CN114080507A - 与低全球变暖潜能（gwp）制冷剂一起使用的离心压缩机 - Google Patents

Abstract

一种离心压缩机(10)，构造成用于对低全球变暖潜能(GWP)制冷剂进行压缩。离心压缩机(10)包括壳体(12)、叶轮(14、32)和用于使叶轮(14、32)旋转的电动机(16)。叶轮(14、32)配备有在准正交横剖视图中具有完全非线性形状的叶片(18、42)。从叶轮(14、32)的轮毂部(H)到叶片(18、42)的中间跨距位置，每个叶片(18、42)的轮毂侧叶片角增量(Δ)沿流向方向发生变化，使得轮毂侧叶片角增量(Δ)在与叶片(18)的后缘(18b)相比更靠近叶片(18)的前缘(18A)的位置处最大。壳体(12)构造成使得低全球变暖潜能(GWP)制冷剂沿叶轮(14、32)的轴向方向从入口部(34、38)进入叶轮(14、32)，并且沿叶轮(14、32)的径向方向从叶轮(14、32)流出到出口部(36、40)。

Description

与低全球变暖潜能（GWP）制冷剂一起使用的离心压缩机

技术领域

本发明总体上涉及一种与低全球变暖潜能(GWP)制冷剂一起使用的离心压缩机。更具体地，本发明涉及一种离心压缩机，该离心压缩机具有被优化以在冷却器回路中与低全球变暖潜能(GWP制冷剂)一起使用的叶轮。

背景技术

用于冷却器系统的制冷回路典型地包括压缩机，上述压缩机作为制冷循环的一部分对制冷剂进行压缩。压缩机通常是离心压缩机，也称为径向压缩机或涡轮压缩机。包括离心压缩机的冷却器系统有时被称为涡轮冷却器。在涡轮冷却器系统中，制冷剂在离心压缩机中被压缩并被送到热交换器，在上述热交换器中，在制冷剂与热交换介质(液体)之间发生热交换。这种热交换器被称为冷凝器，因为在该热交换器中对制冷剂进行冷凝。其结果是，热量从制冷剂传递到介质(液体)以使介质被加热。离开冷凝器的制冷剂通过膨胀阀发生膨胀，并被送到另一个热交换器，在该热交换器中，在制冷剂与热交换介质(液体)之间发生热交换。该热交换器被称为蒸发器，因为在该热交换器中对制冷剂进行加热(蒸发)。其结果是，热量从液体介质(例如，上面提及的水)传递到制冷剂，从而使液体冷却。来自蒸发器的制冷剂随后返回到离心压缩机，并重复该循环。

常规的离心压缩机基本上包括壳体、入口导叶(可选)、叶轮、扩散器、电动机、各种传感器以及控制器。制冷剂依次流过入口导叶、叶轮以及扩散器。因而，入口导叶联接到叶轮的进气端口，而扩散器联接到叶轮的出气端口。入口导叶对进入到叶轮中的制冷剂气体的流率进行控制。叶轮附接到通过电动机旋转的轴。控制器对电动机、入口导叶以及膨胀阀进行控制。当电动机使轴旋转时，叶轮在壳体内旋转，并且增大流入到离心压缩机中的制冷剂气体的速度。扩散器用于将由叶轮给出的制冷剂气体的速度(动态压力)转换成(静态)压力。以这种方式，制冷剂在常规的离心压缩机中被压缩。常规的离心压缩机可以具有一级或两级。电动机对一个以上的叶轮进行驱动。

离心压缩机的叶轮具有叶片，上述叶片在制冷剂从叶轮的入口侧(进气端口)的入口导叶流至叶轮的出口侧(出气端口)的扩散器时对制冷剂进行引导和加速。叶片的形状可以针对在制冷回路中使用的特定操作条件和制冷剂类型进行优化。冷却器系统的离心压缩机中使用的叶轮的叶片典型地具有二维(“2D”)形状。也就是说，2D叶轮的叶片形状由平面、圆柱面或圆锥面限定，因此，在轮毂到护罩的横截面中具有线性形状。2D叶轮也被称为“直纹的”，因为叶片的形状由诸如平面、圆柱面和圆锥面这样的特定形状的表面限定。由于对叶片形状施加了这些限定或“直纹”，因此，在使2D叶片能迎合于冷却器系统中使用的特定操作条件和制冷剂类型上受到限制。

形状是非直纹的，即并非由诸如平面、圆柱面和圆锥面等简单的几何形状限定的叶轮叶片称为完全三维(“3D”)或完全非线性叶片。3D叶轮已经被用于燃气轮机应用中，如长尾(Nagao)在日本专利第5483096号中所说明的那样。

同时，在冷却器系统和其他HVAC应用中，存在向所谓的“低全球变暖潜能(低GWP)”制冷剂转变以减少因制冷剂释放到大气中对环境造成的影响的趋势。GWP是衡量温室气体在被释放到大气中时的指标，并以CO₂为基准，CO₂被定义为GWP等于1。因此，GWP是衡量制冷剂或其他气体成为可能促进全球变暖的温室气体的潜能的指标。GWP评级(或“GWP 值”)越低，制冷剂释放到大气中时成为温室气体的潜能越低。HVAC应用中的低GWP制冷剂的示例包括R1233zd、R1234ze和R1234yf。R1233zd、 R1234ze和R1234yf中的每一个均满足全球变暖潜能(GWP)<10。在本申请中，“低GWP制冷剂”应定义为GWP值小于10的制冷剂。

