CN107313986B - 可变几何形状扩散器、具有扩散器的压缩机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于与离心压缩机一起使用的改进的可变几何形状扩散器(VGD)机构。VGD机构大体完全延伸到扩散器间隙中，以使得VGD机构可以被更充分地使用，以控制其他运行效用。VGD机构可以被用来通过在压缩机停机期间防止制冷剂气体通过扩散器间隙的反向流动来使压缩机停机期间的压缩机反转以及相关联的瞬态载荷最小化，因为通过扩散器环的完全延伸大体阻塞了扩散器间隙，所以防止了制冷剂气体通过扩散器间隙的反向流动。在启动期间，因为当载荷和叶轮速度增加时气体流经扩散器间隙可以被阻止，所以也可以有效地消除瞬态喘振和失速，从而减轻了在低速度时由启动载荷引起的问题。VGD机构可以被用于容量控制，同样地以便实现低载荷时更有效的下调。

Description

可变几何形状扩散器、具有扩散器的压缩机及其控制方法
本申请是申请日为2013年11月4日、国际申请号为PCT/US2013/068279、国家申请号为201380007484.6、发明名称为“具有延伸行程的可变几何形状扩散器及其控制方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2012年11月9日提交的、名称为“VARIABLE GEOMETRY DIFFUSERHAVING EXTENDED TRAVEL”的美国临时申请No.61/724,684的优先权和权益。
技术领域
本发明涉及离心压缩机，且更具体地涉及一种改进的可变几何形状扩散器机构，其允许在离心压缩机的包含启动和停机的完整运行范围内改进控制。
背景技术
离心压缩机在多种要求压缩流体的设备(诸如，深冷器)中是有用的。压缩机通过使流体经过旋转的叶轮而运行。叶轮对流体作用以增加流体的压力。因为叶轮的运行在流动中创建了逆向压力梯度，所以某些压缩机设计包含被定位在叶轮出口处的可变几何形状扩散器，以在失速(stall)事件期间将流体流动稳定化，从而减轻失速。当制冷剂流动减小、同时跨过叶轮的压力差被维持时，导致失速。失速不期望地产生了噪声，导致振动并且降低压缩机的效率。
由于失速状态仅在非常小百分比的压缩机运行时间中存在，因此可变几何形状扩散器的运行类似地被限制，以使得磨损和撕裂、载荷以及其它影响扩散器机构的总体寿命完整性的效用(function)被限制。然而，增加可变几何形状扩散器机构的使用将显著地影响扩散器机构的总体可靠性和寿命。
Nenstiel于2005年3月29日提交的美国专利号6,872,050(‘050专利)中阐述了一种现行的扩散器设计。该‘050专利公开了一种在压缩机运行期间被打开和被闭合的可变几何形状扩散器，其制造便宜、组装容易、修理或更换简便，且响应于初期失速状态提供强制啮合(positive engagement)用于响应于来自控制器的信号或命令而确定位置。
‘050专利的可变几何形状扩散器设计利用了一个扩散器环，该扩散器环是在第一缩回位置与第二延伸位置之间可移动的，在该第一缩回位置中经过扩散器间隙的流动是无障碍的，而在该第二延伸位置中该扩散器环响应于检测到失速而延伸到该扩散器间隙中以改变经过该扩散器间隙的流体流动。这是通过延伸该扩散器环大体跨过该扩散器间隙以改变流体流动来实现的。可以通过延伸该扩散器环跨过该扩散器间隙的大约75％来实现该减轻。该扩散器环由驱动环驱动，该驱动环是从对应于该扩散器环的第一缩回位置的第一位置、对应于该扩散器环的第二延伸位置的第二位置、以及在该第一位置与该第二位置之间的任何中间位置可移动的。该第二位置是在该扩散器间隙的大约75％处的使系统稳定以使失速被减轻的延伸位置。该驱动环进而被安装到支持块，且驱动环相对于支持块可旋转移动，支持块被安装到喷嘴基板的背侧面。该喷嘴基板被固定到与离心压缩机的叶轮邻近的壳体。虽然在压缩机运行期间，当该扩散器环处于其第二延伸位置时，该可变几何形状扩散器设计在改变经过该扩散器间隙的流动方面是有效的，但是在压缩机停机期间，该扩散器环不足以阻塞流动以阻止压缩机逆转和相关联的瞬态载荷也不足以当该压缩机从低载荷和低速度斜坡上升到高速度时避免在启动期间的瞬态喘振和失速。该可变几何形状扩散器的使用由于在总体环面积上的压力差而在该扩散器环上生成载荷。当该环处于其缩回位置时，压缩的制冷剂经过该环表面且遇到非常小的载荷。然而，当该环移动到其延伸位置进入该扩散器间隙时，高速度气体经过该扩散器环的面，产生低压力区域。在喷嘴基板的凹槽中的较高压力气体在该环的背侧面上施加力。可以计算在该环上以及在该可变几何形状扩散器机构的其余部分上的载荷。它是该环的两侧上的气体压力差乘以该环的面积。本发明的可变几何形状扩散器包含相对大的扩散器环，其运行必须克服相当大的力，且其在运行中必须承受相当大的力。因此，所述机构是相当大的，且为克服这些力以运行这些机构所要求的能量同样是相当大的。然而，因为仅在小百分比的压缩机总体寿命期间内啮合该可变几何形状扩散器，所以该可变几何形状扩散器经受的载荷、磨损以及撕裂是可接受的。
期望增加该可变几何形状扩散器环的使用，以使得不仅仅是将其作为失速减轻设备使用。该可变几何形状扩散器环不仅可以用于失速减轻设备，而且可以用于容量控制、喘振控制、改进的下调(turndown)、压缩机逆转最小化和压缩机停机期间的相关联的瞬态载荷以及用于对启动瞬态的最小化。由于这样的可变几何形状扩散器的增加的使用，要求改进的设备向整个离心机运行提供期望的控制增强，同时向经受增加的使用的该可变几何形状扩散器提供长寿命。
发明内容
