CN113738665B - 离心式回转设备设计方法、装置、离心压缩机及空调 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种离心式回转设备设计方法、装置、离心压缩机及空调。离心式回转设备设计方法包括：根据待设计的离心式回转设备所应用的系统运行特性，进行工质循环分析，以确定设计工况下初始的电机设计条件和气动设计条件；根据初始的电机设计条件进行所述离心式回转设备的电机设计，确定电机设计点对应的电机效率和电机转速；根据初始的气动设计条件和所述电机设计点对应的电机转速进行所述离心式回转设备的气动设计，并获得气动设计点对应的气动效率；根据所述电机设计点对应的电机效率和所述气动设计点对应的气动效率计算所述离心式回转设备在设计点的全局效率；根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案。

Description

离心式回转设备设计方法、装置、离心压缩机及空调

技术领域

本公开涉及回转设备设计领域，尤其涉及一种离心式回转设备设计方法、装置、计算机可读存储介质、离心压缩机及空调。

背景技术

根据我国制定的碳中和目标，社会系统能效水平需要显著提升，且需要减少单位GDP排放，并实现清洁能源的替代。目前，我国建筑能耗占社会总能耗的20％，空调系统能耗占建筑能耗的40～60％，是建筑节能的关键。离心式空调冷量较大，是大型建筑、重大装备绿色安全运行的较优选择，相应地，离心式冷水机组的节能成为国家节能减排的重要措施。

离心压缩机是离心式冷水机组的心脏，一定程度上决定了冷水机组的可靠性与能效。而高能效与宽运行范围是离心压缩机一直追求的目标。特别是变频离心压缩机的使用，使离心压缩机在部分负荷也获取较高能效。另外，在一些相关技术中，通过多工况气动设计，合理选取设计点，可以使叶轮在宽范围内获取较均衡的效率。在另一些相关技术中，采用高效电机来提升电机效率，以达到提高压缩机效率的目的。

发明内容

发明人经研究发现，变频离心压缩机的能效主要由气动效率、机械传动效率和电机效率组成，其中机械传动效率在精密加工设备保证下可达98％，提升空间很小，一些相关技术仅考虑气动效率，忽略电机效率的影响，而另一些相关技术先通过气动设计来确定转速，再根据转速来选取电机，并进一步确定压缩机效率。这些相关技术所采用的设计方法得到的压缩机效率仍存在改进空间。

有鉴于此，本公开实施例提供一种离心式回转设备设计方法、装置、计算机可读存储介质、离心压缩机及空调，能够改善设计出的离心式回转设备的全局效率。

在本公开的一个方面，提供一种离心式回转设备设计方法，包括：

根据待设计的离心式回转设备所应用的系统运行特性，进行工质循环分析，以确定设计工况下初始的电机设计条件和气动设计条件；

根据初始的电机设计条件进行所述离心式回转设备的电机设计，确定电机设计点对应的电机效率和电机转速；

根据初始的气动设计条件和所述电机设计点对应的电机转速进行所述离心式回转设备的气动设计，并获得气动设计点对应的气动效率；

根据所述电机设计点对应的电机效率和所述气动设计点对应的气动效率计算所述离心式回转设备在设计点的全局效率；

根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案。

在一些实施例中，确定电机设计点对应的电机效率和电机转速的步骤包括：

获得所述电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线；

根据所述多元电机功率-电机效率曲线和所述多元电机转速-电机效率曲线确定最优电机效率和所述最优电机效率对应的电机转速作为所述电机设计点对应的电机效率和电机转速。

在一些实施例中，获得所述电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线的步骤包括：

获得所述电机在所述设计工况对应的额定电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线；

获得所述电机在至少一个非设计工况对应的电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线，所述至少一个非设计工况对应的电机频率为所述额定电机频率的S倍，0.8<＝S<1，或1<S<＝1.1；

根据所述设计工况对应的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线以及至少一个非设计工况对应的电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线，形成所述电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线。

在一些实施例中，确定最优电机效率和所述最优电机效率对应的电机转速的步骤包括：

在所述多元电机功率-电机效率曲线中查找各曲线中的最高电机效率点，并将所述最高电机效率点作为最优电机效率；

在所述多元电机转速-电机效率曲线中查找所述最高电机效率点对应的电机频率的曲线，并将该曲线上所述最高电机效率点对应的电机转速作为所述最优电机效率对应的电机转速。

在一些实施例中，所述待设计的离心式回转设备为至少两级压缩的离心式回转设备；所述离心式回转设备设计方法还包括：

在气动设计过程中，使所述气动设计点的每级设计流量不小于额定流量，且使所述气动设计点的后级设计流量大于前级设计流量。

在一些实施例中，所述待设计的离心式回转设备为双级压缩的离心式回转设备；所述气动设计点的一级设计流量为额定流量的1～1.025倍，所述气动设计点的二级设计流量为额定流量的1.01～1.03倍。

