壓縮機(jī)間隙控制的制作方法
【專利摘要】一種壓縮機(jī)（22）具有殼體組件（50），殼體組件（50）具有抽吸端口（24）和排出端口（26）。葉輪（54）由安裝成旋轉(zhuǎn)的軸（70）支撐，以至少在第一條件中被驅(qū)動(dòng)，從而經(jīng)過抽吸端口（24）吸入流體并從排出端口（26）排出流體。磁軸承系統(tǒng)（66，67，68）支撐軸（70）?？刂破鳎?4）聯(lián)接到軸向位置傳感器（80）并且構(gòu)造成控制葉輪位置。
【專利說明】壓縮機(jī)間隙控制
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
要求2011年7月15日提交的名稱為“Compressor Clearance Control ”的美國專利申請序列號61/508，259的權(quán)益，該專利申請的全部公開內(nèi)容以參考的方式并入本文中，如同詳盡闡述一樣。
【背景技術(shù)】
[0002]本公開涉及壓縮機(jī)。更具體地，本公開涉及電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的磁軸承壓縮機(jī)。
[0003]電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的一種特定用途是液體制冷機(jī)。一種示例性液體制冷機(jī)使用密封的離心壓縮機(jī)。該示例性單元包括壓縮機(jī)、冷卻器單元、制冷機(jī)單元、膨脹裝置和各種其它部件的獨(dú)立運(yùn)行的組合。
[0004]一些壓縮機(jī)包括介于馬達(dá)轉(zhuǎn)子和葉輪之間的傳動(dòng)裝置，用于以快于馬達(dá)的速度驅(qū)動(dòng)葉輪。在其它壓縮機(jī)中，葉輪直接由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)(例如，葉輪和轉(zhuǎn)子在相同的軸上)。
[0005]各種軸承系統(tǒng)已被用于支撐壓縮機(jī)軸。一種特定類別的壓縮機(jī)使用磁軸承(更具體地，電磁軸承)。為了向軸提供徑向支撐，可使用一對徑向磁軸承?？衫脵C(jī)械軸承(所謂的“保護(hù)”軸承)來支持這些磁軸承中的每一個(gè)。此外，一個(gè)或多個(gè)其它磁軸承可以構(gòu)造成抵抗將軸向上游拉的負(fù)荷(并且還抵抗相反的負(fù)荷)。上游運(yùn)動(dòng)收緊葉輪與其護(hù)罩之間的間隙，由此面臨損傷的風(fēng)險(xiǎn)。相反的運(yùn)動(dòng)使間隙打開并且降低效率。
[0006]磁軸承使用位置傳感器以便調(diào)整相關(guān)聯(lián)的磁場，從而針對給定操作條件的相關(guān)聯(lián)的徑向和軸向靜負(fù)荷而維持徑向和軸向定位并且進(jìn)一步控制同步振動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本公開的一個(gè)方面涉及一種壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)具有殼體組件，該殼體組件具有抽吸端口和排出端口。葉輪由安裝成旋轉(zhuǎn)的軸支撐，以至少在第一條件中被驅(qū)動(dòng)從而經(jīng)過抽吸端口吸入流體并從排出端口排出流體。磁軸承系統(tǒng)支撐該軸?？刂破髀?lián)接到軸向位置傳感器，并且構(gòu)造成控制葉輪位置以隨著系統(tǒng)容量和升程(lift)中的至少一種而變化。
[0008]在下面的附圖和描述中，說明了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。從說明書和附圖以及從權(quán)利要求將會(huì)明白其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是制冷機(jī)系統(tǒng)的局部示意圖。
[0010]圖2是制冷機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)的縱剖面圖。
[0011]圖3是第一控制流程圖。
[0012]圖4是第二控制流程圖。
