CN103814261B - 离心压缩机的扩散器控制 - Google Patents

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Abstract

一种离心式致冷剂压缩机系统包括叶轮，该叶轮连接到轴上。扩散器布置在叶轮的下游侧，并且构造成用于调节离开叶轮的致冷剂流。磁性轴承支撑轴。感测元件构造成用于产生与轴状态相关的输出。控制器构造成用于接收输出，并且基于轴状态，确定不希望叶轮操作状态。控制器构造成用于响应于不希望叶轮操作状态，将扩散器命令到希望状态。

Description

离心压缩机的扩散器控制
技术领域
本公开涉及一种具有磁性轴承组件的离心式致冷剂压缩机。更具体地说，本公开涉及具有可变几何形状扩散器的这种致冷剂压缩机。
背景技术
致冷剂压缩机用来使致冷剂经由致冷剂环路循环到冷却器。一种类型的典型致冷剂压缩机用一组可变进口引导叶片操作，这组可变进口引导叶片布置在叶轮的上游，用于容量控制。可变进口引导叶片在致冷剂压缩机的操作期间致动，以在各种操作状态期间调节其容量。在一个例子中，通过磁性轴承将叶轮支撑在转子轴上。由磁性轴承控制系统检测的变化已经用来检测流体中由失速和波动状态引起的不稳定性，并且然后通过控制进口引导叶片位置而调节通过叶轮的流量。
可变几何形状扩散器（VGD）已经被建议用于离心式致冷剂压缩机系统。检测叶轮不稳定性的一种典型手段是在叶轮的任一侧处用压力传感器测量压力。给定操作状态下的不希望的压差指示了叶轮不稳定性。然后操纵VGD位置，以恢复叶轮稳定性。
发明内容
一种离心式致冷剂压缩机系统包括叶轮，该叶轮连接到轴上。扩散器布置在叶轮的下游侧，并且构造成用于调节离开叶轮的致冷剂流。轴组件由有源磁性轴承系统支撑。磁性轴承系统将轴保持在希望位置中，该磁性轴承系统装有用于其反馈控制的位置传感器。在失速或波动的状态下，来自流体不稳定性的干扰将作用在轴上而引起振动。来自磁性轴承控制系统的感测元件构造成用于接收振动。控制器构造成使用该信息来控制扩散器以获得流体稳定性。对于扩散器控制，不需要像压力传感器之类的附加的感测装置。
一种控制离心式致冷剂压缩机的方法包括感测支撑叶轮的轴的轴状态。基于感测的轴状态，确定不希望的叶轮操作状态是否存在。响应于不希望的叶轮操作状态，在叶轮的下游侧上有效地关闭扩散器。
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是致冷剂系统的高度示意性地视图，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是通过轴安装的叶轮的高度示意性地视图，该通过轴安装的叶轮由磁性轴承支撑。
图3是示例性离心式致冷剂压缩机控制系统的示意图。
图4是控制离心式致冷剂压缩机的示例性方法。
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。致冷剂压缩机10包括壳体14，电机16布置在该壳体14内。壳体14被示意地描绘，并且可以包括一个或多个构件。电机16经由轴20绕轴线A转动地驱动叶轮18，以压缩致冷剂。
叶轮18包括与致冷剂环路26流体连通的进口端部42和出口端部44，该致冷剂环路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，压缩机包含叶轮18，该叶轮18是离心式的。尽管只示出一个叶轮，但可使用多个叶轮。就是说，致冷剂进口22沿轴向布置，并且致冷剂出口24沿径向布置。致冷剂环路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相对于壳体14由磁性轴承组件30转动地支撑。磁性轴承组件30例如可以包括径向（30R1、30R2）和/或轴向（30A）磁性轴承元件，如在图2中示出的那样。位置传感器66（在例子中，两个径向传感器66R1和66R2）用来感测轴位置，以便控制反馈系统和振动监视。
返回到图1，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。磁性轴承组件产生使轴20悬浮的磁场，并且在致冷剂压缩机10的操作期间控制轴20的特性。控制器32示意地描绘，并且可以包括多个控制器，这些控制器布置成彼此远离或靠近。控制器32可以包括硬件和/或软件。
电机16在永磁马达的一个例子中包括转子34，该转子34绕其圆周支撑多个磁铁36。定子38绕转子34布置，以便当激励时，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状态而提供变速命令，以在变速下转动地驱动叶轮18。控制器32与多个传感器（未示出）通信，以监视和保持压缩机操作状态。
