CN106133461A - 带挤压膜阻尼器的制冷压缩机滚动轴承 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种离心式压缩机(22)，其包括：壳体(160)，其具有抽吸端口(24)和排放端口(26)；叶轮(162、164)，其被安装用于通过多个轴承(80、82)围绕叶轮轴(500)旋转；以及联接至所述叶轮的马达(34)，其用于驱动所述叶轮围绕所述叶轮轴的旋转。所述轴承各自包括：内座圈(200)；外座圈(202)；以及所述内座圈与所述外座圈之间的滚动元件(204)。所述轴承各自包括：内座圈(200)；外座圈(202)；以及所述内座圈与所述外座圈之间的滚动元件(204)。每一轴承的所述外座圈被安装用于相对于所述壳体进行径向移位并且被相关联的腔室(224)围绕；并且所述腔室联接至所述压缩机上的端口(92)。

Description

带挤压膜阻尼器的制冷压缩机滚动轴承

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年3月28日提交的标题为“Centrifugal Compressor Bearings”的美国专利申请序列No.61971838的权益，该专利申请的公开内容以引用的方式整体并入本文中，就如在此列出其全部内容。

发明背景

本公开涉及蒸汽压缩系统。更确切地说，本公开涉及蒸汽压缩系统中的离心式压缩机。

蒸汽压缩系统的一个实例涉及冷水机。示例性冷水机涉及由电动马达驱动的两级离心式压缩机。经过示例性系统的主制冷剂流路顺序地从压缩机的出口传递通过冷凝器、节约器(例如，闪蒸罐节约器)、膨胀装置和冷却器，从冷却器返回至压缩机入口。节约器线路可从节约器延伸至压缩机的中间级。

示例性压缩机包括离心式压缩机。示例性离心式压缩机包括两级离心式压缩机。存在两种形式的常见两级离心式压缩机。所谓的串联式将两个叶轮一前一后放置在马达的第一端处。对比而言，所谓的背对背式具有位于马达的第一端处的第一叶轮和位于马达的第二端处的第二叶轮。

典型的压缩机构造使用分别位于马达的两端的一对轴承来支撑马达轴。一个或两个叶轮级安装在轴承的远侧。因此，串联构造具有比同等的背对背构造长的轴悬臂。串联构造的不对称性还在压缩机上产生各种机械载荷。因此，串联压缩机较之背对背压缩机更易于受到共振问题的影响。

对于典型的背对背压缩机，通常在第一临界速度以下操作。因此，便宜的轴承可以与串联压缩机一起使用。例如，可使用陶瓷混合式轴承(即，具有金属座圈和陶瓷滚动元件的轴承)。对比而言，串联构造将具有比对应的背对背构造低的第一临界速度。串联压缩机的操作界限可能包括该临界速度。昂贵的磁性轴承可用于为串联压缩机提供所需的阻尼，以承受与第一临界速度的操作相关联的共振。因此，磁性轴承的成本可能比陶瓷混合式轴承的成本高几千美元。

发明概要

本公开的一个方面涉及离心式压缩机，其包括：壳体，其具有抽吸端口和排放端口；叶轮，其被安装用于通过多个轴承围绕叶轮轴旋转；以及联接至叶轮的马达，其用于驱动叶轮围绕所述叶轮轴的旋转。所述轴承各自包括：内座圈；外座圈；以及所述内座圈与所述外座圈之间的滚动元件。每一轴承的外座圈被安装用于相对于所述壳体进行径向移位并且被相关联的腔室围绕；并且所述腔室联接至压缩机上的端口。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，所述叶轮与马达同轴并且被安装至转子轴，以进行围绕所述叶轮轴的所述旋转。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，离心式压缩机是具有第一所述叶轮和第二所述叶轮的串联压缩机；并且第一所述轴承在马达与第一叶轮和第二叶轮之间。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，腔室中的每一个被以下包围：壳体的一部分；外座圈；以及一对o形圈。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，至少一个孔口位于端口与腔室之间。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，轴承中的每一个进一步包括将外座圈联接至壳体的防转装置。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，排放端口连接至腔室。