本发明提供了一种可变几何形状扩散器(VGD)机构。该VGD机构包含扩散器环，该扩散器环如对VGD机构预期的而延伸到减轻失速的扩散器间隙中。然而，与现有技术的VGD机构相比，本发明的VGD机构延伸到该扩散器间隙中更远，以使得本发明的VGD机构可以被用来控制其他运行效用。因此，该VGD机构可以被用来通过防止在压缩机停机期间制冷剂气体反向流动经过该扩散器间隙，来最小化在压缩机停机期间的压缩器逆转以及相关联的瞬态载荷。因为通过该扩散器环的完全延伸大体阻塞了该扩散器间隙，所以防止了制冷剂气体的反向流动。该VGD机构还提供了更好的且更有效的压缩机下调(turn-down)，减少了在低冷却容量运行期间将大量热气体旁路的需要。在启动期间，因为该可变几何形状扩散器环可以被定位以阻止气体随着载荷和叶轮速度增加流动经过该扩散器间隙，所以也可以有效地消除瞬态喘振和失速，从而减轻了在低速度时由启动载荷导致的问题。本发明的VGD机构也可以被用于容量控制，以便实现更有效的在低载荷时的下调。
虽然在某些状态下，在正常运行期间，该扩散器环延伸跨过该扩散器间隙以适应通过该扩散器间隙的减少的气体流动，但是由于随着该叶轮在启动期间关于速度斜坡上升或在停机期间该叶轮的速度降低，该气体流动被显著降低，因此在停机和启动期间该扩散器环必须大体完全延伸跨过该扩散器间隙。该扩散器环的外边缘包括凸缘，该凸缘当完全延伸跨过该扩散器间隙时大体阻止气体流动经过该扩散器间隙。该扩散器环上的轴向力是该环的两侧上的压力差与该环的面积的函数。当该扩散器环被延伸到该扩散器间隙中时，高速度气体经过该环的外面，产生低压力区域。在该环的第一侧面上的较高压力气体提供在该环的第一侧面上的力。该环上的整个轴向力是该环的第一侧面与该环的对置的第二侧面之间的气体压力差乘以该环的径向面面积。可以通过减少该环的面积来使该环上的轴向力最小化。通过减少该环延伸到该扩散器间隙中的径向宽度，该环上的轴向力与该环的宽度成比例地减小。虽然可以减小该环的宽度(厚度)以降低载荷，但是该环必须足够厚以适应来自经过该环的流动的增加的径向力，否则该环将不作用以阻塞气体有效地流动且会遭受运行故障。该环的厚度将取决于该压缩器的容量在压缩器之间变化，该环的厚度是相对的，该关系取决于几个因素，最重要的是作用在该扩散器环的第一内圆柱形表面上和第二外圆柱形表面上的净径向流动力，特别是在停机期间叶轮从运行速度变慢时或在启动期间叶轮斜坡上升到运行速度时。具有较大叶轮的较大压缩机将会生成较高的流动力并且经受较高的载荷，要求较厚的环。但是，不管压缩机的尺寸，减小该环上的轴向力减小了运行该VGD机构所必须的力。
该环上的作为结果的轴向载荷最终被传送到致动器机构。本发明的致动器机构包括的改进允许它在无油环境中运行，尽管其运行并非仅受限于此。该致动器机构还被修改，以使得可以监测该扩散器环相对于壳体的对置的内部面的位置且根据需要通过控制器调整该位置。该相关联的凸轮轨道机构也被修改，以使得可以在任意时间确定该环在该扩散器间隙中的位置。
不仅该环必须足够厚以在该压缩机的寿命内应付径向载荷，而且该环还必须与对置的壳体接界，以提供围绕其圆周的均一的间隙且必须与壳体的内面有效地匹配，该壳体的内表面也必须被限定尺寸为均一。如果该间隙不充分均一，即，在可允许的容差以外，则加压的气体将在大于可允许的间隙位置处泄漏通过该间隙，使闭合的扩散器环的目的失效，没有减少与容量控制、喘振(它发生在停机和启动期间)以及与该改进的VGD机构相关联的运行改进相关的问题。尽管在停机和启动期间消除在扩散器环周围的这样的泄漏不是现有技术设计的强制要求，为了使之有效，本发明的扩散器环和对置的壳体的内部面必须具有周密控制的匹配表面，以使得可以在一定范围的状态内实现该VGD机构的适当运行。
因此，在本发明中，为了影响对经过该扩散器间隙的气体流动的控制，该VGD机构要求延伸该扩散器环的到该扩散器间隙中的行程的物理改变。除了延伸该扩散器环的长度到该扩散器间隙中以允许大体充分闭合扩散器间隙之外，响应于压力将该扩散器环的径向面积减小以减小在该环上的轴向力。另外，通过包含传感器，控制器现在可以精确地监测该扩散器环的位置，且引导该致动器机构以响应于压缩机运行状态在完全打开的位置与完全闭合的位置之间精确地移动该扩散器环。较快作用机构(faster acting mechanism)可以被用来实现对该环位置的更好的控制且对深冷器系统瞬态(诸如，用跨过该压缩机的压力差启动，或电力故障停机)作应答。
本发明的改进的可变几何形状扩散器的附加的益处是消除了对用于容量控制和启动管理的预旋转叶片的需要。预旋转叶片和它们的机构是复杂的、昂贵的、且要求它们自己的驱动机构和控制。
从下面结合附图对优选实施方案的更详细的描述中，将明了本发明的其他特征和优点；所述附图以实施例的方式例示了本发明的原理。
附图说明
图1是在利用了可移动扩散器环的离心压缩机中的现有技术的可变几何形状扩散器的横截面视图。
图2提供了现有技术的扩散器环的立体视图。
图3是本发明的可变几何形状扩散器的横截面视图。
图4是本发明的扩散器环的俯视图。
图5是示出了在本发明的扩散器环上的载荷分布的横截面视图。
图6总体描绘了可变几何形状扩散器的驱动环运行。
图7描绘了本发明的驱动环的线性致动器的安排。
图8描绘了在本发明的驱动环的圆周中的凸轮轨道。
图9描绘了在现有技术的驱动环的圆周中的凸轮轨道。
具体实施方式
本发明阐述了一种用于离心压缩机的改进的VGD机构。图1以横截面图总体描绘了现有技术的可变容量的离心压缩机100，其利用具有可移动的扩散器环130的VGD机构来控制流体经过扩散器间隙134的流动，诸如美国专利号6,872,050中公开的，该专利已经转让给本发明的受让人且以引用的方式整体纳入本文。图1总体表示当前最先进的可变容量的离心压缩机。
