CN113899094A - 磁性轴承压缩机保护 - Google Patents

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曹俊
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Abstract

本发明涉及磁性轴承压缩机保护，具体而言提供了一种蒸气压缩系统和用于操作该蒸气压缩系统的方法。该蒸气压缩系统包括第一压缩机、第二压缩机、冷凝器和设置在第一压缩机和冷凝器之间的至少一个止回阀。该方法提供了向第一压缩机和第二压缩机中的至少一个发送停机命令，第一压缩机和第二压缩机中的至少一个包括旋转轴和磁性轴承，磁性轴承具有活动模式和非活动模式，磁性轴承在活动模式中使旋转轴悬浮。该方法还提供了在预设时间内监测旋转轴的旋转速度和止回阀上的压差中的至少一个，其中，磁性轴承至少在预设时间期间保持在活动模式。

Description

磁性轴承压缩机保护
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年7月7日提交的美国临时申请No. 62/705,599的权益，其内容以其整体并入本文中。
背景技术
蒸气压缩系统(例如，制冷机)通常包括至少一个压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。冷却剂循环通过蒸气压缩系统，以便为介质(例如，空气)提供冷却。制冷剂在高压和高焓下通过(多个)排放端口离开(多个)压缩机。制冷剂然后在高压下流过冷凝器，并且将热量释放到外部流体介质。制冷剂然后流过膨胀阀，膨胀阀将制冷剂膨胀至低压。在膨胀之后，制冷剂流过蒸发器，并且从另一种介质(例如，空气)中吸收热量。制冷剂然后通过(多个)吸入端口重新进入(多个)压缩机，完成循环。
压缩机通常包括容纳在压缩机壳体内的马达转子和马达定子。转子固定到旋转轴并随旋转轴旋转，并且定子固定在压缩机壳体内部。根据压缩机的类型，磁性轴承可用于在压缩机在操作中时使旋转轴悬浮。保护轴承(touchdown bearing)通常由带有磁性轴承的压缩机使用，以在压缩机停机时提供轴的平稳旋转并保护转子。保护轴承可为滚珠轴承或套筒轴承的形式。如果当旋转轴仍在旋转时旋转轴放置在保护轴承上，这些保护轴承有可能损坏，因为保护轴承传统上不被润滑。
当结合多个压缩机时(例如，在至少一个压缩机停机而至少一个其它压缩机保持操作的情况下)，由操作中的压缩机产生的压力有可能导致停机的压缩机的旋转轴即使在停机后也继续旋转。传统上，这个问题通过使用一个或多个止回阀来解决。例如，止回阀可放置在有可能停机的压缩机(例如，基于负载要求)和冷凝器和/或可保持操作的压缩机之间。然而，如果止回阀失效，则保持操作的压缩机可能阻止正被停机的压缩机的旋转轴停止转动。如上所述，如果当旋转轴仍在旋转时旋转轴放置在保护轴承上，则保护轴承可能会损坏。
因此，仍然需要一种方法来防止或至少减轻正被停机的压缩机的旋转轴在仍然旋转时被放置在保护轴承上。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种操作蒸气压缩系统的方法，该蒸气压缩系统包括第一压缩机、第二压缩机、冷凝器和设置在第一压缩机和冷凝器之间的至少一个止回阀。该方法包括向第一压缩机和第二压缩机中的至少一个发送停机命令的步骤，第一压缩机和第二压缩机中的至少一个包括旋转轴和磁性轴承。磁性轴承包括活动模式和非活动模式。磁性轴承在活动模式中使旋转轴悬浮。该方法包括用于在预设时间内监测旋转轴的旋转速度和止回阀上的压差中的至少一个的步骤，其中，磁性轴承至少在预设时间期间保持在活动模式。
根据附加或备选实施例，预设时间小于在停机命令被发送之后十分钟。
根据附加或备选实施例，该方法还包括当旋转速度达到可接受的阈值时将磁性轴承从活动模式切换到非活动模式的步骤。
根据附加或备选实施例，可接受的阈值小于50RPM。
根据附加或备选实施例，该方法还包括当旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时向第一压缩机或第二压缩机中的另一个发送停机命令的步骤。
根据附加或备选实施例，该方法还包括当旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时激活警报的步骤。
根据附加或备选实施例，该方法还包括当旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时关闭设置在蒸发器与第一压缩机和第二压缩机中的至少一个之间的隔离阀的步骤。
