CN1639466B - 离心式压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离心式压缩机。该压缩机是一种基于磁性轴承技术的紧凑而高效的压缩机，并且该压缩机可高速运行且具有一可靠控制系统。本发明的压缩机采用了安装在一台共用电动机上从而共享一单一驱动装置的两个分开的压缩机。高转速下的轴向力的平衡是通过采用一对电磁轴承实现的。

Description

离心式压缩机
技术领域
本发明涉及离心式压缩机。更准确地说，本发明涉及一种复式离心式压缩机。
背景技术
压缩机通常用于制冷系统、环境控制系统、空调系统以及其它类似系统中。为方便起见，将特别参照空调系统对本发明予以说明。空调系统使用各种不同规格型号的压缩机，其范围可涵盖从用于机动车辆和家用的非常小型的压缩机，直到用于商用空调设备中的容量高达几千吨的压缩机。
目前，制冷系统和空调系统使用一种R12型制冷剂或一种作为被认为对环境有潜在危害的CFC或HCFC制冷剂的奇异制冷剂或目前被关于臭氧层的蒙特利尔协定所批准可用到2030年的R22制冷剂。然而，任何制冷剂的使用必然是数量逐渐减少。一种主要的无CFC商用制冷剂目前无条件地为蒙特利尔协定以及国际采暖、通风和空调产业协会(HVAC)所认可，这是一种被称为R134A的制冷剂。但是从经济角度看这种制冷剂尚不适合直接取代现有血液设备或半血液设备中的CFC制冷剂，因为R134A的化学结构会导致达30％的性能损失。而且，R134制冷剂基本不适合用于未作重大机械改装的现有压缩机，因为这种制冷剂在化学上无法与目前用于压缩机的机械轴承及其它转动或往复运动部件的润滑剂兼容。
现有空调系统的另一个难题是容量在1至150千瓦的小型至中型制冷系统传统上采用往复式、转动式或蜗杆式压缩机，这几种压缩机制造较便宜但效率也较低。规格在50至300吨之间螺杆式压缩机效率较高，尽管大多数180吨以上的系统采用离心式压缩机，因为离心式压缩机比螺杆式压缩机更有效。然而，主要包括一个通过引起压缩的离心作用将空气沿径向向外输送至转子的定子的离心式压缩机的转速高且制造和维护成本通常也非常高。
总之，180吨以下的较小设备的效率受到往复式、转动式、涡杆式和螺杆式压缩机中的现有技术的制约。而离心式压缩机能在较低的容量范围内提供较高的效率，但受高转速驱动装置及其成本的制约，其应用也受到限制。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改进的离心式压缩机。
更具体地说，根据本发明，提供了一种复式离心式压缩机，该复式离心式压缩机包括一电动机组件、一安装在所述电动机组件的一第一端部上的第一压缩机和一安装在所述电动机组件的一第二端部上的第二压缩机，所述电动机组件位于所述第一压缩机和所述第二压缩机之间，其中所述第一压缩机和所述第二压缩机是彼此镜像对称形式的，并且是都包括一第一级叶轮和一第二级叶轮的离心式压缩机，所述第一压缩机和所述第二压缩机的所述第一级叶轮和所述第二级叶轮都背对背地安装在由所述电动机组件的一定子驱动的一转子的一端部上。
本发明还提供了一种复式离心式压缩机，它包括一包括一无刷直流永磁定子和一转子的高速电动机组件；一安装在所述转子的一第一端部上的第一离心式压缩机；以及一安装在所述转子的一第二端部上的第二离心式压缩机；其中，所述第一压缩机和所述第二压缩机都包括一第一级叶轮和一第二级叶轮，所述第一压缩机的第一级叶轮和第二级叶轮安装在由所述无刷直流永磁定子驱动的一转子轴的一第一端部上，并且所述第二压缩机的第一级叶轮和第二级叶轮安装在所述转子轴的一第二端部上，并且其中，所述电动机的速度至少为150,000转/分。