如图1中例示的，压缩机100包含：扩散器板120，如所示，扩散器板120与该压缩机壳体成整体；叶轮122；以及喷嘴基板126。扩散器环130是可变几何形状扩散器110的一部分，扩散器环130被组装到凹槽132中且被安装到驱动销140上，凹槽132被机械加工到喷嘴基板126中。在图1的横截面图中还示出了凸轮从动件200，其插入到凸轮轨道262中，凸轮轨道262位于驱动环250中。凸轮从动件200连接到驱动销140。如在’050专利中充分讨论的，这些机构将驱动环250的旋转运动转变成扩散器环130的轴向运动。内圆周凹槽260支持轴向轴承(未示出)，当驱动环250旋转时，该轴向轴承抵抗驱动环250的轴向运动。
扩散器环130可移动远离凹槽132且进入扩散器间隙134中，扩散器间隙134将扩散器板120和喷嘴基板126分开。制冷剂经过扩散器间隙134，扩散器间隙134是在叶轮122与蜗壳(未示出)之间的中间，该蜗壳接收离开扩散器110的制冷剂。制冷剂可通过该蜗壳到附加的压缩级或到冷凝器(也未示出)。在完全缩回位置，扩散器环130被嵌套在喷嘴基板126中的凹槽132内，且扩散器间隙134处于允许制冷剂最大流动的状态下。在完全延伸位置，扩散器环130延伸跨过扩散器间隙134，这减小了用于制冷剂通过扩散器间隙134的空隙。扩散器环130可以被移动到该缩回位置和延伸位置中间的任何位置。
叶轮122的旋转对流体(通常是制冷剂，在叶轮入口124处进入)做功从而增加该流体的压力。如本领域公知的，当较高速度的制冷剂被引导向蜗壳且最终被引导向压缩机出口时，该较高速度的制冷剂退出该叶轮并且通过扩散器间隙134。扩散器110包括扩散器板120、喷嘴基板126、和形成在扩散器板120与喷嘴基板126之间的扩散器间隙134、以及被用于调整扩散器间隙134的扩散器环130，扩散器110减小了来自叶轮122的制冷剂的速度从而增加了该制冷剂在该扩散器出口处的压力。
如果压缩机流动速率减小以适应例如对深冷器的冷却需要的减少，且在跨过叶轮122两侧维持相同的压力，则退出叶轮122的流体流动可以变得不稳定且可能交替地前后流动，以产生上文所讨论的失速状态和/或喘振状态。响应于较低的制冷剂流动，为防止喘振状态形成，扩散器间隙134被减少以减小叶轮出口处的面积并使流体流动稳定。可以通过将扩散环130移动到间隙134中以通过在凹槽132中移动扩散器环来减小间隙134的横截面积或增加间隙134的横截面积来改变扩散器间隙134。然而，因为被用于驱动扩散器环130的机构，扩散器环在间隙134中的确切位置未知，除了在该扩散器环的极限位置处，即，当完全延伸或完全缩回时。此外，因为在‘050专利的发明中扩散器环和扩散器板的几何形状未被周密地控制，即使当扩散器环130被完全延伸时，允许通过该扩散器环的泄露的间隙可能仍然存在。在‘050专利的图6和7中阐述了现有技术的扩散器环130。‘050专利的图6被复制在此作为图2。在‘050专利中充分描述了所述特征，其中150是扩散器环130的第一面，152是扩散器环130的另一面，154是扩散器环130的内圆周壁，156是扩散器环130的外圆周壁，且158是被用于将该扩散器环组装到匹配零件以便于其运动的孔。然而，由于‘050专利的VGD机构被用于控制基于相关噪声和振动的失速，因此出于其期望的目的，该配置是可接受的，但是其用于其他效用的用途被限制。
现在将进一步参照附图详细描述本发明的改进的可变几何形状扩散器(VGD)机构。本发明的VGD机构还执行除了控制旋转失速以外的效用，且因此要求不同的配置以及不同的控制机构。
在图3中阐述了本发明的VGD机构810。它具有许多与先前的VGD相似之处；然而，它还具有显著的不同，这些不同可以影响压缩机的运行。本发明的扩散器环830具有与现有技术的扩散器环130不同的横截面轮廓。扩散器环130在图2中的立体视图中示出，且具有矩形横截面。相比之下，本发明的扩散器环830具有L形横截面，如图3和图4的横截面图中示出的。扩散器环830包含一对大体正交的凸缘：可延伸到扩散器间隙134内的第一凸缘833；以及大体垂直于第一凸缘的第二凸缘835，第二凸缘835大体平行于该扩散器间隙和气体流动的方向延伸。大体正交的凸缘意味着凸缘彼此在包含90°±15°的范围内延伸，其中正交的凸缘彼此成90°延伸。第二凸缘大体平行于该扩散器间隙和气体流动的方向延伸，意味着正交的凸缘在包含0°±15°的范围内延伸，其中0°是平行。当扩散器环830被组装到该压缩机中作为VGD机构810的一个元件时，第一凸缘833朝向扩散器板120的对置的面延伸。注意，与现有技术的扩散器环130相比，第一凸缘833提供扩散器环830有更远地延伸到扩散器间隙134内能力，因为凸缘833在轴向方向上提供了延伸尺度，即，延伸到扩散器间隙134中。扩散器环830上的轴向力是在第一凸缘833两侧的压力差导致的。当扩散器环833被完全缩回时，该轴向力在其最小值，由于没有压力差存在。然而，当第一凸缘833被延伸到扩散器间隙134中时，高速度气体经过该环的第一凸缘833的面，创建了低压力区域。喷嘴极板126的凹槽中的较高压力气体向第二凸缘835施加压力。环830上的以及该机构上的力(该力导致该环移动到扩散器间隙134和移动离开扩散器间隙134)是气体压力的差乘以扩散器凸缘833的面面积，如先前所讨论的。
通过减小第一凸缘833的总体径向厚度来减小环830上的轴向力，当第一凸缘833被延伸时，第一凸缘833是延伸到扩散器间隙134中的扩散器环830的一部分，第一凸缘的径向厚度垂直于扩散器间隙134中气体流动的方向。参照图3和扩散器环830，与现有技术设计的扩散器环130相比较，第一凸缘833突出到扩散器间隙134中的面积被减小。第一凸缘833的径向厚度已经被减小大约2/3，从而成比例地减小了扩散器上的载荷，即，减小大约2/3，由于载荷与第一凸缘833在扩散器间隙内的面面积成比例。
