CN112879317A - 高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机及其控制方法，属于空气压缩机技术领域，空气压缩机包括：永磁驱动电机，其主轴的一端设置有一级叶轮和二级叶轮，磁悬浮轴承组件对主轴进行径向支撑和轴向限位；一级叶轮外部罩设有一级蜗壳，二级叶轮外部罩设二级蜗壳；位移传感组件，用于检测主轴在旋转过程中的径向和轴向位置偏差；轴承控制器，用于根据位移传感组件检测到的主轴位移信号控制磁悬浮轴承组件的电流，以调整主轴在径向和轴向方向上的位置；变频控制器，用于根据用气需求对空气压缩机的转速、流量、压力进行调节并进行防喘振控制。本申请提供的高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机具有高压、高速条件下运行稳定性强的优点。
Description
技术领域
本申请涉及空气压缩机技术领域，尤其涉及一种高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机及其控制方法。
背景技术
空气压缩机是工业生产中用于产生压缩空气的设备，空气压缩机的输出压力能力通常随着叶轮转速的增大而提高。目前，现有的空气压缩机通常采用滚珠轴承对电机主轴进行支撑。
针对上述中的相关技术，发明人认为，现有的空气压缩机主轴在滚珠轴承的支承下，因摩擦功耗高，导致轴承寿命短，难以满足在高压、高速条件下持续稳定运行的需求。
发明内容
为了提高空气压缩机在高压、高速条件下持续稳定运行的能力，本申请提供一种高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机及其控制方法。
第一方面，本申请提供的一种高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机采用如下的技术方案：
一种高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机，包括：
永磁驱动电机，包括壳体、定子、转子、主轴、第一端盖和第二端盖，所述主轴穿出第一端盖和第二端盖，所述主轴的一端设置有一级叶轮和二级叶轮；
磁悬浮轴承组件，用于对主轴进行径向支撑和轴向限位；
所述一级叶轮外部罩设有一级蜗壳，所述一级蜗壳上设置有一级吸气口和一级排气口；所述二级叶轮外部罩设二级蜗壳，所述二级蜗壳上设置有二级吸气口和二级排气口；所述一级排气口和二级进吸口气路连接；
位移传感组件，用于检测主轴在旋转过程中相对于磁悬浮轴承组件的轴线在径向方向和轴向方向的位置偏移量；
轴承控制器，用于根据位移传感组件检测到的主轴偏移量控制磁悬浮轴承组件的电流，以调整主轴在径向和轴向方向上的位置；
变频控制器，与轴承控制器联动，用于根据用气需求对空气压缩机的转速、流量、压力进行调节并进行防喘振控制。
通过采用上述技术方案，永磁驱动电机的主轴能够在无摩擦情况下高速稳定旋转，使得空气压缩机能够产生高速高压空气，还能够根据用气需求对输出的压缩空气参数进行调整并防止进入喘振状态。
可选的，二级蜗壳远离永磁驱动电机的一端与主轴对应部分设置有第一备降轴承，主轴穿设于第一备降轴承内；
所述第二端盖与所述主轴对应的部分设置有第一备降轴承，所述主轴穿设于所述第一备降轴承内。
通过采用上述技术方案，能够在空气压缩机运输过程中对主轴进行支承或者当轴承控制器发生故障时支承主轴并逐渐减速至停止，对主轴和轴承控制器进行保护。
可选的，所述磁悬浮轴承组件包括第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承和轴向限位磁悬浮轴承；
其中，所述第一径向磁悬浮轴承设置于壳体内靠近第一端盖一侧，所述第二径向磁悬浮轴承设置于壳体内靠近第二端盖一侧，所述轴向限位磁悬浮轴承设置于主轴远离一级叶轮的一端。
通过采用上述技术方案，能够对主轴进行径向支撑和轴向限位。
可选的，所述位移传感组件包括第一传感器环和第二传感器环，第一传感器环和第二传感器环均包括用于检测主轴在X轴、Y轴和Z轴方向位移的位移传感器；
其中，第一传感器环设置于第一端盖与第一径向磁悬浮轴承之间，所述第二传感器环设置于第二端盖与第二径向磁悬浮轴承之间。
通过采用上述技术方案，能够对主轴在运转过程中的运动状态进行实时检测，以便于轴承控制器能够对主轴的位置进行调整。