发明内容

一些具有低全球变暖潜能(“低GWP”)的新的制冷剂由于减少了制冷剂材料对环境造成的影响，正越来越广泛地用于冷却器系统和其他制冷应用中。在一些情况下，可以简单地利用新的低GWP制冷剂替换现有制冷剂。如果这是可能的话，新的制冷剂有时被称为旧的制冷剂的“现成替代品”。然而，在许多情况下，需要在性能方面进行权衡。例如，R134a(其不被认为是低GWP制冷剂)可以被定义为性能系数(COP)为100，冷却能力(CC)为100。与下面讨论的制冷剂相比，这些值可以视为基线(100％) 值。根据该定义，R1234yf的COP为97，CC为94。R1234ze的COP为100， CC为75。R1233zd的COP为106，但是CC仅为23。本领域技术人员从本公开中可以明显看出，COP和CC的值可能会根据操作而稍微不同。R1234 制冷剂也没有破坏臭氧的特性，并且由于缺乏(-Cl)而很稳定。同时， R1233zd对臭氧的破坏程度很低，但是易燃性也低于R1234制冷剂。例如，补偿R1233zd的低CC值的一种方法是使压缩机的叶轮旋转地更快，以获得更大的冷却能力。

阻塞(choke)和喘振(surge)是对离心压缩机能够以足够效率运行的运行范围进行限制的因素。离心压缩机中发生阻塞和喘振的原因有多种。当离心压缩机以离心压缩机所能达到的最大质量流率运行或是接近最大质量流率运行时，就会发生阻塞这种现象。同时，当离心压缩机以离心压缩机所能达到的最小质量流率运行或是接近最小质量流率运行时，就会发生喘振这种现象。现在已经发现，通过最大限度地减少叶片流动通路内的流动分离，可以扩大离心压缩机能在不引发阻塞或喘振的情况下运行的运行范围。通过最大限度地减少流动分离，可以最小化损失，并且提高效率。

因此，需要对离心压缩机进行优化，以便在冷却器系统和其他制冷应用中使用新的低GWP制冷剂，从而优化离心压缩机的效率和运行范围。鉴于已知技术的状态，本发明的目的是提供一种具有非直纹的、完全非线性的叶轮的离心压缩机，上述叶轮被优化以在HVAC应用中与低GWP制冷剂一起使用。通过使用计算流体动力学(CFD)，发明人模拟了离心压缩机在设计点质量流率以及更高的质量流率(朝向阻塞)和更低的质量流率 (朝向喘振)下流过离心压缩机的流量。以这种方式，已经发现，离心压缩机可以设计为在设计点质量流率下具有接近零的流动分离，在更高和更低的质量流率下具有减小的流动分离。特别地，最大限度地减少流动分离的策略包括调节离心压缩机的喉部面积(即，叶轮入口的最窄区域)以及在出现流动分离的位置处调节叶片曲率。通过使用非直纹的、完全非线性的叶轮叶片，可以以比常规的2D叶片更大的自由度来调节叶片曲率。具体地，可以调节诸如轮毂侧叶片角增量、护罩侧叶片角增量、轮毂侧包角增量和护罩侧包角增量等特征。以这种方式，可以针对特定的冷却器系统或其他对运行范围和效率具有特殊要求的HVAC应用中使用的特定的低 GWP制冷剂来对叶轮叶片的形状进行优化。

更具体地，根据本公开的第一个方面，提供一种与低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂一起使用的离心压缩机，包括壳体、第一叶轮和电动机。壳体具有第一入口部和第一出口部。第一叶轮配置在第一入口部与第一出口部之间。第一叶轮附接到能绕旋转轴线旋转的轴的第一端。第一叶轮配备有在准正交横剖视图中具有完全非线性形状的第一叶片。从第一叶轮的轮毂部到第一叶片的中间跨距位置，每个第一叶片的轮毂侧叶片角增量沿流向方向发生变化，使得轮毂侧叶片角增量在与第一叶片的后缘相比更靠近第一叶片的前缘的位置处最大。电动机布置在壳体内以使轴旋转，进而使第一叶轮旋转。壳体构造成使得低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP 制冷剂沿第一叶轮的轴向方向从第一入口部进入叶轮，并且沿第一叶轮的径向方向从第一叶轮流出到第一出口部。

