CN109996966A - 两级离心压缩机 - Google Patents
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Abstract
一种压缩机(22),包括:壳体(50);轴(70);多个轴承(66、67、68、74、76),其将所述轴安装到所述壳体以围绕轴线(500)相对旋转;以及马达(52)。所述马达具有:转子(64),其安装在所述轴上;以及定子(62)。第一叶轮(54A)安装到所述轴上所述马达的第一侧。第二叶轮(54B)安装到所述轴上所述马达的第二侧。所述第一叶轮是开式叶轮,且所述第二叶轮是闭式叶轮。
Description
相关申请的交叉引用
要求2016年12月14日提交的标题为“两级离心压缩机”的美国专利申请No. 62/434,049的权益,所述美国专利申请的公开内容通过引用整体并入本文,如同详细阐述的一样。
背景技术
本公开涉及压缩机。更具体地,本公开涉及电动马达驱动的磁性轴承压缩机。
电动马达驱动的压缩机的一个特定用途是液体致冷器。示例性液体致冷器使用密封的离心压缩机。示例性单元包括压缩机、冷却器单元、致冷器单元、膨胀装置和各种附加部件的独立组合。
一些压缩机包括介于马达转子和叶轮之间的传动装置,以在比马达更快的速度下驱动叶轮。在其他压缩机中,叶轮由转子直接驱动(例如,它们在同一轴上)。
已经使用各种轴承系统来支撑压缩机轴。一类特定的压缩机使用磁性轴承(更具体地,电磁性轴承)。为了提供轴的径向支撑,可以使用一对径向磁性轴承。这些中的每一个都可以由机械轴承(所谓的“保护(touchdown)”轴承)支撑。另外,一个或多个其他磁性轴承可以被配置为抵抗将轴拉向上游的载荷(以及,同样地,相反的载荷)。上游移动使叶轮和其护罩之间的净空收紧,且从而有损坏的风险。相反的移动打开净空并降低效率。
磁性轴承使用位置传感器来调节相关联的磁场,以抵抗给定操作条件的相关联的径向和轴向静态载荷维持径向和轴向定位,并且还控制同步振动。在2014年8月7日公开的西斯特拉(Sishtla)的美国专利申请公开20140216087A1中示出了一个示例,所述美国专利申请的公开内容通过引用整体并入本文,如同详细阐述的一样。
发明内容
本公开的一个方面涉及压缩机,所述压缩机包括:壳体;轴;多个轴承,其将所述轴安装到所述壳体以围绕轴线相对旋转;以及马达。马达具有:转子,其安装在所述轴上;以及定子。第一叶轮安装到轴上马达的第一侧。第二叶轮安装到轴上马达的第二侧。第一叶轮是开式叶轮,并且第二叶轮是闭式叶轮。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,第一叶轮具有轴向入口和径向出口;并且第二叶轮具有轴向入口和径向出口。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,第一叶轮入口和第二叶轮入口在相反的轴向方向上从马达向外面向。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,径向平衡活塞密封件密封第一叶轮。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,轴向平衡活塞密封件密封第二叶轮。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,径向密封件密封第二叶轮的护罩。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,第一叶轮是一个级,并且第二叶轮是与所述级串联的另一个级。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,多个轴承包括磁性推力轴承。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,多个轴承还包括第一磁性径向轴承和第二磁性径向轴承。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,控制器被配置为控制磁性推力轴承以改变第一叶轮的净空。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,用于使用压缩机的方法包括控制磁性推力轴承以改变第一叶轮的净空。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,改变包括减小第一叶轮的净空,以增加第二叶轮的密封件的密封接合。