可选的，所述一级叶轮和二级叶轮出口的相对宽度采用以下公式计算获得：
根据叶轮进口速度和出口速度三角形，有：
式中，c1r＝c1sinα1，c1u＝c1cosα1，c2r＝c2sinα2，c2u＝c2cosα2；
在理论流量下，叶轮进口气体无冲击、无旋转地进入叶道，此时c1＝c1r，c1u＝0，α1＝90°，β1＝β1A，β2＝β2A；
则气体流过叶轮的理论能量头为：
Hth＝Lth＝u2c2u-u1c1u＝u2c2u；
由于
则：
其中，
为叶轮的流量系数，
为叶轮周向分速度系数；
连续方程在叶轮出口处的表达式为：
则叶轮出口的相对宽度为：
式中，D2为叶轮外径，b2为叶轮出口处的轴向宽度，qm为质量流量，qV2为体积流量，ρ2为气流密度。
第二方面，本申请提供一种前述空气压缩机的控制方法采用如下的技术方案：
一种空气压缩机的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：轴承控制器对磁悬浮轴承组件和位移传感组件的工作状态进行检测和确认，当工作状态正常时，允许变频控制器控制永磁驱动电机启动；
步骤S2：设定压缩机工况参数，启动永磁驱动电机运行；
步骤S3：变频控制器根据工况参数计算瞬时状态下的叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量，并调节转速、出口流量、出口压力、出口温度、永磁驱动电机电流和放空时间。
可选的，所述叶轮效率的计算公式为：
式中m为气体多变指数，k为等熵指数；
所述气动功率的计算公式为：
P气动＝Pint·ηmotor
式中，Pint为变频控制器的电功率，ηmotor为永磁驱动电机的效率；
所述叶轮有效功率的计算公式为：
Pth＝P气动·ηpol
所述质量流量的计算公式为：
式中Lpol为多变压缩功；
所述体积流量的计算公式为：
式中P为气体压强，R为气体常量，T为绝对温度。
可选的，本申请提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤S4：轴承控制器对主轴的对中性进行实时监测，当主轴在径向和轴向上的偏移量超过位移阈值时，轴承控制器调整输出至磁悬浮轴承组件的电流大小对轴承的位置进行调整。
可选的，本申请提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤S5：变频控制器对空气压缩机的喘振点进行实时追踪，当空气压缩机的工作状态接近喘振点或处于喘振状态时，变频控制器通过调整转速、打开放空阀或调节出口流量的方式使空气压缩机避开喘振点或从喘振状态恢复正常运行。
综上所述，本申请至少具有以下一种技术效果：
1.高速运行条件下采用磁悬浮轴承组件对主轴进行支承，降低了永磁驱动电机的摩擦功耗；
2.轴承控制器能够实时调整主轴的对中性，从而保证空气压缩机能够稳定运行；
3.变频控制器能够根据设定工况自动调整空气压缩机的运行状态以满足用气需求，同时能够实现智能防喘振控制，进一步提高空气压缩机的稳定性。
附图说明
图1是空气压缩机的剖面结构示意图；
图2是空气压缩机的控制原理框图；
图3是叶轮进口速度和出口速度示意图；
图4是叶轮进口速度和出口速度三角形示意图。
附图标记说明：10、永磁驱动电机；101、主轴；102、壳体；103、定子；104、第一端盖；105、第二端盖；107、推力盘；108、第一备降轴承；109、第二备降轴承；20、磁悬浮轴承组件；201、第一径向磁悬浮轴承；202、第二径向磁悬浮轴承；203、轴向限位磁悬浮轴承；21、UPS电源；30、一级叶轮；31、一级蜗壳；311、一级吸气口；312、一级排气口；40、二级叶轮；41、二级蜗壳；411、二级吸气口；412、二级排气口；50、位移传感组件；501、第一传感器环；502、第二传感器环；503、位移传感器；60、轴承控制器；70、变频控制器；80、系统控制器；90、冷却系统。
具体实施方式