根据本公开的第二方面，提供一种与低全球变暖潜能制冷剂、即低 GWP制冷剂一起使用的离心压缩机，包括壳体、第一叶轮和电动机。壳体具有第一入口部和第一出口部。第一叶轮配置在第一入口部与第一出口部之间。第一叶轮附接到能绕旋转轴线旋转的轴的第一端。第一叶轮配备有在准正交横剖视图中具有完全非线性形状的第一叶片。从第一叶轮的轮毂部到第一叶片的中间跨距位置，每个第一叶片的轮毂侧包角增量沿流向方向发生变化，使得轮毂侧包角增量在与第一叶片的后缘相比更靠近第一叶片的前缘的位置处最大。电动机布置在壳体内以使轴旋转，进而使第一叶轮旋转。壳体构造成使得低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂沿第一叶轮的轴向方向从第一入口部进入叶轮，并且沿第一叶轮的径向方向从第一叶轮流出到第一出口部。

根据本公开的第三方面，提供了一种产生制冷的方法，包括在冷却器系统内对低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂进行压缩，上述冷却器系统包括具有叶轮的离心压缩机，上述叶轮附接到能绕旋转轴线旋转的轴。该叶轮配备有在准正交横剖视图中具有非线性形状的叶片。从叶轮的轮毂部到叶片的中间跨距位置，每个叶片的轮毂侧叶片角增量沿流向方向发生变化，使得轮毂侧叶片角增量在与叶片的后缘相比更靠近叶片的前缘的位置处最大。

根据以下结合附图公开的优选实施方式的详细描述，本领域技术人员可以更了解本发明的上述和其他目的、特征、方面以及优点。

附图说明

现在参照形成该原始公开的一部分的附图：

图1是示出了根据本发明的实施方式的具有离心压缩机的两级冷却器系统(具有节能器)的示意图；

图2是根据以封闭型的完全非线性叶轮为特征的第一实施方式的、图1所图示的冷却器系统的离心压缩机的立体图，其中为了图示的目的，离心压缩机的一部分被剖断并以横截面示出；

图3是根据实施方式的完全非线性叶轮的立体图，其中一部分被切除并以横截面示出；

图4图示的是完全非线性叶轮的叶片的两个准正交横截面；

图5图示的是用于离心压缩机的叶轮的常规的2D叶片的两个准正交横截面；

图6A和图6B分别示出了包括叶轮的旋转轴线的、根据实施方式的完全非线性叶轮和常规的2D叶轮的横剖视图；

图7A示出了沿平行于完全非线性叶轮的旋转轴线的方向观察时的完全非线性叶轮的侧视图，而图7B示出了移除了护罩后的上述完全非线性叶轮的侧视图；

图8A示出了沿平行于常规的2D叶轮的旋转轴线的方向观察时的常规的2D叶轮的侧视图，图8B示出了移除了护罩后的上述常规的2D叶轮的侧视图；

图9A至图9C示出了完全非线性叶轮的正倾角，图9A是沿垂直于具有零倾角的叶轮的旋转轴线的方向的视图，图9B是沿垂直于图示了正倾角的完全非线性叶轮的旋转轴线的方向的视图，图9C是图示了正倾角的说明图；

图10是位于垂直于旋转轴线的截面中的完全非线性叶轮的剖视图；

图11A和图11B示出了在子午面(meridional plane)中沿纵向方向截取的两个不同横截面中的完全非线性叶片的曲率；

图12图示的是叶片角的概念。

图13图示的是包角的概念。

图14图示的是从轮毂到中间跨距的区域中的叶片角增量如何从前缘变化到后缘。

图15图示的是从中间跨距到护罩的区域中的叶片角增量如何从前缘变化到后缘。

图16图示的是从轮毂到中间跨距的区域中的包角增量如何从前缘变化到后缘。

图17图示的是从中间跨距到护罩的区域中的包角增量如何从前缘变化到后缘。

具体实施方式

现在将参照附图对所选择的实施方式进行说明。本领域技术人员从本公开中可以明显看出，实施方式的以下描述仅提供用于说明，而并非为了限制由所附的权利要求书及其等同物来限定的本发明。

根据本发明的离心压缩机10构造成在环路制冷循环(制冷回路)中使用低全球变暖潜能(GWP)制冷剂，并且特别地构造成用于HVAC应用。在所示实施方式中，离心压缩机10用于图1所示的冷却器系统CS中。本实施方式的离心压缩机10是两级压缩机，因此，图1所示的冷却器系统CS是两级冷却器系统。离心压缩机10包括壳体12、第一级叶轮14(第一叶轮)和电动机16。如将在以后更详细地说明的，第一级叶轮14配备有在准正交横剖视图中具有完全非线性形状的第一叶片18。

再次参照图1，现在将简要地说明冷却器系统CS的部件。冷却器系统CS 基本上包括通过管道串联连接在一起的冷却器控制器20、离心压缩机10、冷凝器22、膨胀阀或孔口24、节能器26、膨胀阀或孔口28和蒸发器30以形成含有低全球变暖潜能(GWP)制冷剂的环路制冷回路。各种传感器(未示出) 配置在冷却器系统CS的整个回路，以控制冷却器系统CS。在此将不再详细说明和/或示出传感器和使用来自传感器的信息对冷却器系统CS的控制。本领域技术人员从本公开中可以明显看出的是，为了简洁起见，除了与离心压缩机10的结构和操作相关的内容之外，省略了对冷却器系统CS的正常操作的说明。另外，本领域技术人员从本公开中可以明显看出，冷却器系统CS 的节能器26是可选的。

