CN103562553A

CN103562553A - 压缩机风阻减轻

Info

Publication number: CN103562553A
Application number: CN201280026321.8A
Authority: CN
Inventors: V.M.西什特拉
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: CN103562553B; EP2715140A1; EP2715140B1; US20130302184A1; WO2012166325A1; US10612551B2

Abstract

一种压缩机（22）具有外壳组件（40），外壳组件具有吸入端口（24），排出端口（26）以及电动机隔间（60）。电动机（42）具有在电动机隔间内的定子（62）以及在定子内的转子（64）。转子安装成围绕转子轴线（500）旋转。一个或多个工作元件（44）联接至转子以在至少第一状况下由转子驱动，以便通过吸入端口吸入流体并且从排出端口排出流体。间隙（80）在转子和定子之间。间隙与所述电动机隔间的外部部分（144）隔离（140、142）。外部分暴露给定子。一个或多个通道（150）定位成在第一状况下从间隙抽吸流体。

Description

压缩机风阻减轻

对相关申请的交叉引用

本申请要求享有2011年3月31日提交的并且名称为“压缩机风阻缓和”的美国专利申请No.61/491,509的权益，其公开内容以引用的方式全文结合到本文中，就如在本文详述一样。

技术领域

本公开内容涉及压缩机。更具体地，本公开内容涉及电动机驱动的封闭或者半封闭压缩机。

背景技术

电动机驱动压缩机的一个特定用途是液体冷冻器。示例性的液体冷冻器使用封闭离心压缩机。示例性的单元包括压缩机、冷却器单元、冷冻器单元、膨胀装置和各种额外部件的独立组合。示例性压缩机包括插入在电动机转子和叶轮之间的变速器以比电动机更快的速度驱动叶轮。

电动机暴露于制冷剂流的旁路以冷却电动机。电动机转子暴露给制冷剂产生损失，已知为风阻（windage）。风阻损失随着电动机速度以及暴露给转子的制冷剂密度而增大。

在美国，冷冻器受制于美国制冷组织（ARI）标准550。该标准确定四种参考状况，特征是冷冻器额定负载（以冷却吨数计）的百分比和相关冷凝器水入口/进口温度。操作是为了获得冷冻后的水出口/离开温度为44华氏度（F）（6.67摄氏度（C））。四种状况是：100％，85F（29.44C）；75％，75F（23.89C）；50％，65F（18.33C）；以及25％，65F（也是18.33C）。这些状况（或者沿着连接它们的曲线的类似状况）可以提供用于测量效率的相关状况。在API测试中，通过冷却器的水流率是2.4加仑每分钟每吨冷却（gpm/ton）（0.043升每秒每千瓦（1/s/kW）），以及冷凝器水流率是3gpm/ton（0.054 1/s/kW）。

发明内容

本公开内容的一个方面涉及具有外壳组件的压缩机，外壳组件具有吸入端口、排出端口和电动机隔间。电动机具有在电动机隔间内的定子以及在定子内的转子。转子安装成围绕转子轴线旋转。一个或多个工作元件联接至转子以在至少第一状况下由转子驱动，以便通过吸入端口吸入流体并且从排出端口排出流体。间隙位于转子和定子之间。压缩机包括用于将间隙与电动机隔间外部部分隔离的装置。外部部分暴露给定子。一个或多个通道定位成在第一状况下从间隙抽吸流体。

一个或多个实施方式的细节在附图以及下面的说明书中描述。其他特征、目标和优点从说明书和附图以及从权利要求将很明显。

附图说明

图1是冷冻器系统的部分示意图。

图2是冷冻器系统的压缩机的纵向剖视图。

图2A和图2B是在图2的压缩机中的隔离套筒的放大半示意图。

各个附图中相同的参考数字和标记表示相同的元件。

具体实施方式

图1示出了蒸气压缩系统20。示例性的蒸气压缩系统20是冷冻器系统。系统20包括压缩机22，压缩机具有吸入端口（入口）24和排出端口（出口）26。系统进一步包括第一热交换器28，在正常操作模式下是排热热交换器（例如气体冷却器或者冷凝器）。在基于现有冷冻器的示例性系统中，热交换器28是冷凝器单元29中的制冷剂-水热交换器，在该热交换器中由外部水流来冷却制冷剂。