参照图1和图2，本申请实施例公开一种高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机，包括永磁驱动电机10、磁悬浮轴承组件20、一级叶轮30、二级叶轮40、位移传感组件50、轴承控制器60和变频控制器70。其中，一级叶轮30和二级叶轮40固定安装于永磁驱动电机10主轴101的一端，磁悬浮轴承组件20对主轴101进行支承，从而使主轴101能够无摩擦旋转；位移传感组件50能够检测主轴101相对于磁悬浮轴承组件20的轴线在径向和轴向上的位置偏移量，轴承控制器60根据位移传感组件50输出的信号调节磁悬浮轴承组件20的工作状态，使主轴101的轴线能够与磁悬浮轴承组件20保持对中或使主轴10的偏移量在正常运行允许的范围内；变频控制器70与轴承控制器60联动，根据用气需求对空气压缩机的转速、流量、压力进行调节并进行防喘振控制。本申请提供的空气压缩机，主轴101能够在磁悬浮轴承组件20的支承下高速旋转并通过两级叶轮产生高压空气输出。
具体的，参照图1，永磁驱动电机10包括壳体102，壳体102内设置有定子103，主轴101穿设于定子103内，定子103与主轴101之间设置有转子(图中未示出)，转子采用表贴或镶嵌的方式设置永久磁体。由此，气隙中的磁场由永久磁体产生，使用永久磁体可生成大量气隙磁通，从而提高永磁驱动电机10的效率。
永磁驱动电机10的壳体102两端设置有第一端盖104和第二端盖105。磁悬浮轴承组件20包括第一径向磁悬浮轴承201、第二径向磁悬浮轴承202和轴向限位磁悬浮轴承203。其中，第一径向磁悬浮轴承201套设于主轴101外部并靠近第一端盖104设置，第二径向磁悬浮轴承202套设于主轴101外部并靠近第二端盖105设置。第一径向磁悬浮轴承201和第二径向磁悬浮轴承202与轴承控制器60相连，二者在轴承控制器60的控制下通电时能够将主轴101抬起悬浮。
主轴101远离一级叶轮30和二级叶轮40的一端固定设置有推力盘107，轴向限位磁悬浮轴承203设置于推力盘107与第二端盖105之间。轴向限位磁悬浮轴承203与轴承控制器60相连，轴承控制器60能够控制轴向限位磁悬浮轴承203对推力盘107的磁吸力的大小，从而对主轴101在轴向上的位置偏差进行修正。
参照图1，位移传感组件50包括第一传感器环501和第二传感器环502。其中，第一传感器环501设置于第一端盖104与第一径向磁悬浮轴承201之间，第一传感器环501可以与第一端盖104连接固定。第二传感器环502设置于第二端盖105与第二径向磁悬浮轴承202之间，第二传感器环502可以与第二端盖105连接固定。
第一传感器环501和第二传感器环502均包括用于检测主轴101在X轴、Y轴和Z轴方向位移的位移传感器503。此处，将主轴101横截面上的水平方向定义为X轴，将主轴101横截面上的垂直方向定义为Y轴，将主轴101的轴向方向定义为Z轴。在第一传感器环501中，用于检测X轴方向位移的位移传感器503位于第一传感器环501的左侧或右侧，用于检测Y轴方向位移的位移传感器503位于第一传感器环501的下部，用于检测Z轴方向位移的位移传感器503位于第一传感器环501的上部；第二传感器环502的结构与第一传感器环501的结构相同。
参照图1，一级叶轮30和二级叶轮40固定安装于主轴101上，二级叶轮40位于一级叶轮30和第一端盖104之间，一级叶轮30外部设置有一级蜗壳31，二级叶轮40外部设置有二级蜗壳41。一级蜗壳31远离二级叶轮40的一端为一级吸气口311，一级蜗壳31上设置有一级排气口312，一级叶轮30与一级排气口312之间设置有扩压器、弯道和回流器，外部气体从一级吸气口311吸入并经一级叶轮30压缩后，通过扩压器扩压，扩压后的气体在弯道和回流器的导向作用下经一级排气口312导出。
二级蜗壳41上设置有二级吸气口411和二级排气口412。其中，二级吸气口411与一级排气口312通过管路连通，并且该管路上可以设置有冷却设备以便对一级叶轮30压缩后的气体进行冷却，降低系统能耗。空气经二级叶轮40压缩后经二级排气口412排入管网。
在本申请中，一级吸气口311设置有进气导叶，二级排气口412设置有出口流量调节阀，进气导叶和出口流量调节阀均与变频控制器70相连，根据用气量的变化，变频控制器70控制进气导叶和出口流量调节阀的开度变化，从而调整系统压力。与二级排气口412连接的管路上还设置有与变频控制器70连接的放空阀，用于对系统压力进行放空操作。
在本申请中，轴承控制器60可以包括依次相连的信号处理电路、控制电路和放大电路。
信号处理电路用于对位移传感组件50输出的信号进行模数转换以便于控制电路能够识别。
