CN103635697A - 压缩机喘振检测 - Google Patents

Abstract

一种压缩机（22），具有带抽吸端口（24）和排放端口（26）的外壳组件（50）。轴（70）被安装用于围绕轴线（500）旋转，且叶轮（44）被安装至轴以在至少第一条件下被驱动，以便通过抽吸端口吸入流体并从排放端口排出流体。磁轴承系统（66，67，68）支撑轴。控制器（84）联接至传感器（80，82）并配置为检测喘振和喘振前旋转失速中的至少一个，以及响应于所述检测，采取动作以阻止或反抗喘振。

Description

压缩机喘振检测

相关申请的交叉引用

本发明要求2011年6月30日提交的、并且题为“压缩机喘振检测”的美国专利申请No.61/503,196的利益，其公开内容通过引用全部结合到本文中，就如被详细阐述一样。

技术领域

本公开内容涉及压缩机。更具体地，本公开内容涉及电机驱动的磁轴承压缩机。

背景技术

电机驱动压缩机的一个特定用途是液体冷冻器(chiller)。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，膨胀设备，和各种附加组件的独立组合。

一些压缩机包括介于电机转子与叶轮之间的变速器以在比电机更快的速度下驱动叶轮。在其它压缩机中，叶轮由转子直接驱动（例如，它们在相同轴上）。

各种轴承系统已被用于支撑压缩机轴。压缩机的一个特定类别使用磁轴承（更具体地，电磁轴承）。为提供轴的径向支撑，可使用一对径向磁轴承。这些轴承中的每一个可由机械轴承（所谓的“着地”轴承）支持。此外，一个或多个其它磁轴承可配置为抵抗上游向轴施加的负载（以及还有相反的负载）。上游运动收紧叶轮与其护罩之间的间隙，并且由此有损坏的风险。相反的运动打开间隙并减少效率。

磁轴承使用位置传感器来调整相关磁场，以维持径向和轴向定位，抵抗给定操作条件的相关径向和轴向静态负载，并进一步控制同步振动。

离心压缩机由于称为“喘振”的流不稳定性而对于在高压头（head）下操作具有限制。喘振的效果是叶轮和轴承的高振动和对叶轮和轴承的损坏。因此，优选在压缩机中避免喘振。在给定速度下，压缩机具有喘振规定的相关最大压头限制。对于具有用于容量控制的入口导叶的压缩机，在恒定抽吸压力下，喘振发生的排放压力随负载减小。喘振可能由在冷凝器处增加饱和温度或在蒸发器减小饱和温度的事件触发。例如，如果冷凝器水温升高，就可能发生喘振。

发明内容

通常地，旋转失速先于喘振。旋转失速的典型频率是小于25Hz（例如，20-25Hz）。喘振可跟随在稍低的频率（例如，小于20Hz或3-10Hz）。压缩机的特定配置，制冷剂的性质，和操作条件可影响喘振和旋转失速发生的确切频率。喘振和旋转失速两者引起次同步轴振动。通过监测频率和振动频谱的内容（例如，来自磁轴承的现有传感器的输出），可能检测旋转失速或喘振。在检测之后，可采取动作以阻止喘振发作或反抗（终止）喘振。示例性的动作包括提高压缩机速度和打开热气旁通阀中的一种或两种。

因此，本公开内容的一个方面涉及一种具有带抽吸端口和排放端口的外壳组件的压缩机。轴被安装用于围绕轴线旋转，并且叶轮安装至轴以在至少第一条件被驱动，以便通过抽吸端口吸入流体并从排放端口排放流体。磁轴承系统支撑轴。控制器联接至传感器并配置为检测喘振和喘振前旋转失速中的至少一个，并响应于所述检测，采取动作以阻止或反抗喘振。