本公开的另一方面涉及制冷系统，所述制冷系统包括离心式压缩机，并且进一步包括：排热热交换器，其联接至所述压缩机以从排放端口接收制冷剂；膨胀装置；以及吸热热交换器，其联接至所述压缩机以递送制冷剂至抽吸端口。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，至所述端口的轴承供应流路旁通膨胀装置。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，所述系统具有用于对沿轴承供应流路流动的制冷剂进行低温冷却的低温冷却装置。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，低温冷却装置包括热交换器。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，热交换器是制冷剂-制冷剂热交换器，所述热交换器具有沿轴承供应流路的第一支腿和与所述第一支腿热交换的第二支腿。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，第二支腿沿从主流路分流并且返回主流路的分支流路，并且低温冷却装置进一步包括沿位于第二支腿上游的分支流路的第二膨胀装置。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，过滤器位于低温冷却装置与端口之间。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，压缩机中的至少一个孔口限制通过轴承供应流路的流量。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，系统具有来自腔室的排水流路。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，压力控制阀在排水流路中。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，排放流路延伸至吸热热交换器，以与主流路合并。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，使用系统的方法包括：运行压缩机以沿主流路驱动制冷剂顺序地从压缩机行进至排热热交换器、膨胀装置和吸热热交换器以返回至压缩机；以及将制冷剂从主流路转移至腔室。

在前述实施方案中的任何一个的一个或多个实施方案中，所述方法进一步包括在递送至腔室之前对转移的制冷剂进行低温冷却。

一个或多个实施方案的细节在以下附图和描述中阐述。根据描述和附图以及根据权利要求，其它特征、目标和优势将显而易见。

附图简述

图1是冷水机系统的示意性视图。

图2是图1的系统的压缩机的部分示意性视图。

各种附图中的相同参考编号和标识指示相同元件。

具体实施方式

图1示出具有改进的压缩机轴承构造和操作的蒸汽压缩系统20。如下面进一步讨论，压缩机的特点在于阻尼的机械轴承构造，所述构造使用相对便宜的机械轴承(例如，陶瓷混合式轴承)代替磁性轴承。示例性蒸汽压缩系统20是用于对水流或其它热传递液体进行冷却的冷水机。冷水机包括压缩机22，所述压缩机22具有定义抽吸条件的入口或抽吸端口24以及定义排放条件的出口或排放端口26。示例性压缩机是两级离心式压缩机，其具有被示出为28的第一级、被示出为30的第二级和被示出为32的中间级。每一级包括离心式叶轮。两个叶轮由电动马达34一起驱动(例如，直接驱动或利用齿轮箱驱动)。如下面进一步讨论，示例性两级压缩机是由马达直接驱动的串联压缩机。

系统20具有主制冷剂流路35，所述主制冷剂流路35行进通过入口24与出口26之间的压缩级，并且经由从热交换器38的出口26至入口36的排放线路行进到下游。在正常操作中，热交换器38是排热热交换器，更确切地说是冷凝器，所述冷凝器将来自流动通过所述冷凝器的制冷剂的热量排斥到热传递流体的外部流。热传递流体的示例性流是冷却水或空气。热传递流体的示例性流40进入冷凝器38的入口42，并且退出出口44(例如，热交换器的水回路)。

主制冷剂流路35进一步向下游行进至具有入口58和出口60的膨胀装置56。主制冷剂流路35从膨胀装置出口60进一步向下游传递至第二热交换器(吸热热交换器(例如，冷却器))64的入口62。冷却器从进入入口72和离开出口74的热传递流体(例如，水)的流70(例如，热交换器的水回路)吸收热量。冷却器具有沿主制冷剂流路的制冷剂出口76，所述主制冷剂流路具有将出口76连接至压缩机入口24以使主制冷剂流路35完整的抽吸线路78。

如目前为止所描述的，这是若干示例性现有技术构造中的一个的代表，可将更多修改中的一个或多个应用于所述现有技术构造。可选蒸汽压缩系统可具有其它特点，包括诸如节约器、抽吸线路热交换器、热气旁通、多个吸热热交换器等的基本变化形式，以及包括多个压缩机、排热热交换器等的更多极端变化形式。

