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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Zentrifugalkompressor zur Verwendung in einem Kühlsystem
und insbesondere einen Zentrifugalkompressor, welcher einen Umlaufdiffusor
umfasst, der in der Lage ist, über
einen weiten Lastbereich hin effizient zu arbeiten.
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Zentrifugalkompressoren werden typischerweise
in Kühlsystemen
großer
Kapazität
eingesetzt, welche wassergekühlte
Kondensoren aufweisen. Die Arbeitskurve für solche Kompressoren ist sehr
anspruchsvoll. Das Klimatisierungs- und Kühlungs-Institut (ARI, Air Conditioning
and Refrigeration Institute) zertifiziert Kühlsysteme, wenn der Hersteller
durch Testen zeigen kann, dass der Kompressor ohne Pumpen oder Leistungsstörung (surge)
in einem Bereich zwischen der Auslegungs-Gesamtkapazität bis hinab
zu ungefähr
10% der Gesamtkapazität
betrieben werden kann. Der Kompressorbetrieb wird typischerweise
mit einer in dem Kompressorauftrag gezeichneten geraden Linie (Druck
gegen Fluss), welche als ARI-Linie bekannt ist, verglichen. Die
Linie fällt
von dem Gesamtkapazitäts-Auslegungspunkt bei
100% Druck bei voller Kapazität
ab auf 50% Druck bei 10% Kapazität.
Um diesen Standard zu erfüllen,
muss Kontrolle über
den Kompressor ausgeübt
werden, um zu verhindern, dass der Kompressor schwankt, wenn der
Druck und der Fluss durch den Kompressor reduziert werden. Die am
häufigsten
angewendeten Arten, Pumpen zu vermeiden, sind, die Geschwindigkeit
des Kompressors zu variieren oder seine Geometrie zu verändern. Ein
Variieren der Geschwindigkeit des Kompressors weist eine Anzahl von
Problemen auf und wird typischerweise nicht eingesetzt. Dementsprechend
wird die Geschwindigkeit des Kompressors basierend auf den speziellen
Konstruktionsanforderungen des Systems festgesetzt. Durch das gleiche
Merkmal ist auch die Laufradgröße festgesetzt,
und anpassbare Einlass-Führungs-Leitelemente
werden eingesetzt, um die Kompressorgeometrie zu variieren. Indem
die Position der Einlass-Führungs-Leitelemente angepasst
wird, kann die Strömung
durch den Kompressor gesteuert werden, um hohe Auslassdrücke bei
geringen Kapazitäten
aufrechtzu erhalten und somit Pumpen zu vermeiden. Selbst mit anpassbaren
Einlass-Führungs-Leitelementen
werden durch die feste Laufradgeometrie bestimmte Kompressorinstabilitäten eingeführt.
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Zusätzlich zu der durch die feste
Laufradkonstruktion erzeugten Instabilität kann auch der Diffusorabschnitt
des Kompressors zu einer Instabilität unter Teillastbedingungen
beitragen. Diffusoren mit anpassbaren Geometrien wurden mit unterschiedlichem
Erfolg eingesetzt, um dieses Problem zu überwinden. Diese anpassbaren
Diffusoren sind in genaueren Einzelheiten in den US-Patenten 4 527
949; 4 378 194 und 4 219 305 gezeigt, wobei die Strömung durch
den Diffusor durch Ändern
einer Fläche der
Diffusor-Passage gesteuert wird. Ein Anpassen der Fläche einiger
Diffusoren, wie den Röhrendiffusoren,
welche in den US-Patenten 5 445 496 und 5 145 317 offenbart sind,
kann auf praktische Weise nicht erreicht werden.
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Höhere
Kompressor-Eingangsdrücke
müssen
in klimatischen Gebieten wie der asiatisch-pazifischen Region, in
denen die Umgebungstemperaturen relativ konstant über das
Jahr bleiben, aufrecht erhalten werden. Unter diesen Bedingungen,
bei konstanten Umgebungs-Verdunstungstemperaturen von z. B. 85°, kann der
Kompressordruck nur auf etwa 85% des Auslegungsdrucks abfallen,
wenn bei etwa 10% der Kapazität
betrieben wird. Dementsprechend funktioniert ein Kompressor mit
einer exzellenten ARI-Lastkurve-Güte nicht notwendigerweise effizient
oder pumpfrei, wenn er unter diesen Bedingungen bei geringen Kapazitäten arbeiten
soll.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
Zentrifugalkompressoren zu verbessern.
