CN1178293A - 离心压缩机的可变管道扩压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于离心压缩机的可变管道扩压器。该可变管道扩压器包括一外环和一在外环中在一第一打开位置与第二关闭位置之间沿圆周可转动的内环。在打开位置内、外环的互补的空气槽部分彼此对齐以使最大量的流体通过该扩压器。在关闭位置两环的诸流动槽不对齐,限制了制冷剂通过该扩压器。利用将扩压器的两环朝一关闭位置调节,在即使需要高的压缩机压力比的情况下也能避免喘振状态的发生。

Description

离心压缩机的可变管道扩压器

本发明总的涉及离心压缩机，特别涉及一种离心压缩机的扩压器结构。

当将离心蒸气压缩机用于压缩机负荷在大范围内变化的场合时，所产生的主要问题之一是经过压缩机的流动稳定性。压缩机入口、叶轮和扩压器通道的尺寸必须设计得可提供所需的最大容积流动速率。当通过这样的压缩机的容积流动速率较低时，流动就不稳定。当容积流动速率低出一稳定范围之外时，就进入一轻微不稳定的流动范围。在此范围内，在扩压器通道里出现部分逆转的流动，从而产生噪音并降低压缩机的效率。在此范围以下，压缩机进入大家熟知的喘振状态，此时在扩压器中有周期性的完全的逆向流动，从而破坏机器的效率，危害机器另件的整体性。由于在压缩机诸多应用中希望有大范围的容积流动速率，前人提出过大量的修改建议以期改善在低容积流动速率时的流动稳定性。

曾有许多方案被提出以在大的操作范围内保持高的机器效率。在美国专利4070123中，在致力于使机器性能与改变负荷要求相配合方面对整个叶轮形状作了修改以适应负荷的改变。在美国专利3362625中公开了可调的扩压器限流器，它用于调节扩压器中的流动旨在改善在低容积流动速率时的稳定性。

一种用于对一离心机在大的流动范围内保持高的工作效率的普通技术是，使用可变宽度扩压器结合固定的扩压器导片。

转让给同一受让人的美国专利2996996和4378194描述了几种具可变宽度导片的扩压器，其中的扩压器导片是通过螺栓连接被牢固地固定在扩压器的其中一壁上。这些叶片可穿过在另一壁上形成的诸开孔，从而使扩压器的几何尺寸能随着负荷条件的改变而改变。

将诸多扩压器叶片固定安装于其中一壁上的办法带来许多问题，尤其是有关机器的制造、维护和操作方面的问题。在组装时用来固定叶片的空间太小。当将叶片在修理后重新安装时，如叶片稍有不对中，就会卡在或擦于相对的壁上。类似地，如顺序的一或多个叶片在组装时必须更换时，一般必须将整个机器拆开以便进行更换。

按照其主要的构思并广义地说，本发明涉及一种离心压缩机的可变几何形状的管道扩压器。

按本发明的可变几何形状管道扩压器(也可称为分环管道扩压器)包括一第一内环和一第二外环。内、外环具有在它们上形成的互补的入口流动槽部分。也就是说，每一内环的入口流动槽部分均有一形成于外环上与之互补的入口流动槽部分相对应。内、外环可彼此相对旋转。最好是，内环在外环之内沿圆周转动。但是，外环只能当内环静止时可绕其在圆周方向转动。

当一环相对另一环转动时，两环的每对互补的空气槽部分改变。两环可在一打开位置与一第二关闭位置之间调节，其中，在打开位置时两环的诸互补的槽部分对齐，使最大量流体通过内、外环，而在关闭位置时，通过诸槽的流体流动受到限制，并使通过内、外环的诸互补的入口流动槽部分的流体量减少。两环也可在打开和关闭位置之间调节到任何数的中间位置。

在第二关闭位置时，应使在全开位置时的至少10％流量的流体流过扩压器，以防止对机器的诸组件的过多的热动力加热。为避免热动力加热，在两环件之间的相对转动量要限制到一为进入一第二关闭位置所需的转动量。换言之，两环不要调节得完全关闭两环之间的流体流动。两环之间的可允许的旋转度由全闭位置时在两环之间所需的流量和两环件中的诸入口空气槽的数量及容积所决定。通过提供一内环，也可防止全部关闭一入口流动槽，该内环具有诸无槽部分，该部分的宽度小于一外环流动槽的最小宽度。