图1进一步示出可用于供应流体至压缩机轴承80和82的若干额外流路分支。流体填充围绕轴承的腔室以充当挤压膜阻尼器，从而对轴承的径向偏移/振动进行阻尼。所述阻尼器在诸如涡轮发动机和涡轮增压器等其它领域中使用。

轴承支撑马达转子和叶轮，以绕转子轴500旋转。供应流路90从膨胀装置56上游的主流路35分流。在该实例中，流路90由适当的导管形成，所述导管从排热热交换器38的集水坑处的上游端延伸。流路90延伸至压缩机上的端口92(供应端口)。如下面进一步讨论，流路继续经过歧管94。端口92可沿外壳的铸件(或其它结构组件)，或者可沿固定至外壳的管路/油管。类似地，歧管可包括所述管路或油管。

图1进一步示出从轴承返回至主流路35的回流流路100。示例性回流流路100可包含一个或多个分支。在该实例中，回流歧管102联接至压缩机上的回流端口104。来自回流端口104的线路回头延伸，以将制冷剂返回至主流路35(例如，吸热热交换器64的外壳上的端口108处)。压力控制装置110(例如，弹簧承载式压力控制阀(PCV)或电子控制式压力控制阀)沿流路100定位，并且将轴承维持在高于蒸发器压力的压差。示例性差为3psi至5psi(21kPa至34kPa)，更广泛地为2psi至10psi(14kPa至69kPa)。

将制冷剂作为液体沿供应流路90递送。因此，从膨胀装置的上游将其旁通。然而，可能希望对该制冷剂进行低温冷却。低温冷却和压差可用于帮助避免液体制冷剂的蒸发或气穴现象。气穴现象将降低阻尼，并且因此会容许剧烈的轴振动和相关联损坏。

用于对制冷剂进行低温冷却的示例性装置包括热交换器120，所述热交换器120用于从沿供应流路90传递的制冷剂提取热量。示例性热交换器120是制冷剂-制冷剂热交换器，所述热交换器具有沿供应流路90的第一支腿122和第二支腿124，所述第二支腿124与所述第一支腿122热交换连通以从第一支腿吸收热量。为了提供冷却的制冷剂至第二支腿124，提供第二旁通流路140。支腿124沿第二旁通流路。示例性第二旁通流路140从上游端沿位于膨胀装置56的上游的主流路35延伸(例如，也从排热热交换器38的集水坑延伸)。示例性第二旁通流路140进一步返回至主制冷剂流路35。第二旁通流路140的示例性回流流路是吸热热交换器64的容器上的端口146。为了冷却沿第二旁通流路140流动的制冷剂，示例性膨胀装置144沿第二旁通流路140布置。示例性膨胀装置144是电子膨胀阀(EXV)或如下面进一步讨论的热膨胀阀(TXV)。在操作中，离开膨胀装置144的制冷剂的温度被降低到进入装置时的温度以下。该降低的温度制冷剂向下游流动，并且在热交换器120的第二支腿124中从流动通过第一支腿122的制冷剂吸收热量，以便提供如上面所提到的低温冷却。

膨胀装置144可被操作用于为被递送至轴承的制冷剂提供所需的低温冷却的量。示例性控制基于传感器(例如，TXV感温包或通过被控制器用来控制EXV的电子温度传感器)。示例性传感器定位在热交换器120的供应流路90的出口的下游。在该实例中，过滤器126沿供应流路90定位。在特定实例中，过滤器126定位在热交换器120与供应端口92之间。示例性热交换器120是黄铜板热交换器或壳管式热交换器。用于控制膨胀装置144的示例性温度传感器可定位在例如过滤器126与热交换器120之间。

图2部分示意性地示出叶轮级的示例性位置。其进一步示出压缩机的壳体(外壳)组合件160，所述壳体组合件160包含安装至马达34的轴166的第一级叶轮162和第二级叶轮164。壳体包含在第一级叶轮的入口24与入口167之间的可控入口导向叶片(IGV)阵列168。在第二级叶轮出口169的下游，壳体界定排放室170，排放端口(未示出)沿所述排放室170定位。在第一级叶轮的出口172与第二级叶轮的入口174之间，外壳组合件的组件界定一个或多个通道，所述一个或多个通道包括径向向外延伸至转弯178的扩散器通道176，所述转弯178径向向内回转并且与径向向内延伸并且然后轴向转动的回流通道(回流流路)180结合以连接入口174。