根据本公开的另一个方面，提供了一种蒸气压缩系统，该系统包括冷凝器、第一压缩机、第二压缩机、止回阀和控制器。冷凝器将热量从工作流体传递到外部流体介质。第一压缩机和第二压缩机与冷凝器流体连通。第一压缩机和第二压缩机中的至少一个包括电动马达、磁性轴承和保护轴承。电动马达驱动旋转轴。当处于活动模式时，磁性轴承使旋转轴悬浮。磁性轴承邻近电动马达设置。保护轴承被配置成当磁性轴承处于非活动模式时旋转并支撑旋转轴。保护轴承邻近旋转轴设置。止回阀与冷凝器以及第一压缩机和第二压缩机中的至少一个流体连通。控制器被配置成控制第一压缩机和第二压缩机中的至少一个。控制器被配置成接收第一压缩机和第二压缩机中的至少一个的停机命令。控制器与设置在第一压缩机和第二压缩机中的至少一个内的至少一个传感器通信。传感器被配置成在预设时间内监测旋转轴的旋转速度和止回阀上的压差中的至少一个。控制器至少在预设时间内将磁性轴承保持在活动模式。
根据附加或备选实施例，预设时间小于在停机命令被发送到控制器之后十分钟。
根据附加或备选实施例，当旋转速度达到可接受的阈值时，控制器将磁性轴承从活动模式切换到非活动模式。
根据附加或备选实施例，可接受的阈值小于50RPM。
根据附加或备选实施例，当旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时，第一压缩机或第二压缩机中的另一个停机。
根据附加或备选实施例，当旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时，控制器激活警报。
根据附加或备选实施例，蒸气压缩系统还包括设置在蒸发器与第一压缩机和第二压缩机中的至少一个之间的隔离阀，该隔离阀被配置成防止工作流体流入第一压缩机。
根据附加或备选实施例，隔离阀是电磁阀。
根据附加或备选实施例，隔离阀与控制器通信，控制器被配置成当第一压缩机的旋转轴的旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时关闭隔离阀。
根据附加或备选实施例，外部流体介质包括以下至少一个：空气源和水源。
根据附加或备选实施例，工作流体是制冷剂。
附图说明
被认为是本公开的主题在说明书的结尾处的权利要求书中被特别指出并明确要求保护。附图的以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件编号相同：
图1是根据本公开的一个方面的包括冷凝器、第一压缩机和第二压缩机的蒸气压缩系统的示意图，其中控制器被配置成控制第一压缩机和第二压缩机中的至少一个。
图2是根据本公开的一个方面的图1所示的第一压缩机的横截面侧视图，描绘了邻近旋转轴设置的保护轴承。
图3是示出根据本公开的一个方面的操作蒸气压缩系统的方法的流程图，该蒸气压缩系统包括第一压缩机、第二压缩机、冷凝器和设置在第一压缩机和冷凝器之间的至少一个止回阀。
具体实施方式
如下文将描述的，提供了一种蒸气压缩系统和一种以这种方式操作蒸气压缩系统的方法，该蒸气压缩系统能够防止或至少减轻旋转轴在仍然旋转时被放置在保护轴承上。蒸气压缩系统包括第一压缩机和第二压缩机。根据负载要求，压缩机中的一个可停机，而另一个压缩机保持操作。例如，在部分负载操作下，第一压缩机可停机，而第二压缩机可保持操作。为了阻止工作流体(例如，制冷剂)和来自操作中的压缩机(例如，第二压缩机)的压力回流到正被停机的压缩机(例如，第一压缩机)中，可使用止回阀。尽管本文所述的蒸气压缩系统包括止回阀，但是本文所述的蒸气压缩系统比传统的蒸气压缩系统更少依赖于止回阀，因为本文所述的蒸气压缩系统有助于在压缩机停机后监测旋转轴的旋转速度和止回阀的压差中的至少一个的同时将磁性轴承保持在活动模式。
现在参照附图，图1中示出了包括冷凝器500、第一压缩机100和第二压缩机200的蒸气压缩系统800的示意图。应当理解，蒸气压缩系统800可包括具有冷凝器500和多个压缩机100、200的任何系统(例如，制冷机等)，压缩机100、200中的任一个都包括旋转轴140(图2中示出)。如图1所示，蒸气压缩系统800包括控制器600，其被配置成控制第一压缩机100和第二压缩机200中的至少一个。如图1所示，蒸气压缩系统800可包括第一压缩机100、第二压缩机200、冷凝器500、膨胀阀400和蒸发器300。蒸气压缩系统800可被配置成使工作流体(例如，诸如R-134A的制冷剂)循环通过蒸气压缩系统800，以向介质(例如，空气、水等)提供冷却。尽管提到了R-134A，但是应当理解，也可使用其它类型的制冷剂。
如上所述，有时，蒸气压缩系统800可能需要提供较高的冷却能力(这需要较高的压缩制冷剂流量)，而在其它时候，需要较低的冷却能力(这需要较低的压缩制冷剂流量)。为了提供所需压缩制冷剂量的连续有效供应，蒸气压缩系统800包括第一压缩机100和第二压缩机200。这些压缩机可为同一压缩机的复制品(例如，具有相同的尺寸和构造)，或者可为不同的(例如，尺寸不同或者具有不同的构造)。可设想，压缩机中的至少一个(例如，第一压缩机100)包括磁性轴承110、保护轴承120和旋转轴140(图2中示出)。