系统进一步包括第二热交换器30（在正常模式下是吸热热交换器或者蒸发器）。在示例性系统中，热交换器30是用于冷冻在冷冻器单元31内的被冷冻水流的制冷剂-水热交换器。膨胀装置32沿着正常模式制冷剂流路34（该流路部分地被相关的管道等围绕）位于排热热交换器的下游并且位于吸热热交换器30的上游。示例性制冷剂-水热交换器28和30包括管束，管束携带水流并且与围绕单元29和31的架子内的管束流动的制冷剂处于热交换关系。为了便于说明，未示出热交换器的水入口和出口。

示例性压缩机是具有外壳组件（外壳）40的离心压缩机。外壳组件容纳了电动机42以及一个或多个工作元件44（用于离心压缩机的叶轮；涡旋压缩机的涡盘；或者往复式压缩机的活塞），工作元件在第一模式下能够由电动机驱动以压缩流体（制冷剂）以便从吸入端口抽吸流体（制冷剂）、压缩流体、以及从排出端口排出流体。示例性离心工作元件包括由电动机直接驱动的旋转叶轮。如下面所讨论的，示例性离心压缩机消除了基础现有技术压缩机的变速器。为了补偿，以更高速度驱动电动机。采用更高速度驱动，否则将增大风阻损失。

外壳限定了电动机隔间60，在隔间内容纳了电动机的定子62。电动机的转子64部分地位于定子内并且安装成围绕转子轴线500旋转。示例性的安装是经由一个或多个轴承系统66、68将转子的轴70安装至外壳组件。示例性叶轮44安装至轴（例如端部部分72）以与其作为一个单元一起围绕轴线500旋转。示例性轴承系统66将轴的中间部分安装至外壳组件的中间壁74。示例性轴承系统68将轴的相对端部部分安装至外壳组件的端部壁部分76。在壁74和76之间，外壳包括通常围绕电动机隔间的外部壁78。

在转子和定子之间具有间隙80（例如在转子的叠片结构82与定子的线圈84之间）。缺少变速器的情况下，示例性电动机直接驱动叶轮。因此，电动机与具有变速器的同等压缩机的电动机相比可以以更高的速度来驱动。转子的示例性操作速度范围为900－18,000rpm（15－300Hz）。特别是在该范围的更高部分处，间隙中制冷剂的存在可以产生已知为风阻的阻力损失。间隙内的限制性压力限制了这些风阻损失。然而，对于示例性半封闭压缩机，需要将流体引入电动机隔间60中以冷却电动机。在示例性系统中，该引入由外壳中端口90和92来实现。这些端口经由分支管线94（图1）接收制冷剂，该分支管线从端口96延伸，端口96沿着冷凝器单元29、位于冷凝器入口98和出口100中间。该制冷剂流经由联接至管线120（图1）的排泄管110和112从电动机隔间排走，管线120延伸至位于冷却器入口124和冷却器出口126中间的冷却器单元的端口122。因此，电动机隔间将基本上处于蒸发器压力下，其基本上是吸入压力Ps。示例性入口124供给位于中间端口122上游的分配器128。图1进一步示出了从冷却器单元出口126至吸入端口24的压缩机吸入管线130，以及从压缩机排出端口26至冷凝器单元入口98的压缩机排出管线132。

因此，示例性压缩机包括用于将间隙与电动机隔间的外部/外侧部分隔离并且用于限制间隙中压力的装置。用于隔离的示例性装置包括一个或多个套管140，142，该一个或多个套管从定子的端部轴向地延伸以将电动机隔间的外侧部分144与包括间隙80的电动机隔间的内侧部分146隔离。除了用于隔离的该装置之外，用于限制压力的示例性装置进一步包括一个或多个通道150，该一个或多个通道定位成在压缩机操作的至少第一状况下从间隙抽吸流体（制冷剂）。由于下列两种情况而可能需要从间隙抽吸流体：泄漏进入间隙（下面讨论）；或者为了（a）润滑；和/或（b）冷却转子或定子的内侧（内直径（ID））表面（虽然与电动机隔间的外侧部分144中相比处于更低的压力）目的而意图计量进入电动机隔间的内侧部分的流体。