本公开的另一方面涉及压缩机,所述压缩机包括:壳体;轴;多个轴承,其将所述轴安装到所述壳体以围绕轴线相对旋转;以及马达。马达具有:转子,其安装在所述轴上;以及定子。第一叶轮安装到轴上马达的第一侧。第二叶轮安装到轴上马达的第二侧。第一叶轮是面向第一方向的开式叶轮,并且第二叶轮是面向第一方向的开式叶轮。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,第一叶轮具有轴向入口和径向出口;并且第二叶轮具有径向入口和径向出口。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,第一叶轮是一个级;并且第二叶轮是与所述级串联的另一个级。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,第一径向密封件介于第一叶轮和马达之间,并且第二径向密封件介于第二叶轮和马达之间。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中,用于使用压缩机的方法包括控制磁性推力轴承以改变第一叶轮的净空。
在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方案的细节。根据说明书和附图并根据权利要求,其他特征、目的和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是致冷器系统的局部示意图。
图2是致冷器系统的压缩机的纵向剖视图。
图3是第二压缩机的纵向剖视图
不同附图中相同的附图标记和名称指示相同的元件。
具体实施方式
图1示出了蒸气压缩系统20。示例性蒸气压缩系统20是致冷器系统。系统20包括离心压缩机22,所述离心压缩机22具有吸入口(入口)24和排出口(出口)26。所述系统还包括处于正常操作模式的第一热交换器28,其是排热热交换器(例如,气体冷却器或冷凝器)。在基于现有致冷器的示例性系统中,热交换器28是由冷凝器单元31中的管束29、30形成的制冷剂-水热交换器,其中制冷剂由外部水流冷却。浮阀32控制从过冷器束30周围的过冷器腔室通过冷凝器出口的流量。
所述系统还包括第二热交换器34(在正常模式下为吸热热交换器或蒸发器)。在示例性系统中,热交换器34是由管束35形成的制冷剂-水热交换器,用于致冷冷却器单元36内的致冷水流。单元36包括制冷剂分配器37。膨胀装置38沿着正常模式制冷剂流动路径40(流动路径被相关的管道等部分地围绕)在冷凝器的下游和蒸发器的上游。
热气旁通阀42沿着旁通流动路径分支44定位,所述旁通流动路径分支44在压缩机出口26下游和隔离阀39上游的第一位置与冷却器入口上游和膨胀装置38下游的第二位置之间延伸。
压缩机22(图2)具有壳体组件(壳体)50。压缩机22是具有两个级48A和48B的两级压缩机。在各种实现方式中,这些级可以具有各种关系。图2示出了示例性串联关系,其中每个级具有相应的入口24A、24B和相应的出口26A、26B。在示例性串联实现方式中,出口26A由级间线46连接到入口24B。在该示例性实现方式中,级48A是第一级,并且入口24A提供图1的总体压缩机入口24。类似地,级48B是第二级,其出口26B提供总体压缩机出口。在各种其他实现方式中,这两个级可以并联或者可以以其他方式联接。例如,在节能的情况下,节能器线可以连接级间线46,使得来自第二级的排出流量由第一级入口流量和节能器流量的组合提供。另外的其他配置也是可能的。