在各种实施方式中，外壳可具有电机室，且电机可具有在电机室内的定子和在定子内的转子。

一个或多个实施例的细节在附图和以下说明中阐明。其它特征，目的和优点从说明和附图，以及从权利要求书将是显而易见的。

附图说明

图1是冷冻器系统的局部示意图。

图2是冷冻器系统的压缩机的示意纵向剖视图。

图3是在正常操作中的压缩机的振动频谱。

图4是喘振期间压缩机的振动频谱。

图5是控制流程图。

各附图中相同的附图标号和指示代表相同的元件。

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包括具有抽吸端口（入口）24和排放端口（出口）26的离心压缩机22。该系统进一步包括在正常操作模式中是排热换热器（例如，气体冷却器或冷凝器）的第一换热器28。在基于现有冷冻器的示例性系统中，换热器28是由冷凝器单元31中的管束29，30形成的制冷剂-水换热器，在冷凝器单元中制冷剂被外部水流冷却。浮阀32控制通过冷凝器出口来自围绕过冷器管束30的过冷器室的流。

系统进一步包括第二换热器34（在正常模式下，吸热换热器或蒸发器）。在示例性系统中，换热器34是由管束35形成的制冷剂-水换热器，用来在冷冻器单元36内冷冻被冷冻水流。单元36包括制冷剂分配器37。膨胀装置38是沿正常模式制冷剂流路40（该流路被相关管线等部分围绕）在压缩机下游并且在蒸发器上游。

热气旁通阀42沿旁路流路分支44设置，该分支在压缩机出口26的下游和在隔离阀34的上游的第一位置与在冷却器入口上游和膨胀装置38下游的第二位置之间延伸。

压缩机（图2）具有外壳组件（外壳）50。示例性的外壳组件包含电机52和一个或多个工作叶轮54，该一个或多个工作叶轮在压缩流体（制冷剂）的第一模式下可由电机驱动来通过抽吸端口24吸入流体（制冷剂），压缩该流体并从排放端口26排放该流体。示例性的叶轮由电机（即，没有介入的变速器）直接驱动。

外壳限定了电机室60，电机室包含在该室内的电机的定子62。电机的转子64部分在定子内，并被安装用于围绕转子轴线500旋转。示例性的安装是经由一个或多个电磁轴承系统66，67，68将转子的轴70安装至外壳组件。示例性的叶轮54安装至轴（例如，至端部72）以与轴作为一个单元围绕轴线500旋转。

示例性轴承系统66是径向轴承并将轴的中间部分（即在叶轮与电机之间）安装至外壳组件。示例性轴承系统67也是径向轴承并将轴的相对部分安装至外壳组件。示例性的轴承68是推力/反推轴承。径向轴承径向地保留轴，而推力/反推轴承具有轴向保留轴抵抗推力和反推位移的相应部分。图2进一步显示了轴向位置传感器80和径向位置传感器82。这些可联接至控制器84，控制器84还控制电机，轴承供电，以及其他压缩机和系统部件功能。控制器可从输入装置（例如开关，键盘等）和附加传感器（未示出）接收用户输入。控制器可通过控制线（例如，硬连线或无线通信路径）联接至可控的系统部件（例如，阀，轴承，压缩机电机，导叶致动器等）。控制器可包括下面中的一个或多个：处理器；存储器（例如，用于存储程序信息来通过处理器执行以执行操作方法，以及用于存储由（多个）程序使用或产生的数据）；以及用于与输入/输出装置和可控系统部件对接的硬件接口装置（例如，端口）。

推力方向对反推方向的分配有些武断。为说明目的，反推轴承识别为抵抗由其与流体合作引起的叶轮的上游移动。推力轴承抵抗相反运动。示例性的推力/反推轴承是有吸引力的轴承（通过磁吸引而非磁排斥工作）。轴承68具有刚性安装至轴72的推力环120。反推圈单元122和推力圈单元124在推力环的相对侧上安装至外壳，它们的电磁力作用在推力环上。在圈单元122和124与推力环120之间存在相应高度H₁和H₂的空隙。

图2还显示了机械轴承74和76，它们分别作为径向着地轴承，以便分别对磁性径向轴承66和67提供机械支持。内滚道（race）具有作用为轴向着地轴承的台肩（shoulder）。