图2进一步示出轴承80、82中的每一个包括内座圈200、外座圈202和滚动元件(例如，滚子或滚珠)204的圆周阵列，所述圆周阵列在内座圈与外座圈之间径向滚动啮合。内座圈固定至马达轴166。外座圈顺应地相对于壳体的相邻部分安装。外座圈具有与壳体的相邻内直径(ID)表面222隔开的外直径或OD表面220。腔室224形成在外座圈OD表面220与壳体ID表面222之间。示例性腔室被诸如o形圈226、228等顺应地啮合表面220和222二者的密封件轴向包围。示例性滚动元件204是陶瓷。轴承可能是陶瓷混合式轴承，其中座圈是钢。可基于已知的工程原理通过使用诸如涡轮发动机和涡轮增压器等其它领域中的挤压膜阻尼器来计算腔室尺寸。示例性腔室高度或径向跨度是0.25mm至1.25mm，更精确地是0.5mm至1.0mm。腔室的示例性纵向跨度(长度)是10mm至40mm，更确切地是15mm至30mm。示例性制冷剂是氢氟烃(HFC)、氯氟烃(CFC)和氢氟烯烃(HFO)，并且制冷剂注入可能包括所述制冷剂中的一个或多个的大部分重量(或基本上由诸如90％+或95％+的重量组成)，其中具有少量的润滑剂和/或其它添加剂(如果有)。

图2进一步示出用于防止外座圈和壳体的相对旋转的示例性装置。示例性装置包括径向跨越腔室的防转销240。示例性销240固定至外座圈和壳体中的一个，并且在另一个中径向浮动(例如，容纳在另一个中的孔中以进行径向移动，但是限制所有而不是仅轻微轴向移动(如果有))。

图2进一步示出供应流路90，其具有用于调节供给流的装置。示例性装置包括一个或多个孔口250。在示例性实施方案中，存在分别定位在歧管的通往两个腔室224的分支中的两个示例性孔口250。

图1进一步示出控制器400。控制器可从输入装置(例如，开关、键盘等)和传感器(未示出，例如各种系统位置处的压力传感器和温度传感器)接收用户输入。控制器可经由控制线路(例如，硬接线或无线通信路径)联接至传感器和可控系统组件(例如，阀、轴承、压缩机马达、叶片式致动器等)。控制器可包括以下中的一个或多个：处理器；存储器(例如，用于存储程序信息，以用于由处理器实施来执行操作方法以及用于存储由所述程序使用或产生的数据)；以及硬件接口装置(例如，端口)，其用于与输入/输出装置和可控系统组件进行接口连接。如上面所讨论，在第一示例性实施方案中，所述控制对于其所替代的任何基准系统的控制而言是完全常见的。

如上所述，一些系统可涉及使用额外例程的主动控制，所述额外例程可被编程或以其它方式配置到控制器中。所述系统可包括由控制器控制的压力调节阀110，以提供所需的固定压力或由控制器另外编程或计算的压力。膨胀装置144是电子膨胀阀(EXV)，其类似地由控制器控制从而为递送至轴承的制冷剂提供固定温度或基于编程的和/或计算的参数。控制例程可以提供足以避免气穴现象的冷却，同时提供装置以优化效率和任选地控制阻尼等级，并且可叠加在控制器的正常编程/例程(未示出，例如提供添加有前述控制例程的基准系统的基本操作)上。

该描述和所附权利要求中所使用的“第一”、“第二”等仅用于在权利要求范围内的区分，且不一定指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地，权利要求项中将一个元件识别为“第一”(等)并不排除所述“第一”元件与另一权利要求项或该描述中被称为“第二”(等)的元件密切相关。

如果度量值以英文单位给出，且其后的括号中包含SI或其它单位，那么所述括号的单位是转换单位，且不应暗示英文单位中找不到的精确度。

已经描述一个或多个实施方案。然而，应理解的是，可能会进行各种修改。例如，当应用于现存基本系统时，所述构造或其相关联用途的细节可能会影响特定实现方式的细节。因此，其它实施方案在所附权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种离心式压缩机(22)，其包括：