通过将可变管道扩压器朝一关闭位置调节，具有本发明的扩压器的一压缩机的性能曲线上的喘振点被朝一较低流动速率调节。由一压缩机在这低流动速率时产生的压力大致等于一具有一扩压器的压缩机在全开位置时产生的压力。所以，本发明特别有助于调节压缩机的特性，使一压缩机符合一低流动速率、高压力比状态。例如当室内与室外环境温度的温差较大，然而系统负荷较低时，需要这样一种工作状态。

通过如上述的对一可变扩压器的调节与对压缩机的诸入口导片的调节的结合，常能使一压缩机在一给定的工作状态时的效率最佳。

在所有的附图中的相同的标号表示相同的另件。

图1是本发明的具有一可变管道扩压器的压缩机的侧剖视图；

图2是本发明的可变管道扩压器的立体图；

图3和4是表示本发明的可变管道扩压器分别在第一打开位置和第二关闭位置时的情况的正剖视图；

图5是本发明的可变管道扩压器的性能图；

图6是只具有诸入口导片的压缩机的性能图；以及

图7是具有一可变管道扩压器和诸入口导片的本发明的压缩机的性能图。

现在看图1。本发明安装在一离心压缩机10上，该压缩机具有一将制冷剂蒸气加速到一高速度用的叶轮12、一将制冷剂减速到一低速度而同时使动能转变为压力能的扩压器14和一排放压力通风系统，该系统呈一收集器16的形式，用来收集排放的蒸气后立即送给一冷凝器。叶轮12的动力是由一电动机(未图示)供给的，该电机在靠压缩机的另一端是气密封的，并使一高速轴19旋转。

现在来看在压缩机10里制冷剂流动的方式。制冷剂进入吸入壳31的入孔29，通过叶片环组件32和导片33，然后进入压缩吸入区23。该压缩吸入区由内侧的叶轮12和外侧的壳34所限定。在压缩后，制冷剂即流入扩压器14、收集器16和排放管(未图示)。

如图1-3所示，按本发明的一可变几何形状管道扩压器14包括一第一内环40和一第二外环42。内、外环上分别形成有互补的流动槽部分44和46。也就是说，内环40上的每个流动槽部分44均有一与之互补于外环42上形成的槽部分46相对应。内、外环40和42彼此相对旋转。最好是，内环40在外环42之内沿圆周旋转。但是，外环42当内环40静止时可绕其沿圆周旋转。

当一环相对另一环转动时，内、外环的每对互补的入口流动槽的对中性改变了(参阅图3和4)。环40和42在一第一打开位置(如图3所示)与一第二关闭位置(如图4所示)之间调节。在上述第一打开位置时，诸互补的槽部分是对准的，流过内、外环40和42的流体量最大；而在上述第二关闭位置时，诸互补的槽不对准，流经槽部分44和46的流体量就受限制。

流体在一第二关闭位置时流经扩压器14的流动速率与打开位置时的流动速率有关系，它取决于在关闭位置时扩压器的流动槽的最小横截面积与在打开位置时的流动槽的最小横截面积(由互补的槽部分44和46限定)之比。该最小流动槽面积，通常称为“喉区”总的是由扩压器14在打开位置时的内环槽44的流道52的最小直径决定的，而当扩压器14处于第二关闭位置时，它是由在内、外环40和42之间的间隙处的宽度53所控制的。例如，当在第二关闭位置时的扩压器槽的最小面积(喉区)具有1/8英寸的直径，而在打开位置时的最小面积(喉区)具有1/4英寸的直径时，则在关闭位置时流体通过一扩压器的容积流动速率为约在全开位置时的流动速率的50％。当扩压器14在第二关闭位置时流体通过压缩机10的流动速率一般是当扩压器处在第一打开位置时的速率的10％至100％之间。