如上所述，系统和压缩机可为许多系统和压缩机配置的任何代表。传感器80和82可为用于电磁轴承控制的现有传感器。在来自基准的这种系统和压缩机的示例性变形中，控制器84的控制例程可随使用传感器80和82中一个或两个的输出的附加例程或模块而增加以预期喘振，并控制压缩机和/或系统部件以避免或减轻这种喘振。另外，硬件可相对于基准被保留。

图3显示了示例性压缩机完全在喘振前（即在明显的喘振前失速之前）的振动频谱。单个突出峰90处于对应于轴转速（例如，在本示例中约155Hz）的频率。图4显示了在喘振下的振动频谱。在整个频谱，有比图3中的更大的数据波动。然而，轴速度峰仍然存在并示为90'。然而，存在处于低得多的频率和更大振幅的另一峰92。峰92的发展可从径向传感器80和82的输出（直接或通过滤波）检测到。下面讨论的示例性实施方式使用径向位置传感器82的输出。

如果确定了喘振发作，控制器可采取若干纠正动作中的一种。一个控制动作包括控制入口导叶100的取向。示例性的入口导叶以圆周阵列布置正好在入口24下游的入口/抽吸通道中。它们可通过致动器102围绕相应轴线旋转，以便选择性地收缩和释放入口流。响应于检测到的喘振，控制器84可导致致动器102以通过增量角关闭导叶。

然而，替代地，或附加地，速度可被控制。

然而，替代地，或附加地，控制器84可致动热气旁通阀42（图1）。

然而，替代地，或附加地，叶轮间隙可被控制。

图5是控制过程300的示例性控制流程图。这示例性的例程可添加至现有控制例程（例如，基准压缩机的）。该过程包括接收位置传感器输入302。位置传感器输入（例如累计）被处理304以提供振动数据（例如图3和4反映的振幅和频率信息）。然后确定306是否有喘振或即将发生的喘振（例如，旋转失速）。例如，这可通过大于在规定频率范围内振动的规定振幅的存在确定。示例性的阈值振幅为0.002英寸（0.05mm）（更宽地，大于0.001英寸（0.025毫米）或0.0015-0.003英寸（0.04-0.08毫米）作为阈值）。对于喘振，示例性的频率为3-10Hz。在此示范性的实施方式中，频率范围可为错过旋转失速的频率。检测旋转失速的替代实施方式可具有更宽的频率范围和更低的阈值振幅（至少低于较高的前述值）。然而，这样的检测可能有些更容易误报。

如果没有检测到喘振（或喘振前失速），那么不采取动作（例如，过程可返回至在302的开始点）。如果检测到喘振，可采取动作或可确定若干动作中适当的一个。例如，示例性的流程图根据测量到的间隙H₃识别了要采取的两个不同动作。308确定测量到的间隙是否大于最小值。测量到的间隙可反映在可为时间平均或其他方式处理的位置传感器输入中。

在示例性控制器配置中，最小间隙可由查找表确定。这可以是能够定购给定的额定压缩机型号的情况，该压缩机型号具有带不同叶片高度的多个不同叶轮中的任意一个。每个不同的叶轮可具有与其相关的不同的最小间隙。控制器可具有用于所有可用叶轮/叶片高度的查找表，且特定叶轮的识别可在制造处输入。这可直接提供查找表，和/或查找表可全部或部分地通过在压缩机组装期间执行校准提供。如果间隙大于最小值，则间隙可通过控制磁轴承减小310。例如，施加至轴承一侧（例如，反推单元122）的电流可减小增量，并且施加至轴承另一侧（例如，推力单元124）的电流可增加增量（例如相同增量）。该增量可与实际位置传感器输入电压（瞬时或时间平均）和与最小间隙相关的位置传感器输入电压（例如在查找表中）之间的差成比例。可选择比例常数（或其它函数（function））足够大以充分响应，但足够小以没有修正的风险。这可实验性地进行。替代地，可使用固定减少增量。然而，如果间隙已经下降至或低于最小值，可采取若干替代纠正动作312A-312C中的一个或多个。在第一替代动作312A中，入口导叶（IGV）可被关闭。关闭可通过固定增量或通过类似于在步骤310所述比例常数的比例常数。在第二替代312B，IGV相似地关闭，但速度增加（通过固定增量或通过例如在步骤310确定的比例函数的函数增加）。在第三替代中，热气旁通阀42可被打开312C。