[0013]在各附圖中，相同的參考數(shù)字和標(biāo)記表示相同的元件。
【具體實(shí)施方式】[0014]圖1示出了蒸氣壓縮系統(tǒng)20。示例性的蒸氣壓縮系統(tǒng)20是制冷機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)20包括具有抽吸端口(入口)24和排出端口(出口)26的離心壓縮機(jī)22。該系統(tǒng)還包括第一換熱器28，該第一換熱器28在正常操作模式中是排熱換熱器(例如，氣體冷卻器或冷凝器)。在一個(gè)基于現(xiàn)有制冷機(jī)的示例性系統(tǒng)中，換熱器28是由冷凝器單元31中的管束29、30形成的制冷劑一水換熱器，在冷凝器單元31中，制冷劑被外部水流冷卻。浮閥32控制從包圍再冷卻器管束30的再冷卻器室經(jīng)過冷凝器出口的流量。
[0015]系統(tǒng)還包括第二換熱器34 (在正常模式中是吸熱換熱器或蒸發(fā)器)。在該示例性的系統(tǒng)中，換熱器34是由管束35形成的制冷劑一水換熱器，用于冷卻制冷機(jī)單元36內(nèi)的經(jīng)冷卻的水流。單元36包括制冷劑分配器37。膨脹裝置38沿著正常模式制冷劑流徑40在壓縮機(jī)的下游和蒸發(fā)器的上游(該流徑部分地被相關(guān)聯(lián)的管道等包圍)。
[0016]熱氣體旁通閥42位于沿旁通流徑支路44的位置，支路44在位于壓縮機(jī)出口 26下游和隔離閥34上游的第一位置以及位于冷卻器入口上游和膨脹裝置38下游的第二位置之間延伸。
[0017]壓縮機(jī)(圖2)具有殼體組件(殼體)50。該示例性的殼體組件容納電馬達(dá)52和葉輪54，葉輪54能夠在第一模式中被電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)以壓縮流體(制冷劑)，從而經(jīng)過抽吸端口 24吸入流體(制冷劑)，壓縮該流體并且從排出端口 26排出該流體。示例性的葉輪直接地被馬達(dá)驅(qū)動(dòng)(即，沒有中間的傳動(dòng)裝置)。
[0018]殼體50限定馬達(dá)室60，馬達(dá)室60在該室內(nèi)容納馬達(dá)的定子62。馬達(dá)的轉(zhuǎn)子64部分地在定子內(nèi)并且被安裝成繞轉(zhuǎn)子軸線500旋轉(zhuǎn)。該示例性的安裝是經(jīng)由如下方式進(jìn)行的:一個(gè)或多個(gè)電磁軸承系統(tǒng)66、67、68將轉(zhuǎn)子的軸70安裝到殼體組件。示例性的葉輪54被安裝到軸(例如，安裝到端部72)從而隨著軸作為一個(gè)單元繞軸線500旋轉(zhuǎn)。
[0019]示例性的軸承系統(tǒng)66是徑向軸承并且將軸的中部(S卩，在葉輪和馬達(dá)之間)安裝到殼體組件。示例性的軸承系統(tǒng)67也是徑向軸承，并且將軸的相對部分安裝到殼體組件。示例性的軸承68是推力/反推力軸承。徑向軸承徑向地保持軸，而推力/反推力軸承具有分別軸向地保持軸防止其發(fā)生推力和反推力位移的部分。圖2還示出了軸向位置傳感器80和徑向位置傳感器82。這些位置傳感器可以聯(lián)接到控制器84，該控制器84還控制馬達(dá)、軸承的動(dòng)力供給以及其它壓縮機(jī)和系統(tǒng)部件功能?？刂破骺山邮諄碜暂斎胙b置(例如，開關(guān)、鍵盤等)和其它傳感器(未圖示)的用戶輸入?？刂破骺梢越?jīng)由控制線(例如，硬連線或無線通信通路)聯(lián)接到可控的系統(tǒng)部件(例如，閥門、軸承、壓縮機(jī)馬達(dá)、翼片致動(dòng)器等)?？刂破骺砂ㄒ韵轮械囊粋€(gè)或多個(gè):處理器；存儲器(例如，用于儲存程序信息并且用于存儲數(shù)據(jù)，該程序信息由處理器執(zhí)行以實(shí)施操作方法，該數(shù)據(jù)由(一個(gè)或多個(gè))程序使用或生成)；以及用于與輸入/輸出裝置和可控系統(tǒng)部件聯(lián)系的硬件接口裝置(例如，端口)。