所图示的冷却器系统CS的产生制冷的方法包括在压缩机10中对低全球变暖潜能(“低GWP”)制冷剂、例如R1233zd、R1234ze或R1234yf 进行压缩。压缩的制冷剂随后被送到冷凝器22，在该冷凝器22中热量从制冷剂传递到介质(在本实施方式中为水)。在冷凝器22中冷却的制冷剂随后通过膨胀阀28发生膨胀并被送到蒸发器30。在蒸发器30中，制冷剂从介质(在本实施方式中为水)吸收热量以冷却介质。以这种方式，产生制冷。制冷剂随后被送回到离心压缩机10，并且重复该循环。

图1仅图示了能使用根据本发明的离心压缩机10的冷却器系统CS的一个示例。离心压缩机10是两级压缩机。然而，离心压缩机10可以包括三个以上的叶轮(未示出)或者可以是单级压缩机。因此，两级离心压缩机10包括单级压缩机的所有部件，还可以包括附加部件。因此，本领域的普通技术人员从本公开中可以明显看出，除了与第二级压缩相关的部件和与第二级压缩相关的变型(例如，外壳形状、轴端形状等)之外，两级离心压缩机10的描述和图示也适用于单级压缩机。鉴于这些点，并且为了简洁起见，在此将仅详细地说明和/或图示两级压缩机10。

现在将参照图2至图11，更详细地描述根据所图示的实施方式的离心压缩机10。在本实施方式中，如上所述，压缩机10是两级离心压缩机。离心压缩机10的壳体12容纳第一级叶轮14和电动机16。壳体12还容纳第二级叶轮 32(第二叶轮)。在本实施方式中，第一级叶轮14和第二级叶轮32是包括护罩S的封闭型叶轮，但是第一级叶轮14和第二级叶轮32也可以是开放型叶轮。如图2所示，电动机16配置在第一级叶轮14与第二级叶轮32之间。壳体12包括引导低全球变暖潜能(GWP)制冷剂朝向和远离第一级叶轮14的第一入口部34和第一出口部36。即，壳体30构造成使得低全球变暖潜能(GWP) 制冷剂沿第一级叶轮14的轴向方向从第一入口部34进入第一级叶轮14，并且沿第一级叶轮14的径向方向从第一级叶轮14流出到第一出口部36。第一级叶轮14配置在第一入口部34与第一出口部36之间。

类似地，壳体12包括引导制冷剂朝向和远离第二级叶轮32的第二入口部 38和第二出口部40。即，壳体12构造成使得低全球变暖潜能(GWP)制冷剂沿第二级叶轮32的轴向方向从第二入口部38进入第二级叶轮32，并且沿第二级叶轮32的径向方向从第二级叶轮32流出到第二出口部40。第二级叶轮32 配置在第二入口部38与第二出口部40之间。第二级叶轮32配备有在准正交横剖视图中具有完全非线性形状的第二叶片42。

在本实施方式中，两级离心压缩机是所谓的“背对背”型的两级离心压缩机，其中，第一级叶轮和第二级叶轮布置成轮毂彼此面对且护罩(入口侧)面向外侧。然而，本发明不限于两个叶轮的背对背布置。例如，所要求保护的发明还可以应用于具有直列式布置的两级离心压缩机，其中，叶轮面向相同的方向、即一个叶轮的护罩或入口侧面向另一叶轮的轮毂的后方。此外，所要求保护的发明可以应用于具有直列式地布置的三个以上的叶轮的离心压缩机。

壳体12还包括电动机外壳部44，上述电动机外壳部44轴向地配置在第一级叶轮14与第二级叶轮32之间，并且构造成封围电动机16。在所图示的实施方式中，电动机外壳部44具有大致圆筒形形状，并且在电动机外壳部44的内侧固定地对电动机38的定子46进行支承。除了定子46之外，所图示的实施方式的电动机16还包括安装于旋转轴50的中间部分的转子48。第一级叶轮16附接到旋转轴50的第一端，第二级叶轮32附接到旋转轴50的第二端。旋转轴50能绕旋转轴线X旋转。电动机16布置在壳体12内以使旋转轴 50旋转，进而使第一级叶轮14和第二级叶轮32旋转。

在所图示的实施方式中，离心压缩机10还包括：配置在第一入口部34与第一级叶轮14之间的第一级入口导向叶片52；以及配置在第一级叶轮14与第一出口部36之间的第一扩散器/蜗壳54。类似地，离心压缩机10包括：配置在第二入口部38与第二级叶轮32之间的第二级入口导向叶片56；以及配置在第二级叶轮32与第二出口部40之间的第二扩散器/蜗壳58。尽管所图示的实施方式包括第一级入口导向叶片52和第二级入口导向叶片56，但是入口导向叶片是可选的，所要求保护的发明不限于配备有入口导向叶片的离心压缩机。

附加地，尽管所图示的实施方式的离心压缩机10具有单个电动机16和单个旋转轴50，其中第一级叶轮14和第二级叶轮32两者均附接于旋转轴50，但是本发明也可以应用于针对离心压缩机的第一级侧和第二级侧中的每一个设置有单独的电动机和轴的离心压缩机。此外，如前所述，本发明也可以应用于单级压缩机。