图2描绘了图1所示的第一压缩机100的横截面侧视图。尽管未示出，但是应当理解，第二压缩机200可以与第一压缩机100相同的方式构造。如图2所示，第一压缩机100包括电动马达130、磁性轴承110和保护轴承120。电动马达130用于驱动旋转轴140。当处于活动模式时(例如，至少当第一压缩机100在操作中时)，磁性轴承110用于使旋转轴140悬浮。当第一压缩机100正在产生正压以迫使工作流体通过蒸气压缩系统800时，第一压缩机100可被视为在操作中。应当理解，磁性轴承110包括活动模式(例如，当产生用于使旋转轴140悬浮的磁场时)和非活动模式(例如，当不产生磁场时)。磁性轴承110邻近电动马达130设置。当磁性轴承110处于非活动模式时，保护轴承120用于支撑旋转轴140。保护轴承120邻近旋转轴140设置。
如上所述，蒸气压缩系统800可包括与第一压缩机100和冷凝器500流体连通的止回阀150(图1中示出)。当第一压缩机100正被停机时(例如，当蒸气压缩系统800在部分负载下操作时)，该止回阀150可帮助停止工作流体从第二压缩机200(例如，当第二压缩机200在操作中时)回流到第一压缩机100中。该止回阀150还可帮助确保当第一压缩机100停机时第一压缩机100的旋转轴140可停止旋转。如图所示，在某些情况下，第一压缩机100和第二压缩机200两者可分别包括止回阀150、250。
为了控制第一压缩机100和第二压缩机200中的至少一个，蒸气压缩系统800可包括控制器600(图1中示出)。控制器600可被配置成接收第一压缩机100的停机命令(例如，当需要部分负载操作时)。应当理解，停机命令可基于来自一个或多个传感器(如下所述)的输入自动生成。控制器600可与至少一个传感器通信，用于在预设时间内(例如，在第一压缩机100停机后的一段时间内)监测旋转轴140(图2中示出)的旋转速度和止回阀150上的压差中的至少一个。控制器600可通过至少在预设时间期间将第一压缩机100的磁性轴承110保持在活动模式来帮助防止旋转轴140在旋转轴140仍在旋转时被放置在保护轴承120上。在某些情况下，该预设时间小于在第一压缩机100的停机命令被发送到控制器600和/或由控制器600生成之后十(10)分钟。例如，预设时间可少于在第一压缩机100停机后三(3)分钟。
在某些情况下，控制器600可被视为能够从一个或多个传感器(如下所述)接收输入和输出的可编程逻辑控制器(PLC)或可编程控制器，并且可包括处理器(例如，微处理器)和用于存储程序以控制蒸气压缩系统800的部件(例如，第一压缩机100和/或第二压缩机200的操作)的存储器。存储器可包括易失性存储器元件(例如，随机存取存储器(RAM))、非易失性存储器元件(例如，ROM等)中的任何一个或组合，和/或具有分布式架构(例如，其中各种部件彼此远离定位，但是可由处理器访问)。控制器600可被配置成当旋转轴140的旋转速度达到可接受的阈值时将磁性轴承110从活动模式切换到非活动模式。可接受的阈值可小于50RPM。例如，当第一压缩机100停机时，控制器600可将磁性轴承110保持在活动模式(例如，以保持旋转轴140悬浮)，直到旋转轴140以小于50RPM的速度旋转。
如果旋转轴140长时间保持旋转(例如，比预设时间长，该预设时间可为在第一压缩机100停机后十(10)分钟)，则止回阀150可能已经失效。当止回阀150在第一压缩机100停机时不阻止工作流体和/或压力进入第一压缩机100时，止回阀150可被视为已经失效。控制器600可被配置成当第一压缩机100的旋转轴140的旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时将第二压缩机200停机。应当理解，控制器600可在第二压缩机200停机之后将磁性轴承110保持在活动模式(例如，以保持旋转轴140悬浮)，直到旋转轴140以小于50RPM的速度旋转。除了将第二压缩机200停机之外或者作为其备选方案，控制器600可被配置成当第一压缩机100的旋转轴140的旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时激活警报(例如，启动视觉或听觉信号)。
为了监测旋转轴140的旋转速度和/或止回阀150上的压差，控制器600可与至少一个传感器通信。在某些情况下，传感器是设置在第一压缩机100中的旋转传感器160。应当理解，控制器600也可与设置在第二压缩机200中的旋转传感器260通信。旋转传感器160、260可包括能够确定旋转轴140是否正在旋转和/或以多大的每分钟转数(RPM)旋转的任何技术。例如，旋转传感器160、260可为将扭矩转换成电信号的扭矩传感器或换能器，该电信号可被传输(例如，通过一个或多个有线或无线连接)到控制器600。
在某些情况下，传感器是设置在止回阀150的任一侧上的压力传感器170、270、510。例如，蒸气压缩系统800可包括在止回阀150和第一压缩机100之间的压力传感器170、在止回阀250和第二压缩机200之间的压力传感器270和/或设置在冷凝器500中的压力传感器510。应当理解，蒸气压缩系统800还可包括设置在蒸发器300中的压力传感器310。无论位于何处，压力传感器170、270、510、310可包括能够确定内部压力(例如，在导管或容器中)的任何技术。例如，压力传感器170、270、510、310可为基于应变计的换能器，其将压力转换成电信号，该电信号可被传输(例如，通过一个或多个有线或无线连接)到控制器600。控制器600可使用由压力传感器170、270、510、310获取的压力读数来计算止回阀150上的压差。该压差可用于确定止回阀150是否正在正确操作(例如，没有失效)。例如，如果止回阀150在第一压缩机100和冷凝器500之间关闭，并且第二压缩机200在操作中，则在止回阀150下游的压力读数(例如，来自冷凝器500中的压力传感器510)应该比止回阀150上游的压力读数(例如，来自压力传感器170)高。如果压差不高于最小值(例如，100磅/平方英寸(psi))，则控制器600可确定止回阀150已经失效。
