CN109072930B - 离心压缩机和操作离心压缩机的方法 - Google Patents

Abstract

一种根据本公开的示例性方面的离心压缩机，具体地包括叶轮，该叶轮布置在主流动路径中并且构造用来对流体的主流动加压。该压缩机还包括次流动路径，该次流动路径构造用来通过使主流动的一部分再循环而提供次流动。变成次流动的主流动的量少于或等于15％。还公开了一种方法。

Description

离心压缩机和操作离心压缩机的方法

技术领域

本公开涉及用于流体(例如，诸如空气或制冷剂)的离心压缩机。

背景技术

压缩机用于对流体加压以便用于较大的系统(举几个例子，诸如制冷剂回路、空气循环机器或涡轮增压器)。已知离心压缩机包括入口、叶轮、扩散器和出口。通常，在叶轮旋转时，流体从入口被吸到叶轮，在该叶轮处，它被加压并且被径向向外引导通过扩散器，并且顺流到达另一压缩级或出口。

一些已知的离心压缩机已经使用可变入口引导叶片，该可变入口引导叶片布置在入口中，在部分载荷操作条件期间用来调节容量。其它已知压缩机已经使用叶轮下游的可变几何结构扩散器以在这种部分载荷操作条件期间改善容量控制。此外，一些现有技术压缩机，诸如授予Brasz的美国专利No.5669756和授予Brasz的美国专利No.9157446中描述的那些，已经建议使流体再循环以改善容量控制。

发明内容

本公开涉及具有流动增加的离心压缩机。特别地，在一个例子中，在压缩机的主流动路径中流动的流体的一部分被再循环回到主流动路径中以改善容量控制。在另一例子中，从外部源提供流体。

根据本公开的示例性方面的离心压缩机具体地包括叶轮，该叶轮布置在主流动路径中并且构造用来使流体的主流动加速。该压缩机还包括次流动路径，该次流动路径构造用来通过使主流动的一部分再循环而提供次流动。此外，少于或等于15％的该主流动变成该次流动。

根据本公开的另一示例性方面的离心压缩机具体地包括：叶轮，该叶轮布置在主流动路径中并且构造用来对流体的主流动加压；次流动路径，该次流动路径构造用来通过使主流动的一部分再循环而提供次流动；和喷射喷嘴。该喷射喷嘴构造用来将该次流动引回到该主流动路径中，并且均具有300到500微米的范围内的直径。此外，该喷射喷嘴沿径向对准并且彼此周向地间隔开一弧长，该弧长在8至25个该直径的范围内。

根据本公开的示例性方面的操作离心压缩机的方法具体地包括：建立沿主流动路径的流体的主流动；通过叶轮使该主流动加压；和通过使少于或等于15％的该主流动再循环而选择性地提供次流动。

前述段落、权利要求、或下面的描述和附图的实施例、例子和替代物(包括它们的各种方面或相应的单个特征的任何)可以独立地或以任何组合被考虑。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非这种特征是不相容的。

附图说明

附图可以如下被简要描述：

图1是压缩机的高度示意性的视图。

图2是图1的压缩机的一部分的外部透视图。

图3是沿图2的线3-3截取的视图。

图4A是沿图2的线4-4截取的视图。

图4B是图4A中的被圈出的区域的放大视图。

图5是图1中的被圈出的区域的放大视图。

图6示出喷射喷嘴相对于扩散器叶片的示例布置。

具体实施方式

图1示出用来对流体的流加压和使该流体循环以便在系统内使用的压缩机10(“压缩机10”)。示例流体包括空气和制冷剂，该制冷剂包括诸如R-134a等等的化学制冷剂。图1中示出的压缩机10是制冷剂压缩机。然而，如提及的，本公开不限于用于制冷剂，并且延伸用于其它流体，诸如空气。在一个例子中，压缩机10与制冷回路L流体连通。制冷回路L已知包括冷凝器11、膨胀装置13和蒸发器15。本公开不限于用于制冷回路的压缩机，并且延伸用于其它系统，诸如气体涡轮机、空气循环机器、涡轮增压器等等。