在一些实施例中，所述双级压缩的离心式回转设备为双悬臂式离心压缩机，所述气动设计点的一级设计流量为额定流量的1.025倍，所述气动设计点的二级设计流量为额定流量的1.03倍。

在一些实施例中，所述离心式回转设备设计方法还包括：

在气动设计过程中，使所述气动设计点的每级设计压比小于额定压比，且所述气动设计点的后级设计压比小于前级设计压比。

在一些实施例中，所述气动设计点的一级设计压比为额定压比的0.98～0.99倍，所述气动设计点的二级设计压比为额定压比的0.975～0.98倍。

在一些实施例中，计算所述离心式回转设备在设计点的全局效率的步骤包括：

将所述电机设计点对应的电机效率乘以所述气动设计点对应的气动效率得到的乘积作为所述离心式回转设备在设计点的全局效率。

在一些实施例中，根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案的步骤包括：

以所述电机设计点和所述气动设计点为设计点基准，获取偏离所述设计点基准的多个非设计点对应的全局效率；

根据设计点基准和多个非设计点分别对应的全局效率获得所述离心式回转设备的全局效率曲线；

判断所述设计点基准对应的全局效率是否为所述全局效率曲线的最大值，如果为最大值，则将所述电机设计点和所述气动设计点对应的电机设计和气动设计方案确定为优选的电机设计和气动设计方案。

在一些实施例中，根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案的步骤还包括：

如果所述设计点基准对应的全局效率不为所述全局效率曲线的最大值，则根据所述全局效率曲线的最大值对应的非设计点对所述气动设计点和/或所述电机设计点进行调整。

在一些实施例中，所述气动设计点的调整优先级高于所述电机设计点的调整优先级。

在一些实施例中，调整所述气动设计点的步骤包括：

以所述气动设计点对应的流量与(1±0.01*n)的乘积作为新的气动设计点对应的流量，以所述气动设计点对应的压比与(1±0.01*n)的乘积作为新的气动设计点对应的压比，其中，n为不大于5的正整数。

在一些实施例中，调整所述电机设计点的步骤包括：

以所述电机设计点对应的电机转速与(1±0.01*n)的乘积作为新的电机设计点对应的电机转速，其中，n为不大于5的正整数。

在一些实施例中，根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案的步骤包括：

如果所述离心式回转设备的设计工况包括至少两种设计工况，则分别获得电机频率-电机功率-电机效率的电机效率曲面和压比-流量-气动效率的气动效率曲面；

根据所述电机效率曲面和所述气动效率曲面获得多工况全局效率曲面；

判断所述多工况全局效率曲面在至少两种设计工况下对应的封闭三维柱体体积是否为最大值，如果为最大值，则将所述电机设计点和所述气动设计点对应的电机设计和气动设计方案确定为优选的电机设计和气动设计方案。

在本公开的一个方面，提供一种离心式回转设备设计装置，包括：

存储器；和

处理器，与所述存储器信号连接，被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行前述的离心式回转设备设计方法。

在本公开的一个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现前述的离心式回转设备设计方法。

在本公开的一个方面，提供一种离心压缩机，采用前述的离心式回转设备设计方法获得。

在本公开的一个方面，提供一种空调，包括前述的离心压缩机。

因此，根据本公开实施例，在进行离心式回转设备设计时，将气动设计与电机设计联系起来，通过可设计程度较小的电机设计所提供的电机转速值来作为可设计程度较大的气动设计的一部分初始条件，并根据由电机效率和气动效率所得到的全局效率来确定优选的电机设计和气动设计方案，这样一方面可以兼顾气动效率和电机效率，有效地改善进一步改善设计出的离心式回转设备的全局效率，另一方面兼顾了电机转速的易获得以及电机设计和气动设计各自的可设计程度，降低了离心式回转设备设计的难度。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1是根据本公开离心式回转设备设计方法的一些实施例的流程示意图；

图2A和图2B分别是根据本公开离心式回转设备设计方法的一些实施例中多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线的示意图；

