CN103649546A - 压缩机间隙控制 - Google Patents

Abstract

一种压缩机（22）具有壳体组件（50），壳体组件（50）具有抽吸端口（24）和排出端口（26）。叶轮（54）由安装成旋转的轴（70）支撑，以至少在第一条件中被驱动，从而经过抽吸端口（24）吸入流体并从排出端口（26）排出流体。磁轴承系统（66，67，68）支撑轴（70）。控制器（84）联接到轴向位置传感器（80）并且构造成控制叶轮位置。

Description

压缩机间隙控制

相关申请的交叉引用

要求2011年7月15日提交的名称为“Compressor Clearance Control”的美国专利申请序列号61/508,259的权益，该专利申请的全部公开内容以参考的方式并入本文中，如同详尽阐述一样。

背景技术

本公开涉及压缩机。更具体地，本公开涉及电马达驱动的磁轴承压缩机。

电马达驱动压缩机的一种特定用途是液体制冷机。一种示例性液体制冷机使用密封的离心压缩机。该示例性单元包括压缩机、冷却器单元、制冷机单元、膨胀装置和各种其它部件的独立运行的组合。

一些压缩机包括介于马达转子和叶轮之间的传动装置，用于以快于马达的速度驱动叶轮。在其它压缩机中，叶轮直接由转子驱动（例如，叶轮和转子在相同的轴上）。

各种轴承系统已被用于支撑压缩机轴。一种特定类别的压缩机使用磁轴承（更具体地，电磁轴承）。为了向轴提供径向支撑，可使用一对径向磁轴承。可利用机械轴承（所谓的“保护”轴承）来支持这些磁轴承中的每一个。此外，一个或多个其它磁轴承可以构造成抵抗将轴向上游拉的负荷（并且还抵抗相反的负荷）。上游运动收紧叶轮与其护罩之间的间隙，由此面临损伤的风险。相反的运动使间隙打开并且降低效率。

磁轴承使用位置传感器以便调整相关联的磁场，从而针对给定操作条件的相关联的径向和轴向静负荷而维持径向和轴向定位并且进一步控制同步振动。

发明内容

因此，本公开的一个方面涉及一种压缩机，该压缩机具有壳体组件，该壳体组件具有抽吸端口和排出端口。叶轮由安装成旋转的轴支撑，以至少在第一条件中被驱动从而经过抽吸端口吸入流体并从排出端口排出流体。磁轴承系统支撑该轴。控制器联接到轴向位置传感器，并且构造成控制叶轮位置以随着系统容量和升程（lift）中的至少一种而变化。

在下面的附图和描述中，说明了一个或多个实施例的细节。从说明书和附图以及从权利要求将会明白其它特征、目的和优点。

附图说明

图1是制冷机系统的局部示意图。

图2是制冷机系统的压缩机的纵剖面图。

图3是第一控制流程图。

图4是第二控制流程图。

在各附图中，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是制冷机系统。系统20包括具有抽吸端口（入口）24和排出端口（出口）26的离心压缩机22。该系统还包括第一换热器28，该第一换热器28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）。在一个基于现有制冷机的示例性系统中，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31中，制冷剂被外部水流冷却。浮阀32控制从包围再冷却器管束30的再冷却器室经过冷凝器出口的流量。

系统还包括第二换热器34（在正常模式中是吸热换热器或蒸发器）。在该示例性的系统中，换热器34是由管束35形成的制冷剂－水换热器，用于冷却制冷机单元36内的经冷却的水流。单元36包括制冷剂分配器37。膨胀装置38沿着正常模式制冷剂流径40在压缩机的下游和蒸发器的上游（该流径部分地被相关联的管道等包围）。

热气体旁通阀42位于沿旁通流径支路44的位置，支路44在位于压缩机出口26下游和隔离阀34上游的第一位置以及位于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）具有壳体组件（壳体）50。该示例性的壳体组件容纳电马达52和叶轮54，叶轮54能够在第一模式中被电马达驱动以压缩流体（制冷剂），从而经过抽吸端口24吸入流体（制冷剂），压缩该流体并且从排出端口26排出该流体。示例性的叶轮直接地被马达驱动（即，没有中间的传动装置）。