参考图1的例子，压缩机10包括外壳12，该外壳包封马达14。外壳12可以包括一个或更多个部件。马达14绕轴线A旋转地驱动至少一个叶轮以压缩流体。马达14可以由可变频率驱动装置驱动。压缩机10包括第一叶轮16和第二叶轮18，该第一叶轮和第二叶轮的每一个通过轴19连接到马达14。虽然示出两个叶轮，但本公开延伸到具有一个或更多个叶轮的压缩机。轴19由轴承组件B支撑，该轴承组件在这个例子中是磁性轴承组件。

外壳12建立主流动路劲F。具体地，外壳12为主流动路径F建立外边界。流体的第一或主流动(在这里有时被称为“主流动”)被构造用来沿主流动路径F在压缩机入口20和压缩机出口22之间流动。在这个例子中，不存在布置在压缩机入口20的入口引导叶片。入口引导叶片的缺乏减少在长期使用之后将需要维护和/或更换的压缩机10中的机械部件的数量。如将从下面的描述理解的，第一叶片式扩散器24的存在允许消除入口引导叶片。尽管如此，本公开延伸到具有无叶片扩散器的压缩机。本公开也延伸到具有入口引导叶片的压缩机。

在图1中从左到右，主流动路径F开始于压缩机入口20，在该压缩机入口，流体被吸向第一叶轮16。第一叶轮16布置在主流动路径F中，并且相对于主流动路径F布置在第二叶轮18的上游。第一叶轮16包括：入口16I，该入口基本上平行于轴线A轴向布置；和出口16O，该出口沿垂直于轴线A的径向方向X沿径向布置。

在这个例子中，出口16O的紧邻下游是第一叶片式扩散器24。第一叶片式扩散器24包括多个叶片24V。在这个例子中，叶片24V是固定不变的叶片。即，叶片24V的相对取向在压缩机10的操作期间不是可调节的，并且在叶片24V之间产生的流动路径在压缩机10的操作期间不是可调节的。虽然本公开不限于固定不变的叶片式扩散器，但使用具有固定不变的叶片的扩散器具有以下优点：减少压缩机10中的机械部件的数量(此外，该机械部件在一段时间的使用之后将需要维修和/或更换)。此外，避免可变几何结构扩散器可能具有以下益处：消除通常与可变几何结构扩散器关联的泄漏流动。此外，如上面提及的，虽然示出叶片式扩散器，但本公开延伸到具有无叶片扩散器的压缩机。

主流动路径F沿径向方向X延伸离开轴线A并且穿过扩散器24。接下来，主流动路径F在跨越弯管25中转过180度，并且向着第二叶轮18径向向内流过具有去漩涡叶片29的返回通道27。与第一叶轮16一样，第二叶轮18包括轴向取向的入口18I和径向取向的出口18O。第二级扩散器26布置在第二叶轮18的下游。在这个例子中，第二级扩散器26包括固定不变的叶片。然而，第二级扩散器不需要包括叶片。出口蜗壳28布置在第二级扩散器26的下游。出口蜗壳28通常绕轴线A盘旋并且通向压缩机出口22。

在这个例子中，压缩机10包括次流动路径R，该次流动路径构造用来使来自主流动路径F的流体的一部分在第一部位30和第一部位30上游的第二部位32之间再循环(即，流体的“次流动”)。此外，在其它例子中，次流动路径R设置成来自外部流体源，并且不通过使来自主流动路径F的流体再循环而形成次流动路径R。

继续图1例子，如下面将讨论的，第一部位30邻近压缩机出口22，并且第二部位32位于第一叶轮16的下游。然而，第一和第二部位30、32可以设置在其它部位而不偏离本公开的范围。第一部位30的替代候选物是跨越弯管25，或者返回通道27内的部位。第二部位32可以替代地设置在第二级扩散器26的入口处。

次流动路径R部分地由再循环管路34提供。在这个例子中，再循环管路34从出口蜗壳28提取次流动，在这点上，流体的流动是没有漩涡的。这与在扩散器的出口周向地提取该流动(在这种情况中，需要由去漩涡叶片分离的多个通道来维持通过喷射喷嘴46的流动的喷射所需的压力)形成对比。在没有去漩涡叶片的情况下，由于喷射喷嘴46的半径，角动量的守恒引起速度的增加和压力的减小。由于喷射喷嘴46上的减小的压力差，静态压力的这种减小限制次流动R。