第一凸缘833的径向厚度的减小，减小了可用于附接致动装置的空间，该致动装置将扩散器环830从其缩回位置移动到其延伸位置。第二凸缘835被设置以允许这样的附接，如图3中所示出的。第二凸缘835驻留在喷嘴基板中的凹槽837中，在凹槽837中移动的第二凸缘835允许扩散器环凸缘833移动进入扩散器间隙134中或移动离开扩散器间隙134。喷嘴基板126中的凹槽837还被要求以允许将扩散器环830组装到该VGD机构。第二凸缘835周围的大径向间隙允许高压力气体，该高压力气体进入凹槽837，以使第二凸缘835的每侧上相等，从而不贡献与扩散器环830上的气体压力关联的载荷。因此，当第一凸缘833延伸到扩散器间隙134中时，扩散器环830上的总体压力载荷是作用在第一凸缘833的暴露的位置的面积上的制冷器的压力。可移动的覆盖板839被组装到喷嘴基板126且被提供以利于该扩散器环驱动机构的组装。当制冷剂气体流动到压缩机排放口时，覆盖板839为制冷剂气体的流动提供平滑的、流线型的表面，减小了此区域中的湍流的可能性。
在形成凸缘833期间，必须周密地提供具有预选的径向厚度的凸缘833。如图5中所描绘的，图5示出了组装到喷嘴基板126的扩散器环830的横截面，当扩散器环830被延伸到扩散器间隙134中时，高压力制冷剂冲击第一凸缘833，如由制冷剂流动863所指示的。图5指示第一凸缘833上的径向压力。确定凸缘833的径向厚度时将考虑的另一个因素是被暴露到相当大压力波动的扩散器环833的疲劳寿命。此外，在本发明中，为了VGD机构增加其容量控制能力、改进下调能力、喘振控制、以及启动和停机时压缩机瞬态载荷最小化的能力，扩散器环830必须尽可能紧密地延伸到扩散器板120。为了尽可能的减小该间隙，扩散器板120具有周密地受控的尺度，从而在凸缘833的面以及匹配扩散器板120的面的平整度方面，凸缘833必须具有周密地受控的容差设定(tolerancing)。如果凸缘太薄，则它可能不能够将这些几何形状特征维持在期望的容差(tolerance)内，如机构(诸如，回弹)可能发生，其可以不利地影响容差。从容差偏离将增加凸缘周围且经过该扩散器间隙的泄漏，从而防止该VGD机构被有效的用于容量控制、下调、在启动和停机以及喘振期间的瞬态控制，尽管该VGD机构可以保持在失速减轻中使用的能力。如可以看到的，扩散器环830且尤其扩散器环凸缘833理想地必须具有尽可能小凸缘厚度，以使作用在它上的力最小，但必须具有足够的厚度以避免在制造期间的回弹且满足运行期间的疲劳同时抵抗向它施加的力。
对于该可移动的扩散环的运行的一个重要方面在于维持几何形状容差，以便当扩散器环830被完全缩回时，使扩散器环830周围且经过扩散器间隙134的泄漏最小。具有较高制冷剂容量的压缩机可以要求对凸缘厚度的另外的增加，以适应在较宽的扩散器宽度内的较高的压力，以满足上文引用的相互矛盾的设计要求。
其他考虑也影响本发明的可变几何形状扩散器机构的总体设计。近期压缩机设计利用电磁轴承而不是先前设计中通常使用的机械轴承。利用电磁轴承的压缩机避免了油的使用。然而，利用机械轴承的压缩机中的某些油有助于润滑致动器机构，该致动器机构被用于将现有设计中的扩散器环130在扩散器间隙134中从缩回位置移动到延伸位置。
本发明的可变几何形状的扩散器810还利用改进的机构设计，该改进的机构设计在采用具有标准润滑的机械轴承的常规离心压缩机中，或在大体无润滑的环境中利用电磁轴承的离心压缩机是可操作的。通常，在图6中描绘了移动扩散器环830的机构且该机构包含驱动销140，该驱动销在凸轮轨道862中行进。驱动销140将第二凸缘835连接到驱动环850，以便驱动环850的旋转运动导致扩散器环830从扩散器间隙134中的可逆的缩回位置到可逆的延伸位置的平移运动。驱动环850对应于图1中的驱动环250。驱动销140到本发明的可变几何形状扩散器810的凸轮从动件200的安排也与现有技术的扩散器110的安排完全相同，如图1中示出的。当驱动销140在凸轮轨道862中移动时，被附接到驱动销140的凸轮从动件220遵循驱动环850中的凸轮轨道862。除了在图9中最佳地示出的驱动环250的凸轮轨道几何形状262与在图6和8中示出的驱动环850的凸轮轨道几何形状862的重要差异之外，本发明的驱动环850与图1的驱动环250完全相同。驱动环850到扩散器环830的附接与驱动环250到驱动器环230的附接完全相同，除了驱动销140到各个扩散器环130和830的连接点之外。本发明的扩散器环830具有凸缘形状配置且驱动销140连接到扩散器环830的第二凸缘835。当然，驱动器环130中不存在第二凸缘830，因为它是一个简单的圆柱形环，如图1中的横截面中所示出的。
现在参照图7，本发明的致动器811与控制器结合运行，以使得其运行可以被编程。致动器811是线性致动器且包含驱动杆896，驱动杆896被附接到驱动马达898。驱动杆896被直接附接到操纵杆901，操纵杆901被附接到驱动环850。驱动杆896的线性运动进而转动驱动环850。
现在参照图8,位于驱动环850的外圆周表面252上的凸轮轨道862具有预选的宽度和深度，以接受凸轮从动件200。通常，有三个凸轮轨道862，它们位于驱动环850的圆周表面252中，尽管图8中仅示出了一个。凸轮轨道862从驱动环250的底部表面258朝向驱动环850的顶部表面256延伸，在这些表面之间以一个角度延伸，且优选地沿着一条大体直线。凸轮轨道862的形状现在是具有预选的大体线性斜率的斜坡，如与图9中示出的在该斜坡的每端处具有扁平部267和269的现有技术的凸轮轨道262的区别。现有技术的扁平部导致原始阻尼马达的不精确的定位和行进能力且以适应该机构在完全缩回位置处的调整。所述扁平部防止对该机构的损害，因为所述凸缘消除了在每个行进极限处卡住的可能性，从而不精确定位不是现有技术的凸轮轨道的运行和能力中的因素。
