且可以包括一个或多个构件。电动机16经由轴20而绕轴线A转动地驱动叶轮18，以泵送气体。第二叶轮118示出在图2中，如果希望，则该第二叶轮118可以与叶轮18串联地布置。

叶轮18包括与气体环路26流体连通的气体进口22和气体出口24，该气体环路26使致冷剂循环到负载，如循环到冷却器28。在图1中示出的例子中，压缩机由叶轮18提供，该叶轮18是离心式的。就是说，进口22轴向布置，而致冷剂出口24径向布置。气体环路26包括冷凝器、蒸发器以及膨胀装置(未示出)。

无油轴承装置提供成用于支撑轴20，从而无油致冷剂可用在致冷剂压缩机10中。在例子中，轴20由径向磁性轴承组件30而相对于壳体14转动地支撑。磁性轴承组件30例如可以包括径向和/或轴向磁性轴承元件。控制器32与磁性轴承组件30通信，从而提供磁性轴承命令，以激励磁性轴承组件30。示例性控制器32示意示出为单个控制器32；然而，如果希望，则控制器可以由各分离的独立单元提供。磁性轴承组件创建支撑轴20的磁场，并且在压缩机10的操作期间控制轴20的特性。

电动机16包括转子34，该转子34在一个例子中绕其圆周支撑多个磁铁36。定子38绕转子34布置，以便当该转子34被激励时，将转动驱动施加给轴20。在一个例子中，控制器32与定子38通信，并且根据压缩机操作条件而提供变速命令，以在变速下转动地驱动叶轮18。

叶轮18包括轮叶40，这些轮叶40从进口端部42沿弧形路径大致径向向外延伸到出口端部44。壳体14包括在进口22处的上游区域23，该上游区域23在现有技术中典型地已经包含可变进口引导叶片。压缩机10在示出的实施例中不利用上游区域23处的可变进口引导叶片。而是，从出口端部44的下游引入可变流体喷射装置55，以调节跨过叶轮18的流。

压缩机出口24包括扩散器通路46，该扩散器通路46具有与叶轮的出口端部44紧邻的进口区域47，如在图2中最清楚示出的那样。扩散器通路46延伸到蜗壳25，在图1中示出。在示出的例子中，可变流体喷射装置55设置在扩散器的进口区域47处，该扩散器进口区域47邻近叶轮18的出口端部44，并且在蜗壳25的上游。在一个例子中，通路46没有另外的结构或叶片，从而在可变流体喷射装置55与蜗壳25之间的下游区域66中提供“无叶片”扩散器。

参照图1，示出了用来控制可变流体喷射装置55的一种示例性构造。控制器32与布置在喷射环路48中的控流装置50通信，该喷射环路48与气体环路26流体连通。在例子中，喷射环路48从气体环路26接收高压流体。在图1中示出的例子中，喷射环路48中的流体主要是气体，尽管在其它例子中，流体可能主要是液体。例如，流体源52可以通过控流装置150将液态和/或气态流体提供给喷射环路148。如果例如流体从进口22提供给通路46，那么泵可以用作控流装置50的一部分，以输送用于边界层控制的所需流体量。

控制器32通过将叶轮压力调节命令发送到控流装置50而调节流到可变流体喷射装置55的流量，可以将该可变流体喷射装置55命令到与所需的喷射流量相对应的所需位置。控制器32可以提供各种信号，并且确定流到压缩机排出部分26的流量和/或跨过叶轮18的压力差，以命令控流装置50并实现所需的压缩机操作。

可变流体喷射装置55更详细地示出在图2中。通路46由壁56提供，该壁56具有表面58。可变流体喷射装置55包括多个喷射喷嘴60，这些多个喷射喷嘴60基于压缩机10的设计流量特性而以所需构造布置在表面58中。喷射喷嘴60相对于表面58以一角62布置，以稳定沿表面58的边界层64，由此得到跨过压缩机10的所需的压差。喷射的气体具有比离开叶轮出口端部44的压缩气体的压力大的压力。在示出的例子中，喷射喷嘴60相对于表面58以近似90度的角布置。喷射喷嘴60的数量、尺寸、位置及取向基于用途而选择。基于用途来设计来自喷射喷嘴60的流量和压力。

当控制器32检测或预料到失速条件时(例如，在非加载情况期间)，特别是在小流量条件期间，致动控流装置50，以将流体引入到通路46并且增大下游区域66中的压力。例如，流体可以在跨过叶轮18的250kPa压差和4cfm的流量下被引入到通路46。增大来自喷射喷嘴60的流量将减小边界层64的厚度，由此稳定压缩机流量。在稳定条件下，可以关闭控流装置50，从而没有流体被引入到通路46。

各边界层在叶轮下游的流动示意地描绘在图3A-3C中，以说明在通路中的边界层控制效应。图3A示出了在压缩机非设计条件下通过通路的边界层厚度的增大。边界层具有比较低的动量，这产生比较厚的边界层。图3B和3C示出了其中将流体喷射到叶轮下游的通路中的布置。图3B示出了流体喷射到输送低动量流的通路中。由于微射流的混合作用(高动量芯部流与低动量边界层流混合)，边界层流体的动量增大。这减小了边界层厚度(图3C)，其改进了通过压缩机的整体流量的稳定性。