本发明还提供了一种模块化制冷系统，该模块化制冷系统包括一安装在一高速电动机组件的一转子的一第一端部上的第一压缩机；以及一安装在所述转子的一第二端部上的第二压缩机；其中所述第一压缩机和所述第二压缩机是都包括一第一级叶轮和一第二级叶轮的离心式压缩机，所述第一压缩机的所述第一级叶轮和所述第二级叶轮安装在由所述电动机组件的一无刷直流永磁定子驱动的转子轴的所述第一端部上，并且所述第二压缩机的所述第一级叶轮和所述第二级叶轮安装在由所述无刷直流永磁定子驱动的所述转子轴的所述第二端部上，其中，所述制冷系统还包括一控制电路，该控制电路采用根据检测的负荷条件启动和停止辅助压缩机的控制逻辑。
通过下列仅结合附图以示例方式给出的实施例的非限制性说明，可以对本发明的目的、优点以及特征有更为清楚的了解。
附图说明
在各附图中：
图1为根据本发明的离心式压缩机的侧视剖视图；
图2为根据本发明一实施例的包括图1离心式压缩机的系统的示意图；
图3为根据本发明另一实施例的包括图1离心式压缩机的系统的示意图；
图4为根据本发明又一实施例的包括图1离心式压缩机的系统的示意图；以及
图5为根据本发明再一实施例的包括图1离心式压缩机的系统的示意图。
具体实施方式
一般来说，本发明提供一种安装在一台共用电动机上从而共享一个驱动装置的由多离心式压缩机构成的压缩机，以便通过采用电磁轴承平衡高转速下的轴向力。
更准确地说，如附图中的图1所示，根据本发明的一复式离心式压缩机10包括装在壳体22内的一电动机组件12、一第一离心式压缩机14和一第二离心式压缩机18。
将第一离心式压缩机14安装在电动机组件12的一第一端部16上，并将第二离心式压缩机18安装在电动机组件12的一第二端部20上，使得电动机组件12基本位于第一和第二离心式压缩机14和18之间的中央处。
电动机组件12可以是一台包括一无刷直流永磁电动机定子24和一转子26的高速电动机组件。转子26具有一位于电动机组件12的第一端部16处的装有第一压缩机14的第一端部28，和一位于电动机组件12的第二端部20处的装有第二压缩机18的第二端部30。
转子26由本领域内公知的稀土材料例如钕铁硼稀土构成以提供极高的电效率并能承受非常高的速度。电动机组件12的速度可高达150,000转/分，甚至更高。这种高转速可使压缩机10在压缩机负荷范围内具有高效率。
壳体22是由稳定的耐高温的材料构成的。壳体22可由注塑成型的合成塑料材料、或填充有玻璃以提高强度的材料、或经机加工或铸造的金属例如铝或铁构成。
为简明起见，其由于第一和第二压缩机14和18基本相同，而且这两个压缩机是彼此镜像对称形式或者都根据特殊应用成形为一多级压缩机，因此，下面仅就第一压缩机14进行详细说明。
压缩机14通常是一种由背对背安装的两个压缩机级即一第一级叶轮32和一第二级叶轮34构成的离心式压缩机。两级叶轮32和34安装在由电动机组件12的无刷直流永磁电动机定子24驱动的转子轴26的第一端部28上。
轴向和径向电磁轴承36和38用来抵消作用于转子轴26上的轴向和径向负荷。该径向磁性轴承可以是采用永磁技术的被动或主动式的，或仅是主动式的。在这两种情况下，为其使用的控制电路可设置在该压缩机中。该控制电路可采用与壳体22一体成形并与该轴承固定部件和转动部件上的传感器结合的三维印刷电路板形式，所述控制电路在本领域中是公知的，此处不再详细说明。该控制电路可确定该轴承转动部件在某给定时间相对于该固定部件的位置，并发出误差信号以使磁性调节器纠正任何给定角位置处的任何偏差。
本发明还提供一种包括一电源装置的压缩机控制系统(未示出)该电源装置用于在压缩机10运行期间系统发生断电的情况下向该主动磁性轴承供电。这种电源装置包括向该电动机供电的电源切断时电动机组件12作为一发电机的使用，或产生一自持电源的该轴承的使用。当由于电动机12和磁性轴承36、38的电源的丧失而使转子轴26静止时，陶瓷接触轴承(ceramic touch down bearing)可用来支承轴承负荷。
应理解，本发明的两级压缩机能使作用于转子轴26上的轴向负荷基本平衡，从而极大地减少对一轴向磁性轴承的需求。