壳体50限定马达室60，马达室60在该室内容纳马达的定子62。马达的转子64部分地在定子内并且被安装成绕转子轴线500旋转。该示例性的安装是经由如下方式进行的：一个或多个电磁轴承系统66、67、68将转子的轴70安装到壳体组件。示例性的叶轮54被安装到轴（例如，安装到端部72）从而随着轴作为一个单元绕轴线500旋转。

示例性的轴承系统66是径向轴承并且将轴的中部（即，在叶轮和马达之间）安装到壳体组件。示例性的轴承系统67也是径向轴承，并且将轴的相对部分安装到壳体组件。示例性的轴承68是推力/反推力轴承。径向轴承径向地保持轴，而推力/反推力轴承具有分别轴向地保持轴防止其发生推力和反推力位移的部分。图2还示出了轴向位置传感器80和径向位置传感器82。这些位置传感器可以联接到控制器84，该控制器84还控制马达、轴承的动力供给以及其它压缩机和系统部件功能。控制器可接收来自输入装置（例如，开关、键盘等）和其它传感器（未图示）的用户输入。控制器可以经由控制线（例如，硬连线或无线通信通路）联接到可控的系统部件（例如，阀门、轴承、压缩机马达、翼片致动器等）。控制器可包括以下中的一个或多个：处理器；存储器（例如，用于储存程序信息并且用于存储数据，该程序信息由处理器执行以实施操作方法，该数据由（一个或多个）程序使用或生成）；以及用于与输入/输出装置和可控系统部件联系的硬件接口装置（例如，端口）。

指定推力与反推力方向在某种程度上是任意的。为了说明的目的，反推力轴承被认定为阻止由于叶轮与流体的协作而造成的叶轮的上游运动。推力轴承阻止相反的运动。示例性的推力/反推力轴承是吸引轴承（通过磁吸引而不是磁排斥来工作）。轴承68具有刚性地安装到轴72的推力套圈120。反推力线圈单元122和推力线圈单元124在推力套圈的相对侧上安装到壳体，反推力线圈单元122和推力线圈单元124的电磁力作用在推力套圈上。在线圈单元122和124与推力套圈120之间分别存在高度为H₁和H₂的间隙。

图2还示出了机械轴承74和76，这两个轴承分别用作径向的保护轴承（touchdown bearing）从而分别为磁径向轴承66和67提供机械支持。内座圈具有充当轴向保护轴承的肩部。

如目前所述，系统和压缩机可以是许多系统和压缩机构造中的任一个的代表。传感器80和82可以是用于控制电磁轴承的现有传感器。在对基准的这种系统和压缩机的一个示例性修改中，控制器84的控制例程可用另一例程或模块进行扩充，该另一例程或模块利用传感器80和82中的一个或两个的输出来优化运转间隙。否则，可相对于基准保留硬件。

在使用开式叶轮的离心压缩机中，叶轮和护罩之间的运转间隙是影响压缩机效率的关键特性。减小间隙将提高效率。

实际的瞬时间隙（运转间隙）可能难以直接测量。在轴承系统处（例如，在推力套圈处）的测得的叶轮轴向位置可充当非运转间隙（冷间隙）的替代物。运转间隙将反映与叶轮和/或轴的变形/偏转（例如，由于操作力引起的变形/偏转）等相组合的冷间隙。

在一个示例性的基准压缩机中，在组装期间设定冷间隙以确保将在预期的操作范围上提供足够的运转间隙。在组装期间，由保护轴承限制的轴的轴向范围或运动被调整（例如，经由转子垫补法）到每个范围内。例如，在一个示例性的500-1000冷却吨（1750-3500 kW）压缩机中，一个示例性的范围为0.002-0.020英寸（0.05-0.5毫米）（冷间隙的，如由机械保护轴承决定的）。基准控制算法设法将标称冷间隙维持在该范围内。