该次流动路径R还包括流动调节器36。在这个例子中，流动调节器36布置在外壳12外部，在再循环管路34中。这允许容易地更换和安装流动调节器36。该流动调节器36可以是被构造用来调节流体的流动的包括机械阀的任何类型的装置，该机械阀诸如具有电的或气动的控制的蝶形阀、闸门阀或球阀(例如，由存在的压力调节的阀)。流动调节器36可以包括致动器，该致动器可用来响应于来自控制器C的指令定位阀。该控制器C可以是包括存储器、硬件和软件的任何已知类型的控制器。该控制器C被构造用来存储指令，并且将那些指令提供到压缩机10的各种部件(包括马达14和其它结构，诸如磁性轴承组件B)。该控制器C还可以包括一个或更多个部件。

次流动路径R最初沿基本上垂直于轴线A的方向沿径向向外延伸，从第一部位30沿主流动路径F延伸到再循环管路34中的第一弯管38。次流动路径R然后在图1中从右到左(并且基本上平行于轴线A)轴向延伸，从第一弯管38延伸到第二弯管40，次流动路径R然后在该第二弯管向着轴线A径向向内转向。在这个例子中，流动调节器36在第二弯管40的下游布置在次流动路径R中。虽然次流动路径R以特别的方式被示出，但次流动路径R可以被不同地布置。

在流动调节器36的下游，次流动路径R在再循环蜗壳44的入口42进入外壳12。次流动的速度(动能)在进入再循环蜗壳44时基本上被维持，而当进入增压室时它减小。因此，再循环蜗壳44导致更有效的流动再循环系统。虽然蜗壳44被示出，但蜗壳可以由增压室取代。

再循环蜗壳44绕轴线A盘旋，并且与多个喷射喷嘴46连通。在这个例子中，喷射喷嘴46形成在喷射器板48中。如下面将讨论的，次流动通过喷射喷嘴46被引入主流动路径F。

图2从外部视角示出压缩机10的该部分。如示出的，外壳12可以包括分离的部件，该分离的部件被示出为第一和第二部分12A、12B。压缩机出口22由第一部分12A建立，而压缩机入口20由第二部分12B建立。再循环管路34在外壳的第一部分12A和外壳的第二部分12B之间延伸。

图3是沿图2中的线3-3截取的视图，并且示出外壳的第一部分12A的细节，其中外壳的第二部分12B被移除。特别地，图3示出第一叶轮16相对于第一叶片式扩散器24的布置。如示出的，叶片24V布置成邻近彼此，并且多个喉管T(图6)形成在相邻的叶片24V之间。在流体以大的切向速度分量从第一叶轮16沿径向向外排出时，那些流体穿过喉管T。

图4A是沿图2中的线4-4截取的视图，并且示出外壳的第二部分12B，其中外壳的第一部分12A被移除。特别地，图4A示出喷射器板48的细节，该喷射器板包括多个喷射喷嘴46以便流动控制。喷射器板48可以与外壳的第一部分12A一体地形成，或者分离地附接。

如图4A中示出的，喷射喷嘴46基本上布置成单个“环”或阵列。特别地，喷射喷嘴46沿径向方向X沿径向对准，该径向方向垂直于轴线A。喷射喷嘴46沿周向方向W彼此周向地间隔开，该周向方向绕轴线A被限定。在这个例子中，喷射喷嘴46沿周向方向W彼此均匀地间隔开。本公开仅使用单个“环”的喷射喷嘴46。其它例子可以包括另外的环，该另外的环可以基于操作条件在需要时被使用。

图4B示出喷射喷嘴46的布置的细节。在这个例子中，喷射喷嘴46形成为穿过喷射板48的圆柱形通路，并且均具有300到500微米(μm)的范围内的直径46D。在一个特别例子中，直径46D为大约300微米。喷射喷嘴46由于它们的相对小的直径而可以被称为“微射流”。相对于其它技术，这种相对小的喷射喷嘴46的使用允许产生非常高动量微射流，同时最小化所需的质量流量。