一气体入口腔40内装有可调节的导流叶片42，用来调节输往第一级叶轮32的气流。在一低负荷条件下，导流叶片42运动以减少气流，而在一高负荷条件下，导流叶片42开启以增加输往第一级压缩机14的气流。
在一可选实施例中，电动机速度可变，以便与该压缩机所要求的容量匹配，并且在有发生喘振或哽阻的风险的情况下，或在作用于设在该压缩机每一端部处的该叶轮上的负荷没有彼此相等地匹配的情况下，该导流叶片42进行调节。
在图1所示的实施例中，多片导流叶片42从壳体22的入口端40沿径向向内延伸，每一叶片皆可绕一沿径向延伸的轴转动。每一叶片都有一凸轮和一从该凸轮处延伸的指状件，该指状件与由壳体22支承的控制环45中的一对应槽接合，这样控制环45的转动可使该凸轮绕其各自轴运动，从而使导流叶片42转动。控制环45可由一直线电动机或类似装置(未示出)带动转动。
制冷气体在通过第一级叶轮32后经由一气体通道44到达第二级压缩机34的入口处。第二气体入口处可设置或不设置导流叶片，这取决于压缩机的尺寸规格和所需要的控制程度。
定子24与壳体22一起限定多条电动机冷却通道46，其间既可流通从一冷却回路导入的液态冷却剂，也可流通流经该压缩机的第二级或流经其两级的气态冷却剂。通过采用冷却剂作为冷却媒体，电动机热量能在该制冷回路的一冷凝器中得以消散，从而提供一有效的热传递系统。
本发明的两级压缩机在其入口40处、一中间通道41处和一出口通道43处分别设有压力变换器47、48和49。压力变换器47、48和49通过一采用一种控制逻辑的控制电路来控制电动机的速度，这样，可使第二级叶轮34的叶尖速度压力稍高于该组件的一冷凝器中的冷凝压力，并使该压缩机的运行点保持在喘振点之上。
位于气体入口腔40内的压力变换器49可对导流叶片42进行控制以控制流经该压缩机的气体通过量，并根据负荷提供稳定的吸入压力。当然，随着该负荷降低，该压缩机的速度也随之下降，或者，根据负荷与运行条件，导流叶片42关小以降低通过该压缩机的气体的流速。在某些情况下，当该压缩机的速度降至压缩机处于接近喘振状态点时，导流叶片42将仅处于关闭状态，而进一步的负荷下降则由导流叶片42掌控。在某些情况下，当该压缩机匹配不均匀时，导流叶片42必须关闭。
本领域内的技术人员将会认识到，本发明可提供各种容量的压缩机，其范围涵盖的系列可例如5至20吨，50至200吨，以及200至1000吨；其中，这些压缩机是采用了可在全部压缩机之间通用的多个零件的多级压缩机或多压缩机的压缩机。例如，壳体22、轴承36、38和电动机组件12对不同规格尺寸的机架的整台设备的每一台都是通用的，而轴承、电动机逆变器、压缩机控制器、软启动器、总系统控制以及多压缩机控制的控制平台对所有压缩机都是通用的。因此，改变容量所必须的变化仅仅是针对电动机的规格尺寸和功率以及叶轮和导流叶片的设计等。
值得注意的是，壳体、电动机冷却管线、压缩机迷宫以及其它内部构件可以采用通用电气公司的“ULTEMP”塑料材料或刚度极强的其它填充有玻璃的合成材料或铸造铝经注塑成型，所有这些构件都应是防化学腐蚀的，电气绝缘的和耐高温的。
本领域内的技术人员应该认识到，上述这种复式压缩机10可以是一种双制冷压缩机。
图2至图5示出含有本发明离心式压缩机的系统的几个示例。
在图2的系统200中，根据本发明的一台复式离心式压缩机201与例如在两个不同条件204和205下运行的两个分开的双蒸发器202和203、一台冷凝器206以及一台集液器207结合使用。系统200从而提供了一种多分区系统，可适应变化的负荷条件和运行吸气温度。该复式离心式压缩机201的压缩机的速度是可调的，以满足最大的需求。导流叶片208、210可以控制具有最小负荷的该系统200的容量。
图3表示包括根据本发明的复式离心式压缩机的另一系统300。复式离心式压缩机301用来将气体泵入两个分开的冷凝器306和307中，并且气体从此处再进入两个分开的蒸发器302和303中，该气体是从一条共用的液体输送管线308输送的。与具有一单一回路的等效系统相比，该系统300可提高安装和运行的灵活性和总能量节省。