控制电路内设置有相应的位移阈值，当主轴101在旋转过程中，在X轴、Y轴和Z轴方向发生的位置偏移达到或超过位移阈值时，控制电路输出控制信号，使得磁悬浮轴承组件20调整磁吸力的大小，带动主轴101向发生偏移的相反方向运动，直至主轴101的轴线相对于磁悬浮轴承组件20的偏移量处于允许的范围内。例如，在第一传感器环501中，当用于检测Y轴方向位置偏移的位移传感器503检测到主轴101在竖直方向上向下偏移的距离超过位移阈值，则控制电路发出控制信号使第一径向磁悬浮轴承201位于上部的磁吸部件增大磁吸力将主轴101抬升至轴线与磁悬浮轴承组件20的轴线重合。容易理解的是，在主轴101的运转过程中，主轴101在径向和轴向上均可能同时存在多方向位置偏移超过位移阈值的情况，因此轴承控制器60可以输出控制信号对第一径向磁悬浮轴承201、第二径向磁悬浮轴承202和轴向限位磁悬浮轴承203同时进行调整。
放大电路用于对控制电路输出的控制信号进行放大转换，以便于为磁悬浮轴承组件20提供足够强度的电流来调整主轴101的位置。在本申请中，放大电路可以采用PWM功率放大电路，从而提高磁悬浮轴承组件20的稳定性。
参照图2，在本申请中，轴承控制器60采用UPS电源21UPS供电，从而防止采用市电供电发生停电故障时，轴承控制器60失电导致磁悬浮轴承组件20失效的情况发生。
参照图1，在本申请中，二级蜗壳41远离永磁驱动电机10的一端与主轴101对应的部分设置有第一备降轴承108，在第二端盖105与主轴101对应的部分设置有第一备降轴承109。第一备降轴承108和第一备降轴承109可以为间隙较大的调心轴承。第一备降轴承108的外圈与二级蜗壳41固定连接，内圈套设于主轴101上；第一备降轴承109的外圈与第二端盖105固定连接，内圈套设于主轴101上。在主轴101高速运转过程中，调心轴承的滚珠不与外圈相接触。通过设置第一备降轴承108和第一备降轴承109，在空气压缩机运输过程中，能够对主轴101进行支撑；或者，当轴承控制器60发生故障时，第一备降轴承108和第一备降轴承109支撑主轴101旋转并逐渐减速至停止，防止主轴101与第一径向磁悬浮轴承201和第二径向磁悬浮轴承202摩擦。
参照图2，在本申请中，轴承控制器60和变频控制器70通过系统控制器80连接实现联动，对永磁驱动电机10和磁悬浮轴承组件20的工作状态进行控制，以保证空气压缩机的安全性。系统控制器80可以采用PLC控制设备。
具体的，永磁驱动电机10可以连接有冷却系统90。冷却系统90包括水冷机构和风冷机构。水冷机构包括在壳体102内部开设的冷却水道，永磁驱动电机10外部设置有泵体，泵体可以向冷却水道内供给循环冷却水为永磁驱动电机10降温。风冷机构包括设置于壳体102外部的冷却风机，冷却风机的出风口与壳体102内部连通，从而将冷风吹入永磁驱动电机10内部进行降温。泵体和冷却风机与系统控制器80相连并在系统控制器80的控制下运行。
在永磁驱动电机10启动运行前，首先启动冷却系统90运行，然后通过轴承控制器60控制磁悬浮轴承组件20将主轴101抬起。主轴101的抬起状态由轴承控制器60根据位移传感器503的输出信号判断。例如，根据位移传感器503的量程，其输出信号最大范围为±5V，当位移传感器503的输出信号范围在±0.5V时，表示主轴101的对中偏差在允许的范围内，此时判定主轴101悬浮良好，可以启动永磁驱动电机10运行。在主轴101完成抬起后，由轴承控制器60向系统控制器80发送允许永磁驱动电机10启动的许可信号，变频控制器70在系统控制器的控制下运行并进一步驱动永磁驱动电机10运行。
在永磁驱动电机10运行过程中，轴承控制器60根据各个位移传感器503输出的信号对主轴101的运行状态进行实时监控，当位移传感器503的输出信号超出相应的位移阈值时，轴承控制器60控制磁悬浮轴承组件20对主轴101的位置进行调整。当位移传感器503输出的信号达到或超过相应的警戒值或极限值时，进行报警或使永磁驱动电机10停机。例如，在永磁驱动电机10运行过程中，位移传感器503的输出信号在2V～2.5V或-2.5V～-2V之间时，说明主轴101的对中性降低程度较大，轴承控制器60对主轴101位置的调整能力不足，此时可由轴承控制器60向系统控制器80发送报警控制信号，系统控制器80根据报警控制信号控制相应的声光报警元件报警，或者在上位机主控界面显示报警信息，以便于工作人员及时处理；当位移传感器503的输出信号超出±2.5V的范围时，说明发生系统故障，主轴101处于严重的偏移状态，此时轴承控制器60发送停机控制信号给系统控制器80，系统控制器80响应停机控制信号并发送信号给变频控制器70，由变频控制器70控制永磁驱动电机10停止运行。