示例性壳体组件包含电动马达52和两个级的相应叶轮54A、54B,所述两个级的相应叶轮54A、54B在第一模式下可由电动马达驱动,以压缩流体(制冷剂)以通过吸入口24吸入流体(制冷剂),压缩流体,并从排出口26排出流体。示例性叶轮由马达直接驱动(即,没有介入的传动装置)。
叶轮具有相应的叶片56A、56B。如下面进一步讨论的,示例性第一叶轮54A是闭式叶轮或开式叶轮,并且示例性叶轮54B是闭式叶轮。在闭式叶轮中,护罩与叶轮是一体的。在非闭式叶轮或开式叶轮中,壳体组件的不与叶轮一起旋转且相对于叶轮具有净空(尽管在异常情况下净空可能变为零,但是避免了这种情况)的部分中的护罩是期望的,并且如下所述,优化该净空的非零值是压缩机性能的相关因素。
壳体限定马达隔室60,所述马达隔室60包含在隔室内的马达的定子62。马达的转子64部分地在定子内并且安装成围绕转子轴线500旋转。示例性安装是经由一个或多个电磁性轴承系统66、67、68将转子的轴70安装到壳体组件。示例性叶轮54A和54B相应安装到轴(例如,安装到相应的端部72A和72B),以与其作为一个单元围绕轴线500旋转。
每个示例性级具有由一个或多个轮叶致动器102(例如,经由齿轮或滑轮联接到所有轮叶的单个伺服马达或驱动每个轮叶的单独伺服马达)驱动的入口引导轮叶(IGV)阵列100A、100B。
示例性轴承系统66是径向轴承,并且将轴的中间部分(即,在叶轮和马达之间)安装到壳体组件。示例性轴承系统67也是径向轴承,并且将轴的相对部分安装到壳体组件。示例性轴承68是推力/反推力轴承。径向轴承径向地保持轴,而推力/反推力轴承具有轴向地保持轴抵抗推力和反推力位移的相应部分。图2还示出了轴向位置传感器80和径向位置传感器82。这些传感器可以联接到控制器84,所述控制器84也控制马达、轴承的动力以及其他压缩机和系统部件功能。控制器可以从输入装置(例如,开关、键盘等)和附加传感器(未示出)接收用户输入。控制器可经由控制线(例如,硬连线或无线通信路径)联接到可控系统部件(例如,阀、轴承、压缩机马达、轮叶致动器102等)。控制器可以包括下面的一者或多者:处理器;存储器(例如,用于存储由处理器执行以执行操作方法的程序信息,以及用于存储由一个或多个程序使用或生成的数据);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部件接口。
推力方向对反推力方向的分配在某种程度上是任意的。出于描述的目的,反推力轴承被识别为抵抗由于叶轮与流体的协作而引起的叶轮的上游移动。推力轴承抵抗相反的移动。示例性推力/反推力轴承是有吸引力的轴承(经由磁性吸引而不是磁性排斥而工作)。轴承68具有刚性地安装到轴72的推力环120。反推力线圈单元122和推力线圈单元124在推力环的相对侧上安装到壳体,反推力线圈单元122和推力线圈单元124的电磁力作用在推力环上。在线圈单元122和124与推力环120之间存在相应高度H1和H2的间隙。
图2还示出了机械轴承74和76,所述机械轴承74和76相应地用作径向保护轴承以便相应地为磁性径向轴承66和67提供机械支撑。内圈具有用作轴向保护轴承的肩部。
尽管示例性压缩机基于上述美国专利申请公开No. 2014/0216087A1的配置,增加了第二级,但是其他压缩机配置可以作为基线。传感器80和82可以是用于控制电磁性轴承的现有传感器。在来自基线这种系统和压缩机的示例性修改中,控制器84的控制例程可用附加例程或模块来扩充,所述附加例程或模块使用传感器80和82中的一个或两个的输出来优化运行净空(当压缩机运行时的净空H3)。可以以其他方式相对于基线保存硬件。
在使用开式叶轮的离心压缩机中,叶轮和护罩之间的运行净空是影响压缩机效率的关键特征。减小净空将提高效率。
实际瞬时净空H3(运行净空)可能难以直接测量。在轴承系统处(例如,在推力环处)测量的叶轮的轴向位置可以用作非运行净空H3(冷净空)的代表。运行净空将与叶轮和/或轴变形/偏转(例如,由于操作力引起的变形/偏转)等组合来反映冷净空。
