具有擴(kuò)壓器的變速多級離心式制冷壓縮的制造方法
【專利摘要】制冷系統(tǒng)包括具有制冷劑回路的冷卻器。壓縮機(jī)是制冷劑回路的一部分并且與制冷劑回路流體連通。壓縮機(jī)具有兩級，一個(gè)是何形狀可變的擴(kuò)壓器，另一個(gè)是幾何形狀固定的擴(kuò)壓器。
【專利說明】具有擴(kuò)壓器的變速多級離心式制冷壓縮機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在制冷系統(tǒng)中使用的離心壓縮機(jī)，并且更具體地涉及具有至少一個(gè)有 葉片式擴(kuò)壓器的變速多級離心式壓縮機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 具有無葉片或有葉片式擴(kuò)壓器的現(xiàn)有的單級和兩級離心式制冷壓縮機(jī)典型地在 壓縮機(jī)入口具有至少一組可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)片，以在各操作狀態(tài)期間調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的容量。
[0003] 變速離心壓縮機(jī)用無級變速作為他們的主要容量控制機(jī)制，但這種壓縮機(jī)仍需要 可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)片，以便在低容量狀態(tài)無浪涌地操作。
[0004] 多級離心壓縮機(jī)使用多級，用具有進(jìn)氣導(dǎo)片且可變速的固定的、通常無葉片的擴(kuò) 壓器作為容量控制機(jī)構(gòu)。已經(jīng)提出了單級制冷壓縮機(jī)，除了在葉輪上游的一組可旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣 導(dǎo)片之外，該單級制冷壓縮機(jī)使用變頻驅(qū)動(dòng)（VFD)進(jìn)行容量控制。在變速容量的情況下，幾 何形狀可變的擴(kuò)壓器已經(jīng)在葉輪的下游使用，以改進(jìn)部分載荷工作狀態(tài)下的壓縮機(jī)浪涌特 性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 制冷系統(tǒng)包括具有制冷劑回路的冷卻器。壓縮機(jī)與制冷劑回路流體連通。壓縮機(jī) 具有第一和第二壓縮機(jī)級，幾何形狀可變的擴(kuò)壓器和固定擴(kuò)壓器分別設(shè)置在第一和第二級 葉輪的下游。
[0006] 在一個(gè)實(shí)例中，壓縮機(jī)包括具有第一級入口和出口以及第二級入口和出口的殼 體。第一和第二級葉輪設(shè)置在殼體中，第一級葉輪流體地設(shè)置在第一級入口和出口之間，第 二級葉輪流體地設(shè)置在第二級入口和出口之間。第一和第二級擴(kuò)壓器設(shè)置在殼體內(nèi)，第一 級擴(kuò)壓器流體地設(shè)置在第一級葉輪入口和第二級壓縮機(jī)入口之間。第二級擴(kuò)壓器流體地設(shè) 置在第二級葉輪下游。第一和第二級擴(kuò)壓器彼此不同，這些擴(kuò)壓器中的一個(gè)是幾何形狀可 變的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 當(dāng)結(jié)合附圖理解時(shí)參考下面的詳細(xì)說明能進(jìn)一步理解本發(fā)明，其中：
[0008] 圖1是具有多級的示例性制冷壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)的高度示意圖。
[0009] 圖2是本發(fā)明的兩級制冷壓縮機(jī)的流路的子午面的剖面圖。
[0010] 圖3A是在處于基本不受限的狀態(tài)的一個(gè)示例性的壁可運(yùn)動(dòng)、幾何形狀可變的擴(kuò) 壓器的子午面的放大剖面圖。
[0011] 圖3B是處于受限的狀態(tài)的圖3中所示的壁可運(yùn)動(dòng)、幾何形狀可變的擴(kuò)壓器的子午 面的放大剖面圖。
[0012] 圖3C是另一示例性的壁可運(yùn)動(dòng)、幾何形狀可變的擴(kuò)壓器的垂直于壓縮機(jī)軸線的 平面的剖面圖。
[0013] 圖4是壁固定、葉片旋轉(zhuǎn)、幾何形狀可變的擴(kuò)壓器的垂直于壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線的平 面的示意性剖面圖。