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FR-A-1 202 416 offenbart einen Kompressor, welcher
die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Kompressor bereit, wie er in Anspruch 1 beansprucht ist.
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In der beschriebenen, bevorzugten
Ausführungsform
weist ein Zentrifugalkompressor ein Laufrad und einen Diffusor zum
Expandieren eines komprimierten fuids in eine Sammelkammer auf.
Der Kompressor umfasst ferner eine ringförmige Plenumkammer, welche
hinter dem Kompressorabdeckelement angeordnet ist und eine Reihe
von Entdrall-Passagen, welche umfangsmäßig um die Plenumkammer angebracht
sind, zum Zuführen
von Fluid von der Sammelkammer in die Plenumkammer. Eine zweite
Reihe von Kanal-Leitelementen ist um das dem Laufrad-Spitzen-Bereich
benachbarte Abdeckelement zum Einführen von Fluid, welches in
der Plenumkammer enthalten ist, in die Strömung, welche die Laufrad-Flügel verlässt, angebracht.
Ein Abschaltring ist anpassbar in den Entdrallpassagen montiert,
welcher in der Lage ist, sich aus einer vollständig geöffneten Position in eine vollständig geschlossene
Position zu bewegen, um die Strömung durch
die Entdrallpassagen zu variieren. Die Anordnung des Abschaltrings
wird gesteuert, um die Gesamtströmung
durch den Diffusor konstant zu halten, wenn die Lastansprüche an das
System reduziert sind, wodurch Pumpen bei geringen Kapazitäten vermieden
wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wirkt der
Abschaltring zusammen mit anpassbaren Einlass-Führungs-Leitelementen, um die
Gesamtperformance eines Konstant-Geschwindigkeits-Kompressors zu
steuern, um den Kompressor am Pumpen zu hindern, wenn das System
in Klimata hoher Temperatur bei geringer Kapazität betrieben wird, d. h. einer Kapazität von etwa
10% der Plankapazität.
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Für
ein besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung soll Bezug auf die nachfolgende, detaillierte
Beschreibung der Erfindung genommen werden, welche zusammen mit
den nachfolgenden Zeichnungen gelesen werden soll, wobei:
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1 ist
ein Seitenaufriss im Querschnitt, welcher einen Kompressor zeigt,
der die vorliegende Erfindung ausführt und ferner den anpassbaren
Abschlussring am Eingang zu den Entdrallkanälen in einer vollständig geöffneten
Position veranschaulicht;
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2 ist
ein Seitenaufriss, ähnlich
dem aus 1, welcher den
anpassbaren Abschlussring in einer vollständig geschlossenen Position
veranschaulicht;
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3 ist
ein vergrößerter,
teilweiser Seitenaufriss, welcher in genaueren Einzelheiten den
Diffusor-Rezirkulationskreislauf, welcher in der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird, zeigt;
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4 ist
eine weitere, vergrößerte, teilweise Aufsicht,
welche die Geometrie des Röhrendiffusors zeigt,
welcher für
die Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung geeignet
ist;
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5 ist
eine vergrößerte Aufsicht,
welche die in der vorliegenden Erfindung verwendete Entdrall-Leitelement-Anordnung
zeigt;
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6 ist
eine teilweise Seitenansicht des Laufrad-Abdeckelements, welche
ferner die Geometrie der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Kanal-Leitelemente veranschaulicht;
und
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7 ist
ein Diagramm, welches die Pumpcharakteristiken des vorliegenden
Kompressors zeigt, wobei der Kompressordruck gegen die Strömung aufgetragen
ist.
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Es wird anfänglich Bezug genommen auf die 1 bis 3, in denen ein allgemein mit 10 bezeichneter
Zentrifugalkompressor die Lehre der vorliegenden Erfindung ausführt. Der
Kompressor setzt einen Röhrendiftusor
mit einer Fluidrezirkulationsmerkmal ein, welches Fluid von dem
Kompressor-Austritts-Sammler
durch eine Reihe von Düsen
in die Strömung,
welche die Spitze des Kompressorlaufrads verlässt, beschleunigt. Die sich
ergebende, volumetrische Strömungsrate
an dem Diffusoreingang reduziert oder eliminiert die Eintrittsverluste,
welche sonst ohne das Rezirkulationsmerkmal auftreten würden. Da
das Fluid an dem Laufradaustritt injiziert wird, wird keine Arbeit
an dem Fluid verrichtet, und der Wirkungsgradverlust und der Anstieg
der Fluidtemperatur, welcher bei anderen Heiß-Gas-Bypass-Verfahren auftritt,
wird vermieden.
