CN111396326A - 制冷压缩机和制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种制冷压缩机和制冷系统。根据本公开的示例性方面的制冷压缩机包括布置在主流路中并包括多个叶片的叶轮等。叶轮被配置成绕轴线旋转。通道位于主流路之外。第一孔口在叶片上游将通道流体联接到主流路，第二孔口在叶片前缘下游将通道流体连接到主流路。

Description

制冷压缩机和制冷系统
优先权声明
本申请要求2019年1月2日提交的美国临时申请号62/787,504和2019年3月22日提交的美国临时申请号62/822,113的权益。
技术领域
本公开涉及一种具有被动卸载构件的制冷压缩机。例如，压缩机可用于供暖、通风和空调(HVAC)冷却器系统。
背景技术
制冷压缩机用于使制冷剂经由制冷剂环路在冷却器中循环。制冷剂环路已知包括压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器。压缩机压缩流体，然后流体流向冷凝器，冷凝器又冷却和冷凝流体。制冷剂然后进入膨胀装置，该膨胀装置降低流体压力，然后进入蒸发器，流体在蒸发器中汽化，完成制冷循环。
许多制冷压缩机是离心式压缩机，并且具有驱动至少一个叶轮来压缩制冷剂的电动马达。流体沿轴向方向流入叶轮，并从叶轮径向排出。然后流体被引向下游，用于冷却器系统。
发明内容
根据本公开的示例性方面的制冷压缩机包括布置在主流路中并包括多个叶片的叶轮等。叶轮被配置成绕轴线旋转。通道位于主流路之外。第一孔口在叶片的上游使通道流体地联接到主流路，第二孔口在叶片前缘下游将通道流体地联接到主流路。
在另一个实施例中，通道被配置成扩展压缩机的操作范围。
在另一个实施例中，当压缩机以低容量操作时，主流路中的一部分流体被配置成经由第二孔口进入通道，并经由第一孔口重新引入主流路。
在另一个实施例中，当压缩机以高容量操作时，主流路中流体的一部分被配置成经由第一孔口进入通道，并经由第二孔口重新引入主流路。
在另一个实施例中，多个叶片包括主叶片和分流叶片，并且其中第二孔口在分流叶片前缘下游将通道联接到主流路。
在另一个实施例中，叶轮是混合压缩级的一部分，混合压缩级具有轴向分量和径向分量，混合压缩级具有入口和出口。
在另一个实施例中，径向压缩级在混合压缩级下游布置在主制冷剂流路中。
在另一个实施例中，叶轮是径向压缩级的一部分。
在另一个实施例中，第二孔口在叶片后缘的上游。
在另一个实施例中，多个可变入口导向叶片布置在入口的上游。
在另一个实施例中，通道相对于轴线基本轴向延伸。
在另一个实施例中，通道相对于轴线沿周向和轴向延伸。
在另一个实施例中，去涡旋叶片布置在通道内。
在另一个实施例中，制冷压缩机用于供暖、通风和空调(HVAC)冷却器系统。
根据本公开的示例性方面的制冷系统包括主制冷剂环路等，该主制冷剂环路包括压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀装置。压缩机包括布置在主流路中并包括多个叶片的叶轮。叶轮被配置成绕轴线旋转。通道位于主流路之外。第一孔口在叶片上游将通道流体联接到主流路，第二孔口在叶片前缘下游将通道流体联接到主流路。
在另一个实施例中，叶轮是混合压缩级的一部分，混合压缩级具有轴向分量和径向分量，混合压缩级具有入口和出口。
在另一个实施例中，叶轮是径向流动压缩级的一部分。
在另一个实施例中，第二孔口在叶片后缘的上游。
在另一个实施例中，通道相对于轴线基本轴向延伸。
在另一个实施例中，通道相对于轴线沿周向和轴向延伸。
附图说明
图1示意性示出了制冷系统。
图2示意性地示出了具有两个压缩级的第一示例压缩机，第一压缩级是混合压缩级，第二压缩级是径向压缩级。
图3示意性地示出了具有两个压缩级的第二示例压缩机，第一压缩级是混合压缩级，第二压缩级是径向压缩级。
图4是根据一个实施例的示例压缩机的一部分的截面图。
图5A示意性地示出了示例压缩机的一部分。
图5B示意性地示出了示例压缩机的一部分。
图6是根据另一个实施例的示例压缩机的一部分的截面图。
图7是示例压缩机的一部分的正视图。
图8是根据另一实施例的示例压缩机的一部分的截面示意图。
图9是示例压缩机的一部分的截面透视图。
图10是示例压缩机的一部分的透视图。
图11是根据另一实施例的示例压缩机的一部分的截面透视图。
图12是示例压缩机的一部分的透视图。
图13是根据另一实施例的示例压缩机的一部分的截面示意图。
具体实施方式