为了在止回阀150失效的情况下保护第一压缩机100，蒸气压缩系统800可包括在第一压缩机100上游和/或下游的隔离阀700。该隔离阀700可被配置成防止工作流体流入第一压缩机100。在某些情况下，该隔离阀700是电磁阀，其可与控制器600通信。例如，控制器600可被配置成当第一压缩机100中的旋转轴140的旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值时和/或当止回阀150上的压差低于最小值时(例如，指示止回阀150已经失效)关闭隔离阀700。一旦关闭，隔离阀700应当允许第一压缩机100的旋转轴140减速到可接受的阈值以下。应当理解，控制器600可将磁性轴承110保持在活动模式(例如，以保持旋转轴140悬浮)，直到旋转轴140以小于可接受的阈值(例如，50RPM)的速度旋转。
这种操作蒸气压缩系统800的方法可帮助防止或至少减轻正在停机的压缩机(例如，第一压缩机100)的保护轴承120变得被损坏。该方法900可由控制器600(例如，诸如上述控制器600)完成。该方法900在图3中示出。方法900可例如使用图1所示的示例性蒸气压缩系统800来执行，该系统可包括图2所示的示例性第一压缩机100。如图1所示，蒸气压缩系统可包括第一压缩机100、第二压缩机200、冷凝器500以及设置在第一压缩机100和冷凝器500之间的至少一个止回阀150。方法900提供向第一压缩机100发送停机命令的步骤910。第一压缩机100包括旋转轴140和磁性轴承110。磁性轴承110包括活动模式和非活动模式。磁性轴承110被配置成在活动模式中使旋转轴140悬浮。
方法900提供向第一压缩机100发送停机命令的步骤910。方法900还提供在预设时间内(例如，在停机命令被发送到第一压缩机100之后的十(10)分钟内)监测旋转轴的旋转速度和止回阀150上的压差中的至少一个的步骤920。如图3所示，该方法提供步骤940，即，如果旋转速度达到可接受的阈值(例如，小于50RPM)，则将磁性轴承110从活动模式切换到非活动模式(例如，不再使旋转轴140悬浮)。然而，如果旋转速度在预设时间内没有达到可接受的阈值，则该方法提供将磁性轴承110保持在活动模式(例如，以保持旋转轴140悬浮)的步骤930，因为止回阀150可能已经失效。如上所述，止回阀150的失效可通过压差小于最小值(例如，100磅/平方英寸)来确认。如果止回阀150已经失效，则方法900可提供将第二压缩机200停机和/或关闭隔离阀700以允许第一压缩机100的旋转轴140减速到可接受的阈值以下的附加步骤。应当理解，即使在第二压缩机200停机之后和/或在隔离阀700关闭之后(例如，直到旋转轴140以小于可接受的阈值(例如，50RPM)旋转)，磁性轴承110也可保持在活动模式(例如，以保持旋转轴140悬浮)。
在描述本发明的上下文中，术语“一”和“一个”和“该”以及类似指示物的使用应被解释为涵盖单数和复数两者，除非本文中另有说明或与上下文矛盾地澄清。本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”、“如”、“例如”等)的使用仅仅旨在更好地阐明本发明，而不是对本发明的范围进行限制，除非另有要求。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元素表示为本发明的实践所必需的。
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应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种改变，并且可用等同物来替代其元件。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于作为实施本公开想到的最佳模式公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (18)

1. 一种操作蒸气压缩系统的方法，所述蒸气压缩系统包括第一压缩机、第二压缩机、冷凝器和设置在所述第一压缩机和所述冷凝器之间的至少一个止回阀，所述方法包括：
向所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个发送停机命令，所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个包括旋转轴和磁性轴承，所述磁性轴承包括活动模式和非活动模式，所述磁性轴承在所述活动模式中使所述旋转轴悬浮；和
