CN112334664A - 制冷系统混合流压缩机 - Google Patents
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Abstract
一种压缩机包括壳体、限定在壳体内的第一压缩级、限定在壳体内的第二压缩级，以及相对于通过压缩机的液体流设置在第一压缩级和第二压缩级之间的马达。第一压缩级的第一压缩构件具有混合流构造，且第二压缩级的第二压缩构件具有径向流构造。
Description
相关申请的交叉引用
本申请请求享有于2019年5月23日提交的美国申请第62/851896号的权益，该美国申请以其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及一种制冷系统，并且更具体地涉及压缩机。
背景技术
旋转机器通常用于制冷和涡轮应用中。旋转机器的示例包括离心式压缩机，该离心式压缩机具有固定到旋转轴的叶轮。叶轮的旋转增加了移动跨过叶轮的流体或气体的压力和/或速度。
在使用新的低压制冷剂的应用中，压缩机的总直径通常较大以适应高流速。然而，这些大尺寸可能会超出包装包络内的可用空间。因此，需要开发一种具有减小的占地面积并且适用于低压制冷剂应用的压缩机。
发明内容
根据一个实施例，一种压缩机包括壳体、限定在壳体内的第一压缩级、限定在壳体内的第二压缩级，以及相对于通过压缩机的液体流设置在第一压缩级和第二压缩级之间的马达。第一压缩级的第一压缩构件具有混合流构造，且第二压缩级的第二压缩构件具有径向流构造。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，第一压缩级和第二压缩级相对于通过制冷剂的流体流串联布置。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，第一压缩构件是可绕第一轴线旋转的第一叶轮，并且第二压缩构件是可绕第二轴线旋转的第二叶轮。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，第一叶轮进一步包括具有前侧和后侧的毂，该毂可绕旋转轴线旋转，以及从毂的前侧向外延伸的多个导叶，使得在相邻导叶之间限定多个通路，多个导叶定向成使得在第一叶轮的后侧附近从多个通路输出的流布置成与第一轴线成角度。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，从多个通路输出的流的角度小于20度。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，从多个通路输出的流大体上平行于旋转轴线布置。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，第一轴线和第二轴线同轴。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，包括在第二压缩构件的出口的轴向下游布置的蜗壳。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，包括布置在壳体内的扩散器区段，该扩散器区段位于第二压缩构件的出口的径向下游且在蜗壳上游。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，包括布置在壳体内的扩散器区段，该扩散器区段位于第一压缩构件的出口的轴向下游。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，扩散器区段进一步包括：扩散器结构和限定在扩散器结构的外表面与壳体的内表面之间的轴向流动通路。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，扩散器结构为大体上圆柱形的形状。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，扩散器结构相对于轴线固定。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，扩散器区段的出口布置成与延伸穿过马达区段的至少一个流径流体连通。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，马达包括相对于马达定子可旋转的马达转子，并且至少一个流径进一步包括设置在马达定子和壳体的相邻部分之间的主流径以及布置在马达定子和马达转子之间的次流径。