图3是根据本公开离心式回转设备设计方法的一些实施例中多工况全局效率曲面的示意图；

图4A-图4E分别是根据本公开离心式回转设备设计方法的一些实施例中不同应用场景下多工况运行的负荷压比关系示意图；

图5是根据本公开离心式回转设备设计装置的一些实施例的结构示意图。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

发明人经研究发现，相关技术中在设计点考虑的效率因素比较单一，没有综合考虑压缩机效率的组成和各部分的影响。如：只考虑气动效率，而忽略电机效率的影响。对于气动效率、电机效率，随着负荷的变化，会出现以设计点往两侧衰减的情形。如果没有把各效率的优势或最高效率在同一设计范围区域发挥出来，往往会出现组合后并没有达到最高效率的预期值。

有些相关技术考虑到了电机效率，但其设计是按单一顺序从气动得出转速，然后选取电机功率输出，获出相应效率来得到压缩机效率，但这种方式不一定能获得最高的压缩机效率值。因为变频电机效率特性曲线，并不是单一的转速-功率-效率对应关系，而是多元变化的。例如在相同转速下，存在不同功率的输出，其效率是不同的。

另外，相关技术为了获取较宽的运行范围，采用了设计点往小负荷偏移的方法，虽然此方法对部分负荷的运行效率和运行范围得到改善，但也对满负荷效率存在不利的影响。

有鉴于此，本公开实施例提供一种离心式回转设备设计方法、装置、存储介质、离心压缩机及空调，能够进一步改善设计出的离心式回转设备的全局效率。

图1是根据本公开离心式回转设备设计方法的一些实施例的流程示意图。参考图1，在一些实施例中，离心式回转设备设计方法包括：

步骤S100：根据待设计的离心式回转设备所应用的系统运行特性，进行工质循环分析，以确定设计工况下初始的电机设计条件和气动设计条件；

步骤S200：根据初始的电机设计条件进行所述离心式回转设备的电机设计，确定电机设计点对应的电机效率和电机转速；

步骤S300：根据初始的气动设计条件和所述电机设计点对应的电机转速进行所述离心式回转设备的气动设计，并获得气动设计点对应的气动效率；

步骤S400：根据所述电机设计点对应的电机效率和所述气动设计点对应的气动效率计算所述离心式回转设备在设计点的全局效率；

步骤S500：根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案。

在本实施例中，离心式回转设备可以为离心式压缩机，例如制冷用的离心压缩机，也可以为离心机、鼓风机、离心泵等。该设计方法既可适用于以满负荷为设计点的单工况设计，也适用于综合部分负荷的多工况设计。

在本实施例中，离心式回转设备可包括电机部分的设计和气动部分的设计。本实施例在进行离心式回转设备设计时，将气动设计与电机设计耦合起来，通过可设计程度较小的电机设计所提供的电机转速值来作为可设计程度较大的气动设计的一部分初始条件，并根据由电机效率和气动效率所得到的全局效率来确定优选的电机设计和气动设计方案，这样一方面可以兼顾气动效率和电机效率，有效地改善进一步改善设计出的离心式回转设备的全局效率，另一方面兼顾了电机转速的易获得以及电机设计和气动设计各自的可设计程度，降低了离心式回转设备设计的难度。

在前述步骤S100中，当需要进行离心式回转设备的产品开发时，可根据该待设计的离心式回转设备所应用的系统运行特性(例如冷量、蒸发器进出水温度、冷凝器进出水温度)进行工质循环分析(例如制冷剂循环分析)，以获得离心式回转设备在设计工况下的初始的电机设计条件(例如输出功率、预测转速等)和气动设计条件(例如进气压力、进气温度、进气流量、压比等)。

在进行电机设计和气动设计时，由于两者具有共同参数——转速，且气动的转速可调整范围较大，比较灵活，而电机转速收到电机效率限制，可调整范围较小，因此在步骤S200和S300中，先进行电机设计来确定电机转速，再根据电机转速进行气动设计。

图2A和图2B分别是根据本公开离心式回转设备设计方法的一些实施例中多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线的示意图。

在电机设计中，考虑到电机在使用时由于工况需求不同，存在着同一电机转速对应于不同的电机功率的输出，相应地存在多种电机效率。设计好的电机在实际运行过程中会遇到多种工作状态，如：高频率高功率输出；高频率低功率输出或低频率高功率输出等，因此，通过单一的特性曲线无法反映多种工作状态的电机特性。