在示例性基线压缩机中,在组装期间设定冷净空,以确保在预期的操作范围内将提供足够的运行净空。在组装期间,由保护轴承限制的轴的轴向范围或移动被调节(例如,经由转子垫片调节)到一定范围内。例如,在示例性500-1000冷却吨(1750-3500kW)压缩机中,示例性范围是0.002-0.020英寸(0.05-0.5mm)(由机械保护轴承确定的冷净空)。基线控制算法试图将标称冷净空维持在该范围内。
然而,如在美国专利申请公开No. 20140216087A1中,可能期望在操作期间改变叶轮54A的冷净空。可能期望在压缩机运行的同时改变冷净空以优化性能(例如,最大化效率)和/或最大化容量。在相对端处具有闭式叶轮允许控制净空H3,而不会不利地影响第二级的性能。这将与在第二级处具有开式叶轮形成对比,其中(如果两者都刚性地连接到轴)减小第一级叶轮的净空将增加第二级叶轮的净空。替代地,将需要机械上更复杂的布置,以允许叶轮相对于彼此轴向地移位。
相对于具有两个闭式叶轮,在至少一些实现方式中,示例性配置可以提供一个或多个优点。例如,由于(相对于较小叶片高度的较高体积流量和第二(较高压力)级的较低体积流率,在第一(较低压力)级中具有开式叶轮提供了优点。在没有护罩的情况下,叶片和叶轮孔/轮毂上的应力会较低,从而允许更轻/更精细的结构以获得更高的效率。
由于第一级的压缩,即使在增加节能器流量之后,第二级叶片高度也较小,因此它可以是闭式叶轮(与闭式叶轮相比,重量减轻的相对益处对于较小的叶轮而言较小,且因此可能不会抵消泄漏损失)。
在注入质量流量由于中间热气体注入(图1中未示出)而较高的情况下,第二级的相对尺寸将增加,并且因此可以是面向与第一级相同的方向安装的开式叶轮。在并行操作的情况下,打开位置和遮闭位置无关紧要。
在部分载荷下比在满载荷下具有更小的冷净空可能是理想的。在这种情况下,运行净空在整个载荷范围内可能是类似的。如果在最大载荷下为足够的运行净空设定冷净空,则在部分/低载荷下将存在相对大的运行净空。所述净空与叶轮和护罩之间的泄漏流量相关联,所述泄漏流量表示损失。在低载荷下,较大的运行净空导致不成比例的大损失,且因而效率减小。将低载荷下的冷净空减小到仍能确保足够运行净空的水平,至少可以部分地减小与泄漏相关联的相对效率损失。
控制转子位置或相关联的冷净空以减小运行净空也有益于增加通过压缩机的最大可用流量。通过压缩机的流量是通过叶轮的流量减去通过净空的泄漏流量(内部再循环)。通过叶轮的最大流量与叶轮几何形状有关。因此,减小运行净空减少了泄漏流量并且增加了通过压缩机的最大可用流量。这种效应可在给定操作条件(给定压力差)下增加容量。
磁性推力轴承被设计用于承载上述范围内的轴向载荷。这是通过改变轴承每侧(推力侧和反推力侧)的磁场来实现的。在各种载荷下估计的所需净空被加载到控制软件中。所述容量可根据入口引导轮叶位置或蒸发器水流率和状态点(压力和温度)的测量来确定。
动态或自适应设定叶轮位置的另一种方法是在给定的运行条件下测量若干个位置的功率,并选择给出最小功率的位置。
示例性磁性轴承基于吸引原理工作:磁场电流越高,吸引力越大。因此,吸引的磁性推力轴承可以与机械推力轴承(例如,用作磁性轴承的备用的机械轴承轴向相对地定位。利用吸引轴承和在远离吸入口的方向上施加净力的轴承,线圈单元122可以以比单元124更高的电压被供电。因此,单元122被指定为“活动侧”,而相对单元124将是“非活动侧”。叶轮由于气体力而经受轴向推力,所述轴向推力使叶轮朝向护罩移动并且关闭间隙。通过调节流向推力侧和反推力侧的电流,可将间隙调节到所需位置。在前述美国专利申请公开No.20140216087A1中给出了控制的其他细节。
设置与开式叶轮54A轴向相对的闭式叶轮54B允许基于开式叶轮的期望的净空来进行位置控制。为了适应这种移动,可以在相应的级中应用密封系统的不同布置。
图2示出了密封开式叶轮54A的密封件140。示例性密封件是径向密封件。示例性径向密封件涉及壳体的密封构件142(例如迷宫式构件),所述密封构件142接合叶轮或轴的互补部分(例如,从叶轮的背板146的后侧延伸并从叶轮轮毂148向外延伸的环144)。示例性密封件140是径向平衡活塞密封件。