尽管已经公开了示例性实施例，但本领域的技术人员会认识到，某些修改将会在权利要求书的范围内。为此，应该研究如下权利要求书，以确定其真正范围和内容。

Claims (12)

1.一种离心压缩机，包括：

壳体，所述壳体提供进口和出口，所述出口具有扩散器和蜗壳；

电动机，所述电动机设置在壳体中，并且构造成响应变速命令经由轴而绕轴线驱动至少一个叶轮，所述叶轮包括出口端部，该出口端部与扩散器对准；

可变流体喷射装置，所述可变流体喷射装置在叶轮的出口端部的下游，并且构造成响应压缩机调节命令而将流体喷射到出口中；

控流装置，所述控流装置构造成控制喷射的流体的流量和压力；以及

与电动机和可变流体喷射装置通信的控制器，所述控制器构造成分别将变速命令提供给电动机以及将压缩机调节命令可操作地提供给可变流体喷射装置，以得到所需的压缩机操作条件,

其中，出口包括具有表面的壁，可变流体喷射装置包括多个喷射喷嘴，所述多个喷射喷嘴设置在所述表面中并且定方向，

其中，使叶轮转动的轴的轴线和所述方向是相同的。

2.根据权利要求1所述的离心压缩机，其中，可变流体喷射装置布置成与叶轮的出口端部紧邻。

3.根据权利要求1所述的离心压缩机，其中，壳体包括在带叶片的扩散器上游的无叶片通路，可变流体喷射装置布置在蜗壳的上游。

4.根据权利要求1所述的离心压缩机，其中，叶轮是离心叶轮，该离心叶轮具有轴向的进口端部和径向定向的出口端部。

5.根据权利要求4所述的离心压缩机，其中，壳体设有位于叶轮的进口端部上游的流体进口，该流体进口设置成没有进口引导叶片。

6.根据权利要求1所述的离心压缩机，包括磁性轴承组件，该磁性轴承组件构造成响应磁性轴承命令而控制所述轴相对于壳体的位置。

7.根据权利要求1所述的离心压缩机，其中，控制器构造成借助于压缩机调节命令而调节流到喷射喷嘴的流体流量，以在所述壁处提供所需的边界层。

8.根据权利要求7所述的离心压缩机，包括与可变流体喷射装置流体连通的控流装置，控制器与控流装置通信，以向控流装置提供压缩机调节命令。

9.一种致冷系统，包括：

压缩机壳体，所述压缩机壳体提供进口和出口，该出口具有扩散器和蜗壳；

电动机，所述电动机设置在壳体中，并且构造成响应变速命令经由轴而绕轴线直接驱动至少一个叶轮，叶轮包括出口端部，该出口端部与扩散器对准；

可变流体喷射装置，所述可变流体喷射装置构造成响应压缩机调节命令而将致冷剂喷射到出口中；

与电动机和可变流体喷射装置通信的控制器，控制器构造成分别将变速命令提供给电动机以及将压缩机调节命令可操作地提供给可变流体喷射装置，以得到所需的压缩机操作条件；以及

冷却器，所述冷却器经由致冷剂环路而与叶轮流体连通,

其中，出口包括具有表面的壁，可变流体喷射装置包括多个喷射喷嘴，所述多个喷射喷嘴设置在所述表面中并且定方向，

其中，使叶轮转动的轴的轴线和所述方向是相同的。

10.根据权利要求9所述的致冷系统，其中，控制器构造成借助于压缩机调节命令而调节流到喷射喷嘴的致冷剂流量，以在表面处提供所需的边界层。

11.根据权利要求9所述的致冷系统，其中，叶轮是离心叶轮，该离心叶轮具有轴向的进口端部和径向定向的出口端部，壳体设有位于叶轮的进口端部上游的致冷剂进口，致冷剂进口设置成没有进口引导叶片。

12.一种离心压缩机，包括：

壳体，所述壳体提供进口和出口，该出口具有扩散器和蜗壳，并且壳体设有位于叶轮的进口端部上游的轴向进口，该轴向进口设置成没有进口引导叶片；

电动机，所述电动机设置在壳体中，并且构造成响应变速命令经由轴而绕轴线驱动至少一个叶轮，叶轮包括出口端部，该出口端部与扩散器对准，其中，叶轮是离心叶轮，该离心叶轮具有轴向的进口端部和径向定向的出口端部；

可变流体喷射装置，所述可变流体喷射装置与叶轮的出口端部紧邻并在蜗壳的上游，并且可变流体喷射装置构造成响应压缩机调节命令而将流体喷射到出口中；以及

与电动机和可变流体喷射装置通信的控制器，控制器构造成分别将变速命令提供给电动机以及将压缩机调节命令可操作地提供给可变流体喷射装置，以得到所需的压缩机操作条件,

其中，出口包括具有表面的壁，可变流体喷射装置包括多个喷射喷嘴，所述多个喷射喷嘴设置在所述表面中并且定方向，

其中，使叶轮转动的轴的轴线和所述方向是相同的。