具体地，当压缩机处于国标工况时，蒸发器进出水温为12/7℃，冷凝器进出水温为30/35℃，需要制冷量为Q，设计时所需要的转速(频率)可能是N，功率是P。而当压缩机处于运行工况时，蒸发器进出水温12/7℃，冷凝器进出水温33/38℃，转速仍是N的情况下，若冷量不变，功率会上升至k*P。同时，也会存在不同电机转速下相同电机功率的情况，例如在国标工况下，压比(排气压力/吸气压力)适中，转速为N，功率为P，但在制冰工况，如蒸发器出水-2/-6℃，冷凝器30/34℃，由于压比提高，需要的能量越大，转速需要提高至N1，但制冰的冷量不需要那么大，功率仍可以为P。上述情况，电机运行状态不同，效率不同。

为了克服这种电机设计时的问题，参考图2A和图2B，在一些实施例中，上述步骤S200中确定电机设计点对应的电机效率和电机转速的步骤可包括：获得所述电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线；根据所述多元电机功率-电机效率曲线和所述多元电机转速-电机效率曲线确定最优电机效率和所述最优电机效率对应的电机转速作为所述电机设计点对应的电机效率和电机转速。

在图2A中示出了横坐标轴为电机功率，纵坐标轴为电机效率的多条曲线，对应了电机在设计工况(例如对应于图2A中的曲线B)和至少一个非设计工况(例如对应于图2A中的曲线A和C)下的效率曲线，这里称之为多元电机功率-电机效率曲线。在图2B中示出了横坐标轴为电机转速，纵坐标轴为电机效率的多条曲线，对应了电机在设计工况(例如对应于图2B中的曲线B)和至少一个非设计工况(例如对应于图2B中的曲线A和C)下的效率曲线，这里称之为多元电机转速-电机效率曲线。

为了得到电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线，在一些实施例中，可在电机设计过程中，获得所述电机在所述设计工况对应的额定电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线。再利用已设计的电机，并结合系统运行需求工况参数来求解出所述电机在至少一个非设计工况对应的电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线。

在电机设计后，相关硬件(例如结构外形和内部电磁结构等)已经定型，可获得设计工况下对应的额定电机功率、额定转速等。对于该设计的电机，在不同的实际应用工况中如果偏移电机设计点，电机内部损失不一样，导致电机效率不相同。这里至少一个非设计工况对应的电机频率为所述额定电机频率的S倍，0.8<＝S<1，或1<S<＝1.1。其中电机功率指的是电机的输出功率，当得到电机效率时，用输出功率/(电机效率*机械效率)，可获得压缩机(以离心压缩机为例)的输入功率。

根据所述设计工况对应的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线以及至少一个非设计工况对应的电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线，形成所述电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线。

为了确定最优电机效率和所述最优电机效率对应的电机转速，在一些实施例中，可在所述多元电机功率-电机效率曲线中查找各曲线中的最高电机效率点，并将所述最高电机效率点作为最优电机效率；然后在所述多元电机转速-电机效率曲线中查找所述最高电机效率点对应的电机频率的曲线，并将该曲线上所述最高电机效率点对应的电机转速作为所述最优电机效率对应的电机转速。

以图2A和图2B为例，可从多元电机功率-电机效率曲线中的曲线A、B、C中查找到曲线A上的最高电机效率点作为最优电机效率，然后在多元电机转速-电机效率曲线对应的曲线A上查找该最优电机效率所对应的电机转速，该电机转速作为所述最优电机效率对应的电机转速。

在确定了多设计工况下的最优电机效率所对应的电机转速后，该电机转速与初始的气动设计条件一起用于离心式回转设备的气动设计，以使得效率最优且在最优比转速范围内，然后输出气动设计特性曲线。

通常的气动设计可采用公知的专业软件进行操作，比较重要的在于设计点的选取，其直接影响到气动设计性能和运行范围。一般来说，气动设计包括：系统分析获取气动设计条件，并进行一维计算和大体性能预测，然后进行三维造型(例如设计叶轮轮廓、角度分布、厚度分布等)，再进行三维CFD流场分析与性能判断。这里气动设计的流程非本公开重点，这里就不展开叙述了。

在一些实施例中，待设计的离心式回转设备为至少两级压缩的离心式回转设备。相应地，离心式回转设备设计方法还包括：在气动设计过程中，使所述气动设计点的每级设计流量不小于额定流量，且使所述气动设计点的后级设计流量大于前级设计流量。