在空气压缩机需要正常停机时，需先由变频控制器70控制永磁驱动电机10停止运行，然后通过轴承控制器60调整磁悬浮轴承组件20的工作状态使主轴101降落于第一备降轴承108和第一备降轴承109上，最后关闭冷却系统90。
此外，轴承控制器60停止运行前需要做延时处理。即，当变频控制器70关闭使得永磁驱动电机10停止运行后，需进行延时方可关闭轴承控制器60，以确保永磁驱动电机10的主轴101已完全停止运转并能够降落于第一备降轴承108和第一备降轴承109上。
在变频控制器70处于关闭状态下，当系统控制器80检测到冷却系统90运转异常及永磁驱动电机10温度异常时，系统控制器80控制轴承控制器60自动关闭，从而使主轴101降落于第一备降轴承108和第一备降轴承109上，以便于进行故障处理。在变频控制器70开启状态下，当系统控制器80检测到变频控制器70发生故障时，磁悬浮轴承组件20使主轴101保持运行状态，禁止主轴101降落。
此外，当发生临时停电等供电故障时，变频控制器70需控制永磁驱动电机10自动降速以维持母线电压，带永磁驱动电机10完全停止后，轴承控制器60方可延时关闭。并且，永磁驱动电机10上可以外接有紧急制动模块，紧急制动模块可以采用机械式的抱闸制动方式，当发生临时停电时，可通过紧急制动模块对永磁驱动电机10进行制动。
在本申请中，根据空气压缩机的额定排气压力、排气流量等设计性能参数，一级叶轮30和二级叶轮40的设计参数可采用下述方法计算得到。
参照图3和图4，其中图4(a)为叶轮进口速度三角形，图4(b)为叶轮出口速度三角形。对于任意叶轮，根据叶轮进口速度和出口速度三角形，有：
式中，c1为进口绝对速度，c1r＝c1sinα1为进口绝对速度的径向分速度，c1u＝c1cosα1为进口绝对速度的径向分速度，c2为出口绝对速度，c2r＝c2sinα2为出口绝对速度的径向分速度，c2u＝c2cosα2为出口绝对速度的周向分速度。
在理论流量下，叶轮进口气体无冲击、无旋转地进入叶道，此时c1＝c1r，c1u＝0，α1＝90°，相对入口速度夹角β1＝β1A，相对出口速度夹角β2＝β2A；
则气体流过叶轮的理论能量头为：
Hth＝Lth＝u2c2u-u1c1u＝u2c2u；
其中，u1进口圆周速度；u2出口圆周速度；Lth为叶轮输出的欧拉功；理论能量头Hth为每千克流体所接受的能量，单位是kJ/kg。
由于
则：
其中，
为叶轮的流量系数，
为叶轮周向分速度系数；
连续方程在叶轮出口处的表达式为：
则叶轮出口的相对宽度为：
式中，D2为叶轮外径，b2为叶轮出口处的轴向宽度，qm为质量流量，qV2为容积流，ρ2为气流密度。
根据上式，当压缩机的设计流量为320g/s，压比为7时，一级叶轮30的出口相对宽度值为0.0951，二级叶轮40的出口相对宽度值为0.0662。
在确定一级叶轮30和二级叶轮40出口相对宽度的基础上，两级叶轮在设计时的参数分配可以采用叶轮设计软件进行计算确定。叶轮设计软件可以是CFTurbo等用于叶轮设计的专用软件。在叶轮设计软件中输入两级叶轮的出口相对宽度、额定压比、额定流量参数，软件自动对两级叶轮的性能参数进行分配。以设计流量为320g/s，压比为7为例，软件输出的两级叶轮的设计参数如下表1所示。
表1两级叶轮参数分配表
本申请还公开一种前述空气压缩机的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
步骤S1：轴承控制器60对磁悬浮轴承组件20和位移传感组件50的工作状态进行检测和确认，当工作状态正常时，允许变频控制器70控制永磁驱动电机10启动。
在步骤S1中，轴承控制器60检测与磁悬浮轴承组件20的连接状态以及位移传感器503的信号输出是否正常，当磁悬浮轴承组件20和位移传感器503均处于正常工作状态时，轴承控制器60输出控制信号使得磁悬浮轴承组件20通电将主轴101抬起。同时，位移传感器503检测主轴101的悬浮状态并将信号反馈至轴承控制器60，当主轴101的偏移量处于允许永磁驱动电机10启动的范围内时，轴承控制器60输出许可信号给系统控制器80，此时在系统控制器80的控制下，变频控制器70可以控制永磁驱动电机10运行。