壳体(160)，其具有抽吸端口(24)和排放端口(26)；

叶轮(162、164)，其被安装用于通过多个轴承(80、82)围绕叶轮轴(500)旋转，所述轴承各自包括：

内座圈(200)；

外座圈(202)；以及

所述内座圈与所述外座圈之间的滚动元件(204)；以及

马达(34)，其联接至所述叶轮以驱动所述叶轮围绕所述叶轮轴的旋转，

其中：

每一轴承的所述外座圈被安装用于相对于所述壳体进行径向移位并且被相关联的腔室(224)围绕；并且

所述腔室联接至所述压缩机上的端口(92)。

2.如权利要求1所述的离心式压缩机，其中：

所述叶轮与所述马达同轴并且被安装至转子轴(166)，以进行围绕所述叶轮轴的所述旋转。

3.如权利要求1所述的离心式压缩机，其中：

所述离心式压缩机是具有第一所述叶轮和第二所述叶轮的串联压缩机；并且

第一所述轴承在所述马达与所述第一叶轮和第二叶轮之间。

4.如权利要求1所述的离心式压缩机，其中：

所述腔室中的每一个被以下包围：

所述壳体的一部分；

所述外座圈；以及

一对o形圈(226、228)。

5.如权利要求1所述的离心式压缩机，其进一步包括：

所述端口与所述腔室之间的至少一个孔口(250)。

6.如权利要求1所述的离心式压缩机，其中所述轴承中的每一个进一步包括：

联接至所述壳体的所述外座圈的防转装置(240)。

7.如权利要求1所述的离心式压缩机，其进一步包括：

联接至所述腔室的排放端口(104)。

8.一种制冷系统(20)，其包括如权利要求1所述的离心式压缩机(22)，并且进一步包括：

排热热交换器(38)，其联接至所述压缩机以从所述排放端口接收制冷剂；

膨胀装置(56)；以及

吸热热交换器(64)，其联接至所述压缩机以递送制冷剂至所述抽吸端口。

9.如权利要求8所述的系统，其进一步包括：

至所述端口(92)的轴承供应流路(90)，其旁通所述膨胀装置(56)。

10.如权利要求9所述的系统，其进一步包括：

低温冷却装置(120、144)，其用于对沿所述轴承供应流路流动的制冷剂进行低温冷却。

11.如权利要求10所述的系统，其中：

所述低温冷却装置包括热交换器(120)。

12.如权利要求11所述的系统，其中：

所述热交换器(120)是制冷剂-制冷剂热交换器，其具有沿所述轴承供应流路的第一支腿(122)和与所述第一支腿热交换的第二支腿(124)。

13.如权利要求11所述的系统，其中：

所述第二支腿沿从主流路(35)分流并且返回主流路(35)的分支流路(140)；

所述低温冷却装置进一步包括沿位于所述第二支腿上游的所述分支流路(140)的第二膨胀装置(144)。

14.如权利要求10所述的系统，其进一步包括在所述低温冷却装置与所述端口之间的过滤器(126)。

15.如权利要求10所述的系统，其中：

所述压缩机中的至少一个孔口(250)限制通过所述轴承供应流路的流量。

16.如权利要求10所述的系统，其进一步包括：

来自所述腔室的排水流路(100)。

17.如权利要求16所述的系统，其进一步包括：

所述排水流路中的压力控制阀(110)。

18.如权利要求16所述的系统，其中：

所述排水流路延伸至所述吸热热交换器，以与主流路(35)合并。

19.一种使用如权利要求8所述的系统的方法，所述方法包括：

运行所述压缩机以沿主流路驱动制冷剂顺序地从所述压缩机行进至所述排热热交换器、所述膨胀装置和所述吸热热交换器以返回至所述压缩机；以及

将制冷剂从所述主流路转移至所述腔室。

20.如权利要求19所述的方法，其进一步包括：

在递送至所述腔室之前对所述转移的制冷剂进行低温冷却。