然而，可能期望在操作期间改变冷间隙。可能期望在压缩机正在运行时改变冷间隙以优化性能（例如，使效率最大化）和/或使容量最大化。

可能期望在部分负荷下比在满负荷下具有更小的冷间隙。在这种情况下，在负荷范围上运转间隙会是相似的。如果将冷间隙设定成在最大负荷下具有足够的运转间隙，那么在部分/低负荷下将会存在相对大的运转间隙。间隙与叶轮和护罩之间的泄漏流量相关联，该泄漏流量代表损耗。在低负荷下，较大的运转间隙导致不成比例地大的损失，并且因此导致效率降低。将低负荷下的冷间隙减小到仍然确保足够的运转间隙的水平能够至少部分地减小与泄漏相关联的相对效率损失。

控制转子位置或相关联的冷间隙以减小运转间隙也有益于增大经过压缩机的最大可用流量。经过压缩机的流量是经过叶轮的流量减去经过间隙的泄漏流量（内部再循环）。经过叶轮的最大流量与叶轮几何形状有关。因此，减小运转间隙会使得泄漏流量减小并且使得经过压缩机的最大可用流量增大。由此，这种影响可增大给定操作条件（给定的压力差）下的容量。

磁推力轴承被设计成承载在上述范围内的轴向负荷。这通过改变在轴承任意侧（推力侧和反推力侧）上的磁场而完成。各种负荷下的所估计的需要的间隙被载入控制软件中。可以从入口导向翼片位置或者蒸发器水流率和状态点（压力和温度）的测量值来确定该容量。

动态地或自适应地设定叶轮位置的另一方式是通过测量给定操作条件下的若干位置的功率并且选择给出最小功率的那个位置。

示例性的磁轴承基于吸引的原理而工作：励磁电流越高，吸引力越大。因此，吸引磁推力轴承可定位成与机械推力轴承（例如，充当磁轴承的支持的机械轴承）轴向地相对。在具有吸引轴承并且所述轴承施加沿远离抽吸端口的方向的净力的情况下，线圈单元122可以被提供高于单元124的电压。因此，单元122被指定为“活性侧”而相对的单元124将会是“非活性侧”。叶轮由于气体力而经受轴向推力，气体力使叶轮朝向护罩运动并且关闭间隙。通过调整流向推力侧和反推力侧的电流，可以将间隙调整到所需的位置。

所施加的电流或电压和相关联力之间的特定关系取决于磁路设计。示例性的磁路由铁叠片和气隙电感组成。可通过分析性和实验性分析来确定电流和力之间的关系。可由以下示例性方程来表示该关系：

。

其中，μ₀是磁导率，A_p是极面面积，N是铜线的匝数，i是电流，并且h是推力套圈和固定磁轴承之间的间隙。通过改变在活性侧和/或非活性侧的电流，可以改变净磁力并因此改变叶轮的位置（达相同的增量或者达不同的量）。

如果经过单元122和124的各自电流是i₁和i₂，那么为了减小间隙，减小i₁和/或增大i₂。叶轮的传感器或者叶轮前面的传感器将确定该间隙。

一种示例性的控制器可以被预编程为具有目标冷间隙（例如，作为位置传感器的实际距离或相应的电压输出值）与操作容量（%）的映射表。作为一个替代，一些压缩机控制器可被预编程以与多种构造的压缩机一起工作。一个例子包括压缩机系列，其中，该系列中的不同型号（或子型号）具有不同的叶轮叶片高度，但在其他方面是相似的。控制器可被编程为具有间隙比（前述冷间隙与叶片高度的比）与操作容量的映射表。

当组装这种压缩机时，可输入与叶片高度相对应的叶轮代码。控制器可具有相应的映射表，诸如：

叶轮代码	叶轮出口处的叶片高度（英寸（毫米））
		1	0.5（13）
2	0.6（15）
		3	0.7（18）
4	0.8（20）

目标冷间隙比与容量的一个示例性映射表是：

容量（%）	冷间隙比
		100	0.03
75	0.025
		50	0.02
25	0.018

在此示例中，在包括25-100%容量范围的操作范围上，目标冷间隙将随着容量增大而增大。由25-100%容量得到的示例性间隙目标增加是三分之二（（0.3-0.18）/0.18）。更概括而言，示例性的增加是至少三分之一或至少50%或至少三分之二。