如图2所示，壳体12还包括与电动机外壳部44的第一端接合并围绕第一级叶轮14的第一端部60。壳体12还包括与电动机外壳部44的第二端部接合并围绕第二级叶轮32的第二端部62。第一端部60包括在第一级叶轮14的入口侧(轴向外侧)与第一级叶轮14紧邻地布置的第一护罩盖部64。在所图示的实施方式中，第一护罩盖部64具有与第一级叶轮14的入口侧的轮廓大致对应的弯曲形状。同样地，第二端部62包括在第二级叶轮32的入口侧(轴向外侧)与第二级叶轮32紧邻地布置的第二护罩盖部66。在所图示的实施方式中，第二护罩盖部66具有与第二级叶轮32的入口侧的轮廓大致对应的弯曲形状。

所图示的实施方式的离心压缩机10的旋转轴50支承在被固定地支承于壳体12的磁轴承组件68上。磁轴承组件68包括第一径向磁轴承70、第二径向磁轴承72和轴向磁轴承74。轴向磁轴承74通过作用于推力盘76而沿旋转轴线X对旋转轴50进行支承。轴向磁轴承74包括附接到旋转轴50的推力盘76。推力盘76沿垂直于旋转轴线X的方向从旋转轴50径向地延伸，并且相对于旋转轴50固定。磁轴承是利用磁力使旋转轴悬浮以使旋转轴能以非常低的摩擦发生旋转的轴承。尽管在此描述了磁轴承，但是本领域技术人员从本公开中可以明显看出，可以在根据本发明的离心压缩机10中使用其他类型和形式的轴承。

现在将参照图3至图11，对第一级叶轮14的形状进行说明。在本实施方式中，第二级叶轮32具有类似的形状。因此，为了简洁起见，省略了第二级叶轮32的详细描述。

如前所述，离心压缩机10的第一级叶轮14配备有在准正交横剖视图中具有完全非线性形状的第一叶片18。准正交横剖视图是位于横穿第一级叶轮14 的子午面的横截面中的视图。子午面是在圆柱坐标系中由恒定极角限定的平面，该圆柱坐标系布置成使得圆柱坐标系的Z轴线与第一级叶轮14的旋转轴线X重合。由于第一叶片18不是平坦的，因此，第一叶片18中一个的子午视图(meridional view)被限定为第一叶片18在经向面上的投影。准正交横截面是位于垂直于子午面并穿过第一叶片18的平面中的截面。例如，参见图 4中的横截面A-A和B-B。

在本实施方式中，如图3和图6A所示，第一级叶轮14是包括轮毂部H 和护罩部S的封闭型叶轮。第一叶片18配置在轮毂部H与护罩部S之间。在第一级叶轮14中，通过将经过轮毂部H和护罩部S的曲线的标准化长度的类似点连接来限定准正交视图。如图4所示，第一级叶片14的准正交横截面形状在准正交横截面A-A和B-B的每一个中是完全非线性的。在本实施方式中，第一级叶片14的所有准正交横截面具有非线性形状。此外，在本实施方式中，准正交横剖视图中的非线性形状的曲率沿准正交横剖视图的长度从轮毂部至护罩部发生变化。根据特定的设计参数，准正交横截面的横截面形状可以是大致C形的，或者可以是具有拐点的S形的，曲率在该拐点处改变方向。完全非线性的第一级叶片14在准正交横截面中是非线性的，因为它们的形状不由诸如平面、圆柱面和圆锥面等表面限定，并且它们的形状响应于特定设计要求而更自由地发生变化。

如图6A所示，在第一级叶轮14的位于包括旋转轴线X的剖面的横剖视图中，第一叶片18的横截面形状也是非线性的。附加地，如图7A和图7B所示，当沿平行于旋转轴线X的方向观察第一级叶轮14的入口侧(即，布置成面向第一级入口导向叶片52的一侧)时，每个第一叶片18的前缘18A具有非线性形状。

如图10所示，在本实施方式中，第一叶片14在位于垂直于旋转轴线的平面中的横剖视图中具有非线性形状。此外，在本实施方式中，第一叶片14在位于沿第一叶片的轴向长度垂直于旋转轴线的平面中的所有横剖视图中具有非线性形状，并且第一叶片14在穿过子午面的所有准正交横剖视图中具有非线性形状。此外，在本实施方式中，如图11A和图11B所示，第一叶片18在子午面中纵向地穿过第一叶片18截取的横截面中具有非线性横截面形状。

相比之下，在常规的2D叶轮100中，如图5中的准正交横截面C-C和 D-D所图示，常规的2D叶轮100的叶片102的所有准正交横截面具有完全线性的形状。如图6B所示，2D叶片102的横截面形状在2D叶轮100的、位于包括旋转轴线的剖面中的剖视图中也是线性的。因轮毂与护罩之间的叶片的厚度的变化，2D叶片可以具有锥形形状，但是在2D叶片的这些横截面中，横截面形状是线性的。附加地，如图8A和图8B所示，在沿平行于旋转轴线的方向观察时，2D叶轮100的叶片102的前缘102a在2D叶轮的入口侧的侧视图中是线性的。2D叶片102存在线性是因为2D叶片102是直纹的叶片，其中叶片102的形状由诸如平面、圆柱面和圆锥面等特定形状的表面限定。

