CN1077659C - 带有再循环扩散器的离心压缩机 - Google Patents

Abstract

一种离心式压缩机，具有一用来绕中心轴线转动的一涡轮，以及用来使压缩流体倒入一集合腔中的扩散器。一通风腔位于涡轮护罩后面，一系列非涡旋通道位于涡轮周围用来使集合腔与通风腔流体连通。还设有一系列通道以用来在受控情况下将通风腔中的压缩流体喷人离开涡轮叶片的出口流中；这样射流顺利地进入出口流并且能量损失小。一个可调节的控制装置调节经过非涡旋通道的流量以在负载变化的情况下将经过扩散器的总流量保持相对恒定。

Description

带有再循环扩散器的离心压缩机

本发明涉及一种用于制冷系统中的离心压缩机，特别地涉及一种包括能够在负载范围较大的情况下有效地运作的再循环扩散器的离心式压缩机。

离心压缩机一般用于具有水冷凝器的大容量冷却系统中。这种压缩机的运行线是非常需要的。当制造商能够通过实验证明压缩机将可在满设计容量降至满设计容量的10％范围中运行而无喘振时，空调和制冷协会(ARI)将担保该冷却系统。该压缩机的运行一般与绘制在已知为ARI线的压缩机图(压力对流速)作比较。该线从100％满容量压力的满设计容量点倾斜至10％满容量的50％压力。为了满足这一标准，必须对压缩机进行一些控制以防止当经过压缩机的压力和流速减小时该压缩机发生喘振现象。防止喘振最突出的方法是改变压缩机的速度或者改变其几何形状。但改变压缩机速度会存在许多问题故一般不予采用。因此，基于系统的特殊设计要求，压缩机速度是固定的。同理，叶轮尺寸也是固定的，并且可调节的入口导向叶片用来改变压缩机的几何形状。通过调节入口导向叶片位置，可以控制经过压缩机的流速以在低容量情况下保持高压力，因而避免发生喘振现象。即使有可调节的入口导向叶片，某些压缩机的不稳定还可能是由固定几何形状的叶轮引起。

除了固定的叶轮设计可引起不稳定之外，压缩机的扩散段也可能在某些负载情况下引起不稳定。具有可调节几何形状的扩散器已经不同程度成功地克服了这一问题。这些可调节的扩散器较详细地示出在美国专利第4,527,949、4,378,194和4,219,305中，其中经过扩散器的流速是通过改变扩散器通道的面积来控制的。但是调节某些扩散器的面积，诸如揭示在美国专利第5,445,496和5,145,317中的管道扩散器在实践上是不能够实现的。

在诸如亚洲-太平洋地区的气候区域中必须保持较高的压缩机压力，那儿大气温度终年相对稳定。在这些情况下，由于稳定的大气湿球温度例如为85°，所以在大约为10％容量的运作情况下压缩机压力可仅跌至设计压力的85％左右。因此，当需要在这些情况下以低容量运行时，具有极好的ARI负载线性能的压缩机不一定能够有效地运作或不发生喘振现象。

这一目的在根据权利要求绪论的方法和器件以及通过其特征部件的性能下来达到。

为此，本发明的一个目的是为了改进现有的离心式压缩机。

为此，本发明提供了一种离心压缩机，具有一叶轮，以及用来使压缩后的流体扩散到一集合腔中的扩散器。该压缩机还包括一位于压缩机护罩后面的圆形的通风腔，以及安装在圆周地安装在通风腔周围的一系列非涡旋通道，用来将流体从集合腔输送到通风腔中。第二列通道叶片安装在靠近叶轮末端的护罩周围，用来将装在通风腔中的流体引入离开叶轮叶片的流中。一截流环可调节地安装在非涡旋通道中，它能够从一完全打开位置移到一完全关闭的位置以改变经过非涡旋通道的流量。控制截流环的位置，以当系统中的负载需求减小时保持经过扩散器的总流量恒定，因而避免低容量情况下的喘振。

在本发明的一种形式中，截流环起到连接可调节的入口导向叶片的作用以控制一恒速压缩机的总体性能，从而当系统在低容量高温度气候下、即容量为设计容量的10％左右运行时防止压缩机发生喘振。