尽管以上详细描述了实施例，但这种描述不意在限制本公开内容的范围。将理解的是，可进行各种修改而不背离本公开内容的精神和范围。例如，当应用于现有压缩机的再设计或现有应用中的压缩机时，现有压缩机或应用的细节可影响任何特定实施方式的细节。因此，其它实施方式在以下权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种压缩机（22），其包括：

外壳组件（40），所述外壳组件具有抽吸端口（24）和排放端口（26）；

轴（70），所述轴被安装用于围绕轴线（500）旋转；

叶轮（44），所述叶轮被安装至所述轴以在至少第一条件下被驱动，以便通过所述抽吸端口吸入流体并从所述排放端口排出所述流体；

磁轴承系统（66，67，68），所述磁轴承系统支撑所述轴；

传感器（80，82）；以及

控制器（84），所述控制器联接至所述传感器并配置为检测喘振和喘振前旋转失速中的至少一个，并且响应于所述检测，采取动作以阻止或反抗喘振。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述外壳包括电机室（60）；

电机（42）具有在所述电机室内的定子（62）和在所述定子内的转子（64）。

3.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述磁轴承系统包括：

第一径向轴承（66）；

第二径向轴承（67）；以及

推力轴承（68）。

4.根据权利要求3所述的压缩机，其中：

所述推力轴承是推力/反推轴承。

5.根据权利要求3所述的压缩机，进一步包括：

反推轴承与所述推力轴承轴向间隔开。

6.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述传感器包括：

径向位置传感器（82）；和

轴向位置传感器（80）；以及

所述控制器被编程为：

检测并限制同步振动。

7.根据权利要求6所述的压缩机，其中：

所述控制器被编程为通过检测振动来检测所述旋转失速，并响应于检测到的旋转失速，采取不同于同步振动控制的动作。

8.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述控制器被编程为通过检测振动来检测所述旋转失速。

9.根据权利要求8所述的压缩机，其中：

所述控制器被编程为从一个或多个轴承位置传感器检测所述振动。

10.根据权利要求8所述的压缩机，其中：

所述控制器被编程为在3-10Hz的频率范围内检测所述振动。

11.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述控制器被编程为通过确定在频率范围内超过阈值幅度的振动的存在来检测所述旋转失速。

12.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述控制器被编程为通过以下方式中的至少一种来采取所述动作阻止喘振发作：

提高压缩机速度；以及

打开热气旁通阀（42）。

13.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述叶轮是通过所述轴安装至所述转子以便与所述转子直接同轴旋转的单个叶轮。

14.一种蒸气压缩系统，其包括：

根据权利要求1所述的压缩机；

第一换热器（28），所述第一换热器联接至所述排放端口以在所述压缩机的第一操作条件下接收在下游方向上被驱动的制冷剂；

膨胀装置（32），所述膨胀装置位于所述第一换热器的下游；

第二换热器（30），所述第二换热器在所述膨胀装置的下游，并联接至所述抽吸端口以在第一操作条件下返回制冷剂。

15.根据权利要求14所述的系统，其中：

热气旁通阀被定位成绕过所述第一换热器并将制冷剂从所述压缩机传送至所述第二换热器。

16.一种用于操作根据权利要求1所述的压缩机的方法，其包括：

驱动电机通过所述抽吸端口吸入流体并从所述排放端口排放流体；

检测旋转失速；以及

响应检测到的旋转失速，采取所述动作以阻止喘振发作。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

所述动作包括调整间隙。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

当所述间隙超过最小值时，调整所述间隙；

当所述间隙没有超过所述最小值时，所述动作包括打开热气旁通阀。

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