步骤S2：设定压缩机工况参数和工作模式，永磁驱动电机10运行。
在步骤S2中，在永磁驱动电机10可以运行的前提下，变频控制器70首先检测进气温度、排气温度、进气压力、排气压力等是否正常，在所检测的温度、压力正常的情况下，变频控制器70控制放空阀开启并启动永磁驱动电机10运行，以便实现空载启动。当永磁驱动电机10启动后，关闭放空阀以进行加载。
其中，在步骤S2中，压缩机工况参数可以通过与系统控制器80连接的上位机设备进行设定，工作模式包括恒压力模式、恒流量模式、恒转速模式和恒电流模式。
步骤S3：变频控制器70根据工况参数计算瞬时状态下的叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量，并调节转速、出口流量、出口压力、出口温度、永磁驱动电机10电流和放空时间，以满足用气需求。
在本申请中，等熵指数、叶轮效率、气动效率、质量流量、体积流量和多变能量头等参数经计算推导后通过编程设置于变频控制器70内，计算推导过程如下：
根据伯努利方程式，气体比容
同时流体的位能g(z2-z1)＝0，则叶轮上的机械做功为：
式中，
为流体的压缩功，
为流体的动能，Hhyd为流体的摩擦损失功。
在实际的叶轮机械中，每级间的气流存在的损失不只是摩擦损失Hhyd，还有泄漏损失HL和轮组损失Hdf，因此，总损失为：
Hloss＝Hhyd+HL+Hdf
可得叶轮上的机械总输入功为：
式中Ltot为叶轮消耗的总功，Htot为级内每千克气体获得的总能量头。
叶轮上的总输入功应等于叶轮总消耗功，包括泄漏损失和轮组损失，则有：
Ltot＝Htot＝Hth+HL+Hdf
其中，泄漏损失为叶轮盖处介质泄漏产生的能量损失，为：
HL＝βL·Hth＝βL·Lth
式中，βL为泄漏系数。
轮阻损失为叶轮内外壁面与气体的摩擦损失
Hdf＝βdf·Lth
式中，βdf为轮阻系数，βL+βdf＝0.02～0.04。
则
Ltot＝Htot＝Hth+HL+Hdf＝(1+βL+βdf)Hth
压缩机温度计算：
对于压缩机而言，可假设气流流速较快的情况下，其温度变化差值为恒定，对外界可按无热能q交换，即q＝0。
设压缩机进口温度为Tin、进口压力为Pin、进口速度为cin、进口流量为qin，任意截面的气流温度为Ti、压力为Pi、速度为ci、流量为qi，由
可得压缩机进口到任意截面的温度差为：
式中，k为等熵指数，R为气体常量。
压缩机压力计算：
对于压缩机而言，级内压力随位置不同而不同，即各截面上的压力都不相同，并且气体多变指数m也在变化，为计算方便一般取m的平均值。
在多变过程中，
可得任意截面上的压力比为：
由此可得
经换底可得
变频控制器70程序为：
DEDIV Pi Pin Pout
DEDIV Ti Tin Tout
DLOG Pout Plog
DLOG Tout Tlog
DEDIV Plog Tlog D0。
压缩机在压缩过程中，压缩机和外界一定发生热交换，但由于压缩过程非常短，故可近似把压缩机压缩过程当作一个绝热压缩过程，即等熵过程。常温下等熵指数k＝1.4，则有：
变频控制器70程序为：
DEMOV E1.4 D2
DESUB D2 E1.0 D4
DEDIV D2 D4 D6。
根据
和
得叶轮效率为：
变频控制器70程序为：
DESUM D6 D2 D8
DESUM D8 K100 D10
压缩机的气动功率可由变频器的电功率Pint和电机的效率ηmotor计算得到：
P气动＝Pint·ηmotor
根据叶轮效率ηpol，则叶轮有效功率为：
Pth＝P气动·ηpol
变频控制器70程序为：
DESUM D12 D14 D1
DESUM D16 D8 D18
叶轮的有效功率等于有效功剩余质量流量，即：
Nth＝qmLth＝qmHth
则叶轮的质量流量
变频控制器70程序为：
DEDIV D34 D18 D36
叶轮的质量流量qm＝ρ·Vs，式中Vs为体积流量，ρ为流体密度。
由理想气体方程得出空气的密度在不同压力和温度下的压强P有：
P＝ρRT
式中，ρ为气体密度，R为气体常量，T为绝对温度。
由上式变换得
代入qm＝ρ·Vs得
变频控制器70程序为：