例如，示例性泄漏路径可以穿过与轴承系统相关联的密封件。示例性通道150提供在电动机隔间内侧部分到吸入外壳压力室（plenum）160之间的连通。在示例性压缩机构造中，吸入外壳压力室围绕入口导叶166的环162，并且基本上处于与直接位于导叶下游的压力Pv相同的压力下。示例性压缩机从基础的装备了变速器的压缩机修改得到，其中，通风孔164与吸入外壳压力室连通以给变速器通风。在示例性压缩机中，该通风孔164再用作通道150的一部分。通道150的净效应是维持间隙处于压力P_G，该压力低于外壳外侧部分的压力P_H。采用吸入压力Ps和排出压力P_D，示例性P_H可以处于或者靠近吸入压力Ps，并且P_G处于或者靠近压力Pv。例如，P_H与P_G之间的差在压缩机操作范围上可以变化。P_H的典型值是50至55 磅/平方英寸（psia）（345-379kPa）。通过闭合入口导叶166来获得较低的压力P_H。在较低负载和速度下，入口导叶相对闭合，因此增大了它们的流动限制并且增大ΔP。

表1示出了在使用R134a制冷剂的示例性系统中的四个ARI负载状况的示例性ΔP。

表1

ARI负载（％）	速度（％）	IGV位置（度）	Ps（psia（kPa））	Pv（psia（kPa））	ΔP（psia（kPa））	风阻损失减小（％）
							100	100	100	55（379）	51（352）	4（28）	7
75	88.3	84.9	55（379）	43.3（299）	11.7（81）	20
							50	73.5	68.0	55（379）	34.7（239）	20.3（140）	35
25	70.7	35.4	55（379）	26.0（179）	29（179）	51

摄氏温度和kPa压力是所列的华氏温度和psi数值的换算值，并且因此不是必须增添和展示过度的精度。尽管ΔP在100％负载下较小，但是冷冻器大部分操作在低负载状况下。因此，总体得益可以更反映低负载得益。在非常低速度下，看到ΔP超过25psi（173kPa）并且那个Pv（其提供P_G的良好代表）比Ps（其提供P_H的代表（proxy））的50％小。甚至在50％负载下，ΔP至少20psi（138kPa）而Pv仍小于Ps的70％。风阻损失正比于密度，并且正比于速度三次方，以及正比于间隙半径的四次方。通过减小密度来实现在更高速度下风阻损失的减小。风阻损失减小并非直接由于较低的ΔP，而是由于作为将间隙维持在较低压力下的结果而使得转子空腔中密度较低。在压缩机具有变速器的情况下将具有低得多的电动机速度的负载下，如果消除变速器需要高电动机速度，这变得特别有意义。在源自变速器型压缩机的示例性再设计中，尽管增大了速度，间隙半径可以减小。压力减小可以与间隙半径减小组合以完全或者部分地补偿与速度相关的风阻损失相对于基准的增加。

示例性套管相对刚性地连接至定子或外壳的相邻部分，并且更顺从地连接至另一个或者接合另一个。套管可以焊接或者通过诸如螺栓的紧固件来固定。在紧固件的情形下，套管通常将在近端具有安装凸缘。每个示例性套管140、142由管状金属原材料（例如碳素钢或不锈钢）制成，并且从近端200延伸至远端202。示例性近端200安装至定子核心的相应端部。作为安装的一个示例，凸缘（例如也为不锈钢）210邻近端部200而固定（例如焊接），并且诸如经由延伸进入核心叠片的螺钉212而固定至核心。每个套管具有内侧表面204和外侧表面206。套管的相对远端端部202可以承载密封件或者接合密封件，用于利用外壳结构的相邻部分进行密封。图2A和图2B示出了密封件220，作为弹性体O形环，被截获在外壳（例如各自相邻的轴承外壳）的相邻部分的相关联沟槽中。示例性叶轮端部套管140具有其近端端部固定到定子叠片堆的其相邻端部,并且远端接合由轴承外壳携带的密封件。相对的套管142具有安装至定子叠片堆的其相邻端部的凸缘，以及远端接合由电动机盖携带的密封件,轴承外壳由电动机盖携带。图2A和图2B也示出了在凸缘210中的通道中的密封件222（例如弹性体O形环）以将凸缘密封至定子核心。

替代的连接可以简单包括将端部200焊接至定子核心叠片。然而另一替代变形可以包括将一个或两个套管安装至外壳的相邻部分，并且具有与定子的密封接合。

示例性套管材料是碳素钢或者不锈钢，或者制冷剂兼容的塑料。用于密封件的示例性材料是制冷剂兼容的弹性体（例如O形环）。

尽管上面已详细描述了实施方式，但是这样的描述并非意在限制本公开内容的范围。要理解的是，可以不脱离本公开内容的精神和范围而做出各种修改。例如，当应用于现有压缩机或者现有应用中的压缩机的再设计时，现有压缩机或应用的细节可能影响任何特定实施方式的细节。因此，其他实施方式落入下面权利要求的范围内。