[0014] 圖5A是處于基本不受限的狀態(tài)的幾何形狀可變的葉片分裂式擴(kuò)壓器的垂直于壓 縮機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線的平面的示意性剖面圖。
[0015] 圖5B是處于基本不受限的狀態(tài)的圖5A中所示的幾何形狀可變的葉片分裂式擴(kuò)壓 器的垂直于壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線的平面的示意性剖面圖。
[0016] 圖6是低密實(shí)度固定葉片式擴(kuò)散器的示意圖。
[0017] 附圖中相同的附圖標(biāo)記可用于表示相同元件。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 參考圖1，制冷系統(tǒng)12包括用于使制冷劑循環(huán)的制冷劑壓縮機(jī)10。制冷劑壓縮機(jī) 10包括殼體14,電動(dòng)機(jī)16設(shè)置在該殼體內(nèi)。殼體14被不意性地不出并且可包括一個(gè)或多 個(gè)部件。電動(dòng)機(jī)16借助轉(zhuǎn)子軸20圍繞軸線A旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)第一和第二葉輪18、19,以便以兩 級壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)來壓縮制冷劑。轉(zhuǎn)子軸20可包括一個(gè)或多個(gè)部件。
[0019] 雖然示出了兩個(gè)壓縮機(jī)級，但本發(fā)明也可在具有更多級的壓縮機(jī)中使用。在示出 的實(shí)例中，第一和第二葉輪18、19定位在轉(zhuǎn)子軸20的相對的端部上，但葉輪可定位成彼此 相鄰（如圖2中所示的）。在圖1中所示的實(shí)例中，壓縮機(jī)包含離心式葉輪18。S卩，葉輪入 口被軸向設(shè)置，并且葉輪出口被徑向設(shè)置。參考例如第一葉輪18,每個(gè)葉輪包括輪葉40,輪 葉40從入口端42沿著通向出口端44的弧形路徑基本徑向向外延伸。
[0020] 第一葉輪18包括第一壓縮機(jī)入口 22和第一壓縮機(jī)出口 24。第二葉輪19包括第 二壓縮機(jī)入口 21和第二壓縮機(jī)出口 23。第一和第二葉輪18、19與冷卻劑回路26流體連 通，冷卻劑回路使冷卻劑間循環(huán)到工作部件，例如冷卻器28。冷卻劑回路26包括冷凝器，蒸 發(fā)器，膨脹裝置（未示出）。
[0021] 在所示的設(shè)置中，冷卻劑在第一壓縮機(jī)級被第一壓縮機(jī)入口 22接收并在從第一 壓縮機(jī)出口 25排出之前被第一葉輪18壓縮。被壓縮的制冷劑被送到第二壓縮機(jī)級的第二 壓縮機(jī)入口 21并被第二葉輪19進(jìn)一步壓縮。被進(jìn)一步被壓縮的冷卻劑被提供到冷卻器 28,在這里被進(jìn)一步壓縮的冷卻劑在返回到第一壓縮機(jī)級之前被冷凝、膨脹和蒸發(fā)。
[0022] 提供無油軸承配置以支撐轉(zhuǎn)子軸20,以便使得無油冷卻劑能在冷卻劑冷卻器28 中被使用。在實(shí)例中，轉(zhuǎn)子軸20相對于殼體14被磁軸承30旋轉(zhuǎn)地支撐，磁軸承以高度示 意性的方式被示出。磁軸承30可包括例如徑向和/或軸向的磁軸承元件。軸承控制器32a 與磁軸承30通訊，從而提供磁軸承指令以便給磁軸承30供給能量。磁軸承產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子軸 20漂浮的磁場并在制冷劑壓縮機(jī)10工作期間控制其特性。應(yīng)該理解，本發(fā)明的壓縮機(jī)設(shè)置 也能與空氣軸承或其他類型的軸承一起使用。
[0023] 電動(dòng)機(jī)16包括轉(zhuǎn)子34,在一個(gè)實(shí)例中轉(zhuǎn)子支撐圍繞其外周的多個(gè)磁體36。定子 38圍繞轉(zhuǎn)子34設(shè)置以便在供給能量時(shí)將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)子軸20。在一個(gè)實(shí)例中，電動(dòng) 機(jī)控制器32b與定子38通訊并提供變速指令以根據(jù)壓縮機(jī)工作狀體以變速旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)葉 輪18和19。電動(dòng)機(jī)控制器32b與多個(gè)傳感器（未示出）通訊，以監(jiān)控和保持壓縮機(jī)工作狀 態(tài)。