与之相反，致动器811(一个实施方案中的线性致动器)与线性凸轮轨道862结合运行，以控制驱动环850，它进而将扩散器环830定位在扩散器间隙134中，致动器811提供了较快的动作、可变的速度、定位精确度和第一凸缘833在扩散器间隙134中的位置定位的准确的反馈。本发明的系统允许扩散器环830相对于扩散器间隙134在扩散器环830的极限处的预备修正，允许扩散器环830不仅仅是被用于失速减轻。当然，致动器的杆(lever)和联动装置(linkage)与附接到驱动环250的操纵杆901之间的连接的简化提供另一些优点。
在本发明的VGD机构810最初设定期间，或每当期望后续校准时，该致动器仅运行以旋转驱动环250，将凸轮从动件200从凸轮轨道862中的行程的一端朝向凸轮轨道862中的轨道的相对端移动。可以使用能够完成该任务的任何致动器或马达，尽管优选地是使凸轮从动件200在凸轮轨道862中快速移动的设备。虽然旋转致动器是可以使用的一个变体，但是线性致动器是优选的。在凸轮轨道862的每端处的行程端对应于第一凸缘833的完全延伸位置和第一凸缘833的完全缩回位置。扩散器间隙134在第一凸缘833处的最大尺度(它是扩散器板120到覆盖板839的外表面之间的距离)是已知的距离，可以基于制造和组装来确定或测量该距离。控制器的编程功能包含如下能力：储存和保存扩散器环830的极限位置、扩散器间隙134在第一凸缘833处的最大尺度且具体地第一凸缘833相对于扩散器板120、覆盖板839和致动器811的最大尺度，因此不仅所述极限位置是已知的，而且扩散器间隙134在任何时间的开口大小也是已知的(基于第一凸缘833的位置)，因此可以基于压缩机100的运行状态的改变快速地调整扩散器间隙134处的开口大小。可以校准扩散器环830在行程的极限处的位置，且在不使用附加的传感器的前提下，可以确定扩散器环在这些极限内的任意处的位置。来自该致动器的信号用作校准程序的一部分，以及在校准之后确定扩散器环830的位置。此外，如果作为扩散器环830的位置的精确度的问题在运行过程中出现，可以根据期望完成重新校准。该编程功能允许致动器811以正常方式运行和移动驱动器环830，该运动基于压缩机100的正常瞬态。然而，致动器811还可以以快速模式运行，这允许扩散器环830移动到完全延伸位置，如果检测到即将发生的喘振和失速，则扩散器间隙134在该完全延伸位置中根据要求被完全缩回。如在此所使用的，充分限制的扩散器间隙134是这样的，其中扩散环830被完全延伸，从而使得扩散器间隙134的开口大小在最小处。虽然当扩散器环830处于完全延伸位置时，VGD机构810的设计不提供100％的气体密封，但是它确实提供超过现有技术的VGD机构的实质改进，当扩散器环130处于完全延伸位置时，现有技术的VGD机构仅提供扩散器间隙134的75％的减小。本发明的改进允许使泄漏最小化到这样的程度——它不再影响深冷器控制下调或启动以及停机喘振。因此，完全限制的扩散器间隙134和/或完全延伸的扩散器环130在效用上是一种不影响深冷器控制下调或启动以及停机喘振的。
通过致动器811快速定位扩散器环830的能力还允许在正常运行期间对离心压缩机的容量控制。此外，控制扩散器环830的定位以使得限制制冷剂通过扩散器间隙134的流动的能力，允许在需要使用热制冷剂气体旁路之前的较大的深冷下调。深冷器下调被定义为当仍允许连续运行而不必将压缩机停机时能够通过压缩机实现的最小容量。这是有利的，因为热气体旁路或其他类似的方式对于实现低压缩机容量是相当低效率的方式，因为它要求用制冷剂流人为地加载该压缩机。
通过致动器811对扩散器环830的快速定位还允许在停机期间对气体流经扩散器间隙134的迅速控制。深冷器的制冷剂循环要求机械功(压缩器/马达)产生制冷剂压力上升且将制冷剂从蒸发状态移动到冷凝状态。在正常“软”停机期间，压缩机速度被以受控的方式减小，以允许使蒸发器和冷凝器壳中的压力相等，从而在停机期间消除大瞬态或翻转(upset)状态。然而，当该系统要求立即停机时，诸如，由于马达失去电力(电力中断、故障、安全性等)，没有维持冷凝器壳中的高压力的方式。用于使系统压力平衡的唯一机构是通过制冷剂从高压冷凝器通过压缩机到低压蒸发器的回流。当压缩机没有电力时，叶轮不期望地表现为涡轮，其中能量从冷凝器中的高压力流体传递到压缩机，此时制冷剂压力均等化、流动到低压力(蒸发器)侧、使压缩机叶轮向后(与设计意图相反)旋转。在失去电力的情况下，可以提供备用电池给致动器811供电，以确保VGD在停机下维持运行。此外，在停机期间，轴承载荷可能在它们的最高水平，如果逆转，则喘振或失速发生。扩散器间隙134通过VGD机构810的快速反应闭合，避免了在停机时轴承稳定性问题。它还释放这些较高载荷中的一部分，因此可以使用较低载荷轴承，这也转变成成本节省，因为这样的轴承是较便宜的。闭合扩散器间隙134创建了对制冷剂通过压缩机100回流的阻力。
扩散器环830通过致动器811的快速定位还允许在启动期间对气体流经扩散器间隙134的控制。在启动期间，如果水泵已经以冷水流经蒸发器而热水流经冷凝器的方式运行，则在压缩机上可能已经有相当大的载荷。在该情况下，压缩机可以经过失速和喘振，直到它达到足够的速度以克服该系统的压力差。以闭合的VGD作为开始，能够避免在这些状态下的瞬态喘振。因此，在启动之前，控制器可以自动地命令致动器811以将扩散器环830移动到完全延伸位置，闭合扩散器间隙134。该控制器然后可以命令致动器811基于感测的状态(诸如，感测的压力或压缩机速度)将扩散器环830(如果期望的根据编程的算法)从其完全延伸位置缩回。