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Der Kompressor ist eine Maschine
konstanter Geschwindigkeit, welche ein einzelnes Laufrad 12 aufweist,
welches direkt durch einen Elektromotor 13 angetrieben
ist, obwohl jeder geeignete Antrieb in ähnlicher Weise eingesetzt werden
kann, ohne von der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Eine
Reihe anpassbarer Einlass-Führungs-Leitelemente 15–15 ist
am Eingang 16 zu dem Laufrad montiert. Jedes Leitelement
reagiert auf einen Steuerschaft 17, welcher aus dem Kompressorgehäuse 19 durch
eine Öffnung 20 verläuft. Der
Steuerschaft ist über
ein Getriebe 21 mit einer Steuerung 22 gekoppelt.
Die Steuerung wiederum ist dazu eingerichtet, die Einstellung der
Eintritts-Führungs-Leitelemente
in Reaktion auf ein Eingabesignal von einer Zentralverarbeitungseinheit
(CPU) 23 anzupassen.
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In den meisten Betriebsbedingungen,
bei denen das System in einem moderaten Klima eingesetzt wird, üben die
Führungs-Leitelemente
eine ausreichende Kontrolle über
den Kompressor aus, so dass die Maschine nicht pumpt, wenn sie bei
einer niedrigen Kapazität
betrieben wird. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn das System
gezwungen ist, in Klimata zu arbeiten, bei denen die Umgebungs-Verdunstungstemperaturen
relativ konstant bleiben. Wie oben angemerkt, ist der vorliegende
Kompressor mit einem Rezirkulationsdiffusor ausgestattet, welcher dazu
dient, die Strömung
durch den Diffusor trotz Änderungen
in den Lastanforderungen relativ konstant zu halten.
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Die Fluidströmung, welche das Laufrad verlässt, wird
in einen Röhrendiffusorabschnitt
gerichtet, welcher allgemein mit 26 bezeichnet ist. Dieser
Typ von Röhrendiffusor
wird in genaueren Einzelheiten in dem US-Patent 5 445 496 beschrieben,
auf welches weiterhin Bezug genommen werden kann. Wie in 4 veranschaulicht, ist der
Röhrendiffusor
aus einem einzelnen, ringförmigen
Gussstück 27 gebildet, welches
an dem Abdeckelement 28 des Kompressors gehalten ist. Wie
in 3 gezeigt, überlagert das
Gussstück
den Austrittsbereich des Laufrads und erstreckt sich radial zu dem
Rand der Sammelkammer 29. Eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten
Diffusorkanälen 30– 30 ist
in dem Gehäuse
derart ausgebildet, dass die Mittellinien 31–31 der
Diffusorkanäle
tangential mit einem gemeinsamen Kreis 32 sind, welcher,
in diesem Fall den inneren Rand des Gehäuses beschreibt. Jeder Kanal weist
drei axial ausgerichtete, zusammengefügte Abschnitte 34–36 auf.
Der erste Abschnitt 34 weist eine zylindrische Form auf
und ist mit einem Winkel derart angeordnet, dass er auf beiden Seiten
davon ähnliche
Abschnitte schneidet. Ein Zwischenabschnitt 35 ist seriell
an den zylindrischen Abschnitt angeschlossen und weist eine leicht
divergente Geometrie in der Strömungsrichtung
von etwa 4° auf.
Der letzte Abschnitt 36 ist an den Abschnitt 35 angeschlossen
und ist wiederum in der Strömungsrichtung
bei einem vergrößerten Winkel
von etwa 8° aufgeweitet.
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Es ist wünschenswert, dass die Fläche an dem
Austritt zu jedem Kanal etwa das Fünffache der Eintrittsfläche ist,
um zu gewährleisten,
dass das komprimierte Fluid, welches das Laufrad verlässt, so weit
wie möglich
vollständig
expandiert ist, bevor es in die Sammelkammer eintritt.