在本实施方式中，第一级叶轮14通过铸造制成。因完全非线性刀片的复杂形状，使用常规的切割和加工技术来制造完全非线性刀片是具有挑战性的。在本实施方式中，第一级叶轮14的第一叶片18通过铸造制成，以便精确地再现第一叶片18的完全非线性设计。然而，第一级叶轮不限于通过铸造制成。可以使用其他制造方法。例如，可以使用三维打印。

已经发现，当第一叶片18和/或第二叶片42中每一个的轮毂侧叶片角增量沿流向方向、即从叶轮的入口到叶轮的出口的叶片长度方向在与叶片的后缘相比更靠近叶片的前缘的位置处最大(即，具有峰值)时，使用低GWP制冷剂获得了期望的结果。更具体地，3D叶轮叶片的叶片角相对于沿流向方向的位置和经过从轮毂到护罩的跨距的位置两者均发生变化。在本申请中，“叶片角增量”被定义为沿跨距方向的规定位置范围内的最大叶片角与最小叶片角之间的差。因此，例如，针对沿流向方向的任何给定位置，可以确定从轮毂到中间跨距的位置范围的叶片角增量，并且针对沿流向方向的任何给定位置，可以确定从中间跨距到护罩的位置范围的叶片角增量。在本申请中，前者被称为“轮毂侧叶片角增量”，后者被称为“护罩侧叶片角增量”。

因此，已经发现，第一叶片18和/或第二叶片42优选地构造成使得每个叶片的轮毂侧叶片角增量在更靠近前缘的位置处最大(即，具有峰值)，并且更优选地在处于沿流向方向的叶片长度的10％至40％的范围内的位置处最大，其中0％对应于叶轮叶片的前缘，100％对应于叶轮叶片的后缘。另外，已经发现，当在轮毂侧叶片角增量最大的位置处，轮毂侧叶片角增量处于10至30度的范围内时，获得了优异的性能。参见图14。

类似地，已经发现，第一叶片18和/或第二叶片42优选地构造成使得每个叶片的护罩侧叶片角增量在更靠近前缘的位置处最大(即，具有峰值)，并且更优选地在处于沿流向方向的叶片长度的10％至40％的范围内的位置处最大，其中0％对应于叶轮叶片的前缘，100％对应于叶轮叶片的后缘。另外，已经发现，当在护罩侧叶片角增量最大的位置处，护罩侧叶片角增量处于6至14度的范围内时，获得了优异的性能。此外，护罩侧叶片角增量优选地在与前缘相比更靠后缘的位置处具有第二峰值，更优选地在处于沿流向方向的叶片长度的70至100％的范围内的位置处具有第二峰值。另外，已经发现，当在护罩侧叶片角增量的第二峰值的位置处，护罩侧叶片角增量处于2至8度的范围内时，获得了优异的性能。参见图15。

现在将参照图12说明叶片角。图12是垂直于叶轮的旋转轴线的平面中的横截面。叶片角可以由等式tanβ＝rdθ/dm定义，其中β是叶片角，r是极坐标中的沿着叶片的特定位置的半径，θ是弧面曲线的切线坐标，并且m是子午线距离(meridional distance)。叶片角β是子午面和垂直于旋转轴线的平面中的叶片的叶弦的切线的倾斜度。在图12中，叶片角β可以视为与叶弦相切的直线和与子午面的投影对应的直线之间的角度。在3D叶片中，如上所述，叶片角β相对于沿流向方向的位置和经过从轮毂到护罩的跨距的位置两者均发生变化。

还发现，每个叶片的轮毂侧包角增量优选地在与后缘相比更靠近前缘的位置处最大(即，具有峰值)。参见图16。更优选地，峰值轮毂侧包角增量处于沿流向方向的叶片长度0％与40％之间。附加地，在轮毂侧包角增量最大的位置处，轮毂侧包角增量优选地处于2与11度之间。在此，包角是当沿3D叶轮的轴向方向观察时叶片从轮毂到护罩之间的角度扩展。参见图13中的角度θw。在本实施方式中，每个第一叶片18的后缘18b具有正倾角θ。如图9A至图9C所示，正倾角意味着第一叶片18的后缘18b从轮毂部H到护罩部S在第一级叶轮14的旋转方向上倾斜。即，如图9C所示，当后缘18b与护罩S 接合的部分相对于后缘18b与轮毂H接合的部分在第一级叶轮14的旋转方向上发生偏移，使得从旋转轴线X到后缘18b与护罩S接合的部分的径向线相对于从旋转轴线X到后缘18b与轮毂H接合的部分的径向线形成倾角θ时，存在正倾角。这种偏移也被称为“叠加”。已经发现，从抑制二次流动和实现离开叶轮的更均匀流动的角度来看，正倾角是有利的。因此，通过将正倾角与完全非线性的叶片形状相结合，当在HVAC应用中使用低全球变暖潜能(GWP) 制冷剂时，本实施方式的第一级叶轮14可以实现高水平的性能，例如宽运行范围和高效率。