图1示出了制冷系统10。制冷系统10包括与压缩机14、冷凝器16、蒸发器18和膨胀装置20连通的主制冷剂环路或回路12。例如，该制冷系统10可以用在冷却器中。在该示例中，冷却塔可以与冷凝器16流体连通。虽然示出了制冷系统10的特定示例，但是本申请可扩展到其他制冷系统配置，包括不包括冷却器的配置。例如，主制冷剂环路12可以包括冷凝器16下游和膨胀装置20上游的节能器。
图2示意性示出了根据本公开的第一示例制冷压缩机。在图2中，以截面示出了压缩机14的一部分。应当理解，图2仅示出了压缩机14的上部，并且压缩机14将基本上包括围绕其中心纵向轴线A径向的相同结构
在该示例中，压缩机14具有两个压缩级22、24，这两个压缩级22、24沿着轴线A彼此间隔开。每个压缩级22、24包括多个轮叶(例如，轮叶阵列)，这些轮叶布置在例如盘上，并且可经由马达26绕轴线A旋转。在该示例中，马达26是围绕轴线A布置的电动马达。压缩级22、24可以通过分立的轴或者通过公共轴联接到马达26。两个轴在图2中示意性地示出。
压缩机14包括外壁28和内壁30，外壁28和内壁30一起界定了主流路32。主流路32在压缩机14的入口34与出口36之间延伸。外壁28和内壁30可以由一个或多个结构提供。
在入口34与第一压缩级22之间，主流路32内的流体F沿第一方向F1流动，第一方向F1是基本平行于轴线A的轴向方向。“轴向”方向在图2中标记以供参考。在本公开中，流体F是制冷剂。
第一压缩级22包括多个轮叶33，轮叶33被布置成绕轴线A旋转。在第一压缩级22的入口33I附近，外壁28和内壁30以径向距离D1隔开。在第一压缩级22的出口33O附近，外壁28和内壁30以小于D1的径向距离D2隔开。D1和D2的距离垂直于轴线A。
在第一压缩级22内，外壁28和内壁30被布置成使得流体F被导向第二方向F2，第二方向F2具有轴向分量和径向分量。在这点上，第一压缩级22可以被称为“混合”压缩级，因为第一压缩级22内的流体F具有轴向流动分量和径向流动分量。“径向”方向在图2中标记以供参考。
在一个示例中，第二方向F2相对于第一方向F1和相对于轴线A以小于45°的角度倾斜。这样，第二方向F2主要是轴向的，但是也具有径向分量(即，轴向分量大于径向分量)。
此外，在入口33I与出口33O之间，内壁28和外壁30不是直的。相反，内壁28和外壁30是弯曲的。具体而言，在该示例中，内壁28和外壁30是弯曲的，使得当从径向外部位置(例如图2中的位置35)观察时，它们在第一压缩级22内大体上是凹入的。因此，流体F平稳地从纯轴向流过渡到具有轴向分量和径向分量的流。
在第一压缩级22的下游，外壁28和内壁30具有拐点并且平滑过渡，使得它们基本上彼此平行。这样，流体F被导向第三方向F3，第三方向F基本平行于第一方向F1和轴线A。当流体F在第三方向F3上流动时，在该示例中，流体F也流过静态扩散器叶片38的阵列。
在扩散器叶片38的下游，流体F被导向至第二压缩级24，在该示例中，第二压缩级24包括叶轮40，叶轮40被配置为将在基本轴向方向上流动的流体F转向基本径向方向。具体而言，叶轮40包括轴向布置的基本平行于轴线A的入口40I和径向布置的基本垂直于轴线A的出口40O。
特别地，流体F沿第三方向F3流动进入第二压缩级24，并沿第四方向F4流动离开第二压缩级24，在一个示例中，该第四方向基本平行于径向方向。在本公开中，第四方向F4相对于轴线A以大于45°且小于或等于90°的角度倾斜。在一个特定示例中，第四方向F4基本上等于90°。这样，第二压缩级24可以被称为径向压缩级。
在一些示例中，压缩机14可以具有两个径向叶轮，而不是一个轴向叶轮和一个径向叶轮。具有轴向分量和径向分量(即，第二方向F2以小于45°倾斜)的第一压缩级22与主要是径向的(即，第四方向F4基本上等于90°)的第二压缩级24的组合，压缩机14可以比例如包括两个径向叶轮的压缩机更紧凑。相对于具有两个轴向叶轮的压缩机，压缩机14还可以表现出增加的操作范围，因为它可以在较低的容量下操作而不会喘振。因此，压缩机14在紧凑与高效之间达到了独特的平衡。
图3示意性示出了根据本公开的第二示例制冷压缩机。在未另外描述或示出的范围内，压缩机114对应于图2的压缩机14，相同的部件具有前面加“1”表示的附图标记。
像压缩机14一样，压缩机114具有两个压缩级122、124，这两个压缩级沿着轴线A彼此间隔开。第一压缩级122是“混合”压缩级，并且布置成基本上类似于第一压缩级22。第二压缩级124是径向压缩级，并且同样布置成基本类似于第二压缩级24。