在图4的系统400中，根据本发明的一复式离心式压缩机将气体泵入两个分开的冷凝器406和407中，并且气体从此处经由一液体输送管线408进入一蒸发器409。与具有一单台冷凝器的等效系统相比，这种系统400可提高制造和运行的灵活性以及总能量节省。
图5示出一包括根据本发明的多级压缩机501的系统500，其中该多级压缩机的一第一级机组501a将气体经由一连接管510直接泵入一第二级机组501b中。该气体在该处被泵入一冷凝器506中，并在返回至压缩机501的第一级机组501a之前从该处经由一膨胀装置511输送至一蒸发器509，从而构成闭环回路。本领域内的技术人员应理解，这种系统500可平衡轴向压力，而在一单端系统中产生的法向力则趋于变大，特别在采用箔带轴承或磁性轴承时更是如此。
从上述可明显看到，根据本发明的压缩机可用于一模块化制冷系统中，其中多个基本相同的模块化制冷单元被组装在一起以构成空调系统，而且设置有一可根据检测的负荷条件启动和停止辅助压缩机的控制逻辑。
而且，通过采用诸如箔带轴承或磁性轴承等无油/非润滑轴承技术，本发明的压缩机可以使用先进的制冷剂如R134A制冷剂。这种无油轴承技术还可允许非常高的转速，从而与标准离心式压缩机相比，该压缩机的运行效率得到根本性的改进。
此外，本发明的压缩机具有一种结构，该结构具有长寿命所必需的强度，同时能够使该压缩机制造的规格尺寸远小于等同容量的压缩机。本领域内的技术人员应当理解，根据本发明的压缩机的尺寸仅为已知等同压缩机的一半，并且重量仅为其三分之一。
因此，正如本领域内的技术人员将会看到的那样，根据本发明的压缩机是一种紧凑而高效的压缩机，该压缩机特别适用于例如民用和商用，同时通过采用安装在一单一共用电动机上从而共享一个驱动装置的两台分开的压缩机，可使其同时具有高运行速度和一可靠的控制系统。值得注意的是，高转速下的轴向力的平衡是通过采用背对背叶轮实现的，从而极大地减小了作用在轴向电磁轴承上的负荷。最后，本发明的压缩机可满足高运行条件的要求，并且制造成本得到降低。
虽然通过参照其优选实施例对本发明进行了上述说明，但在不违背附属权利要求中所限定的本发明主旨的情况下可对本发明进行修改。

Claims (22)

1.一种包括一电动机组件、一安装在所述电动机组件的一第一端部上的第一压缩机和一安装在所述电动机组件的一第二端部上的第二压缩机的复式离心式压缩机，所述电动机组件位于所述第一压缩机和所述第二压缩机之间，其中所述第一压缩机和所述第二压缩机是彼此镜像对称形式的，并且是都包括一第一级叶轮和一第二级叶轮的离心式压缩机，所述第一压缩机和所述第二压缩机的所述第一级叶轮和所述第二级叶轮都背对背地安装在由所述电动机组件的一定子驱动的一转子的一端部上。
2.如权利要求1所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述第一压缩机和所述第二压缩机都形成为一多级压缩机。
3.如权利要求1所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述定子是一无刷直流永磁定子。
4.如权利要求1所述的复式离心式压缩机，其特征在于，设置有一对径向和轴向非润滑轴承以抵消作用于转子轴上的负荷。
5.如权利要求1所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述转子具有一由稀土材料制成的芯部。
6.如权利要求1所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括一数字压缩机控制系统。
7.如权利要求1所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述电动机组件为一高速电动机组件。
8.如权利要求1所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括一由稳定且耐高温材料制成的壳体。