叶轮18包括轮叶40，这些轮叶40从进口端部42大致径向向外沿弧形路径延伸到出口端部44。壳体14包括在致冷剂进口22处的上游区域23。扩散器48在蜗壳25的上游、在出口端部44的下游设置在通路46中，以调节叶轮18上的流量和压力，而没有例如对于进口引导叶片的需要或使用。尽管一种类型的机械式可变几何形状扩散器示出在例子中，但应该理解，扩散器48可以是在例如国际申请No.PCT/US10/61754中公开的类型的任何机械式扩散器，如环形环式扩散器、管式扩散器、或可调整可变定子叶片扩散器。也应该理解，扩散器48可以是例如在国际申请No.PCT/US10/55201中公开的类型的流体注入器，用来通过有效地改变通过通路46的流体流量而实现致冷剂流的控制。
参照图2，示出了用来支撑轴20的示例性磁性轴承构造，叶轮18安装到该轴20上。在一种类型的磁性轴承构造中，一对径向轴承30R1、30R2支撑轴20的两端部。轴向磁性轴承30A可以提供成与轴上的推力结构24相邻，从而限制轴的轴向运动。尽管轴向轴承30A示出在轴20的末端端部处，但应该理解，轴向轴承可布置成与推力头（thrustrunner）相邻，并且例如可以与径向轴承之一成整体。也应该理解，轴20可以包括多个叶轮，例如，在轴20的两端部处分别一个叶轮。
调整压缩机容量的基本控制变量是变速离心式压缩机的速度。例如，如果离开冷却器的冷却水温度比其设置点值低（例如4℃，而不是所要求的设置点值5℃），则控制器将减小压缩机速度，以减小由冷却器产生的冷却量，这然后将把离开冷却器的冷却水温度带回其希望的设置点值。在某些冷却器操作状态下，进一步减慢速度可将压缩机驱动到失速或波动状态（对于给定压力比而言的太小流量），而限制下调能力。在该情况下，将发生与压缩机速度减小相反的可变几何形状扩散器闭合。在最初波动状态下，在来自位置传感器的轴承轨道信号中，可看到高频转动失速压力和流量波动。使用该信息，可对可变几何形状扩散器位置进行调整，以防止波动或有害失速。
示例性压缩机控制系统60示出在图3中。在例子中，径向轴承30R1用来检测轴状态，该径向轴承30R1布置成最靠近叶轮18。轴状态（例如振动）可用来确定不希望的叶轮操作状态，如失速或波动。例如，在失速或波动状态下，不希望的振动施加到磁性轴承，并且将由它们的传感器拾取，这些传感器还用于位置控制反馈系统。
有源磁性轴承系统装备有与磁性轴承成一体的位置感测能力。在示出的例子中，径向轴承30R1包括位置传感器66X、66Y，这些位置传感器66X、66Y分别检测轴20相对于磁性轴承30R1在X和Y方向上的位置。轴位置的信息被发送到控制器32，如由箭头指示的那样。类似地，轴向轴承30A包括位置传感器66Z，该位置传感器66Z将轴20相对于磁性轴承30A的位置的信息发送到控制器32。径向轴承位置传感器66R1、66R2也与控制器32通信。
轴承电源62将电力供给到轴承30R1、30A。不希望的叶轮操作状态也可以通过在由失速和/或波动状态引起的振动期间磁性轴承试图使轴20稳定因而从轴承电源62抽取的附加的电流量来自身表现。相应地，将电力供给磁性轴承的电路可以包括与控制器32通信的电流传感器64X、64Y、64Z，这些电流传感器64X、64Y、64Z指示由磁性轴承分别在X、Y及Z方向上抽取的电流量。
控制器32与扩散器48通信，具体地说与致动器通信，控制器将扩散器48操纵到希望的状态，以调节离开叶轮18的致冷剂流。在机械式扩散器的情况下，致动器可以是线性致动器。在空气注入式扩散器的情况下，致动器可以是流体控制阀。
控制离心式致冷剂压缩机10的示例性方法70示出在图4中。方法70包括：基于轴20中的不希望的振动是否存在，检测叶轮振动，如在方块72中指示的那样。通过磁性轴承位置感测或电流感测的至少一种实现所述检测，如以上描述的那样。将测量的位置和/或电流与基准位置和/或电流相比较，该基准位置和/或电流对于给定压缩机可以经验地确定。基准可以限定用于压缩机操作状态的波动或失速线。
对于其中使用变速马达的压缩机系统，当马达速度减小并且扩散器充分地打开时，压缩机对于波动和失速是最敏感的。因而，例如，一旦达到预定最小轴速度，就可以启动失速或波动检测，如在方块74中指示的那样。以这种方式，连续振动检测是不必要的。
如果需要，叶轮振动的检验可以用作对于检测步骤的检查，如由方块78指示的那样。例如，如果轴承位置感测用在检测步骤中，则轴承电流感测可用于作为不希望的轴状态的确存在的双重检查的检验。
例如，响应于检测到的不希望的叶轮操作状态，通过将扩散器关闭预定增量，来将扩散器命令到希望状态，如在方块76处指示的那样。再次检查叶轮的轴状态，以确认新的扩散器状态足以减轻不希望的叶轮操作状态，如在方块80处指示的那样。如果检验是不成功的，那么将扩散器关闭附加的预定增量。如果检验是成功的，那么在当前扩散器状态下可以进行马达速度的进一步减小，如在方块82处指示的那样。
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，某些修改可能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 (15)