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Wie am besten in den 3 und 5 veranschaulicht,
ist ein ringförmiges
Glied 40 direkt anschließend an das Diffusor-Gussstück 27 montiert und
ist an dem Abdeckelement 28 mittels Gewindebefestigungen 41 verschraubt.
Das Abdeckelement ist unterhalb des ringförmigen Glieds derart geformt, dass
es eine Plenumkammer 42 bildet. Das Glied umfasst eine
Basis 39 und eine Reihe gekrümmt geformter Entdrall-Leitelemente 43–43,
welche an deren oberen Seite 44 der Basis eingebracht sind, und welche
zusammenwirken, um Entdrall-Passagen 45 zwischen den Leitelementen
zum Richten des expandierten Fluids hohen Drucks von der Kollektorkammer
in die Plenumkammer 41 zu bilden. Mit Bezug auf 5 bilden die Leitelemente
einen Eintrittswinkel α,
mit einer Linie, welche tangential zu einem Kreis bei einem Radius
R ist, welcher der äußere Radius
des ringförmigen
Glied 40 ist. Vorzugsweise ist der Eintrittswinkel zwischen
15° und
22°. Die
Leitelemente bilden auch einen Austrittswinkel β mit einer Linie, welche tangential
zu einem Kreis mit einem Radius (r) ist, welcher in diesem Fall
der Innenradius der Scheibe ist. Vorzugsweise liegt der Eintrittswinkel zwischen
30° und
45°. Der
Radius (R) gibt den Diffusor-Austrittradius ±10% wieder,
wohingegen der Radius (r) dem Diffusor-Eintrittsradius ±10% wiedergibt. Die
Entdrall-Passagen sind derart angelegt, dass sie das meiste der
Drallwirkung in der Strömung
beseitigen, wenn diese sich zwischen der Sammelkammer und der Plenumkammer
bewegt.
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6 ist
eine halbe Ober-Aufsicht auf das Abdeckelement 28. Eine
Reihe von Kanal-Leitelementen 50 sind entlang einem erhabenen,
ringförmigen
Abschnitt 51 des Abdeckelements angeordnet, welcher das
Plenum 42 und die Laufradpassagen 52 (3) trennen. Die Kanal-Leitelemente
sind umfangsmäßig entlang
dem oberen Teil des ringförmigen
Abschnitts beabstandet und sind so angeordnet, dass sie Passagen 55 zwischen
den Leitelementen zum Richten von Fluid aus dem Plenum in den Spitzenbereich
des Laufrads ausbilden. Die Kanal-Passagen sind derart geformt,
dass sie die Fluidströmung,
welche sich durch sie hindurch bewegt, etwa auf diejenige des das
Laufrad verlassenden, komprimierten Fluids beschleunigt. Die Kanal-Passagen formen
auch die durch sie hindurch tretende Strömung bei einem Winkel, welcher
der Richtung der Strömung,
welche die Spitze des Laufrads verlässt, entspricht, wodurch eine
glatte Fluidinjektion geringen Verlusts in die Haupt-Fluidströmung, welche
das Laufrad verlässt,
erreicht wird.
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Ein Paar angrenzender Kanal-Leitelemente 50-50 ist
in 6 entlang dem oberen
Bereich des erhabenen Abdeckelement-Bereiches 51 angebracht gezeigt;
die verbleibenden Leitelemente sind aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt.
Die Kanal-Leitelemente weisen einen Einlass-Blatt-Winkel von etwa 30° und einen
Auslass-Blatt-Winkel von etwa 20° gemessen
von der Ebene, welche senkrecht zu der Achse 59 des Laufrads
ist, auf. Wie in 3 zu
sehen, ist die Spitze des Abdeckelement-Abschnitts 57, welcher
angrenzend an das Laufrad angeordnet ist, unter einem Winkel von
etwa 45° angeordnet,
so dass der Boden der Passagen mit den Leitelementen derart zusammenwirkt,
dass die Fluidströmung
von der Plenumkammer mit derjenigen, welche das Laufrad verlässt, glatt
vermischt wird.