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，主流径和次流径平行布置。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，主流径和次流径布置成与至少一个出口流体连通，以将流体输送到第二压缩级。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，至少一个出口的尺寸设置成以小于0.2马赫的速度提供流体流至第二压缩级。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，压缩机可结合低压制冷剂操作。
除了上述特征中的一个或多个之外，或作为备选，在其它实施例中，压缩机可结合中压制冷剂操作。
附图说明
以下描述不应被认为以任何方式进行限制。参考附图，相似的元件编号相似：
图1是已知的离心式压缩机的截面视图；以及
图2是根据另一实施例的压缩机的截面视图；以及
图3A和3B是根据实施例的叶轮的示例的各种视图。
具体实施方式
本文通过示例而非限制的方式参考附图给出了所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。
现在参考图1，示出了现有的离心式压缩机10的示例。如图所示，离心式压缩机10包括具有入口14的主壳体12，入口通过一系列可调节的入口导向导叶18将制冷剂引导到旋转的叶轮16中。叶轮16由任何合适的手段固定到驱动轴20，以使叶轮16沿压缩机10的轴线对准。叶轮16具有形成在其中的多个通路22，这些通路使制冷剂流体的进入的轴向流沿径向方向转向并排放到相邻的扩散器区段30中。扩散器区段30大体上绕叶轮16周向地设置，并起到将压缩的制冷剂流体引导到环形蜗壳32中的作用，该蜗壳将压缩的流体引向压缩机出口，或备选地引向压缩机10的第二级（未示出），取决于压缩机的构造。由于叶轮16、扩散器区段30和蜗壳32绕可旋转的驱动轴20径向堆叠，因此由这些构件限定的压缩机10的总直径可能很大，并因此不适合具有尺寸限制的应用。
图2中示出了例如相对于诸如压缩机10的现有离心式压缩机具有减小的直径的离心式压缩机40的示例。在所示的非限制性实施例中，压缩机40具有多个级，例如第一级42和第二级44，并且每个级具有与其相关联的单独的压缩构件。压缩机40的壳体46不仅限定第一级42和第二级44，而且限定具有其中安装的马达50的马达区段48。马达50的转子52至少部分地安装在定子54内并且可绕转子轴线X旋转。
入口56形成在壳体46的与压缩机40的第一级42相关联的第一端58处。在所示的非限制性实施例中，压缩机40的第一级42的第一压缩构件包括叶轮60。叶轮60固定到马达50的驱动轴62，使得叶轮60与马达50的轴线X同轴。在操作中，例如经由入口56提供至压缩机40的诸如制冷剂的流体轴向地引向旋转叶轮60。
如图3A和图3B中最佳所示，叶轮60包括具有前侧66和后侧68的毂或本体64。如图所示，本体64的前侧66的直径大体上朝向后侧68增大，使得叶轮60为大体上圆锥形的形状。多个导叶或叶片70从本体64向外延伸。多个叶片70中的每个叶片布置成与驱动轴62和叶轮60的旋转轴线X成角度。在一个实施例中，叶轮60具有混合流构造，使得每个叶片70在叶轮60的前侧66上延伸。如图所示，每个叶片70包括大体上邻近叶轮本体64的前侧66布置的第一端72和大体上邻近叶轮60的后侧68布置的第二端74。此外，叶片70的第二端74可从叶片70的对应的第一端72周向地偏移。
多个通路76限定在相邻叶片70之间，以排出大体上平行于轴线X的经过叶轮60的流体。当叶轮60旋转时，流体沿基本轴向方向接近叶轮60的前侧66，并流过在相邻叶片70之间限定的通路76。因为通路76具有轴向分量和径向分量两者，所以提供至叶轮60的前侧66的轴向流同时平行于驱动轴62的轴线移动并且绕驱动轴62的轴线周向地移动。在一个实施例中，第一级处的壳体46的内表面78（如图2中所示）和叶轮60的通路76结合起来协作以从叶轮60排出压缩的制冷剂流体。在一个实施例中，压缩流体相对于驱动轴62的轴线X以任何角度从叶轮60排放到相邻的扩散器区段80中。该角度例如可在0°（大体上平行于驱动轴62的旋转轴线X）与小于90°、小于75°、小于60°、小于45°、小于30°、小于20°、小于10°或小于5°之间。尽管本文中图示和描述的混合流叶轮是无罩的，但是绕叶轮60周向地设置罩的实施例也在本公开的范围内。