在第二关闭位置时(图4)，有在全开位置时的至少约10％容量的流体要流过扩压器14，使压缩机10的诸组件免受过多的热动力加热。为了避免过多的热动力加热，两环件之间的相对转动量应被限制到为产生一第二关闭位置所必须的一转动量。换言之，该两环不必调节到完全关闭掉两者之间的流体流动。两环之间的许可的转动程度是由在全闭位置时两环之间所需的流量、相对于环件40和42的容积的环件40和42上的入口流动槽部分44和46的容积以及入口流动槽部分40和42的数量所决定的。如提供一有一无槽部分的内环40则能避免完全关闭入口流动槽，该无槽部分的宽度小于外环槽部分46的最小宽度。

继续看图4。R₂是叶轮尖端部的半径，R₃是内环40的半径，而R₄是外环的半径。当内环40的厚度T＝R₃-R₂不大于为截住一所需部分的流过外环槽46的流体(如50％的流量)所必需的厚度，就能有效地控制通过扩压器的流体的流动。内环相对于外环的旋转在发生任何扩散前将减小扩压器喉区面积，从而防止了在扩散后的流动加速。还有，内环厚度T愈小，则流过该部分关闭可变管道扩压器的流体的拐角就愈小。上述两方面的作用会改善在部分负荷工作状态下的压缩机效率。

本发明的一可变管道扩压器也可做成使一内环40相对于一外环42沿轴向移动。这样的一实施例通常不如上述一对沿圆周可转动的环的情况更好，这是因为在一对彼此沿轴向相对可移动的扩压器环中，90°转角所致的转向损耗(turningloss)较高。提供该对彼此沿轴向可相对移动的环的情况与在被共同转让的美国专利4527949、4378194和4219305中描述的类似，这些专利的情况已被本文所引用。

结合图5可理解本发明的操作和使用，该图表示一具有一已被装入的、本发明的可变管道扩压器的压缩机的性能图。该图5的性能图包括多条性能曲线，每条曲线相应于对在内、外环40和42之间的精细定位情况。每条性能曲线，如“60”，是以一喘振点，如“70”为特征的，该点是最大可达压力点。当压缩机在喘振点或喘振点之下以一流动速率工作时，可能会引起喘振状态，这在本发明的背景技术里已有描述。

为了图示说明本发明，曲线60如对应于一第一打开位置，曲线62对应于一中间的2度关闭位置，曲线64对应于一中间的4度关闭位置，而曲线68则对应于最大的8度关闭位置。

可看出：将环件40和42向一关闭位置调节，其作用是将一压缩机的性能曲线上的喘振点，如70、72朝一较低的流动速率调节。这样，通过将扩压器环40和42向一关闭位置调节在需要低流速时能避免产生喘振状态。

在将一具有一可变扩压器的压缩机的性能图(图5)与一仅有诸可调的入口导片的压缩机的性能曲线7(图6)比较后，有助于理解本发明。在图6中，曲线80、82、84、86和88分别对应于在诸逐渐关闭的位置的诸导片33的精细的定位。可看出：关闭诸导片33，如象关闭扩压器环件40和42的作用是降低喘振点流动速率。如此，通过将诸入口导片33向一关闭位置调节常能避免发生喘振状态。

然而，从性能图6可看出：将诸导片33向一关闭位置调节的另一作用在于降低压缩机10提供的在喘振点的排出压力。因此，只是调节诸导片33就不能满足要求一较高压力的低流动速率工作状态。

而从性能图5可看出：当扩压器环40和42朝一关闭位置调节时，压缩机10提供的喘振点压力保持基本稳定。因此，通过将扩压器环40和42向一关闭位置调节就能满足要求一低流动速率和高压缩机压力的工作状态。