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Ein Abschlussring 62 (3) ist am Eingang zu den
Entdrall-Passagen angeordnet und ist dazu ausgelegt, sich zwischen
einer vollständig
geöffneten Position,
wie in 1 gezeigt, in
der die Passagen vollständig
offen sind zu der Sammelkammer, und einer vollständig geschlossenen Position,
wie in 2 gezeigt, wobei
die Strömung
zwischen der Sammelkammer und der Plenumkammer effektiv blockiert
ist, zu bewegen. Der Ring ist verschiebbar montiert zwischen einem
Lager 63, welches in dem Kompressorgehäuse montiert ist, und der oberen
Oberfläche
des Entdrall-Glieds. Es sind geeignete Dichtungen 64 vorgesehen,
welche gegen den Ring wirken, um Fluide hohen Drucks daran zu hindern,
aus dem Inneren des Kompressors zu entweichen. Der Ring ist mit
einer Zahnstangen-Antriebseinheit 65 verbunden, welche
dazu ausgelegt ist, die Position des Rings in einer unendlichen
Anzahl von Positionen zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen
Position selektiv zu positionieren. Das Zahnrad 67 ist
mittels einer Steuereinheit 68 angetrieben, welche wiederum über die
zentrale Verarbeitungseinheit 23 programmiert ist. Das
Ringantriebssystem ist so programmiert, um in Verbindung mit den
Einlass-Führungs-Leitelementen
zu wirken, so dass der Abschlussring sich hin zu einer geschlossenen
Position bewegt, wenn die Einlass-Führungs-Leitelemente sich hin
zu einer offenen Position bewegen. Die Bewegung der zwei Steuereinheiten
ist über
die CPU programmiert, um den Kompressordruck relativ konstant zu
halten, wenn die Kapazität
des Kompressors reduziert wird von der vollständigen Last-Plan-Kapazität. Obwohl
der Rezirkulationsdiffusor im Zusammenhang mit anpassbaren Einlass-Führungs-Leitelementen
zum Kontrollieren der Geometrie eines Zentrifugalkompressors beschrieben
wurde, kann der Rezirkulationsdiffusor unabhängig eingesetzt werden, um ähnliche
Ergebnisse zu erhalten.
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Eine Kompressorkarte eines Zentrifugalkompressors,
welcher mit der Steuerung der vorliegenden Erfindung ausgestattet
ist, ist in 7 gezeigt, wobei
der Kompressordruck gegen den Fluss verglichen wird. Die Pumplinieneinhüllende des
Kompressors ist als 70 gezeigt. Die Linie 71 gibt
eine Kompressorarbeitslinie wieder, bei der sich die Temperatur
von in den Kondensor eindringendem Wasser von 65°F auf 85°F (18 bis 29°C) variiert. Diese Linie entspricht
näherungsweise
der ARI-Linie. Eine zweite Linie 72 ist in der Karte ebenfalls
gezeichnet, welche die Kompressorarbeitslinie wiedergibt, bei der
die Temperatur von in den Kondensor eindringendem Wasser relativ
konstant bei etwa 85°F
(29°C) bleibt. Diese
Linie entspricht näherungsweise
der APO-Linie. Die unterbrochene Linie 73 in der Karte
gibt ferner die Pumplinie für
einen Zentrifugalkompressor konstanter Geschwindigkeit wieder, wobei
die Geometrie des Kompressors durch Einlass-Führungs-Leitelemente gesteuert
wird. Es ist zu erkennen, dass ein Kompressor, der nur mit anpassbaren Einlass-Führungs-Leitelementen ausgestattet
ist, um etwa 50% der Kapazität
schwanken wird in einem Klima, bei dem die Temperatur des Eintrittswassers
in den Kondensor relativ konstant bei einer hohen Temperatur bleibt.
Andererseits wird derselbe Kompressor, der mit einem Diffusorrezirkulationssystem
gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist, gut oberhalb eines
Pumpens arbeiten, selbst hinab zu einer Kapazität von etwa 10%. Es sollte nun ersichtlich
sein, dass der vorliegende Kompressor ideal geeignet ist für große Kühlsysteme,
welche in Klimagebieten eingesetzt werden, in denen die Kondensorkühlwassertemperatur
relativ konstant bei oder um etwa 85°F (29°C) bleibt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
in Bezug auf einen Zentrifugalkompressor, der mit einem Röhrendiffusor
ausgestattet ist, beschrieben ist, kann er ebenso gut für ähnliche
Maschinen angepasst werden, welche einen Typ von Diffusor einsetzen,
welcher mit Leitelementen ausgestattet ist, wie einen Leitelement-Insel-Diffusor (vane
island diffusor) oder einen Tragflächen-Leitelement-Diffusor (air foil
vaned diffusor).