[0024] 外殼14包括在第一壓縮機(jī)入口 22處的上游區(qū)域，現(xiàn)有技術(shù)中上游區(qū)域典型地容 納現(xiàn)有技術(shù)可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)片。所示的實(shí)施例中冷卻劑壓縮機(jī)10不使用在上游區(qū)域的可調(diào)進(jìn) 氣導(dǎo)片。替代性地，是幾何形狀可變的擴(kuò)壓器48的第一擴(kuò)壓器設(shè)置在第一壓縮機(jī)出口 24 的下游，以調(diào)節(jié)經(jīng)過第一葉輪18的流量和第一葉輪18上的壓力，而不需要使用進(jìn)氣導(dǎo)片。 幾何形狀固定的擴(kuò)壓器148設(shè)置在第二級壓縮機(jī)的通道146中。
[0025] 葉輪出口 24包括緊鄰出口端44的具有喉部的通道46,喉部是最小的橫截面流通 面積。通道46延伸到蝸殼25。在所示的實(shí)例中，幾何形狀可變的擴(kuò)壓器48設(shè)置在喉部處 并且與葉輪18在出口端44的徑向向外的至少一部分對準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)例中，通道46沒有額 外的結(jié)構(gòu)或葉片，從而在幾何形狀可變的擴(kuò)壓器48和蝸殼25之間的下游區(qū)域64中提供 "無葉片"的擴(kuò)壓器。在圖3A-3B中描繪了環(huán)可動(dòng)、幾何形狀可變、有葉片的擴(kuò)壓器的配置。 使用葉片的不同的幾何形狀可變的配置也可在制冷系統(tǒng)12中被使用。
[0026] 例如，致動(dòng)器50設(shè)置在殼體14的腔58中，以便使幾何形狀可變的擴(kuò)壓器48在非 受限（3A)和受限（3B)狀態(tài)之間運(yùn)動(dòng)。也可使用致動(dòng)器50,以便使其他類型的可調(diào)擴(kuò)壓器 運(yùn)動(dòng)。
[0027] 離心壓縮機(jī)效率能通過用離散通道擴(kuò)壓器替代無葉片式擴(kuò)壓器而提高4-7%。 離散通道擴(kuò)壓器的實(shí)例是單一厚度有葉片式擴(kuò)壓器、翼型有葉片式擴(kuò)壓器、臺(tái)葉片 (vane-island)擴(kuò)壓器和管擴(kuò)壓器。遵循通用的渦輪機(jī)術(shù)語，我們將所有這些不同類型的離 散通道擴(kuò)壓器稱為有葉片式擴(kuò)壓器。由于有葉片式擴(kuò)壓器相對于無葉片式擴(kuò)壓器對流動(dòng)角 度的變化更敏感，所以它們的效率的提高被部分負(fù)載狀態(tài)下導(dǎo)致早期浪涌的壓縮機(jī)的穩(wěn)定 的操作范圍的減小而抵消。
[0028] 參考圖2并沿著壓縮流的方向，另一類型的兩級壓縮機(jī)的流路包括：壓縮機(jī)入口 部分60、短的無葉片式擴(kuò)壓器64前面的第一級葉輪62、幾何形狀可變的有葉片式擴(kuò)壓器 66、橫跨彎頭68和返回通道70、第二級入口 72、第二級葉輪74、第二級短的無葉片式擴(kuò)壓 器76、固定的低密實(shí)度有葉片式擴(kuò)壓器78、第二無葉片式擴(kuò)壓器80和最后的、在排出錐擴(kuò) 壓器84前面的流量手機(jī)蝸殼82。所有這些元件都容納在壓縮機(jī)殼體86中。兩個(gè)葉輪是安 裝在由電動(dòng)機(jī)（未示出）驅(qū)動(dòng)并且以高速旋轉(zhuǎn)的軸68上的壓縮機(jī)元件，從而將能量傳遞到 流體，這是流體壓縮所需要的。
[0029] 雖然在圖2中示出了兩個(gè)壓縮機(jī)級，但本發(fā)明也可在具有更多級的壓縮機(jī)中使 用。
[0030] 在示出的實(shí)例中，第一和第二葉輪62和74定位成彼此相鄰（所謂的直列兩級壓 縮機(jī)結(jié)構(gòu)）。對于直接驅(qū)動(dòng)無齒輪多級壓縮機(jī)來說，葉輪也可能處于轉(zhuǎn)子軸的相對端上（所 謂的圖1中示出的背靠背結(jié)構(gòu)），從而減小軸的軸向推力載荷。
[0031] 圖3A是在處于基本不受限的狀態(tài)的壁可運(yùn)動(dòng)、幾何形狀可變的擴(kuò)壓器構(gòu)思之一 的子午面的放大剖面圖。圖3B示出處于受限狀態(tài)的同一擴(kuò)壓器。根據(jù)圖3C、垂直于壓縮機(jī) 軸線的平面中的該擴(kuò)壓器的剖面圖，能看到擴(kuò)壓器包括位于可動(dòng)擴(kuò)壓器壁元件90的下游 的多個(gè)固定楔形葉片92。在該實(shí)例中可動(dòng)壁元件是鋸齒狀的，鋸齒部94的后緣與有葉片式 擴(kuò)壓器的喉部面積（其是最小橫截面的流動(dòng)通道）重疊。