DEDIV Pi R D38
DEDIV D38 Ti D40
DEDIV D36 D40 D42
DEMUL D42 E60 D44
在步骤S3中，根据用气流量、压力、温度、湿度的要求，变频控制器70根据所编写的程序对叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量等参数进行推算，并根据推算结果对永磁驱动电机10的转速、进气导叶的偏转角度、出口流量调节阀的开口度和放空阀的打开时间进行实时调整，从而使空气压缩机的排气参数满足用气需求。
例如，当空气压缩机的排气压力低于设定的用气压力时，变频控制器70根据推算结果控制进气导叶增大开度以提高进气量；当排气压力高于设定的用气压力时，变频控制器70根据推算结果控制进气导叶减小开度以减少进气量，由此能够提高系统压力的控制精度，使系统稳定运行。同时，系统压力控制精度的提高使管网具有更窄的压力段和更低的平均工作压力，从而能够降低能耗。
当管网的用气流量减少时，由于空气压缩机的排气流量大于用气流量，为保持系统稳定，出口流量调节阀在变频控制器70的控制下打开将部分压缩空气放空，从而降低进入管网的压缩空气流量。
本申请提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤S4，轴承控制器60对主轴101的对中性进行实时监测，当主轴101在径向和轴向上的偏移量超过位移阈值时，轴承控制器60调整输出至磁悬浮轴承组件20的电流大小对轴承的位置进行调整。具体调整过程已在前文进行陈述，此处不再赘述。
本申请提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤S5，变频控制器70对空气压缩机的喘振点进行实时追踪，当空气压缩机的工作状态接近喘振点或处于喘振状态时，变频控制器70通过调整转速、打开放空阀或调节出口流量的方式使空气压缩机避开喘振点或从喘振状态恢复正常运行。
其中，喘振点体现叶轮的固有特性，喘振点与叶轮的进气压力、排气压力、流量和转速相关。喘振线为直线，叶轮的喘振点均应位于喘振线的左侧，由此，喘振线的右侧为叶轮不发生喘振的稳定工作区域。根据喘振点对应的进气压力、排气压力、排气流量和转速等参数，可通过变频控制器70编程得到喘振线。
在压缩机运行过程中，变频控制器70实时接收检测进气压力、排气压力、转速、进气流量和排气流量的传感器传回的数据并进行处理，当空气压缩机的实时工作状态接近喘振点时，变频控制器70可控制永磁驱动电机10快速提高转速、短时间打开放空阀或通过出口流量调节阀调整排气流量，使压缩机避开喘振点。当空气压缩机进入喘振状态时，变频控制器70控制放空阀长时间打开并停机。
以上为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高速高压磁悬浮离心式两级空气压缩机，其特征在于，包括：
永磁驱动电机(10)，包括壳体(102)、定子(103)、转子、主轴(101)、第一端盖(104)和第二端盖(105)，所述主轴(101)穿出第一端盖(104)和第二端盖(105)，所述主轴(101)的一端设置有一级叶轮(30)和二级叶轮(40)；
磁悬浮轴承组件(20)，用于对主轴(101)进行径向支撑和轴向限位；
所述一级叶轮(30)外部罩设有一级蜗壳(31)，所述一级蜗壳(31)上设置有一级吸气口(311)和一级排气口(312)；所述二级叶轮(40)外部罩设二级蜗壳(41)，所述二级蜗壳(41)上设置有二级吸气口(411)和二级排气口(412)；所述一级排气口(312)和二级进吸口(411)气路连接；
位移传感组件(50)，用于检测主轴(101)在旋转过程中相对于磁悬浮轴承组件(20)的轴线在径向方向和轴向方向的位置偏移量；
轴承控制器(60)，用于根据位移传感组件(50)检测到的主轴(101)偏移量控制磁悬浮轴承组件(20)的电流，以调整主轴(101)在径向和轴向方向上的位置；
变频控制器(70)，与轴承控制器(60)联动，用于根据用气需求对空气压缩机的转速、流量、压力进行调节并进行防喘振控制。
2.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，二级蜗壳(41)远离永磁驱动电机(10)的一端与主轴(101)对应部分设置有第一备降轴承(108)，主轴(101)穿设于第一备降轴承(108)内；