这里的流量指的是离心式回转设备的吸气量，也是通气量，可以参照理解为旋转部件(例如风扇)吹出风量的大小。压比指的是排气压力/吸气压力，即离心式回转设备将一个压力值提升到另一个压力值的能力，对于多级压缩结构，则可由各级来分别承担压比。

以双级压缩结构的离心压缩机为例，无论是单悬臂还是双悬臂的结构型式，叶轮轮盖和轮毂处通常会存在气体泄漏，使实际排气量减少，因此，在本实施例中，对压缩机的设计流量进行加大处理，使其大于额定流量。当然，对于应用于低压比工况的离心压缩机来说，或者对于离心压缩机内部密封较好，几乎无泄漏的情形，也可以使设计流量等于额定流量。

在一些实施例中，待设计的离心式回转设备为双级压缩的离心式回转设备。相应地，优选使气动设计点的一级设计流量为额定流量的1～1.025倍，所述气动设计点的二级设计流量为额定流量的1.01～1.03倍。

考虑到二级压缩后排气压力更大，造成的泄漏量也更大，因此这里使气动设计点的后级设计流量大于前级设计流量，即使得二级设计流量大于一级设计流量。对于双级压缩的离心式回转设备为双悬臂式离心压缩机，气动设计点的一级设计流量为额定流量的1.025倍，所述气动设计点的二级设计流量为额定流量的1.03倍。这样可使得压缩机的叶轮工作状态更加切合需求流量，工作状态更贴近最佳效率。

考虑到前述将设计流量向偏大的方向选择，可使得压缩机的叶轮动能相应地偏大，经过后续的扩压能量转换后，获得的压力可能更多，因此相应地使设计压比向偏小的方向选择。在一些实施例中，离心式回转设备设计方法还包括：使所述气动设计点的每级设计压比小于额定压比，且所述气动设计点的后级设计压比小于前级设计压比。

当设计压比选择小一些时，做功所需的力也较小，相应地叶轮在尺寸设计上相应变小，这样在大流量小压比设计下，叶轮流道呈现宽短的形状，有利于减小流动的摩擦损失，从而更容易使设计点的气动效率达到最高值。

对于多级压缩结构来说，压比需要在多级之间分配。例如对于具有两级压缩结构的离心压缩机来说，中间压力P_中＝sqrt(P_吸*P_排)，假如一台压缩机需要将压力从350kPa提升到900kPa，则要求压缩机的总压比ε＝900/350＝2.57，中间压力P_中＝sqrt(350*900)＝561kPa，一级压比ε₁＝561/350＝1.60；二级压比ε₂＝900/561＝1.60。

由于旋转部件的比转速与转速的一次方成正比，与进口容积流量的0.5次方成正比，与级绝热压缩功率的0.75次方成反比，越往后面的级压缩，经压缩的气体体积越小，造成比转速小，相应地导致后面级的叶轮效率更低。另外，对于双级压缩结构，无论是单悬臂压缩机还是双悬臂压缩机，均存在回流通道，导致前级比后级存在更大的流动损失。因此为了平衡多级旋转部件之间的比转速，以及前级更大的流动损失，优选使后级设计压比小于前级设计压比，这样可以缩小后级和前级之间的比转速差别，从而使各级均能获得较高的效率。

参考前面列举的具有两级压缩结构的离心压缩机例子，以计算出的一级压比和二级压比作为额定压比，可使得所述气动设计点的一级设计压比为额定压比的0.98～0.99倍，所述气动设计点的二级设计压比为额定压比的0.975～0.98倍。

通过气动设计获得气动设计点对应的气动效率之后，在步骤S400中可根据步骤S200中获得的所述电机设计点对应的电机效率和步骤S300中获得的所述气动设计点对应的气动效率，计算所述离心式回转设备在设计点的全局效率。

在计算全局效率时，在一些实施例中，可将所述电机设计点对应的电机效率乘以所述气动设计点对应的气动效率得到的乘积作为所述离心式回转设备在设计点的全局效率。在一些实施例中，还可以将前述电机效率、前述气动效率和机械效率相乘后的乘积作为离心式回转设备在设计点的全局效率。

相比于相关技术，本公开实施例中的气动设计并非离心式回转设备设计的终点，而是离心式回转设备设计的一个环节。通过前面气动设计中对流量、压比等气动设计点的选择，可能使气动效率接近于最大值，但与电机效率进行综合考虑时，有可能并不能获得最高的全局效率。