在所示的非限制性实施例中，叶轮60是无罩叶轮或开放叶轮。如本文中所使用的，用语“无罩”或“开放”叶轮可指的是叶轮的构造，其中壳体组件的不随叶轮旋转并且相对于叶轮具有间隙的一部分形成绕叶轮的至少一部分的罩。然而，应当理解，本文还构想叶轮60是带罩叶轮的实施例。在带罩叶轮中，罩构造成与叶轮一起旋转，并且在一些实施例中，可与叶轮一体地形成。
在制冷剂由叶轮60加速之后，扩散器区段80可用于在将动能转换为压力能的同时使制冷剂减速。如图所示，相对于通过压缩机40的流动方向，在叶轮本体64的下游端附近限定了扩散器区段80。在所示的非限制性实施例中，扩散器区段80具有轴向流体流径，该轴向流体流径基本上平行于叶轮60的旋转轴线定向。在扩散器区段80内，流体流径可限定在扩散器结构82和压缩机壳体46的相邻部分的内表面78之间。扩散器结构82为大体上管状或圆柱形的形状，并且相对于轴线X固定。当扩散器结构82安装在压缩机40内时，扩散器结构82的第一端84可直接邻接叶轮60的后侧68。此外，扩散器结构82可安装成使得其外表面86在与后侧68的对接部处与叶轮60的前侧66基本齐平。在该构造中，流过压缩机40的流体从叶轮60平稳地过渡到扩散器区段80。扩散器区段80可具有无导叶构造，或备选地，可包括具有多个导叶的扩散器结构82，如在2019年1月9日提交的美国专利申请序列第16/243833号中所述，其全部内容通过引用并入本文中。
扩散器区段80的轴向流径88将压缩流体流引向压缩机40的马达区段48。如图所示，主流径90可限定在马达定子54的外表面92与马达50附近的壳体46的内表面78之间。主流径90具有大体上轴向的构造，并且与限定在扩散器结构82和壳体46之间的流动通道88大体上对准。备选地或另外，次流径94可在马达转子52的外径和马达定子54的内径之间延伸。来自扩散器区段80的流体可平行地提供至主流径90和次流径94。在一个实施例中，主流径90和次流径94中的每一个的入口端和出口端分别布置成流体连通。从主流径90和次流径94的出口端，流体流通过形成在内壁98中的出口96提供至位于马达50下游的压缩机40的第二级44。在一个实施例中，多个出口96，例如，如4-6个开口，可绕内壁98间隔开，以将流过其中的制冷剂的流动速度限制为小于0.2马赫，并且在一些实施例中，在0.1和0.2马赫之间，或小于0.1马赫。
在一个实施例中，压缩机40的第二级44的第二压缩构件是安装在壳体46内的另一个旋转叶轮100。如图所示，第二级44的叶轮100可与第一级42的叶轮60同轴地定位。因此，叶轮100可直接或间接地联接至驱动轴62以绕轴线X旋转。然而，应当理解，第二级44的叶轮100不必与第一级42的叶轮60同轴。此外，第二级44的叶轮100的构造可与第一级42的叶轮60基本相同，或备选地，可不同于第一级42的叶轮60。在一个实施例中，第二级叶轮100具有径向流构造并且包括多个叶轮导叶和在多个叶轮导叶之间限定的多个通路。叶轮100可如图所示为无罩的，或备选地，可如本文先前所述是带罩的。
在操作中，经由出口96提供至第二级44的内部的制冷剂引导到旋转叶轮100上。多个叶轮导叶以及在相邻叶轮导叶之间限定的对应通路使制冷剂的进入的轴向流沿径向方向转向并排放到相邻的扩散器区段110中。扩散器区段110大体上绕叶轮100周向地设置，并且将进一步压缩的制冷剂流体引导到以120标识的蜗壳，如环形蜗壳，在该蜗壳中收集制冷剂以随后流向下游系统构件，例如，如冷凝器（未示出）。
如本文中图示和描述的压缩机40适用于任何类型的制冷剂，并且对于低压或中压制冷剂可能特别有用。低压制冷剂通常具有低于大气压力的蒸发器压力，且中压制冷剂通常具有高于大气压力的蒸发器压力。组合的混合流和径向流压缩机40可提供优于现有的离心式压缩机的显著尺寸减小。另外，因为在所述的单级中实现了高压力比，所以可通过消除对后续级的需求来简化压缩机40。结果，压缩机40的半径可减小高达大约40％，并且压缩机40的长度可减小超过10％。此外，与常规的离心式压缩机相比，压缩机40的性能得到改善。
用语“约”旨在包括与基于提交申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差程度。