与先前设计相比，该可变几何形状扩散器的组装的大部分可以维持未改变。然而，在本发明中，设计被修改以至于在正常压缩机运行期间在任意时间扩散器环830相对于扩散器板120的精确位置是已知的，这允许扩散器间隙134的精确开口大小在任意时间是已知的。这是用不要求或利用附加工艺润滑的机构实现的。本发明的VGD机构810(不像现有技术的VGD机构)优选地可以被用在无油压缩机(诸如，利用电磁轴承的那些压缩机)中。然而，它也可以被用在利用油润滑的压缩机中。
精确地定位扩散器环830的能力允许在压缩机运行期间基于压缩机需求和/或输出(例如，深冷器冷却载荷，以及冷凝器与蒸发器之间的压力差)对扩散器间隙进行精细调整，且在校准程序期间这些精细调整可以被编程到控制器中且被储存在该控制器中。例如，当受制约的空间中的温度变化时，扩散器间隙134可以被修改以对应于对深冷器的冷却需求，该温度变化对应于压缩机需求。可以将对压缩机的需求与实际压缩机输出进行比较。因此，如果需求稍微增加，诸如，以稍微冷却该空间或以将该空间维持在一定温度下(当外部温度增加时)，以及如果需求要求压缩机输出稍微增加，则扩散器间隙134可以被稍微增加。如果需求急剧增加，诸如，通过显著降低该空间中的温度的需求，以及压缩机输出要求有相应的大的增加时，则扩散器间隙134可以被完全打开，以适应增加的制冷剂流动。扩散器环830的位置，且因此扩散器间隙134的开口大小，可以被校准且校准结果可以被储存在控制器中。因此，当压缩机需求是100％时，当扩散器环830被完全缩回时，扩散器间隙可以被完全打开。当扩散器环凸缘833完全缩回在凹槽832内时，完全缩回的扩散器环830出现。当扩散器凸缘833完全延伸进入扩散器间隙134时，诸如在压缩器停机时，完全延伸的扩散器环830出现。这两个状态表示压缩机运行的极限。
如所提及，可以使用扩散器环830在这些极限位置处的位置和来自致动器的确定扩散器环830的在这些极限位置之间的位置的信号来编程该控制器。此外，运行状态可以被关联到扩散器环的位置。因此，该控制器可以被编程，以在例如离开蒸发器的水温度(冷却载荷)下“获悉”扩散器环的位置。该系统的其他正常地监测和感测的状态也可以被关联到扩散器环830的位置以及致动器。此外，优选地可以使用声学传感器来感测失速和喘振，尽管感测喘振和失速不限制于这样的声学传感器的使用，且其他方法可以被利用，以用于确定何时喘振和失速即将来临。当然，在本发明中，由于控制器可以确定扩散器环830在任意时间的位置，该位置可以由控制器使用，以基于制冷器流动行为、压缩机效率和对喘振或失速的检测来移动扩散器环830，对于任何这些状态的影响并非与扩散器环830的位置线性相关。
例如，在启动时，当压缩机需求被节流到10％时，可以通过将扩散器环830从完全延伸(闭合)位置移动到第一预定位置来打开扩散器间隙134。应注意，对于10％的压缩机需求的变化，由于扩散器环运动的非线性影响，扩散器环830的运动将不会总是相同的。运动还取决于扩散器环830的初始位置和最终位置。类似地，当压缩机需求被要求在50％(从10％的上述需求增加了40％)时，可以通过将扩散器环830从第一预定位置定位到第二预定位置来进一步打开扩散器间隙134。以该方式，整个值的范围可以被储存在该控制器中，根据要求，以提供压缩机的有效运行，且当压缩机负荷(duty)变化时，这些值可以被再调用(或被进一步估计)，且可以通过该控制器快速地定位扩散器环830，以实现稳定状态运行状态。
一旦检测到有害事件的发生，例如，由声学传感器检测到喘振或失速，或系统失去电力，控制器可以推翻(override)已编程的设置且快速地将扩散器环830延伸到扩散器间隙134中，以抑制(choke)制冷剂经过扩散器间隙134的流动，直到失速或喘振被减轻。尽管还可以通过用传感器监测经过扩散器810的制冷剂流动，来检测喘振或失速，但是监测喘振或失速的优选的方式是通过声学传感器的使用，因为喘振或失速生成显著的且不期望的噪声，该声学传感器与该控制器通信。其他用于检测喘振和失速的方法可以利用检测喘振或失速的算法，诸如，2008年4月15日提交的、标题为“System and Method for StabilityControl in a Centrifugal Compressor”的美国专利No.7,356,999，2011年3月15日提交的、标题为“Control System”美国专利No.7，905，102，2011年3月5日提交的、标题为“Method for Detecting Rotating Stall in a Compressor”美国专利No.7，905，702所阐述的，利用在扩散器环下游的压力换能器，以检测和修正旋转失速。这些专利已经全部转让给本发明的受让人且以引用的方式整体纳入本文。在已经修正喘振或失速之后，扩散器环830基于压缩机需求的定位的已编程的运行可以通过控制器被储存，如上文所讨论的。
本发明的改进的可变几何形状的扩散器机构的优点包括可移动的L形凸缘833的使用，其减小了作用在该机构上的力。该L形凸缘的重量可以比现有技术的可变几何形状的扩散器机构中利用的可移动凸缘轻。见效的力和减小的重量提供了能够较快反应的VGD。它还允许较轻重量和较便宜的致动器的使用。此外，该改进的可变几何形状扩散器不仅完全闭合而且将被校准以基于感测的系统状态控制压缩机运行的能力，允许该可变几何形状扩散器被用于容量控制以及用于喘振和失速减轻。该容量控制特征允许免除过去使用的预旋叶片(PRV)。因此，尽管该改进的可变几何形状扩散器将被更多地使用，但是压力较低，它将经受较低的力和其较轻的重量，将导致减少磨损同时具有更长寿命，这进而将提供增加的可靠性。