在预设时间内监测所述旋转轴的旋转速度和所述止回阀上的压差中的至少一个，其中，所述磁性轴承至少在所述预设时间期间保持在所述活动模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设时间小于在所述停机命令被发送之后十分钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括当所述旋转速度达到可接受的阈值时将所述磁性轴承从所述活动模式切换到所述非活动模式。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述可接受的阈值小于50RPM。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括当所述旋转速度在所述预设时间内没有达到可接受的阈值时向所述第一压缩机或所述第二压缩机中的另一个发送停机命令。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括当所述旋转速度在所述预设时间内没有达到可接受的阈值时激活警报。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括当所述旋转速度在所述预设时间内没有达到可接受的阈值时关闭设置在所述蒸发器与所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个之间的隔离阀。
8.一种蒸气压缩系统，包括：
冷凝器，其用于将热量从工作流体传递到外部流体介质；
与所述冷凝器流体连通的第一压缩机和第二压缩机，所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个包括：
电动马达，其用于驱动旋转轴；
磁性轴承，其用于在处于活动模式时使所述旋转轴悬浮，所述磁性轴承邻近所述电动马达设置；和
保护轴承，其被配置成当所述磁性轴承处于非活动模式时旋转并支撑所述旋转轴，所述保护轴承邻近所述旋转轴设置；
止回阀，其与所述冷凝器以及所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个流体连通；和
控制器，其被配置成控制所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个，所述控制器被配置成接收所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个的停机命令，所述控制器与设置在所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个内的至少一个传感器通信，所述传感器被配置成在预设时间内监测所述旋转轴的旋转速度和所述止回阀上的压差中的至少一个，其中，所述控制器至少在所述预设时间内将所述磁性轴承保持在所述活动模式。
9.根据权利要求8所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述预设时间小于在所述停机命令被发送到所述控制器之后十分钟。
10.根据权利要求8所述的蒸气压缩系统，其特征在于，当所述旋转速度达到可接受的阈值时，所述控制器将所述磁性轴承从所述活动模式切换到所述非活动模式。
11.根据权利要求10所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述可接受的阈值小于50RPM。
12.根据权利要求8所述的蒸气压缩系统，其特征在于，当所述旋转速度在所述预设时间内没有达到可接受的阈值时，所述第一压缩机或所述第二压缩机中的另一个被停机。
13.根据权利要求8所述的蒸气压缩系统，其特征在于，当所述旋转速度在所述预设时间内没有达到可接受的阈值时，所述控制器激活警报。
14.根据权利要求8所述的蒸气压缩系统，其特征在于，还包括设置在所述蒸发器与所述第一压缩机和所述第二压缩机中的至少一个之间的隔离阀，所述隔离阀被配置成防止所述工作流体流入所述第一压缩机。
15.根据权利要求14所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述隔离阀是电磁阀。
16.根据权利要求15所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述隔离阀与所述控制器通信，所述控制器被配置成当所述第一压缩机的所述旋转轴的所述旋转速度在所述预设时间内没有达到可接受的阈值时关闭所述隔离阀。
17.根据权利要求8所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述外部流体介质由以下至少一个构成：空气源和水源。
18.根据权利要求8所述的蒸气压缩系统，其特征在于，所述工作流体是制冷剂。
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