当环境温度与室内温度之间的温差较大(如约50°F或更大)，然而在室内制冷偶然有轻微的负载的情况下，一种要求低流动速率和相对于满负荷操作压力比(例如，满负荷的90％)的高压力比的工作状态是普遍的。在这种情况下，一较高的压缩机压力比(如约2.5以上)是由对应于冷凝器的制冷剂饱和压力和蒸发温度所要求的，但仅仅一减小了的流动速率，如满负荷的25％，是需要用来去除室内产生的热量。图7表示了一同时具有诸可调导片和一本发明的可变管道扩压器的压缩机的性能曲线。可看出：通过对诸导片的调节与对扩压器环40和42的调节的结合，能使压缩机的效率最佳。参阅图7，其中的虚曲线111、112、113、114、115和116表示一具有一可变的扩压器的压缩机在一全开位置对诸入口导片33的许多定位情况下的诸性能曲线，而诸实线101、102、103、104和105表示了一压缩机在许多导片定位时的性能曲线，该压缩机具有诸关闭的(在此，关闭位置时有40％的最初流动速率)扩压器环。正如本技术领域的普通人员所熟知的，压缩机在表征其性能的性能曲线的“拐点”(如图6中的“81”)时的工作效率最佳。参阅图7，当压缩机按曲线104操作，则要求如压力为约0.7最大、流动速率约0.3最大的工作状态将最有效地满足该压缩机的工作，该压缩机是按曲线104操作的，其中的扩压器环40和42被调节到一关闭位置，而诸导片被调节到-10度位置。

图1中表示了一种是内环40在外环42中沿圆周转动用的机械装置。与内环40整体结合的气缸120从内环40与之共同延伸，并管道连接于法兰122，该法兰122从气缸120沿径向朝外延伸。法兰122与齿轮124啮合，该齿轮124是通过轴126由电动机128驱动。该电动机128经选择并控制以使啮合40相对外环42在全开和一第二关闭位置和在该两位置之间的任何数目的中间位置中移动。轴126安装在一传统的壳座130中，该壳座是从电动机内部132气密密封的，用以防止流体通过壳座130漏出压缩机10。

如从图2可很好看到：外环42有一座136以确保内环40与外环42之间的对中，并可防止流体从两环间的界面漏出。

Claims (8)

1.一离心压缩机，它具有一箱体和一可旋转地安装于该箱体内的叶轮，用于将一工作流体从一入口带到一圆形的沿径向设置的扩压器的入口，所述扩压器的特征在于，它具有：

一第一内环，所述内环具有多个形成在其上的第一流动导槽部分；

一第二外环，所述外环具有多个形成在其上的第二流动导槽部分，所述每个第二导槽部分有一互补的第一流动导槽部分；以及

驱动装置，它用来使所述第一和第二环在一第一打开位置与第二关闭位置之间彼此相对转动，其中，在所述打开位置时所述互补的第一和第二流动槽部分对齐，使最大量流体流过所述互补的槽部分，而在所述的关闭位置时所述第一和第二互补的流动导槽不对齐以限制流体流过所述互补的槽部分。

2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述驱动装置带动所述内环在所述外环内沿圆周转动。

3.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述驱动装置带动所述外环绕所述内环沿圆周转动。

4.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述驱动装置包括限制装置，它用来限制在所述内、外环之间的转动，使在所述第二关闭位置，流过所述槽的空气流不小于当所述扩压器处在所述第一打开位置时流过所述槽的空气流的约10％。

5.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述驱动装置包括：

一气缸，它从所述内环共空间地沿伸；

一法兰，它从所述气缸沿径向朝外地延伸；

一齿轮装置，它在与所述法兰的啮合关系中用于转动所述法兰；以及

电动机装置，它用来驱动所述齿轮装置。

6.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述内环包括多个坚固的无槽部分，所述每个无槽部分的宽度小于所述外环流动导槽部分的最小宽度。

7.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述内环的厚度不大于为堵住所需部分的通过所述外环流动导槽部分的流体所必需的厚度。

8.一离心压缩机，它具有一箱体和一可旋转地安装于该箱体内的叶轮，用于将一工作流体从一入口带到一圆形的沿径向设置的扩压器的入口，所述扩压器的特征在于，它具有：

一第一内环，所述内环具有多个形成在其上的第一流动导槽部分；

一第二外环，所述外环具有多个形成在其上的第二流动导槽部分，所述每个第二导槽部分有一互补的第一流动导槽部分；以及

驱动装置，它用来使所述内、外环沿轴向彼此相对转动。

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