所述第二端盖(105)与所述主轴(101)对应的部分设置有第二备降轴承(109)，所述主轴(101)穿设于所述第二备降轴承(109)内。
3.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述磁悬浮轴承组件(20)包括第一径向磁悬浮轴承(201)、第二径向磁悬浮轴承(202)和轴向限位磁悬浮轴承(203)；其中，所述第一径向磁悬浮轴承(201)设置于壳体(102)内靠近第一端盖(104)一侧，所述第二径向磁悬浮轴承(202)设置于壳体(102)内靠近第二端盖(105)一侧，所述轴向限位磁悬浮轴承(203)设置于主轴(101)远离一级叶轮(30)的一端。
4.根据权利要求3所述的空气压缩机，其特征在于，所述位移传感组件(50)包括第一传感器环(501)和第二传感器环(502)，第一传感器环(501)和第二传感器环(502)均包括用于检测主轴(101)在X轴、Y轴和Z轴方向位移的位移传感器(503)；
其中，第一传感器环(501)设置于第一端盖(104)与第一径向磁悬浮轴承(201)之间，所述第二传感器环(502)设置于第二端盖(105)与第二径向磁悬浮轴承(202)之间。
5.根据权利要求1所述的空气压缩机，其特征在于，所述一级叶轮(30)和二级叶轮(40)出口的相对宽度采用以下公式计算获得：
根据叶轮进口速度和出口速度三角形，有：
式中，c1r＝c1sinα1，c1u＝c1cosα1，c2r＝c2sinα2，c2u＝c2cosα2；
在理论流量下，叶轮进口气体无冲击、无旋转地进入叶道，此时c1＝c1r，c1u＝0，α1＝90°，β1＝β1A，β2＝β2A；
则气体流过叶轮的理论能量头为：
Hth＝Lth＝u2c2u-u1c1u＝u2c2u；
由于
则：
其中，
为叶轮的流量系数，
为叶轮周向分速度系数；连续方程在叶轮出口处的表达式为：
则叶轮出口的相对宽度为：
式中，D2为叶轮外径，b2为叶轮出口处的轴向宽度，qm为质量流量，qV2为体积流量，ρ2为气流密度。
6.一种权利要求1-5任一项所述的气压缩机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：轴承控制器(60)对磁悬浮轴承组件(20)和位移传感组件(50)的工作状态进行检测和确认，当工作状态正常时，允许变频控制器(70)控制永磁驱动电机(10)启动；
步骤S2：设定压缩机工况参数，启动永磁驱动电机(10)运行；
步骤S3：变频控制器(70)根据工况参数计算瞬时状态下的叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量，并调节转速、出口流量、出口压力、出口温度、永磁驱动电机(10)电流和放空时间。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述叶轮效率的计算公式为：
式中m为气体多变指数，k为等熵指数；
所述气动功率的计算公式为：
P气动＝Pint·ηmotor
式中，Pint为变频器控制器(70)的电功率，ηmotor为永磁驱动电机(10)的电机效率；
所述叶轮有效功率的计算公式为：
Pth＝P气动·ηpol
所述质量流量的计算公式为：
式中Lpol为多变压缩功；
所述体积流量的计算公式为：
式中P为气体压强，R为气体常量，T为绝对温度。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：
步骤S4：轴承控制器(60)对主轴(101)的对中性进行实时监测，当主轴(101)在径向和轴向上的偏移量超过位移阈值时，轴承控制器(60)调整输出至磁悬浮轴承组件(20)的电流大小对轴承的位置进行调整。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：
步骤S5：变频控制器(70)对空气压缩机的喘振点进行实时追踪，当空气压缩机的工作状态接近喘振点或处于喘振状态时，变频控制器(70)通过调整转速、打开放空阀或调节出口流量的方式使空气压缩机避开喘振点或从喘振状态恢复正常运行。
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