[0020]指定推力與反推力方向在某種程度上是任意的。為了說明的目的，反推力軸承被認(rèn)定為阻止由于葉輪與流體的協(xié)作而造成的葉輪的上游運(yùn)動(dòng)。推力軸承阻止相反的運(yùn)動(dòng)。示例性的推力/反推力軸承是吸引軸承(通過磁吸引而不是磁排斥來工作)。軸承68具有剛性地安裝到軸72的推力套圈120。反推力線圈單元122和推力線圈單元124在推力套圈的相對側(cè)上安裝到殼體，反推力線圈單元122和推力線圈單元124的電磁力作用在推力套圈上。在線圈單元122和124與推力套圈120之間分別存在高度為H1和H2的間隙。
[0021]圖2還示出了機(jī)械軸承74和76,這兩個(gè)軸承分別用作徑向的保護(hù)軸承(touchdownbearing)從而分別為磁徑向軸承66和67提供機(jī)械支持。內(nèi)座圈具有充當(dāng)軸向保護(hù)軸承的肩部。
[0022]如目前所述，系統(tǒng)和壓縮機(jī)可以是許多系統(tǒng)和壓縮機(jī)構(gòu)造中的任一個(gè)的代表。傳感器80和82可以是用于控制電磁軸承的現(xiàn)有傳感器。在對基準(zhǔn)的這種系統(tǒng)和壓縮機(jī)的一個(gè)示例性修改中，控制器84的控制例程可用另一例程或模塊進(jìn)行擴(kuò)充，該另一例程或模塊利用傳感器80和82中的一個(gè)或兩個(gè)的輸出來優(yōu)化運(yùn)轉(zhuǎn)間隙。否則，可相對于基準(zhǔn)保留硬件。
[0023]在使用開式葉輪的離心壓縮機(jī)中，葉輪和護(hù)罩之間的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙是影響壓縮機(jī)效率的關(guān)鍵特性。減小間隙將提高效率。
[0024]實(shí)際的瞬時(shí)間隙(運(yùn)轉(zhuǎn)間隙)可能難以直接測量。在軸承系統(tǒng)處(例如，在推力套圈處)的測得的葉輪軸向位置可充當(dāng)非運(yùn)轉(zhuǎn)間隙(冷間隙)的替代物。運(yùn)轉(zhuǎn)間隙將反映與葉輪和/或軸的變形/偏轉(zhuǎn)(例如，由于操作力引起的變形/偏轉(zhuǎn))等相組合的冷間隙。
[0025]在一個(gè)示例性的基準(zhǔn)壓縮機(jī)中，在組裝期間設(shè)定冷間隙以確保將在預(yù)期的操作范圍上提供足夠的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙。在組裝期間，由保護(hù)軸承限制的軸的軸向范圍或運(yùn)動(dòng)被調(diào)整(例如，經(jīng)由轉(zhuǎn)子墊補(bǔ)法)到每個(gè)范圍內(nèi)。例如，在一個(gè)示例性的500-1000冷卻噸(1750-3500kW)壓縮機(jī)中，一個(gè)示例性的范圍為0.002-0.020英寸(0.05-0.5毫米)(冷間隙的，如由機(jī)械保護(hù)軸承決定的)?；鶞?zhǔn)控制算法設(shè)法將標(biāo)稱冷間隙維持在該范圍內(nèi)。
[0026]然而，可能期望在操作期間改變冷間隙?？赡芷谕趬嚎s機(jī)正在運(yùn)行時(shí)改變冷間隙以優(yōu)化性能(例如，使效率最大化)和/或使容量最大化。
[0027]可能期望在部分負(fù)荷下比在滿負(fù)荷下具有更小的冷間隙。在這種情況下，在負(fù)荷范圍上運(yùn)轉(zhuǎn)間隙會(huì)是相似的。如果將冷間隙設(shè)定成在最大負(fù)荷下具有足夠的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙，那么在部分/低負(fù)荷下將會(huì)存在相對大的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙。間隙與葉輪和護(hù)罩之間的泄漏流量相關(guān)聯(lián)，該泄漏流量代表損耗。在低負(fù)荷下，較大的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙導(dǎo)致不成比例地大的損失，并且因此導(dǎo)致效率降低。將低負(fù)荷下的冷間隙減小到仍然確保足夠的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙的水平能夠至少部分地減小與泄漏相關(guān)聯(lián)的相對效率損失。