示例性叶轮54B具有两个不同的密封件160和170。示例性密封件160包括与叶轮54B或轴的互补部分对接的密封构件162。在示例性实现方式中。示例性密封件160是轴向密封件(例如,轴向平衡活塞密封件),其中构件162是迷宫式构件,所述迷宫式构件与从轮毂168向外延伸的背板166的背面对接。示例性密封件170是具有密封构件172的径向密封件(例如,径向孔眼密封件),所述密封构件172可以以其他方式类似于密封构件142。示例性密封构件170与护罩176的前向环部分174的外径表面对接。
密封件的特定组合可具有若干优点中的一者或多者。密封件140是径向密封件,以适应转子的轴向移位。在初始工程过程中选择密封件的内径处的直径(环144的外径),以在操作条件下提供期望的净推力。如果马达隔室处于低压(例如,大约吸入压力),则较大直径意味着更多叶轮背面处于低压。减小的直径增加了暴露在叶轮出口压力下的背面的量,且因而增加了远离马达的偏置(减小了朝向马达的偏置)。典型的轴向密封件可能缺乏适应轴向位移的能力。
密封件170定位在叶轮入口处,所述入口被称为叶轮的“孔眼”。可以在孔眼处使用径向或轴向。然而,当轴移动以使开式叶轮移位以减小净空H3时,轴向密封件将趋于脱离并产生/增加局部密封净空。孔眼可以设定在入口叶片上方(径向外侧)0.25至0.5英寸(6.4mm至12.7mm)的示例性位置,以减小应力并最小化泄漏流量。具有较小的密封直径意味着较小的潜在泄漏区域。然而,护罩应足够厚以提供期望的强度(并且厚度可能受到所选制造工艺的影响)。示例性密封件160是轴向密封件。可以看出轴向密封件160的一个可能的益处是密封件160可能经受系统中任何密封件的最高压力差。通常,转子可以被移位以在较高的速度和较高的操作压力(总的压力差和因此密封件160上的更高的差)下减小H3。因此,当最需要改善密封时,这种移位减小了密封件160的净空并改善了密封。
操作上,叶轮54B可以比叶轮54A经受更大的运动范围。这是因为不同的热膨胀或机械载荷因素可能导致壳体和轴之间的相对膨胀或收缩,这可能根据情况增加或减少两个叶轮的轴向间距。第二级具有比第一级更高的温度和压力。因此,其可以看到比第一个更大的运动范围。
图1还示出了控制器84。控制器可以从输入装置(例如,开关、键盘等)和传感器(未示出,例如,在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。控制器可以经由控制线(例如,硬连线或无线通信路径)联接到传感器和可控系统部件(例如,阀、轴承、压缩机马达、轮叶致动器等)。控制器可以包括下面的一者或多者:处理器;存储器(例如,用于存储由处理器执行以执行操作方法的程序信息,以及用于存储由一个或多个程序使用或生成的数据);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部件接口。
压缩机和系统可以使用其他常规的或尚未开发的材料和技术制成。
图3示出了压缩机222,除了如下所述之外,压缩机222可以类似于压缩机22,并且因此用许多相同的附图标记来标记。主要区别在于第二级叶轮54’B是相对于相邻固定护罩具有净空H4的开式叶轮。叶轮34’B面向与叶轮54A相同的方向。因此,通过轴向轴承68的转子移动将趋于一起增加或减少H4和H3。第二级具有入口端口24’B和出口端口26’B。入口端口通向环形入口增压室。径向入口引导轮叶阵列100’B示出为具有一个或多个致动器102’。对于密封件,第二级具有径向密封件140’和160’。示例性径向密封件140’具有壳体的密封构件142’(例如迷宫式构件),所述密封构件142’接合叶轮或轴的互补部分(例如从叶轮的背板146’的后侧或从叶轮轮毂延伸的环144’。)类似地,示例性径向密封件160’具有壳体的密封构件162’(例如迷宫式构件),所述密封构件162’接合叶轮或轴的互补部分(例如轴的第二级叶轮和马达之间的外径表面)。跨密封件160’的压力差在第二级叶轮入口条件(非出口条件)和马达壳体/外壳条件之间。这将显著低于跨图2的密封件160的压力差,所有其他方面甚至几乎等同。因此,将密封件160’作为径向密封件是有意义的,因为随着H3的减小,增加密封接合的益处较小。径向密封件可提供更独立于转子位置和更少磨损的密封。