术语的总体说明

在理解本发明的范围时，本文所使用的术语“包括”及其衍生词旨在表示开放型术语，其指定表述的特征、元件、零件、组、整体和/或步骤的存在，但是不排除其他未表述的特征、元件、零件、组、整体和/或步骤的存在。前述情况也应用于具有类似含义的词语，诸如术语“包含”、“具有”及其衍生词。而且，当以单数形式使用时，术语“部件”、“部”、“部分”、“构件”或“元件”可以具有单个部件或多个部件的双重含义。

本文所使用的用于描述设备的零件、部分或部件的术语“构造”包括构成和/或编程为执行期望功能的硬件和/或软件。

本文所使用的诸如“基本上”、“大约”以及“大致”的程度术语是指改进后的术语的合理偏差量，而最终结果不会显著改变。

尽管仅选择了选定的实施方式对本发明进行了说明，但是本领域技术人员从本公开中可以明显看出，能够在不脱离所附权利要求书限定的本公开的范围内进行各种改变和变型。直接连接或彼此接触地示出的部件能够具有配置在它们之间的中间结构。一个元件的功能可以由两个元件来执行，反之亦然。一个实施方式的结构和功能可以在另一个实施方式中采用。所有优点不需要同时出现在特定实施方式中。现有技术中每个唯一的特征单独或与其他特征相结合也应当被认为是申请人对进一步发明的单独描述，包括由这些特征所体现的结构和/或功能概念。因而，根据本发明的实施方式的前述描述仅被提供用于说明，并不旨在限制由所附权利要求书及其等同物所限定的本发明。

如本文所使用地那样，如“垂直”、“上”、“下”、“上部”、“下部”、“较高”、“较低”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”、“侧视图”和“平面图”这样的方向术语以及任何其他类似的方向术语是指作为整体的组件和/或系统的安装状态下的那些方向。由此，在用于描述用于冷却器系统的离心压缩机、叶轮和制冷回路时，这些方向术语应相对于通常的安装状态下的冷却器系统进行解释。

附加地，本文所用的术语“低全球变暖潜能(GWP)制冷剂”是指适合用于冷却器系统的制冷回路中且以CO₂气体为基准造成全球变暖的潜能低的任何制冷剂或制冷剂混合物。本申请引用R1233zd、R1234ze和R1234fy作为低 GWP制冷剂的示例。然而，制冷领域的普通技术人员将认识到本发明不限于这些制冷剂。

还应理解，尽管术语“第一”和“第二”在本文中被用于描述各种部件，但是这些部件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个部件与另一个部件区分。因此，例如，在不脱离本发明的教导的情况下，上面讨论的第一部件可以被称为第二部件，反之亦然。本文所用的术语“附接到”或“附接”包括：通过将元件直接地附加于另一个元件而将元件直接的固定于另一个元件的构造；通过将元件附加于(多个)中间构件，该中间构件又固定于另一元件，从而将元件间接地固定于另一个元件的构造；以及一个元件与另一个元件是一体的、即一个元件基本上是另一个元件的一部分的构造。上述限定也适用于具有类似含义的术语，例如，“接合”、“连接”、“联接”、“安装”、“粘结”、“固定”以及它们的派生词。

Claims (20)

1.一种离心压缩机，所述离心压缩机与低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂一起使用，所述离心压缩机包括：

壳体，所述壳体具有第一入口部和第一出口部；

第一叶轮，所述第一叶轮配置在所述第一入口部与所述第一出口部之间，所述第一叶轮附接于能绕旋转轴线旋转的轴的第一端，所述第一叶轮配备有在准正交横剖视图中具有完全非线性形状的第一叶片，从所述第一叶轮的轮毂部到所述第一叶片的中间跨距位置，每个所述第一叶片的轮毂侧叶片角增量沿流向方向发生变化，使得所述轮毂侧叶片角增量在与所述第一叶片的后缘相比更靠近所述第一叶片的前缘的位置处最大；

电动机，所述电动机布置在所述壳体内以使所述轴旋转，进而使所述第一叶轮旋转，

所述壳体构造成使得低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂沿所述第一叶轮的轴向方向从所述第一入口部进入所述叶轮，并且沿所述第一叶轮的径向方向从所述第一叶轮流出到所述第一出口部。