[0028]控制轉(zhuǎn)子位置或相關(guān)聯(lián)的冷間隙以減小運(yùn)轉(zhuǎn)間隙也有益于增大經(jīng)過壓縮機(jī)的最大可用流量。經(jīng)過壓縮機(jī)的流量是經(jīng)過葉輪的流量減去經(jīng)過間隙的泄漏流量(內(nèi)部再循環(huán))。經(jīng)過葉輪的最大流量與葉輪幾何形狀有關(guān)。因此，減小運(yùn)轉(zhuǎn)間隙會(huì)使得泄漏流量減小并且使得經(jīng)過壓縮機(jī)的最大可用流量增大。由此，這種影響可增大給定操作條件(給定的壓力差)下的容量。
[0029]磁推力軸承被設(shè)計(jì)成承載在上述范圍內(nèi)的軸向負(fù)荷。這通過改變在軸承任意側(cè)(推力側(cè)和反推力側(cè))上的磁場而完成。各種負(fù)荷下的所估計(jì)的需要的間隙被載入控制軟件中。可以從入口導(dǎo)向翼片位置或者蒸發(fā)器水流率和狀態(tài)點(diǎn)(壓力和溫度)的測量值來確定該容量。
[0030]動(dòng)態(tài)地或自適應(yīng)地設(shè)定葉輪位置的另一方式是通過測量給定操作條件下的若干位置的功率并且選擇給出最小功率的那個(gè)位置。
[0031]示例性的磁軸承基于吸引的原理而工作:勵(lì)磁電流越高，吸引力越大。因此，吸引磁推力軸承可定位成與機(jī)械推力軸承(例如，充當(dāng)磁軸承的支持的機(jī)械軸承)軸向地相對。在具有吸引軸承并且所述軸承施加沿遠(yuǎn)離抽吸端口的方向的凈力的情況下，線圈單元122可以被提供高于單元124的電壓。因此，單元122被指定為“活性側(cè)”而相對的單元124將會(huì)是“非活性側(cè)”。葉輪由于氣體力而經(jīng)受軸向推力，氣體力使葉輪朝向護(hù)罩運(yùn)動(dòng)并且關(guān)閉間隙。通過調(diào)整流向推力側(cè)和反推力側(cè)的電流，可以將間隙調(diào)整到所需的位置。
[0032]所施加的電流或電壓和相關(guān)聯(lián)力之間的特定關(guān)系取決于磁路設(shè)計(jì)。示例性的磁路由鐵疊片和氣隙電感組成?？赏ㄟ^分析性和實(shí)驗(yàn)性分析來確定電流和力之間的關(guān)系?？捎梢韵率纠苑匠虂肀硎驹撽P(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種壓縮機(jī)(22),包括: 殼體組件(50 )，所述殼體組件(50 )具有抽吸端口( 24 )和排出端口( 26 ); 葉輪(54)； 軸(70)，所述軸(70)支撐所述葉輪以至少在第一條件中被驅(qū)動(dòng)，從而經(jīng)過所述抽吸端口吸入流體并且從所述排出端口排出所述流體； 磁軸承系統(tǒng)(66，67，68)，所述磁軸承系統(tǒng)(66，67，68)支撐所述軸； 軸向位置傳感器(80);以及 控制器(84)，所述控制器(84)聯(lián)接到所述軸向位置傳感器并且構(gòu)造成控制葉輪位置以隨著系統(tǒng)容量和升程中的至少一種而變化。
2.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其中: 通過使用與所述容量和升程中的至少一種相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)位置或最小冷間隙位置的查找表而得到隨著系統(tǒng)容量和升程中的至少一種的變化。
3.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其中: 所述殼體組件還包括 馬達(dá)室(60)； 電馬達(dá)(52)具有在所述馬達(dá)室內(nèi)的定子(62)和在所述定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子(64)，所述轉(zhuǎn)子被安裝成繞轉(zhuǎn)子軸線(500)旋轉(zhuǎn)；并且 所述軸將所述葉輪(54)聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子。