为了较好地理解本发明的这些和其它目的，以下结合附图对本发明作详细的描述；其中：

图1是本发明的一个压缩机的侧视剖面图，并且还示出了位于非涡旋通道入口处、并处于完全打开位置的可调节截流环；

图2是与图1类似的侧视图，示出了处于完全关闭位置的可调节截流环；

图3是放大的局部侧视图，更详细地示出了用于本发明的扩散器再循环回路；

图4是一放大的局部平面图，示出了与本发明配合使用的一管状扩散器的形状；

图5是放大的平面图，示出了本发明的非涡旋叶片组件；

图6是叶轮护罩的局部侧视图，还示出本发明的通道叶片的几何形状；以及

图7是一图表，示出了本发明压缩机的喘振特性，为压缩机压力对流量的曲线。

先请参见图1-3，图中示出了一个采用本发明技术的离心式压缩机10。该压缩机采用了一个具有流体再循环特性的管状扩散器，它可将来自压缩机排出集合器的流体经过一系列喷嘴加速进入离开压缩机叶轮末端的流。在扩散器入口所形成的容积流速可减少或消除入射损耗，否则的话将不具备再循环特性。由于流体在叶轮出口处喷出，所以在流体上不做功，并且可避免效率损失和其它热气体旁路方法中所发现的流体温度升高现象。压缩机是一种恒速机器，具有一个直接由电动马达13驱动的单个叶轮12，当然在本发明的技术范围中还可采用其它合适的驱动装置。在叶轮的入口16处安装有一系列可调节的入口导向叶片15-15。各个叶片对应于一控制轴17，该轴经过一开口20通到压缩机壳19外部。该控制轴藉由一齿轮组21连接到一控制器22上。该控制器又是用来对应于一来自中央处理器(CPU)23的输入信号调节入口导向叶片的设定。

该系统在中等气候中使用的大多数运行情况下，导向叶片将充分控制压缩机，这样该机器在低容量下运行时就不会发生喘振。然而，当该系统被迫在大气湿球温度保持相对恒定的气候中运行时，情况就不是这样的。如上所述的，本发明的压缩机配有一再循环扩散器，它起到尽管负载要求发生变化，但流过扩散器的流量仍保持相对恒定的作用。

离开叶轮的流体流被导向进入一管状扩散器舱26。这种类型的管状扩散器在由本受让人拥有的美国专利5,445,496中有更为详细的描述，该项专利的申请人为Joost Brasz，并且在此引作参考。如图4所示的，管状扩散器由单个轮状铸件27构成，该铸件支撑在压缩机的护罩28上。图3中所示的铸件盖住叶轮的出口区，并且径向延伸到一集合腔29的边缘。多个圆周向隔开的扩散通道30-30形成在铸件上，这样扩散器通道的中心线31-31与一公共圆32相切，这样该圆即为铸件的内缘。各个通道有三个轴向对齐互连的段落34-36。第一段34是圆柱形的，并且成一角度，这样它与其另一侧上的类似段落相交。一个中间段35与圆柱形段串联，并且在流道方向上呈4°左右的略微扩张的几何形状。最后一段36连接到段37上，并且又在流道方向上以8°左右的角度扩张。

最好的是，各个通道出口处的面积是其入口面积的5倍左右，以保证离开叶轮的压缩流体在进入集合腔之前尽可能近地完全膨胀。

最好如图3和5所示的，一个圆环件40紧靠着扩散器铸件27安装，并且由一带螺纹的紧固件41栓固到护罩28上。该护罩在圆环件下方形成以形成一通风腔42。该件包括一基座39以及一系列安装在其座顶面44上的弧形非涡旋叶片43-43，它们结合在一起在叶片之间形成非涡旋通道45，用来将来自集合腔的高压膨胀流体引入通风腔42中。参见图5，叶片形成一入射角α，并且具有一与半径R的圆相切的线，该半径是圆环件40的外径。最好，入射角在15°和22°之间。叶片还形成一出口角β，并且具有一与半径(r)，r为盘内径圆相切的线。最好，入射角在30°和45°之间。半径(R)代表扩散器出口半径±10％，而半径(r)代表扩散器的入口半径±10％。非涡旋通道用来在流体流在集合腔和通风腔之间移运时消除大部分的涡旋运动。

图6是护罩28的一半的俯视图。沿着护罩的一个升高的圆环段51安装有一系列通道叶片50，它可将通风腔42和叶轮通道52分开(图3)。通道叶片沿着圆环段的顶部圆周向隔开，并且用来在叶片之间形成通道55，以用来将来自通风腔的流体引入叶轮的末端区域中。通道的形成是用来使从中流过的流体加速离开叶轮的压缩流体流的速度。通道还使流经其中的流体成与离开叶轮末端的流动方向对应的角度，从而使得低损耗的喷射流体顺利地进入离开叶轮的主流体流中。

在图6中示出的一对邻近的通道叶片50-50安装在升高的护罩段51的顶部；为清晰起见，其余的叶片未示。从垂直于叶轮轴线59的平面中测得，通道叶片具有一30°左右的入口叶片角，以及20°左右的出口叶片角。如图3中所见，邻近叶轮的护罩段57的顶端呈45°左右的角度，这样通道的底面与叶片配合以顺利地将来自通风腔的流体流与离开叶轮的流体流相混合。