尽管本发明已经参照优选实施方案进行了描述，但本领域的技术人员应理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以做出多种变化，并且等价物可代替其元件。此外，在不偏离本发明的基本范围的前提下，可以进行许多改型，以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，希望本发明不限制于公开的作为实施本发明的最佳方式的特定实施方案，而是本发明将包含落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (29)

1.一种具有可变几何形状扩散器(810)的离心压缩机(100)，所述可变几何形状扩散器(810)包括扩散器环(830)和至少一个致动器(811)，其中所述致动器(811)被配置为将所述扩散器环(830)从可逆的缩回位置移动到在扩散器间隙(134)中的可逆的延伸位置；
其特征在于，
所述致动器(811)被配置为以一模式运行，所述模式允许所述扩散器环(830)快速移动到完全延伸位置，在所述完全延伸位置中，所述扩散器间隙(134)被充分限制，以允许容量控制和/或启动管理和/或停机管理而无需使用预旋转叶片，其中所述扩散器环(830)具有L形横截面，其具有在所述扩散器间隙(134)的方向上从所述扩散器环(830)的表面延伸的第一凸缘(833)，以及垂直于所述第一凸缘(833)的第二凸缘(835)。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机(100)，其中所述容量控制和/或启动管理和/或停机管理包括：
限制制冷剂流动通过所述扩散器间隙(134)以允许更大的深冷器下调；和/或
在停机期间对通过所述扩散器间隙(134)的第一气流进行第一控制；和/或
在启动期间对通过所述扩散器间隙(134)的第二气流进行第二控制。
3.根据权利要求1所述的离心压缩机(100)，其中所述扩散器环(830)能够尽可能靠近地朝向所述离心压缩机(100)的扩散器板(120)延伸，以提高所述容量控制的能力。
4.根据权利要求1所述的离心压缩机(100)，所述致动器(811)是线性致动器(811)。
5.根据权利要求1所述的离心压缩机(100)，其中所述可变几何形状扩散器(810)还包括控制器，其中所述控制器被配置为命令所述致动器(811)将所述扩散器环(830)移动到所述完全延伸位置或将所述扩散器环(830)缩回。
6.根据权利要求5所述的离心压缩机(100)，其中所述控制器包括编程功能。
7.根据权利要求6所述的离心压缩机(100)，所述编程功能包括存储所述扩散器环(830)的极限位置的第一能力。
8.根据权利要求6所述的离心压缩机(100)，所述编程功能包括存储所述扩散器间隙(134)在所述第一凸缘(833)处的最大尺寸的第二能力。
9.根据权利要求6所述的离心压缩机(100)，所述编程功能包括存储所述第一凸缘(833)相对于所述离心压缩机(100)的扩散器板(120)和/或所述致动器(811)和/或用于覆盖凹槽(837)的覆盖板(839)的位置的第三能力，所述第二凸缘(835)驻留在所述凹槽(837)中。
10.一种在离心压缩机(100)中实现容量控制和/或启动管理和/或停机管理的方法，所述方法包括以下步骤：
提供扩散器环(830)，所述扩散器环(830)能够从可逆的缩回位置移动到在扩散器间隙(134)中的可逆的延伸位置，所述扩散器环被安装为随驱动环(850)旋转而轴向移动，所述扩散器环(830)通过致动器(811)可移动，其中所述扩散器环(830)具有L形横截面，其具有在所述扩散器间隙(134)的方向上从所述扩散器环(830)的表面延伸的第一凸缘(833)，以及垂直于所述第一凸缘(833)的第二凸缘(835)；以及
如果感测到失速和喘振，以一模式运行所述致动器(811)；以及
通过以一模式运行的所述致动器(811)将所述扩散器环(830)快速移动到完全延伸位置，在所述完全延伸位置中，所述扩散器间隙(134)被充分限制并且闭合；
其中，所述方法不使用预旋转叶片。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
限制制冷剂流动通过所述扩散器间隙(134)以允许更大的深冷器下调；和/或
在停机期间对通过所述扩散器间隙(134)的第一气流进行第一控制；和/或
在启动期间对通过所述扩散器间隙(134)的第二气流进行第二控制。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包含以下步骤：
将所述扩散器环(830)尽可能靠近地朝向所述离心压缩机(100)的扩散器板(120)延伸，以提高所述容量控制的能力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述方法包括以下步骤中的至少一个：
通过控制器命令所述致动器(811)将所述扩散器环(830)移动到所述完全延伸位置或将所述扩散器环(830)缩回；
通过所述控制器的第一编程功能存储所述扩散器环(830)的极限位置；
通过所述控制器的第二编程功能存储所述扩散器间隙(134)在所述扩散器环(830)的第一凸缘(833)处的最大尺寸；
存储所述第一凸缘(833)相对于所述扩散器板(120)和/或所述致动器(811)和/或用于覆盖凹槽(837)的覆盖板(839)的位置，所述扩散器环(830)的第二凸缘(835)驻留在所述凹槽(837)中。