涡流电流传感器的电压值与冷间隙的示例性映射是200毫伏/0.001英寸（7.9毫伏/微米）。  

冷间隙（英寸（毫米））	电压（伏）
		0.01（0.25）	2.0
0.02（0.51）	4.0
		0.03（0.76）	6.0
0.04（1.0）	8.0

图3是控制过程300的示例性控制流程图。可将该示例性例程加到（例如，基准压缩机的）现有控制例程中。该过程包括接收位置传感器输入302。然后（例如，从上述查找表或者利用编程的函数关系）确定叶轮位置（从而确定冷间隙）304。然后，测量流体参数306。示例性的参数包括来自相关联的传感器的冷却器水流率、进口温度和出口温度。然后，基于那些测得的参数来计算制冷容量308。

然后，（例如，从上述查找表）确定用于所确定的容量的目标间隙310。然后，（例如，通过减去在设定/组装时确定的已知校准量）确定与目标冷间隙对应的目标叶轮位置312。然后，（例如，从相同的查找表或者步骤304所使用函数的反函数）确定与目标叶轮位置对应的目标传感器电压314。

然后，可以调整冷间隙316。在一个示例中，该调整基于叶轮的目标位置和实际位置之间的差（例如，基于在步骤314中确定的目标传感器电压和在步骤302中测量的传感器电压之间的差ΔV_传感器）。在上表中的位置传感器的示例中，电压随着间隙增大而增大。一种采用替代构造的传感器可以以与此相反的方式操作。如果ΔV_传感器是正的（在步骤314中确定的目标传感器电压大于来自步骤302的实际传感器电压），那么冷间隙将被减小；如果ΔV_传感器是负的，那么冷间隙将被增大。示例性的间隙增大或减小包括减小流向轴承一侧的电流并且增大流向另一侧的电流，如上所述。示例性的减小和增大达到量KΔV_传感器，其中，K是通过实验方式选择的常数，该常数具有足够高的幅值以提供及时的校正，但不高到面临过校正共振的风险。更复杂的变化算法是可能的。在25%和100%容量之间的示例性冷间隙变化至少为0.005英寸（0.13 mm），更窄地0.005-0.015英寸（0.13-0.38 mm）或0.006-0.01英寸（0.15-0.25 mm）。

图4示出了用于功率消耗最小化的动态（即时）控制算法400。对马达功率进行测量402。（例如，通过如上所述的位置传感器）对冷间隙进行测量404。将测得的冷间隙与最小可接受冷间隙进行比较406。示例性的最小可接受间隙是取决于条件的。可利用公式或查找表来确定最小可接收冷间隙。示例性的查找表包括冷间隙（或其它位置替代物）与升程或饱和温度差的映射表：

升程（F（C））	最小冷间隙（英寸（毫米））
		70（39）	0.004（0.10）
60（33）	0.006（0.15）
		50（28）	0.008（0.20）
40（22）	0.01（0.25）

示例性查找表是作为给定叶轮代码的升程（冷凝器饱和温度减去冷却器饱和温度）的函数的最小冷间隙。因此，对于每个叶轮代码可以存在单独的表，或者存在单个表，其具有反映叶轮代码的另一转换因子或函数。

因此，比较406可以从用于测量和/或计算后述参数的步骤接收输入。如果测得的冷间隙大于该操作条件的最小可接受冷间隙，那么减小冷间隙408。示例性的减小是通过预定的线性增量（例如，0.02英寸（0.05 mm））进行的，该预定的线性增量会受轴承的相对侧上的电流变化影响。与预定线性增量相关联的电流变化将随着条件而变化。控制器可利用上述公式基于当前位置和电流值来计算电流变化。

重新测量马达功率410并且与以前测量的功率进行比较412。如果功率已经增大，那么控制器增大冷间隙414。控制器可增大冷间隙达预定的增量，例如与步骤408中使用的相同的增量。如果功率已经减小，那么重复该过程。