因此，在一些实施例中，步骤S500中根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案的步骤可包括：以所述电机设计点和所述气动设计点为设计点基准，获取偏离所述设计点基准的多个非设计点对应的全局效率；根据设计点基准和多个非设计点分别对应的全局效率获得所述离心式回转设备的全局效率曲线；判断所述设计点基准对应的全局效率是否为所述全局效率曲线的最大值，如果为最大值，则将所述电机设计点和所述气动设计点对应的电机设计和气动设计方案确定为优选的电机设计和气动设计方案。

这里的非设计点可相对于设计点基准少量的偏移，这里既可包括相对于电机设计点的少量偏移或相对于气动设计点的少量偏移，也可以包括均相对于电机设计点和气动设计点的少量偏移。

在根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案中，如果所述设计点基准对应的全局效率不为所述全局效率曲线的最大值，则根据所述全局效率曲线的最大值对应的非设计点对所述气动设计点和/或所述电机设计点进行调整。

举例来说，如果全局效率曲线的最大值对应的非设计点相比于气动设计点的设计流量的偏差较大，相比于气动设计点的设计压比的偏差较小，则优先对偏差较大的参数进行调整。调整方向可根据偏差方向确定，例如当全局效率曲线的最大值对应的非设计点相比于气动设计点的设计流量的偏差为正偏差，则降低对应的设计流量，反之则提高对应的设计流量。

考虑到气动设计的可调整程度高于电机设计的可调整程度，在一些实施例中，所述气动设计点的调整优先级高于所述电机设计点的调整优先级。在气动设计点的调整无法实现全局效率最高时，可进一步进行电机设计点的调整。

具体地，调整所述气动设计点的步骤可包括：以所述气动设计点对应的流量Q_设与(1±0.01*n)的乘积Q_设*(1±0.01*n)作为新的气动设计点对应的流量Q，以所述气动设计点对应的压比ε_设与(1±0.01*n)的乘积ε_设*(1±0.01*n)作为新的气动设计点对应的压比ε，其中，n为不大于5的正整数。调整所述电机设计点的步骤可包括：以所述电机设计点对应的电机转速N_设与(1±0.01*n)的乘积N_设*(1±0.01*n)作为新的电机设计点对应的电机转速N，其中，n为不大于5的正整数。通过一次或多次地对气动设计点和/或电机设计点的调整，以便获得最优的全局效率。

通过上述调整使得设计点基准对应的全局效率为所述全局效率曲线的最大值时，如果离心式回转设备设计为单工况全局效率设计(例如热泵离心压缩机的设计)，则该设计已经完成。如果离心式回转设备设计为多工况全局效率设计，例如制冷热泵双工况离心压缩机或制冷但要求各负荷能效要求都高的离心压缩机，则在根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案的过程中，就不能仅局限在某个工况对应的全局效率曲线，而是需要将多工况均纳入考虑范围。

图3是根据本公开离心式回转设备设计方法的一些实施例中多工况全局效率曲面的示意图。图4A-图4E分别是根据本公开离心式回转设备设计方法的一些实施例中不同应用场景下多工况运行的负荷压比关系示意图。

参考图3，在多工况设计时，可先建立压比和流量的多工况运行曲线TL。参考图4A-图4E，在该多工况运行曲线TL上具有多个工况点，例如负荷百分比分别对应于25％、50％和75％的三个工况点A、B和C，其中可选取用户运行时间占比RT最高的工况点(例如在图4A中，负荷百分比50％的运行时间占比RT为46.1％)作为气动设计点进行气动设计，这样能够使得最终设计出的产品更符合用户的实际使用需求。

在该多工况运行曲线TL的基础上，根据不同的应用场景选择不同的多工况二维等效率区域(通过虚线EE分别示出了多个等效率区域)。在每条虚线EE上的各点的气动效率相等，等效率区域内的部分对应的气动效率均不低于虚线EE上气动效率。

参考图4B-图4E，对于图4B中舒适性空调来说，其运行时间占比RT最高的为50％的负荷百分比，其次是75％的负荷百分比，多工况二维等效率区域则包含前述25％、50％和75％的三个工况点。在图4C中数据中心空调来说，其运行时间占比RT最高的为75％的负荷百分比，其次是100％的负荷百分比，而多工况二维等效率区域主要包含75％和100％的两个工况点。对于图4D中区域能源空调来说，其运行时间占比RT最高的为100％的负荷百分比，其次是75％的负荷百分比，而多工况二维等效率区域主要包含75％和100％的两个工况点。对于图4E中采暖(热泵)空调来说，其运行时间占比RT最高的为75％的负荷百分比，其次是50％的负荷百分比，而多工况二维等效率区域主要包含50％和75％的两个工况点。