Claims

1.一种压缩机（22），包括：

外壳组件（40），所述外壳组件具有吸入端口（24）和排出端口（26）以及电动机隔间（60）；

电动机（42），所述电动机具有在所述电动机隔间内的定子（62）以及在所述定子内的转子（64），所述转子安装成围绕转子轴线（500）旋转；

一个或多个工作元件（44），所述一个或多个工作元件联接至所述转子以在至少第一状况下由所述转子驱动以便通过所述吸入端口吸入流体并且从所述排出端口排出所述流体；

间隙（80），所述间隙在所述转子和定子之间；

装置（140、142），所述装置用于将所述间隙与所述电动机隔间的外部部分（144）隔离，所述外部部分暴露给所述定子；以及

一个或多个通道（150），所述一个或多个通道定位成在所述第一状况下从所述间隙抽吸流体。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其中，

所述一个或多个通道进一步定位成将所述流体从所述间隙传递至吸入外壳压力室。

3.根据权利要求1所述的压缩机，其中，

一个或多个额外通道定位成将所述流体从所述电动机隔间的外部部分传递至所述间隙。

4.根据权利要求3所述的压缩机，其中，

所述一个或多个额外通道包括穿过一个或多个密封件的泄漏路径。

5.根据权利要求1所述的压缩机，进一步包括：

第一外部端口和第二外部端口，所述端口定位成与所述电动机隔间的外部部分连通。

6.根据权利要求1所述的压缩机，所述压缩机是离心压缩机，其中，所述一个或多个工作元件（44）包括叶轮。

7.根据权利要求6所述的压缩机，其中，

所述叶轮是单个叶轮，其安装至所述转子以与所述转子直接共轴旋转。

8.一种蒸气压缩系统，包括：

如权利要求1所述的压缩机；

第一热交换器（28），所述第一热交换器联接至所述排出端口以接收在所述压缩机的第一操作状况下沿下游方向驱动的制冷剂；

膨胀装置（32），所述膨胀装置位于所述第一热交换器的下游；

第二热交换器（30），所述第二热交换器位于所述膨胀装置的下游并且联接至所述吸入端口以在所述第一操作状况下返回制冷剂；以及

其中，在所述第一和第二热交换器之间的制冷剂流路分支穿过电动机隔间外部部分，绕过所述膨胀装置。

9.根据权利要求8的系统，其中，所述制冷剂流路分支延伸：

从所述第一热交换器的过冷器部分；

至所述电动机隔间外侧部分；以及

至位于分配器（128）下游的所述第二热交换器的一部分。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，

所述第一热交换器是排热热交换器；以及

所述第二热交换器是吸入热交换器。

11.一种用于操作如权利要求1所述的压缩机的方法，包括：

驱动电动机以通过吸入端口吸入流体并且从排出端口排出所述流体；

通过一个或多个第一通道从间隙抽吸流体，以便将所述间隙置于间隙压力（P_G）下；以及

将流体传递到外壳外侧部分中，使得所述外壳外侧部分中的流体处于大于P_G的压力（P_H）下。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，

P_G在操作范围的一部分中比P_H的70％小；以及

P_H在吸入压力P_s和排出压力P_D之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述操作在第一速度下，并且所述方法进一步包括：

增大所述电动机的旋转速度至第二速度以便增大P_H和P_G的比。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，

所述压缩机用于蒸气压缩系统中，所述蒸气压缩系统具有排热热交换器、膨胀装置、和吸热热交换器，

其中：

流体通过所述吸入端口从所述吸热热交换器抽吸；

流体从所述排出端口排至所述排热热交换器；

来自所述排热热交换器的流体在所述膨胀装置中膨胀；

在所述膨胀装置中膨胀的流体被输送至所述吸热热交换器；以及

输送至所述排热热交换器的流体的一部分绕过所述膨胀装置，并且作为所述流体流至所述电动机隔间外部部分；以及

来自所述电动机隔间外部部分的流体被输送至所述蒸发器。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，

在所述电动机隔间外侧部分中的流体的泄漏流形成在所述第一状况下从所述间隙抽吸的流体。