一截流环62(图3)安装在非涡旋通道的入口处，并且用来在图1所示的完全打开位置(通道完全向集合腔打开)和图2所示的完全关闭位置(集合腔和通风腔之间的流量被有效地截堵)之间移动。该环可滑动地安装在一装在压缩机壳体和非涡旋件顶面上的轴承63之间。抵着环设有合适的密封件64，以防止高压流体从压缩机内部逸出。该环连接到一齿轮和齿条驱动装置65上，该装置用来有选择地将环放在完全打开和完全关闭位置之间的无数个位置上。齿轮67由一控制装置68驱动，该装置又由中央处理器23控制。该环驱动系统被控制得与入口导向叶片配合，这样当入口导向叶片向一打开位置移动时，截流环向一关闭位置移动。两个控制装置的运动都是由CPU控制的，当压缩机的容量由满负荷设计容量减小时，较恒定地保持压缩机的压力。虽然已经结合可调节的入口导向叶片描述了再循环扩散器以控制离心压缩机的几何形状，但再循环扩散器可单独使用以获得类似的效果。

在图7示出了配置有本发明的控制装置的离心压缩机的压缩机图，其中是压缩机压力对流量比的曲线。压缩机的喘振线包络线为70。线71表示压缩机的运行线，冷凝器进水温度从65°F变化到85°F。此线近似ARI线。第二条72也绘制在图上，它表示压缩机运行线，其中冷凝器进水温度较稳定地保持在85°F左右。此线近似APO线。图中的虚线73也表示一恒速离心压缩机的喘振线，其中压缩机的几何形状由入口导向叶片控制。图中可见，仅配置可调节入口导向叶片的压缩机将在一种气候情况下的50％容量时喘振，其时冷凝器的入口水温在高温下保持较稳定。另一方面，配置有采用本发明技术的扩散器再循环系统的同样的压缩机将在喘振以上运行良好，即使在容量降到10％左右情况也如此。显然，本发明的压缩机很适用于当冷凝器的冷却水温较稳定地保持在85°F左右的气候区域中的大型制冷系统中。

虽然对本发明所作的描述是参照配置有管状扩散器的离心压缩机的，但它同样可用于采用其它类型的叶片扩散器的类似机器中，诸如一种叶片岛式扩散器或一空气箔式扩散器。

Claims (10)

1.一种离心压缩机，具有用来绕一中心轴线转动以压缩流体的一叶轮，以及一用来将压缩流体扩散到一集合腔中的扩散器，所述集合腔在所述扩散器的径向外部，所述扩散器在所述叶轮的的径向外部；其特征在于，所述压缩机包括：

一置于一包围所述叶轮的护罩中的通风腔，

一系列绕叶轮圆周向设置、并在集合腔和通风腔之间延伸的隔开的非涡旋叶片，用来形成第一套非涡旋流体通道以将集合腔置于与通风腔流体连通的状态，

一系列安装在所述通风腔中、并绕叶轮末端区域的隔开的通道叶片，用来再形成第二套流体通道，以将来自通风腔的流体引入叶轮出口流体中，所述第一和第二通道相结合以将流量调节到出口速度和离开叶轮的流体的方向，以及

用来调整经过非涡旋通道的流体流的控制装置，以调整进入所述叶轮出口流中的流量，因而在改变负载状况的情况下保持经过扩散器的总流量较稳定。

2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述控制装置还包括一安装在非涡旋腔入口处的可调节环，以及使环在一完全打开位置和经过非涡旋腔的流被停止的完全关闭位置之间的无数个位置上移动的驱动装置。

3.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述通道叶片在圆周向绕叶轮叶片末端区域安装，各个所述叶片形成一30°左右的入射角，和20°左右的出口角，这是在与叶轮中心轴线垂直的平面中测得的。

4.如权利要求3所述的压缩机，其特征在于，非涡旋叶片形成一15°和22°之间的入口角与入口区域的半径(R)相切的线；以及30°和45°之间的出口角与出口区域的半径(r)相切的线。

5.如权利要求4所述的压缩机，其特征在于，(R)等于±10％扩散器出口半径。

6.如权利要求5所述的压缩机，其特征在于，(r)等于±10％的扩散器入口半径。

7.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，还包括一系列安装在叶轮入口区域中的可调节的导向叶片和导向叶片驱动装置，用来对应于压缩机的负载情况打开和关闭所述导向装置。

8.如权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述控制装置还包括计算机装置，用来当可调节的导向叶片关闭时打开可调节环，以当负载情况改变时将经过压缩机的流量保持相对稳定。

9.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，所述扩散器由一系列邻近所述叶轮的叶片末端区域安装的圆周向隔开的扩散器管道。

10.如权利要求9所述的压缩机，其特征在于，各个管状扩散器具有一直径恒定的入口段、一沿着第一个角度的流体方向扩张的中间段，以及在大于所述第一个角度的第二角度扩张的出口段。

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