[0032] 圖4示出在垂直于壓縮機(jī)軸線的平面中的可旋轉(zhuǎn)、有葉片式擴(kuò)壓器的剖面圖。通 過旋轉(zhuǎn)葉片，擴(kuò)壓器的喉部面積變化。以實(shí)線畫出的葉片的喉部面積96比以虛線畫出的葉 片的喉部面積98大。通過旋轉(zhuǎn)各葉片，擴(kuò)壓器的喉部面積被調(diào)節(jié)，因而壓縮機(jī)的容量被調(diào) 節(jié)。
[0033] 圖5A和5B示出具有外擴(kuò)壓器環(huán)100和內(nèi)擴(kuò)壓器環(huán)102的葉片分裂式擴(kuò)壓器的剖 面圖。通過使一個(gè)擴(kuò)壓器環(huán)相對于另一擴(kuò)壓器環(huán)旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)喉部面積的調(diào)節(jié)。完全打開的 擴(kuò)壓器的喉部面積104在圖5A中不出，而圖5B不出喉部面積106是怎樣由于內(nèi)擴(kuò)壓器環(huán) 相對于外擴(kuò)壓器環(huán)旋轉(zhuǎn)而減小的。
[0034] 圖6示出低密實(shí)度固定擴(kuò)壓器120的剖面圖，低密實(shí)度固定擴(kuò)壓器包括低密實(shí)度 葉片上有的無葉片部分76、具有單個(gè)葉片122的低密實(shí)度有葉片式擴(kuò)壓器部分78和位于低 密實(shí)度葉片后緣與蝸殼入口之間的下游無葉片部分80(也參見圖2中的軸向/徑向剖面）。 LSVD結(jié)構(gòu)缺少在擴(kuò)壓器通道中的有幾何形狀的喉部。一個(gè)合適類型的LSVD配置包括10個(gè) 葉片，葉片的密實(shí)度為〇. 7,其直徑比葉輪頂圓直徑大11%。
[0035] 本申請的壓縮機(jī)提供變速多級壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)相比于可旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)片式的設(shè)置 提供了超過設(shè)計(jì)范圍的效率的改進(jìn)和更好的浪涌特性。
[0036] 雖然已經(jīng)公開了示例性實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到某些修改將落在權(quán)利 要求的范圍內(nèi)。出于該原因，下面的權(quán)利要求應(yīng)被研究以確定其真實(shí)范圍和內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1. 一種離心式制冷壓縮機(jī)，其包括： 殼體，其包括第一壓縮機(jī)入口和出口以及第二壓縮機(jī)入口和出口； 設(shè)置在殼體中的第一葉輪和第二葉輪，第一葉輪流體地設(shè)置在第一壓縮機(jī)入口和出口 之間，第二葉輪流體地設(shè)置在第二壓縮機(jī)入口和出口之間；和 設(shè)置在殼體中的第一擴(kuò)壓器和第二擴(kuò)壓器，第一擴(kuò)壓器流體地設(shè)置在第一葉輪出口和 第二壓縮機(jī)入口之間，第二擴(kuò)壓器流體地設(shè)置在第二葉輪出口下游，第一擴(kuò)壓器和第二擴(kuò) 壓器彼此不同，其中第一擴(kuò)壓器和第二擴(kuò)壓器中之一是幾何形狀可變的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中殼體容納第一級壓縮機(jī)和第二級壓 縮機(jī)，所述第一級壓縮機(jī)具有葉輪、幾何形狀可變的擴(kuò)壓器、橫跨彎頭和返回通道，所述第 二級壓縮機(jī)具有幾何形狀固定擴(kuò)壓器和蝸殼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中至少一個(gè)擴(kuò)壓器是有葉片式擴(kuò)壓 器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中第一擴(kuò)壓器是幾何形狀可變的，第 二擴(kuò)壓器是幾何形狀固定的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中第二擴(kuò)壓器是低密實(shí)度有葉片式擴(kuò) 壓器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中低密實(shí)度葉片的后緣相對于前緣的 半徑比小于1.2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中幾何形狀可變的擴(kuò)壓器的密實(shí)度大 于1. 