通过坐标转化可将气动效率转化到三维坐标，则可形成压比-流量-气动效率的气动效率曲面。同理可得到电机频率-电机功率-电机效率的电机效率曲面。

参考前面对全局效率的计算方式，可根据所述电机效率曲面和所述气动效率曲面获得图3中的多工况全局效率曲面GS。从图中可以看到，由虚线EE形成的多工况二维等效率区域向上延伸，并与多工况全局效率曲面GS相交出曲面片GS’，该曲面片GS’到压比和流量形成的坐标平面上的封闭三维柱体体积则对应了多工况全局效率的大小。这样可通过判断该柱体体积的大小来评价多工况全局效率是否最优。

具体地，可判断所述多工况全局效率曲面在至少两种设计工况下对应的封闭三维柱体体积是否为最大值，如果为最大值，则将所述电机设计点和所述气动设计点对应的电机设计和气动设计方案确定为优选的电机设计和气动设计方案。如果不为最大值，则可返回前面的设计过程进行调整，例如调整气动条件中的压比、流量以及电机条件中的电机转速等，直至使该体积为最大值，此时得到的电机设计和气动设计方案确定为多工况下的优选的电机设计和气动设计方案。

通过前述实施例提供的设计方案，可有效地获得具有较高或最高全局效率的离心式回转设备，以使设计的离心式回转设备发挥最大的效率优势，提高设备变负荷的适应性和运行可靠性。

图5是根据本公开离心式回转设备设计装置的一些实施例的结构示意图。参考图5，在前述离心式回转设备设计方法的基础上，本实施例提供了一种离心式回转设备设计装置，包括：存储器10和处理器20。处理器20与所述存储器10信号连接，被配置为基于存储在所述存储器10中的指令，执行前述任一离心式回转设备设计方法的实施例。

这里所描述的处理器可以包括通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。

本公开还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现前述任一离心式回转设备设计方法的实施例。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

本公开实施例还提供了一种离心压缩机，采用前述离心式回转设备设计方法的实施例获得。

本公开实施例还提供了一种空调，包括前述的离心压缩机的实施例。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (19)

1.一种离心式回转设备设计方法，包括：

根据待设计的离心式回转设备所应用的系统运行特性，进行工质循环分析，以确定设计工况下初始的电机设计条件和气动设计条件；

根据初始的电机设计条件进行所述离心式回转设备的电机设计，确定电机设计点对应的电机效率和电机转速；

根据初始的气动设计条件和所述电机设计点对应的电机转速进行所述离心式回转设备的气动设计，并获得气动设计点对应的气动效率；

根据所述电机设计点对应的电机效率和所述气动设计点对应的气动效率计算所述离心式回转设备在设计点的全局效率；

根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案；

其中，根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案的步骤包括：

以所述电机设计点和所述气动设计点为设计点基准，获取偏离所述设计点基准的多个非设计点对应的全局效率；

根据设计点基准和多个非设计点分别对应的全局效率获得所述离心式回转设备的全局效率曲线；

判断所述设计点基准对应的全局效率是否为所述全局效率曲线的最大值，如果为最大值，则将所述电机设计点和所述气动设计点对应的电机设计和气动设计方案确定为优选的电机设计和气动设计方案。

2.根据权利要求1所述的离心式回转设备设计方法，其中，确定电机设计点对应的电机效率和电机转速的步骤包括：

获得所述电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线；

根据所述多元电机功率-电机效率曲线和所述多元电机转速-电机效率曲线确定最优电机效率和所述最优电机效率对应的电机转速作为所述电机设计点对应的电机效率和电机转速。

3.根据权利要求2所述的离心式回转设备设计方法，其中，获得所述电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线的步骤包括：

获得所述电机在所述设计工况对应的额定电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线；

获得所述电机在至少一个非设计工况对应的电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线，所述至少一个非设计工况对应的电机频率为所述额定电机频率的S倍，0.8<＝S<1，或1<S<＝1.1；

根据所述设计工况对应的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线以及至少一个非设计工况对应的电机频率下的电机功率-电机效率曲线和电机转速-电机效率曲线，形成所述电机在设计工况和至少一个非设计工况下的多元电机功率-电机效率曲线和多元电机转速-电机效率曲线。