与压缩机14不同，压缩机114的主流路132包括第一压缩级122与第二压缩级124之间的180度弯曲。具体地，在第一压缩级122的下游，主流路132从轴线A径向向外转弯和突出。具体地，主流路132在第一部段190内基本垂直于轴线A。主流路132在跨接弯曲部192中再次转弯大致180度，使得主流路132在第二部段194中朝向轴线A径向向内突出，第二部段194可以被称为返回通道。在这个示例中，第二部段包括去涡旋叶片196，其为第二压缩级124准备流体流F。此外，在第二压缩级124的下游，压缩机114包括出口蜗壳198，该出口蜗壳198绕轴线A盘绕并通向压缩机出口。压缩机14还可以包括出口蜗壳。
在一些示例中，压缩机14可以包括附加特征以扩展压缩机14的操作范围，例如这里进一步描述的卸载装置。
图4示出了具有示例卸载装置50的制冷压缩机14的一部分。卸载装置50可用于混合压缩级，例如压缩机14的级22。卸载装置50包括通道52，该通道52经由入口33I上游的上游端口54和入口33I与出口33O之间的下游端口56流体联接到主流路32。术语“上游”和“下游”是参考主流路32使用的。通道52布置在主流路32的径向外侧。通道52大致沿轴向方向延伸。在一些实施例中，通道52还可以具有围绕轴线A的周向分量。在一些实施例中，通道52可以基本平行于第一方向F1延伸。在其他实施例中，通道52可以基本平行于第二方向F2延伸。在进一步的示例中，通道52可以在第一方向F1与第二方向F2之间在轴向方向上具有一定角度。
图5A和5B示出了示例卸载装置50。通道52被布置成使得流体F的一部分P可以在某些条件下进入通道52，这将在下面解释。卸载装置50减轻了阻塞点和喘振的原因，从而提高了压缩机14在高容量和低容量下操作时的性能。
图5A示意性地示出了压缩机14以相对低的容量操作从而接近喘振状态的情况。在这种情况下，流体流F的一部分P进入下游端口56，流过通道52，并通过上游端口54被排回到主流路32中。以这种方式，流体F的部分P在入口33I上游被重新引入主流路32，使得部分地堵住入口33I并模拟正常的非喘振流动条件。当入口33I被部分地堵住时，流速增加，并且正确的入射角恢复。因此，即使压缩机14通常会经历喘振状态，这也允许正常的压缩机操作。
图5B示意性地示出了压缩机14以相对高的容量操作的情况。在高容量时，压缩机14中有时会产生阻塞点。例如，阻塞点可以与入口33I重合。本质上，在高容量下，流体F在阻塞点被阻塞，并且压缩机14不能压缩任何进一步的制冷剂，例如，尽管轮叶33的旋转速度增加。然而，在本公开中，在这种情况下，流体F的一部分P可以经由上游端口54进入通道52，绕过阻塞点，并且经由下游端口56重新引入主流路32。清楚的是，在这种情况下，部分P以与图5A所示方向大致相反的方向流过通道52。这样，压缩机14可以通过在阻塞点周围输送流体F中的一些而以更高的容量操作，增加了流体通过的面积。
因此，该公开的卸载装置50扩展了压缩机14的有用操作范围，特别是低容量和高容量的混合流压缩级22。卸载装置50被动地控制流量，同时不需要任何主动移动部件。
图6示出了具有另一示例卸载装置70的制冷压缩机14的一部分。卸载装置70具有围绕轴线A周向间隔开的多个入口导向叶片72。入口导向叶片72是可变入口导向叶片，其在操作过程中改变角度。也就是说，每个入口导向叶片72围绕径向方向延伸的轴线旋转。入口导向叶片72的角度改变了入口33I处的流动F的角度。入口导向叶片72的角度允许流动F预旋，这有助于增加流体速度的轴向分量。轴向方向速度的增加可以减少失速的机会，从而减少喘振的机会。
图7示出了入口导向叶片72的前视图。在该示例中，八个入口导向叶片72围绕轴线A周向布置。在一些示例中可以使用更多或更少的入口导向叶片72。
在一些示例中，压缩机14可以利用卸载装置50、70中的一个或者一起利用两个卸载装置50、70。卸载装置50、70可用于压缩机级22、24中的一个或两个。在一些示例中，卸载装置50可以在一个级使用，而卸载装置70在另一个级使用。
图8-10示出了在径向叶轮处具有卸载装置的另一示例压缩机214。图8是根据另一实施例的示例压缩机214的一部分的示意性截面图。该示例中的压缩机214是包括叶轮235的离心式压缩机。叶轮226由马达(未示出)旋转驱动，并且被配置成绕压缩机214的中心轴线A旋转。该示例中的叶轮235包括两种类型的叶片:主叶片229和分流叶片231。