2,低密實(shí)度有葉片式擴(kuò)壓器的密實(shí)度小于0. 9。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中幾何形狀可變的擴(kuò)壓器包括特征部 件，所述特征部件配置成響應(yīng)于致動(dòng)器接收壓縮機(jī)調(diào)節(jié)指令而減小有葉片式擴(kuò)壓器的物理 喉部面積。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中幾何形狀可變的擴(kuò)壓器包括側(cè)壁 段，所述側(cè)壁段配置成沿著大體平行于葉輪旋轉(zhuǎn)軸線的方向能大體線性運(yùn)動(dòng)，并因此響應(yīng) 于致動(dòng)器接收壓縮機(jī)調(diào)節(jié)指令而影響擴(kuò)壓器的喉部面積。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中第二擴(kuò)壓器是低密實(shí)度有葉片式 擴(kuò)壓器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中幾何形狀可變的擴(kuò)壓器包括配置 成響應(yīng)于致動(dòng)器接收壓縮機(jī)調(diào)節(jié)指令而旋轉(zhuǎn)的各個(gè)葉片。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中第二擴(kuò)壓器是低密實(shí)度有葉片式 擴(kuò)壓器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中幾何形狀可變的擴(kuò)壓器包括物理 喉部面積，所述物理喉部面積配置成響應(yīng)于由于致動(dòng)器接收壓縮機(jī)調(diào)節(jié)指令而引起的有葉 片式擴(kuò)壓器的內(nèi)部相對于外部的旋轉(zhuǎn)而減小。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其中第一和第二級葉輪設(shè)置在轉(zhuǎn)子軸 的相對的端部上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心式制冷壓縮機(jī)，其包括支撐轉(zhuǎn)子軸的磁軸承和軸承控 制器，所述軸承控制器配置成響應(yīng)于軸承指令而控制磁軸承，從而磁性地支撐轉(zhuǎn)子軸。
16. -種制冷系統(tǒng)，其包括： 冷卻器，其具有制冷劑回路；和 與制冷劑回路流體連通的壓縮機(jī)，具有第一和第二壓縮機(jī)級的所述壓縮機(jī)具有幾何形 狀可變的擴(kuò)壓器和固定擴(kuò)壓器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的制冷系統(tǒng)，其中固定擴(kuò)壓器是低密實(shí)度有葉片式擴(kuò)壓器， 低密實(shí)度葉片的后緣相對于前緣的半徑比小于1. 2,并且其中幾何形狀可變的擴(kuò)壓器的密 實(shí)度大于1. 2,低密實(shí)度有葉片式擴(kuò)壓器的密實(shí)度小于0. 9。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的制冷系統(tǒng)，其中幾何形狀可變的擴(kuò)壓器通過軸向可動(dòng)壁被 提供。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的制冷系統(tǒng)，其中固定擴(kuò)壓器通過低密實(shí)度有葉片式擴(kuò)壓器 被提供。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的制冷系統(tǒng)，其包括配置為旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸的定子、可操 作地連接到幾何形狀可變的擴(kuò)壓器的致動(dòng)器、支撐轉(zhuǎn)子軸的磁軸承，和 與定子、磁軸承和致動(dòng)器通訊的控制器，所述控制器配置成向定子提供變速指令、向磁 軸承提供軸承指令并向幾何形狀可變的擴(kuò)壓器提供擴(kuò)壓器狀態(tài)指令。
【文檔編號(hào)】F25B1/04GK104067071SQ201280067952
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月23日
【發(fā)明者】L·孫, J·布拉茨, M·拉斯穆森 申請人:丹佛斯特波科爾壓縮機(jī)有限公司