4.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其中，所述磁軸承系統(tǒng)包括: 第一徑向軸承(66)； 第二徑向軸承(67);以及 推力軸承(68)。
5.如權(quán)利要求4所述的壓縮機(jī)，其中: 所述推力軸承是推力/反推力軸承。
6.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其中，所述控制器還被編程為: 控制所述軸承以限制同步振動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其中，所述控制器被編程為控制葉輪位置以隨著系統(tǒng)容量而變化，從而提高效率。
8.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其中，所述控制器通過如下方式被編程為控制葉輪位置以隨著系統(tǒng)容量而變化: 確定所述葉輪位置； 確定所述系統(tǒng)容量； 確定目標(biāo)葉輪位置；以及 改變施加到所述磁軸承系統(tǒng)的電流從而將所述葉輪朝向所述目標(biāo)葉輪位置移動(dòng)。
9.如權(quán)利要求8所述的壓縮機(jī)，其中，所述改變電流包括: 減小在軸向方向上偏置所述葉輪的電流；以及 增大在與所述軸向方向相反的方向上偏置所述葉輪的另一電流。
10.如權(quán)利要求9所述的壓縮機(jī)，其中: 所述減小達(dá)與所述增大相等的幅度。
11.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其中:所述壓縮機(jī)是單葉輪壓縮機(jī)；并且 所述葉輪是單級葉輪。
12.一種蒸氣壓縮系統(tǒng)，包括: 如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)； 第一換熱器(28)，所述第一換熱器(28)聯(lián)接到所述排出端口，以接收在所述壓縮機(jī)的第一操作條件中在下游方向上被驅(qū)動(dòng)的制冷劑； 膨脹裝置(32 )，所述膨脹裝置(32 )在所述第一換熱器的下游；以及第二換熱器(30)，所述第二換熱器(30)在所述膨脹裝置的下游并且聯(lián)接到所述抽吸端口，以在所述第一操作條件中返回制冷劑。
13.一種用于操作如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)的方法，包括: 驅(qū)動(dòng)所述馬達(dá)以經(jīng)過所述抽吸端口吸入所述流體并且從所述排出端口排出所述流體；以及 由所述軸向位置傳感器確定所述軸向位置； 確定所述系統(tǒng)容量； 響應(yīng)于所確定的系統(tǒng)容量而確定所述軸向位置的目標(biāo)；以及 控制所述磁軸承系統(tǒng)以朝向所述目標(biāo)控制所述軸向位置。
14.如權(quán)利要求13所 述的方法，其中: 所述軸向位置的確定包括針對所述軸向位置傳感器的電壓輸出在第一查找表中查找位置； 所述目標(biāo)的確定包括在目標(biāo)間隙相對于容量的第二查找表中查找目標(biāo)；以及所述控制包括使施加到所述軸承系統(tǒng)的一側(cè)的電流發(fā)生增量并且使施加到相對側(cè)的電流發(fā)生減量。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中: 所述增量和減量達(dá)與所述目標(biāo)軸向位置和所確定的軸向位置之間的差成比例的相同幅度。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中: 所述目標(biāo)位置與目標(biāo)間隙相關(guān)聯(lián)； 在包括25-100%容量的操作范圍上，所述目標(biāo)間隙隨著容量增大而增大。
17.如利要求13所述的方法，其中: 在所述操作范圍上，所述目標(biāo)間隙增大達(dá)至少三分之一。
【文檔編號】F04D29/058GK103649546SQ201280035168
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月15日
【發(fā)明者】V.M.西什特拉 申請人:開利公司