9.如权利要求8所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述壳体是用从由一种注塑成型的合成塑料材料、一种填充有玻璃的材料、一种机加工材料和一种铸造材料组成的一组材料中选出的一种材料制成的。
10.如权利要求1所述的复式离心式压缩机的应用，所述压缩机与在不同条件下运行的双蒸发器、一冷凝器和一集液器结合使用以适应负荷条件和运行吸入温度的变化。
11.如权利要求1所述的复式离心式压缩机的应用，所述压缩机将从一共用液体输送管线输送的气体泵入分开的冷凝器，并从所述冷凝器处将所述气体输送至分开的蒸发器。
12.如权利要求1所述的复式离心式压缩机的应用，所述压缩机将气体泵入分开的冷凝器，并从所述冷凝器处经由一液体输送管线将所述气体输送至一蒸发器。
13.一种复式离心式压缩机，它包括：
一包括一无刷直流永磁定子和一转子的高速电动机组件；
一安装在所述转子的一第一端部上的第一离心式压缩机；以及
一安装在所述转子的一第二端部上的第二离心式压缩机；
其中，所述第一压缩机和所述第二压缩机都包括一第一级叶轮和一第二级叶轮，所述第一压缩机的所述第一级叶轮和所述第二级叶轮安装在由所述无刷直流永磁定子驱动的一转子轴的一第一端部上，并且所述第二压缩机的所述第一级叶轮和所述第二级叶轮安装在所述转子轴的一第二端部上，
并且其中，所述电动机的速度至少为150,000转/分。
14.如权利要求13所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括用来抵消作用于所述转子轴上的轴向和径向负荷的轴向和径向非润滑轴承。
15.如权利要求13所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述转子具有一由稀土材料制成的芯部。
16.如权利要求14所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述非润滑轴承是由一被动/主动电磁轴承和一主动电磁轴承组成的电磁轴承组中选择的。
17.如权利要求16所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括一控制电路。
18.如权利要求17所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述控制电路包括一三维印刷电路和位于所述轴承的固定部件和转动部件上的传感器。
19.如权利要求17或18所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述控制电路包括一电源装置。
20.如权利要求13所述的复式离心式压缩机，其特征在于，所述压缩机的一第一级机组将气体经由一连接管直接泵入所述压缩机的一第二级机组中，并且所述气体在返回至一闭环回路中的所述第一级机组之前从所述第二级机组处进入一冷凝器，以便输送至一蒸发器。
21.一种模块化制冷系统，它包括一安装在一高速电动机组件的一转子的一第一端部上的第一压缩机；以及一安装在所述转子的一第二端部上的第二压缩机；其中所述第一压缩机和所述第二压缩机是都包括一第一级叶轮和一第二级叶轮的离心式压缩机，所述第一压缩机的所述第一级叶轮和所述第二级叶轮安装在由所述电动机组件的一无刷直流永磁定子驱动的一转子轴的一第一端部上，并且所述第二压缩机的所述第一级叶轮和所述第二级叶轮安装在由所述无刷直流永磁定子驱动的所述转子轴的一第二端部上，
其中，所述制冷系统还包括一控制电路，该控制电路采用根据检测的负荷条件启动和停止辅助压缩机的控制逻辑。
22.如权利要求21所述的模块化制冷系统，其特征在于，所述制冷系统采用非润滑轴承。
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