如提及的，喷射喷嘴46沿径向对准，并且与轴线A间隔开不变的距离46X。基于各种操作条件期间主流动路径F中的流体的绘制的压力和/或速度分布，距离46X可以被选择成对应于扩散器24中的一部位，在该部位，从叶轮16排出的流体被预期是分离的。此外，喷射喷嘴46沿周向方向W彼此周向地间隔开8和25个直径46D的范围内的弧长46A。

图5-6示出喷射喷嘴46相对于第一叶片式扩散器24V的布置。此外，虽然示出叶片式扩散器，但本公开延伸到无叶片扩散器。图5是示出图1中的被圈起来的区域的细节的近视图。如图5中所示，喷射喷嘴46均包括邻近再循环蜗壳44的入口46I和叶轮出口16O的下游的出口46O。在这个例子中，喷射喷嘴46被定位成离开叶轮出口16O距离M，该距离M也被选择成对应于预期流动分离的部位。此外，在这个例子中，喷射喷嘴46具有纵向轴线46L，该纵向轴线被布置成基本上平行于轴线A，并且基本上垂直于径向方向X。这种布置允许喷射喷嘴46沿与主流动的方向垂直的方向将流体从次流动路径R喷射回到主流动路径F中。

在这个例子中，喷射喷嘴46是圆筒形通路。即，喷射喷嘴46具有沿纵向轴线46L的基本上不变的直径46D。在其它例子中，喷射喷嘴46可以是锥形的并且沿它们的长度具有可变的直径。此外，喷射喷嘴46可以是相对于主流动路径F中的流动方向以一定角度倾斜或偏斜的。

图6描绘三个喷射喷嘴46相对于两个相邻的叶片24V1、24V2的布置。在这个例子中，喷射喷嘴46被构造用来在跨越相邻的叶片24V₁、24V₂之间的喉管T的上游并且在叶轮出口16O的下游的部位中喷射流体。

取决于压缩机10的操作条件，可以选择性地控制(通过控制器C)流动调节器36以在第一部位30移除主流动路径F内的流体的一部分，并且通过次流动路径R将流体的该移除的部分喷射回到主制冷剂流动路径F中。在一个例子中，流动调节器36响应于压缩机10的操作容量由控制器C控制。压缩机10的操作容量可以通过监视冷却器内的流体(例如，水)的温度被监视。

在一个例子中，当压缩机以正常容量操作时关闭流动调节器36。正常容量范围是设计容量的大约40-100％。然而，在相对低的部分载荷操作容量(例如，设计容量的大约30％)下，控制器C命令流动调节器36打开，使得流体通过次流动路径R被喷射到主流动路径F中。另外地或替代地，在一些例子中，在压缩机启动期间，该控制器可以命令流动调节器36打开。

变成次流动路径R内的流体(即，“次流动”)的主流动路径F内的流体(即，“主流动”)的量在一个例子中少于或等于15％。在另外例子中，变成次流动的主流动的量少于或等于10％，并且在另外例子中，这个量是大约8.5％。该流动的剩余被顺流地引到压缩机的出口22。这些再循环数相对于现有技术系统显著减小，在现有技术系统中，再循环流动的量是大约30％。

流体从次流动路径R的喷射通过允许下游元件(例如，第一叶片式扩散器24、返回通道27、第二叶轮18、和第二级扩散器26)经历更接近它们的最佳范围的流动而增加部分载荷条件中的压缩机10的操作的稳定性。这继而将压缩机10的高效操作范围延伸到较低的部分载荷操作条件，这减小喘振条件的可能性。

本公开的喷射喷嘴46采用重要的动量并且在流动分离否则将已经发生的部位中将次流动喷射回到主流动路径中。喷射喷嘴46喷射与主流动相互作用的流体并且产生反向旋转的次结构，其最重要的是大尺度反向旋转涡流对。由于主流动路径F中的这些涡流对流，它们主动地将来自扩散器核心流动的高动量流体传递到扩散器壁附近的较低动量区域。这种动量传递是对扩散器内的边界层流动供给能量的主机理。这么做使得主流动对流动分离更有抵抗力，这抑制失速。因此，喷射喷嘴46的尺寸设计和布置不仅提供有效的容量控制，而且减小有效喘振控制所需的流动的量，该有效喘振控制提高压缩机效率。