4.根据权利要求2所述的离心式回转设备设计方法，其中，确定最优电机效率和所述最优电机效率对应的电机转速的步骤包括：

在所述多元电机功率-电机效率曲线中查找各曲线中的最高电机效率点，并将所述最高电机效率点作为最优电机效率；

在所述多元电机转速-电机效率曲线中查找所述最高电机效率点对应的电机频率的曲线，并将该曲线上所述最高电机效率点对应的电机转速作为所述最优电机效率对应的电机转速。

5.根据权利要求1所述的离心式回转设备设计方法，其中，所述待设计的离心式回转设备为至少两级压缩的离心式回转设备；所述离心式回转设备设计方法还包括：

在气动设计过程中，使所述气动设计点的每级设计流量不小于额定流量，且使所述气动设计点的后级设计流量大于前级设计流量。

6.根据权利要求5所述的离心式回转设备设计方法，其中，所述待设计的离心式回转设备为双级压缩的离心式回转设备；所述气动设计点的一级设计流量为额定流量的1～1.025倍，所述气动设计点的二级设计流量为额定流量的1.01～1.03倍。

7.根据权利要求6所述的离心式回转设备设计方法，其中，所述双级压缩的离心式回转设备为双悬臂式离心压缩机，所述气动设计点的一级设计流量为额定流量的1.025倍，所述气动设计点的二级设计流量为额定流量的1.03倍。

8.根据权利要求5所述的离心式回转设备设计方法，其中，所述离心式回转设备设计方法还包括：

在气动设计过程中，使所述气动设计点的每级设计压比小于额定压比，且所述气动设计点的后级设计压比小于前级设计压比。

9.根据权利要求8所述的离心式回转设备设计方法，其中，所述气动设计点的一级设计压比为额定压比的0.98～0.99倍，所述气动设计点的二级设计压比为额定压比的0.975～0.98倍。

10.根据权利要求1所述的离心式回转设备设计方法，其中，计算所述离心式回转设备在设计点的全局效率的步骤包括：

将所述电机设计点对应的电机效率乘以所述气动设计点对应的气动效率得到的乘积作为所述离心式回转设备在设计点的全局效率。

11.根据权利要求1所述的离心式回转设备设计方法，其中，根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案的步骤还包括：

如果所述设计点基准对应的全局效率不为所述全局效率曲线的最大值，则根据所述全局效率曲线的最大值对应的非设计点对所述气动设计点和/或所述电机设计点进行调整。

12.根据权利要求11所述的离心式回转设备设计方法，其中，所述气动设计点的调整优先级高于所述电机设计点的调整优先级。

13.根据权利要求11所述的离心式回转设备设计方法，其中，调整所述气动设计点的步骤包括：

以所述气动设计点对应的流量与(1±0.01*n)的乘积作为新的气动设计点对应的流量，以所述气动设计点对应的压比与(1±0.01*n)的乘积作为新的气动设计点对应的压比，其中，n为不大于5的正整数。

14.根据权利要求11所述的离心式回转设备设计方法，其中，调整所述电机设计点的步骤包括：

以所述电机设计点对应的电机转速与(1±0.01*n)的乘积作为新的电机设计点对应的电机转速，其中，n为不大于5的正整数。

15.根据权利要求1所述的离心式回转设备设计方法，其中，根据所述全局效率确定优选的电机设计和气动设计方案的步骤包括：

如果所述离心式回转设备的设计工况包括至少两种设计工况，则分别获得电机频率-电机功率-电机效率的电机效率曲面和压比-流量-气动效率的气动效率曲面；

根据所述电机效率曲面和所述气动效率曲面获得多工况全局效率曲面；

判断所述多工况全局效率曲面在至少两种设计工况下对应的封闭三维柱体体积是否为最大值，如果为最大值，则将所述电机设计点和所述气动设计点对应的电机设计和气动设计方案确定为优选的电机设计和气动设计方案。

16.一种离心式回转设备设计装置，包括：

存储器；和

处理器，与所述存储器信号连接，被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行权利要求1～15任一所述的离心式回转设备设计方法。

17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现权利要求1～15任一所述的离心式回转设备设计方法。

18.一种离心压缩机，采用权利要求1～15任一所述的离心式回转设备设计方法获得。

19.一种空调，包括权利要求18所述的离心压缩机。

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