本文使用的用语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解的是，用语“包括”和/或“包含”在用于此说明书中时表示指出的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
虽然已经参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物替换其元件。此外，可制作出许多改型来使特定情形或材料适于本公开的教导，而不脱离其实质范围。因此，期望本公开不限于公开为针对执行本公开构想的最佳模式的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施例。
Claims (20)
1.一种压缩机，包括：
壳体；
限定在所述壳体内的第一压缩级，其中所述第一压缩级的第一压缩构件具有混合流构造；
限定在所述壳体内的第二压缩级，其中所述第二压缩级的第二压缩构件具有径向流构造；以及
相对于通过所述压缩机的流体流设置在所述第一压缩级和所述第二压缩级之间的马达。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，第一压缩级和第二压缩级相对于通过制冷剂的流体流串联布置。
3.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述第一压缩构件是可绕第一轴线旋转的第一叶轮，并且所述第二压缩构件是可绕第二轴线旋转的第二叶轮。
4.根据权利要求3所述的压缩机，其特征在于，所述第一叶轮进一步包括：
具有前侧和后侧的毂，所述毂可绕旋转轴线旋转；
多个导叶，其从所述毂的前侧向外延伸，使得在相邻导叶之间限定多个通路，所述多个导叶定向成使得在所述第一叶轮的后侧附近从所述多个通路输出的流布置成与所述第一轴线成角度。
5.根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于，从所述多个通路输出的流的角度小于20度。
6.根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于，从所述多个通路输出的流布置成大体上平行于所述旋转轴线。
7.根据权利要求3所述的压缩机，其特征在于，所述第一轴线和所述第二轴线同轴。
8.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，进一步包括蜗壳，所述蜗壳布置在所述第二压缩构件的出口的轴向下游。
9.根据权利要求8所述的压缩机，其特征在于，进一步包括布置在所述壳体内的扩散器区段，所述扩散器区段位于所述第二压缩构件的出口的径向下游且在所述蜗壳的上游。
10.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，进一步包括布置在所述壳体内的扩散器区段，所述扩散器区段位于所述第一压缩构件的出口的轴向下游。
11.根据权利要求10所述的压缩机，其特征在于，所述扩散器区段进一步包括：
扩散器结构；以及
在所述扩散器结构的外表面和壳体的内表面之间限定的轴向流动通路。
12.根据权利要求11所述的压缩机，其特征在于，所述扩散器结构为大体上圆柱形的形状。
13.根据权利要求11所述的压缩机，其特征在于，所述扩散器结构相对于所述轴线固定。
14.根据权利要求10所述的压缩机，其特征在于，所述扩散器区段的出口布置成与延伸穿过马达区段的至少一个流径流体连通。
15.根据权利要求14所述的压缩机，其特征在于，所述马达包括相对于马达定子可旋转的马达转子，并且所述至少一个流径进一步包括设置在所述马达定子和所述壳体的相邻部分之间的主流径以及布置在所述马达定子和所述马达转子之间的次流径。
16.根据权利要求10所述的压缩机，其特征在于，所述主流径和所述次流径平行布置。
17.根据权利要求10所述的压缩机，其特征在于，所述主流径和所述次流径布置成与至少一个出口流体连通，以将流体输送到所述第二压缩级。
18.根据权利要求10所述的压缩机，其特征在于，所述至少一个出口的尺寸设置成以小于0.2马赫的速度提供流体流至所述第二压缩级。
19.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机可结合低压制冷剂操作。
20.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机可结合中压制冷剂操作。
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