1.一种离心式致冷剂压缩机控制系统，包括：
叶轮，所述叶轮连接至轴；
扩散器，所述扩散器布置在叶轮的下游侧，并且构造成用于调节离开叶轮的致冷剂流；
磁性轴承系统，所述磁性轴承系统支撑所述轴；
磁性控制系统的感测元件，所述感测元件构造成用于产生与轴状态相关的输出，在扩散器处于充分有效地打开状态的情况下，在达到预定的最小叶轮速度之后启动所述感测元件；以及
控制器，所述控制器构造成用于接收所述输出，并且基于所述轴状态确定不希望的叶轮操作状态，控制器构造成响应于所述不希望的叶轮操作状态而将扩散器命令到希望的状态，
其中所述不希望的叶轮操作状态包括叶轮失速和叶轮波动状态中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，磁性轴承包括轴向轴承、第一径向轴承和第二径向轴承。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，最靠近叶轮的径向轴承提供包括至少一个位置传感器的感测元件。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，至少一个叶轮被支撑在所述轴上，并且第一径向轴承和第二径向轴承都用作感测元件。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，扩散器由机械式可变几何形状扩散器来提供。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，扩散器由流体注入器来提供。
7.根据权利要求1所述的系统，包括变速马达，该变速马达构造成用于转动地驱动所述轴。
8.根据权利要求1所述的系统，包括轴承电源，并且所述感测元件包括电流传感器，该电流传感器构造成用于测量从轴承电源提供给磁性轴承的电流。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述轴状态是轴振动。
10.一种控制离心式致冷剂压缩机的方法，包括：
在扩散器处于充分有效地打开状态的情况下，在达到预定的最小叶轮速度之后，启动感测轴的轴状态的感测步骤，该轴支撑叶轮；
基于感测的轴状态，确定不希望的叶轮操作状态是否存在；以及
响应于检测到的不希望的叶轮操作状态，有效地关闭在叶轮的下游侧上的扩散器，
其中所述不希望的叶轮操作状态包括叶轮失速和叶轮波动状态中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述轴状态是轴振动。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，利用轴承位置传感器和轴承电流传感器中的至少一者，来执行感测步骤。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，利用轴承位置传感器和轴承电流传感器中的一者，来执行所述感测步骤；利用轴承位置传感器和轴承电流传感器中的另一个传感器，来检验所述轴状态。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，在有效地关闭步骤之后，重复感测步骤和确定步骤。
15.根据权利要求10所述的方法，包括如下步骤：如果不希望的叶轮操作状态响应于有效地关闭步骤而停止，则容许马达速度的减小。
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