主叶片229具有前缘258和后缘260。分流叶片231具有在主叶片229的前缘258下游的前缘262。分流叶片231还具有后缘264，后缘264延伸到与主叶片229的后缘260相同的下游位置。与没有分流叶片的叶轮相比，分流叶片231允许通过叶轮235的更高质量流率。叶轮235可以布置成使得主叶片229和分流叶片231围绕叶轮235的圆周交替布置。然而，其他布置也在本公开的范围内。
压缩机214包括主流路232。流体即制冷剂F被配置成从压缩机214的入口242通过主流路232流到叶轮235下游的位置244。叶轮235布置在主流路232中。例如，在位置244的下游，流体F可以流向另一叶轮或出口蜗壳。如离心式压缩机所知，流体F在入口242中沿平行于轴线A的方向流动，并且叶轮235被配置成使流体F转弯，使得其在下游位置244处沿垂直于轴线A的径向方向流动。
压缩机214还包括被动卸载构件250。被动卸载构件包括通道252。通道252经由上游孔口254和下游孔口256流体联接到主流路232。术语“上游”和“下游”是参考主流路232使用的。上游孔口254位于前缘258的上游，下游孔口256位于前缘258的下游和后缘260、264的上游。在特定示例中，下游孔口256位于分流叶片231的前缘262的下游和后缘260、264的上游。
通道252被布置成使得流体F的一部分P可以在某些条件下进入通道252，这将在下面解释。在这个示例中，通道252在主流路232的径向外侧。通道252可以部分由插件268形成，如图9和10所示，并且可以被护罩包围。如图10所示，插件268可以限定多个通道252，这些通道围绕轴线A在周向上相互间隔开。
此外，从图10中可能可以最好地看出，通道252不在孔口254、256之间平行于轴线A的方向上延伸。相反，通道252基本上是螺旋形的，具体地，当它们沿着轴线A移动时，它们围绕轴线A周向旋转。通道252可以进一步包括去涡旋叶片266。去涡旋叶片266和通道252的螺旋布置使得通道252内的流体变直，这提高了被动卸载构件的效率。
被动卸载构件减轻了阻塞点和喘振的原因，从而提高了压缩机214在高容量和低容量下操作时的性能。图8代表压缩机214以相对低的容量操作并因此接近喘振状态的情况。在这种情况下，流体流F的一部分P进入下游孔口256，流过通道252，并通过上游孔口254被排回到主流路232中。以这种方式，流体F的部分P在前缘258上游被重新引入主流路232中使得部分堵塞入口242并模拟正常的非喘振流动条件，从而即使当压缩机214正常地经历喘振条件时也允许正常的压缩机操作。
另一方面，当压缩机214以相对高的容量操作时，有时会在压缩机214的喉部T处产生阻塞点。该示例中的喉部T与分流叶片231的前缘262重合。基本上，在高容量下，流体F基本上在阻塞点被阻塞，并且压缩机214不能压缩任何进一步的制冷剂，例如，尽管叶轮235的转速增加。然而，在本公开中，在这种情况下，流体F的一部分P可以经由上游孔口254进入通道252，绕过喉部T(即，阻塞点)，并且经由下游孔口256被重新引入主流路232。清楚的是，在这种情况下，部分P以与图8所示大致相反的方向流过通道252。以这种方式，压缩机214可以通过在阻塞点周围输送流体F中的一些而以更高的容量操作。本公开扩展了压缩机214在低容量和高容量下的有用操作范围。
如图10所示，插件268中的通道252沿着轴线A延伸，并且围绕轴线A周向延伸。也就是说，通道252围绕轴线A螺旋延伸。通道252引导流体F的部分P沿轴向方向和周向方向流动。多个通道252围绕轴线A周向间隔开。也就是说，将有多个入口和出口围绕流路232间隔开。
图11和12示出了布置在径向叶轮处的另一示例卸载装置350。在这个示例中，通道352由插件368形成。通道352中每一个沿着轴线A轴向延伸。在该示例中，通道352在轴向方向上引导流体流F的部分P，而没有周向分量。
图13示出了布置在混合流压缩机中的示例卸载装置350。叶轮440具有轴向分量和径向分量。通道452沿着轴线A轴向延伸，并且具有轴向分量。通道452不沿周向方向引导流体。在一些示例中，通道452不具有径向分量。所描述的卸载装置可以用于径向或混合流压缩级。压缩机可以在一个或多个压缩级包括一个或多个所描述的卸载装置。
应该理解的是，诸如“轴向”和“径向”之类的术语在上面是参照压缩机的正常操作姿态使用的。此外，这些术语在此已经被用于解释的目的，并且不应该被认为是另外的限制。术语“一般”、“大约”和“基本上”不是无边界的术语，应该按照本领域技术人员解释这些术语的方式来解释。