14.一种用于离心压缩机(100)的可变几何形状扩散器(810)，所述可变几何形状扩散器(810)包括扩散器环(830)和至少一个致动器(811)，其中所述致动器(811)被配置为将所述扩散器环(830)从可逆的缩回位置移动到在扩散器间隙(134)中的可逆的延伸位置；
其特征在于，所述致动器(811)被配置为以快速模式运行，这允许所述扩散器环(830)快速移动到完全延伸位置，在所述完全延伸位置中，所述扩散器间隙(134)被充分限制，以允许容量控制和/或启动管理和/或停机管理而无需使用预旋转叶片,
其中所述扩散器环(830)包括可延伸到所述扩散器间隙(134)中的第一凸缘(833)以及垂直于所述第一凸缘(833)的第二凸缘(835)。
15.根据权利要求14所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述容量控制和/或启动管理和/或停机管理包括：
限制制冷剂流动通过所述扩散器间隙(134)以允许更大的深冷器下调；和/或
在停机期间对通过所述扩散器间隙(134)的第一气流进行第一控制；和/或
在启动期间对通过所述扩散器间隙(134)的第二气流进行第二控制。
16.根据权利要求14所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述扩散器环(830)能够尽可能靠近地朝向离心压缩机(100)的扩散器板(120)延伸，以提高容量控制的能力。
17.根据权利要求15所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述扩散器环(830)的径向面积被减小，以减小施加在所述扩散器环(830)上的轴向力，所述轴向力响应于通过所述扩散器间隙(134)的所述第一气流和/或所述第二气流的压力而产生。
18.根据权利要求14所述的可变几何形状扩散器(810)，所述致动器(811)是线性致动器(811)。
19.根据权利要求14所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述第一凸缘(833)沿所述扩散器间隙(134)的方向从所述扩散器环(830)的表面延伸。
20.根据权利要求14所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述可变几何形状扩散器(810)还包括控制器，其中所述控制器被配置为命令所述致动器(811)将所述扩散器环(830)移动到所述完全延伸位置或将所述扩散器环(830)缩回。
21.根据权利要求20所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述控制器包括编程功能。
22.根据权利要求21所述的可变几何形状扩散器(810)，所述编程功能包括存储所述扩散器环(830)的极限位置的第一能力。
23.根据权利要求21所述的可变几何形状扩散器(810)，所述编程功能包括存储所述扩散器间隙(134)在所述第一凸缘(833)处的最大尺寸的第二能力。
24.根据权利要求21所述的可变几何形状扩散器(810)，所述编程功能包括存储所述第一凸缘(833)相对于所述扩散器板(120)和/或所述致动器(811)和/或用于覆盖凹槽(837)的覆盖板(839)的位置的第三能力，所述第二凸缘(835)驻留在所述凹槽(837)中。
25.一种在离心压缩机(100)中实现容量控制和/或启动管理和/或停机管理的方法，所述方法包括以下步骤：
通过致动器(811)使得扩散器环(830)能够从可逆的缩回位置移动到在扩散器间隙(134)中的可逆的延伸位置，其中所述扩散器环(830)包括第一凸缘(833)以及垂直于所述第一凸缘(833)的第二凸缘(835)，所述第一凸缘(833)能够延伸到所述扩散器间隙(134)中；以及
如果感测到失速和喘振，以快速模式运行所述致动器(811)；以及
通过以快速模式运行的所述致动器(811)将所述扩散器环(830)快速移动到完全延伸位置，在所述完全延伸位置中，所述扩散器间隙(134)被充分限制并且闭合；
其中，所述方法不使用预旋转叶片。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
限制制冷剂流动通过所述扩散器间隙(134)以允许更大的深冷器下调；和/或
在停机期间对通过所述扩散器间隙(134)的第一气流进行第一控制；和/或
在启动期间对通过所述扩散器间隙(134)的第二气流进行第二控制。
27.根据权利要求26所述的方法，所述方法还包含以下步骤：
使所述扩散器环(830)能够尽可能靠近地朝向所述离心压缩机(100)的扩散器板(120)延伸，以提高容量控制的能力。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤中的至少一个：
通过控制器命令所述致动器(811)将所述扩散器环(830)移动到完全延伸位置或将所述扩散器环(830)缩回；
通过所述控制器的第一编程功能存储所述扩散器环(830)的极限位置；
通过所述控制器的第二编程功能存储所述扩散器间隙(134)在所述扩散器环(830)的第一凸缘(833)处的最大尺寸；
存储所述第一凸缘(833)相对于所述扩散器板(120)和/或所述致动器(811)和/或用于覆盖凹槽(837)的覆盖板(839)的位置，所述扩散器环(830)的第二凸缘(835)驻留在所述凹槽(837)中。
29.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一凸缘(833)沿所述扩散器间隙(134)的方向从所述扩散器环(830)的表面延伸。
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