尽管上面详细描述了一个实施例，但这种描述并非意图限制本公开的范围。应当理解的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下可以作出各种修改。例如，当应用于现有压缩机或者现有应用中的压缩机的重新构造时，现有压缩机或应用的细节可影响任何具体实施方式的细节。因此，其它实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种压缩机（22），包括：

壳体组件（50），所述壳体组件（50）具有抽吸端口（24）和排出端口（26）；

叶轮（54）；

轴（70），所述轴（70）支撑所述叶轮以至少在第一条件中被驱动，从而经过所述抽吸端口吸入流体并且从所述排出端口排出所述流体；

磁轴承系统（66，67，68），所述磁轴承系统（66，67，68）支撑所述轴；

轴向位置传感器（80）；以及

控制器（84），所述控制器（84）联接到所述轴向位置传感器并且构造成控制叶轮位置以随着系统容量和升程中的至少一种而变化。

2.如权利要求1所述的压缩机，其中：

通过使用与所述容量和升程中的至少一种相关联的目标位置或最小冷间隙位置的查找表而得到随着系统容量和升程中的至少一种的变化。

3.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述壳体组件还包括马达室（60）；

电马达（52）具有在所述马达室内的定子（62）和在所述定子内的转子（64），所述转子被安装成绕转子轴线（500）旋转；并且

所述轴将所述叶轮（54）联接到所述转子。

4.如权利要求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）。

5.如权利要求4所述的压缩机，其中：

所述推力轴承是推力/反推力轴承。

6.如权利要求1所述的压缩机，其中，所述控制器还被编程为：

控制所述轴承以限制同步振动。

7.如权利要求1所述的压缩机，其中，所述控制器被编程为控制叶轮位置以随着系统容量而变化，从而提高效率。

8.如权利要求1所述的压缩机，其中，所述控制器通过如下方式被编程为控制叶轮位置以随着系统容量而变化：

确定所述叶轮位置；

确定所述系统容量；

确定目标叶轮位置；以及

改变施加到所述磁轴承系统的电流从而将所述叶轮朝向所述目标叶轮位置移动。

9.如权利要求8所述的压缩机，其中，所述改变电流包括：

减小在轴向方向上偏置所述叶轮的电流；以及

增大在与所述轴向方向相反的方向上偏置所述叶轮的另一电流。

10.如权利要求9所述的压缩机，其中：

所述减小达与所述增大相等的幅度。

11.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述压缩机是单叶轮压缩机；并且

所述叶轮是单级叶轮。

12.一种蒸气压缩系统，包括：

如权利要求1所述的压缩机；

第一换热器（28），所述第一换热器（28）联接到所述排出端口，以接收在所述压缩机的第一操作条件中在下游方向上被驱动的制冷剂；

膨胀装置（32），所述膨胀装置（32）在所述第一换热器的下游；以及

第二换热器（30），所述第二换热器（30）在所述膨胀装置的下游并且联接到所述抽吸端口，以在所述第一操作条件中返回制冷剂。

13.一种用于操作如权利要求1所述的压缩机的方法，包括：

驱动所述马达以经过所述抽吸端口吸入所述流体并且从所述排出端口排出所述流体；以及

由所述轴向位置传感器确定所述轴向位置；

确定所述系统容量；

响应于所确定的系统容量而确定所述轴向位置的目标；以及

控制所述磁轴承系统以朝向所述目标控制所述轴向位置。

14.如权利要求13所述的方法，其中：

所述轴向位置的确定包括针对所述轴向位置传感器的电压输出在第一查找表中查找位置；

所述目标的确定包括在目标间隙相对于容量的第二查找表中查找目标；以及

所述控制包括使施加到所述轴承系统的一侧的电流发生增量并且使施加到相对侧的电流发生减量。

15.如权利要求14所述的方法，其中：

所述增量和减量达与所述目标轴向位置和所确定的轴向位置之间的差成比例的相同幅度。

16.如权利要求13所述的方法，其中：

所述目标位置与目标间隙相关联；

在包括25-100%容量的操作范围上，所述目标间隙随着容量增大而增大。

17.如利要求13所述的方法，其中：

在所述操作范围上，所述目标间隙增大达至少三分之一。

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