2.如权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，

所述轮毂侧叶片角增量最大的位置处于沿流向方向的所述第一叶片的叶片长度的10％与40％之间，其中0％对应于所述前缘，100％对应于所述后缘。

3.如权利要求1或2所述的离心压缩机，其特征在于，

在所述轮毂侧叶片角增量最大的位置处，所述轮毂侧叶片角增量处于10至30度的范围内。

4.如权利要求1至3中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，

从所述轮毂部到所述中间跨距位置，每个所述第一叶片的轮毂侧包角增量沿流向方向发生变化，使得所述轮毂侧包角增量在与所述后缘相比更靠近所述前缘的位置处最大。

5.如权利要求4所述的离心压缩机，其特征在于，

当沿平行于所述旋转轴线的方向观察所述第一叶轮的入口侧时，每个所述第一叶片的所述前缘具有非线性形状。

6.如权利要求1至5中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，

所述第一叶轮是包括所述轮毂部和护罩部的封闭型叶轮，所述第一叶片配置在所述轮毂部与所述护罩部之间，

从所述中间跨距位置到所述护罩部，每个所述第一叶片的护罩侧叶片角增量沿流向方向变化，使得所述护罩侧叶片角增量在与所述第一叶片的所述后缘相比更靠近所述第一叶片的所述前缘的位置处最大。

7.如权利要求6所述的离心压缩机，其特征在于，

所述护罩侧叶片角增量具有第二峰值，所述第二峰值配置成与所述前缘相比更靠近所述后缘，所述第二峰值小于最大的护罩侧叶片角增量。

8.如权利要求6或7所述的离心压缩机，其特征在于，

所述护罩侧叶片角增量最大的位置处于所述第一叶片的沿流向方向的叶片长度的10％与40％之间，其中0％对应于所述前缘，100％对应于所述后缘。

9.如权利要求6至8中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，

在所述护罩侧叶片角增量最大的位置处，所述护罩侧叶片角增量处于6至14度的范围内。

10.如权利要求6至9中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，

从所述中间跨距位置到所述护罩部，每个所述第一叶片的护罩侧包角增量沿流向方向发生变化，使得所述护罩侧包角增量在与所述后缘相比更靠近所述前缘的位置处最大。

11.如权利要求6至10中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，

每个所述第一叶片的后缘具有正倾角。

12.如权利要求1至11中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，还包括：

第二叶轮，所述第二叶轮附接于所述轴，

第二叶轮，所述第二叶轮配置在所述壳体的第二入口部与第二出口部之间，所述第二叶轮配备有在准正交横剖视图中具有非线性形状的第二叶片，从所述第二叶轮的轮毂部到所述第二叶片的中间跨距位置，每个所述第二叶片的所述轮毂侧叶片角增量沿流向方向发生变化，使得所述轮毂侧叶片角增量在与所述第二叶片的后缘相比更靠近所述第二叶片的前缘的位置处最大。

13.如权利要求12所述的离心压缩机，其特征在于，

所述第一叶轮和所述第二叶轮以背靠背的方式布置，所述电动机配置在所述第一叶轮与所述第二叶轮之间。

14.一种离心压缩机，所述离心压缩机与低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂一起使用，所述离心压缩机包括：

壳体，所述壳体具有第一入口部和第一出口部；

第一叶轮，所述第一叶轮配置在所述第一入口部与所述第一出口部之间，所述第一叶轮附接于能绕旋转轴线旋转的轴的第一端，所述第一叶轮配备有在准正交横剖视图中具有完全非线性形状的第一叶片，从所述第一叶轮的轮毂部到所述第一叶片的中间跨距位置，每个所述第一叶片的轮毂侧包角增量沿流向方向发生变化，使得所述轮毂侧包角增量在与所述第一叶片的后缘相比更靠近所述第一叶片的前缘的位置处最大；

电动机，所述电动机布置在所述壳体内以使所述轴旋转，进而使所述第一叶轮旋转，

所述壳体构造成使得低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂沿所述第一叶轮的轴向方向从所述第一入口部进入所述叶轮，并且沿所述第一叶轮的径向方向从所述第一叶轮流出到所述第一出口部。

15.如权利要求14所述的离心压缩机，其特征在于，

所述轮毂侧包角增量最大的位置处于沿流向方向的所述第一叶片的叶片长度的10％与40％之间，其中0％对应于所述前缘，100％对应于所述后缘。

16.如权利要求14或15所述的离心压缩机，其特征在于，

在所述轮毂侧包角增量最大的位置处，所述轮毂侧包角增量处于2至11度的范围内。

17.一种产生制冷的方法，包括：

在冷却器系统内对低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂进行压缩，所述冷却器系统包括具有叶轮的离心压缩机，所述叶轮附接于能绕旋转轴线旋转的轴，所述叶轮配备有在准正交横剖视图中具有非线性形状的叶片，从所述叶轮的轮毂部到所述叶片的中间跨距位置，每个所述叶片的轮毂侧叶片角增量沿流向方向变化，使得所述轮毂侧叶片角增量在与所述叶片的后缘相比更靠近所述叶片的前缘的位置处最大。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，

所述叶轮是包括轮毂部和护罩部的封闭型叶轮，所述叶片配置在所述轮毂部与所述护罩部之间。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，

所述准正交横剖视图中的非线性形状的曲率从所述轮毂部到所述护罩部沿所述准正交剖视图的长度发生变化。

20.一种制冷回路，包括：

如权利要求1至16中任一项所述的压缩机；

冷凝器；

膨胀阀；

蒸发器；以及

将所述压缩机、所述冷凝器、所述膨胀阀和所述蒸发器连接以形成回路的管道，所述制冷回路含有低全球变暖潜能制冷剂、即低GWP制冷剂。

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