尽管不同的示例具有图示中所示的特定部件，但是本公开的实施例不限于这些特定的组合。可以将一个示例中的部件或特征中的一些与另一个示例中的特征或部件结合使用。
本领域普通技术人员将理解，上述实施例是示例性的而非限制性的。也就是说，本公开的修改将落入权利要求的范围内。因此，应研究以下权利要求，以确定其真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种制冷压缩机，包括:
叶轮，所述叶轮布置在主流路中并且包括多个叶片，所述叶轮被配置成绕轴线旋转；和
在所述主流路外部的通道，在所述叶片的上游使所述通道流体联接到所述主流路的第一孔口，以及在所述叶片的前缘的下游使所述通道流体联接到所述主流路的第二孔口。
2.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，所述通道被配置成扩展所述压缩机的操作范围。
3.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，当所述压缩机以低容量操作时，所述主流路中的流体的一部分被配置成经由所述第二孔口进入所述通道，并经由所述第一孔口重新引入所述主流路。
4.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，当所述压缩机以高容量操作时，所述主流路中的流体的一部分被配置成经由所述第一孔口进入所述通道，并经由所述第二孔口重新引入所述主流路。
5.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，所述多个叶片包括主叶片和分流叶片，并且其中，所述第二孔口在所述分流叶片的前缘的下游使所述通道联接到所述主流路。
6.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，所述叶轮是混合压缩级的一部分，所述混合压缩级具有轴向分量和径向分量，所述混合压缩级具有入口和出口。
7.根据权利要求6所述的制冷压缩机，其中，径向压缩级布置在所述混合压缩级的下游的主制冷剂流路中。
8.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，所述叶轮是径向压缩级的一部分。
9.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，所述第二孔口位于所述叶片的后缘的上游。
10.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，多个可变入口导向叶片布置在所述入口的上游。
11.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，所述通道相对于所述轴线基本轴向延伸。
12.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，所述通道相对于所述轴线沿周向和轴向延伸。
13.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，去涡旋叶片布置在所述通道内。
14.根据权利要求1所述的制冷压缩机，其中，所述制冷压缩机用于供暖、通风和空调HVAC冷却器系统。
15.一种制冷系统，包括:
主制冷剂环路，包括压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀装置，其中所述压缩机包括:
叶轮，所述叶轮布置在主流路中并且包括多个叶片，所述叶轮被配置成绕轴线旋转；和
在所述主流路的外部的通道，在所述叶片的上游使所述通道流体联接到所述主流路的第一孔口，以及在所述叶片的前缘的下游使所述通道流体联接到所述主流路的第二孔口。
16.根据权利要求15所述的制冷系统，其中，所述叶轮是混合压缩级的一部分，所述混合压缩级具有轴向分量和径向分量，所述混合压缩级具有入口和出口。
17.根据权利要求15所述的制冷系统，其中，所述叶轮是径向流动压缩级的一部分。
18.根据权利要求15所述的制冷系统，其中，所述第二孔口位于所述叶片的后缘的上游。
19.根据权利要求15所述的制冷系统，其中，所述通道相对于所述轴线基本轴向延伸。
20.根据权利要求15所述的制冷系统，其中，所述通道相对于所述轴线沿周向和轴向延伸。
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