虽然不同的例子具有图中示出的特别的部件，但本公开的实施例不限于那些特别的组合。可以将该例子的一个的部件或特征的一些与该例子的另一个的特征或部件结合地使用。

本领域技术人员将理解，上述实施例是示例性的且非限制性的。即，本公开的改进型将落在权利要求的范围内。因此，以下权利要求将意图确定它们的真实范围和内容。

Claims (16)

1.一种离心压缩机，所述离心压缩机包括：

叶轮，所述叶轮布置在主流动路径中并且构造用来对流体的主流动加压；和

次流动路径，所述次流动路径构造用来通过使所述主流动的一部分再循环而提供次流动，其中少于或等于15％的所述主流动变成所述次流动，

其中，所述次流动通过多个喷射喷嘴被引回到所述主流动路径中，所述喷射喷嘴均具有300到500微米的范围内的直径，

其中，所述次流动通过多个喷射喷嘴被引回到所述主流动路径中，所述喷射喷嘴均具有一直径，并且其中所述喷射喷嘴彼此周向地间隔开一弧长，所述弧长在8到25个所述直径的范围内。

2.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，少于或等于10％的所述主流动变成所述次流动。

3.如权利要求2所述的离心压缩机，其中，大约8.5％的所述主流动变成所述次流动。

4.如权利要求1所述的离心压缩机，包括喷射板，所述喷射喷嘴形成在所述喷射板中。

5.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，所述次流动路径包括邻近所述喷射喷嘴的入口的蜗壳和增压室之一。

6.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，所述多个喷射喷嘴构造用来沿与所述主流动路径中的流体的流动方向垂直的方向将所述次流动引入到所述主流动路径中。

7.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，所述多个喷射喷嘴沿径向对准。

8.如权利要求7所述的离心压缩机，其中，所述多个喷射喷嘴沿周向方向彼此均匀地间隔开。

9.如权利要求8所述的离心压缩机，其中，所述多个喷射喷嘴具有相同的直径。

10.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，所述次流动在所述叶轮的下游的部位被再引回到所述主流动路径中。

11.如权利要求10所述的离心压缩机，其中，所述叶轮是所述主流动路径内的第一叶轮，并且其中，所述压缩机还包括所述主流动路径内的第二叶轮，所述第二叶轮在所述第一叶轮下游。

12.如权利要求11所述的离心压缩机，其中，所述次流动在所述第二叶轮的下游的部位进入所述次流动路径。

13.如权利要求1所述的离心压缩机，还包括：

控制器；和

布置在所述次流动路径中的流动调节器，所述流动调节器响应于来自所述控制器的指令选择性地调节所述次流动路径内的所述次流动。

14.一种离心压缩机，所述离心压缩机包括：

叶轮，所述叶轮布置在主流动路径中并且构造用来对流体的主流动加压；

次流动路径，所述次流动路径构造用来将次流动提供到所述主流动中；和

喷射喷嘴，所述喷射喷嘴构造用来将所述次流动引回到所述主流动路径中，所述喷射喷嘴均具有300到500微米的范围内的直径，其中所述喷射喷嘴径向地对准并且彼此周向地间隔开一弧长，所述弧长在8到25个所述直径的范围内。

15.如权利要求14所述的离心压缩机，其中，少于或等于15％的所述主流动再循环且变成所述次流动。

16.一种操作离心压缩机的方法，所述方法包括：

建立流体沿主流动路径的主流动；

通过叶轮使所述主流动加压；和

通过使少于或等于15％的所述主流动再循环而选择性地提供次流动，

其中，所述次流动通过多个喷射喷嘴被引回到所述主流动路径中，所述喷射喷嘴均具有300到500微米的范围内的直径，

其中，所述多个喷射喷嘴彼此周向地间隔开一弧长，所述弧长在5毫米至8毫米的范围内。

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