在迷宫式或其他密封构件被示出在一个部件(例如,非旋转部件上并且其配合/密封部件位于另一部件(例如,旋转部件)上的情况下,替代方案将涉及反转(即,将迷宫式或其他密封构件置于旋转部件上)。
在说明书和随后的权利要求中使用“第一”、“第二”等仅是为了在权利要求中进行区分,而不一定指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地,在权利要求中将一个元件标识为“第一”(或类似)并不排除这样的“第一”元件在另一权利要求或说明书中被称为“第二”(或类似)的元件。
已经描述了一个或多个实施方案。然而,应理解,可以进行各种修改。例如,当应用于现有的基本系统时,这种配置或其相关使用的细节可能影响特定实现方式的细节。因此,其他实施方案在以下权利要求的范围内。
Claims (17)
1.一种压缩机(22),包括:
壳体(50);
轴(70);
多个轴承(66、67、68、74、76),其将所述轴安装到所述壳体以围绕轴线(500)相对旋转;
马达(52),其具有:
转子(64),其安装在所述轴上;以及
定子(62);
第一叶轮(54A),其安装到所述轴上所述马达的第一侧;以及
第二叶轮(54B),其安装到所述轴上所述马达的第二侧,
其中:
所述第一叶轮是开式叶轮;并且
所述第二叶轮是闭式叶轮。
2.如权利要求1所述的压缩机,其中:
所述第一叶轮具有轴向入口和径向出口;并且
所述第二叶轮具有轴向入口和径向出口。
3.如权利要求2所述的压缩机,其中:
所述第一叶轮入口和所述第二叶轮入口在相反的轴向方向上从所述马达向外面向。
4.如任一前述权利要求所述的压缩机,还包括:
密封所述第一叶轮的径向平衡活塞密封件(140)。
5.如任一前述权利要求所述的压缩机,还包括:
密封所述第二叶轮的轴向平衡活塞密封件(160)。
6.如任一前述权利要求所述的压缩机,还包括:
密封所述第二叶轮护罩的径向密封件(170)。
7.如任一前述权利要求所述的系统,其中:
所述第一叶轮是一个级;并且
所述第二叶轮是与所述级串联的另一个级。
8.如任一前述权利要求所述的压缩机,其中:
所述多个轴承包括磁性推力轴承(68)。
9.如权利要求8所述的压缩机,其中:
所述多个轴承还包括第一磁性径向轴承(66)和第二磁性径向轴承(67)。
10.如权利要求8或权利要求9所述的压缩机,还包括:
控制器,其被配置为控制所述磁性推力轴承以改变所述第一叶轮的净空。
11.一种用于使用如权利要求8至权利要求10中任一项所述的压缩机的方法,所述方法包括:
控制所述磁性推力轴承以改变所述第一叶轮的净空。
12.如权利要求11所述的方法,其中:
所述改变包括减小所述第一叶轮的所述净空以增加所述第二叶轮的密封件的密封接合。
13.一种压缩机(222),包括:
壳体(50);
轴(70);
多个轴承(66、67、68、74、76),其将所述轴安装到所述壳体以围绕轴线(500)相对旋转;
马达(52),其具有:
转子(64),其安装在所述轴上;以及
定子(62);
第一叶轮(54A),其安装到所述轴上所述马达的第一侧;以及
第二叶轮(54’B),其安装到所述轴上所述马达的第二侧,
其中:
所述第一叶轮是面向第一方向的开式叶轮;并且
所述第二叶轮是面向所述第一方向的开式叶轮。
14.如权利要求13所述的压缩机,其中:
所述第一叶轮具有轴向入口和径向出口;并且
所述第二叶轮具有径向入口和径向出口。
15.如权利要求13或权利要求14所述的压缩机,其中:
所述第一叶轮是一个级;并且
所述第二叶轮是与所述级串联的另一个级。
16.如权利要求13至权利要求15中任一项所述的压缩机,其中:
第一径向密封件140介于所述第一叶轮和所述马达之间;并且
第二径向密封件160’介于所述第二叶轮和所述马达之间。
17.一种用于使用如权利要求13至权利要求16中任一项所述的压缩机的方法,所述方法包括:
控制所述磁性推力轴承以改变所述第一叶轮的净空。
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