具有扩压器的变速多级离心式制冷压缩的制造方法

具有扩压器的变速多级离心式制冷压缩的制造方法
【专利摘要】制冷系统包括具有制冷剂回路的冷却器。压缩机是制冷剂回路的一部分并且与制冷剂回路流体连通。压缩机具有两级，一个是何形状可变的扩压器，另一个是几何形状固定的扩压器。
【专利说明】具有扩压器的变速多级离心式制冷压缩机

【技术领域】
[0001] 本发明涉及在制冷系统中使用的离心压缩机，并且更具体地涉及具有至少一个有 叶片式扩压器的变速多级离心式压缩机。

【背景技术】
[0002] 具有无叶片或有叶片式扩压器的现有的单级和两级离心式制冷压缩机典型地在 压缩机入口具有至少一组可调进气导片，以在各操作状态期间调节压缩机的容量。
[0003] 变速离心压缩机用无级变速作为他们的主要容量控制机制，但这种压缩机仍需要 可调进气导片，以便在低容量状态无浪涌地操作。
[0004] 多级离心压缩机使用多级，用具有进气导片且可变速的固定的、通常无叶片的扩 压器作为容量控制机构。已经提出了单级制冷压缩机，除了在叶轮上游的一组可旋转进气 导片之外，该单级制冷压缩机使用变频驱动（VFD)进行容量控制。在变速容量的情况下，几 何形状可变的扩压器已经在叶轮的下游使用，以改进部分载荷工作状态下的压缩机浪涌特 性。


【发明内容】

[0005] 制冷系统包括具有制冷剂回路的冷却器。压缩机与制冷剂回路流体连通。压缩机 具有第一和第二压缩机级，几何形状可变的扩压器和固定扩压器分别设置在第一和第二级 叶轮的下游。
[0006] 在一个实例中，压缩机包括具有第一级入口和出口以及第二级入口和出口的壳 体。第一和第二级叶轮设置在壳体中，第一级叶轮流体地设置在第一级入口和出口之间，第 二级叶轮流体地设置在第二级入口和出口之间。第一和第二级扩压器设置在壳体内，第一 级扩压器流体地设置在第一级叶轮入口和第二级压缩机入口之间。第二级扩压器流体地设 置在第二级叶轮下游。第一和第二级扩压器彼此不同，这些扩压器中的一个是几何形状可 变的。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 当结合附图理解时参考下面的详细说明能进一步理解本发明，其中：
[0008] 图1是具有多级的示例性制冷压缩机的制冷系统的高度示意图。
[0009] 图2是本发明的两级制冷压缩机的流路的子午面的剖面图。
[0010] 图3A是在处于基本不受限的状态的一个示例性的壁可运动、几何形状可变的扩 压器的子午面的放大剖面图。
[0011] 图3B是处于受限的状态的图3中所示的壁可运动、几何形状可变的扩压器的子午 面的放大剖面图。
[0012] 图3C是另一示例性的壁可运动、几何形状可变的扩压器的垂直于压缩机轴线的 平面的剖面图。
[0013] 图4是壁固定、叶片旋转、几何形状可变的扩压器的垂直于压缩机旋转轴线的平 面的示意性剖面图。
[0014] 图5A是处于基本不受限的状态的几何形状可变的叶片分裂式扩压器的垂直于压 缩机旋转轴线的平面的示意性剖面图。
[0015] 图5B是处于基本不受限的状态的图5A中所示的几何形状可变的叶片分裂式扩压 器的垂直于压缩机旋转轴线的平面的示意性剖面图。
[0016] 图6是低密实度固定叶片式扩散器的示意图。
[0017] 附图中相同的附图标记可用于表示相同元件。

【具体实施方式】
[0018] 参考图1，制冷系统12包括用于使制冷剂循环的制冷剂压缩机10。制冷剂压缩机 10包括壳体14,电动机16设置在该壳体内。壳体14被不意性地不出并且可包括一个或多 个部件。电动机16借助转子轴20围绕轴线A旋转地驱动第一和第二叶轮18、19,以便以两 级压缩机的结构来压缩制冷剂。转子轴20可包括一个或多个部件。
[0019] 虽然示出了两个压缩机级，但本发明也可在具有更多级的压缩机中使用。在示出 的实例中，第一和第二叶轮18、19定位在转子轴20的相对的端部上，但叶轮可定位成彼此 相邻（如图2中所示的）。在图1中所示的实例中，压缩机包含离心式叶轮18。S卩，叶轮入 口被轴向设置，并且叶轮出口被径向设置。参考例如第一叶轮18,每个叶轮包括轮叶40,轮 叶40从入口端42沿着通向出口端44的弧形路径基本径向向外延伸。
[0020] 第一叶轮18包括第一压缩机入口 22和第一压缩机出口 24。第二叶轮19包括第 二压缩机入口 21和第二压缩机出口 23。第一和第二叶轮18、19与冷却剂回路26流体连 通，冷却剂回路使冷却剂间循环到工作部件，例如冷却器28。冷却剂回路26包括冷凝器，蒸 发器，膨胀装置（未示出）。
[0021] 在所示的设置中，冷却剂在第一压缩机级被第一压缩机入口 22接收并在从第一 压缩机出口 25排出之前被第一叶轮18压缩。被压缩的制冷剂被送到第二压缩机级的第二 压缩机入口 21并被第二叶轮19进一步压缩。被进一步被压缩的冷却剂被提供到冷却器 28,在这里被进一步压缩的冷却剂在返回到第一压缩机级之前被冷凝、膨胀和蒸发。
[0022] 提供无油轴承配置以支撑转子轴20,以便使得无油冷却剂能在冷却剂冷却器28 中被使用。在实例中，转子轴20相对于壳体14被磁轴承30旋转地支撑，磁轴承以高度示 意性的方式被示出。磁轴承30可包括例如径向和/或轴向的磁轴承元件。轴承控制器32a 与磁轴承30通讯，从而提供磁轴承指令以便给磁轴承30供给能量。磁轴承产生使转子轴 20漂浮的磁场并在制冷剂压缩机10工作期间控制其特性。应该理解，本发明的压缩机设置 也能与空气轴承或其他类型的轴承一起使用。
[0023] 电动机16包括转子34,在一个实例中转子支撑围绕其外周的多个磁体36。定子 38围绕转子34设置以便在供给能量时将旋转驱动传递到转子轴20。在一个实例中，电动 机控制器32b与定子38通讯并提供变速指令以根据压缩机工作状体以变速旋转地驱动叶 轮18和19。电动机控制器32b与多个传感器（未示出）通讯，以监控和保持压缩机工作状 态。
[0024] 外壳14包括在第一压缩机入口 22处的上游区域，现有技术中上游区域典型地容 纳现有技术可调进气导片。所示的实施例中冷却剂压缩机10不使用在上游区域的可调进 气导片。替代性地，是几何形状可变的扩压器48的第一扩压器设置在第一压缩机出口 24 的下游，以调节经过第一叶轮18的流量和第一叶轮18上的压力，而不需要使用进气导片。 几何形状固定的扩压器148设置在第二级压缩机的通道146中。
[0025] 叶轮出口 24包括紧邻出口端44的具有喉部的通道46,喉部是最小的横截面流通 面积。通道46延伸到蜗壳25。在所示的实例中，几何形状可变的扩压器48设置在喉部处 并且与叶轮18在出口端44的径向向外的至少一部分对准。在一个实例中，通道46没有额 外的结构或叶片，从而在几何形状可变的扩压器48和蜗壳25之间的下游区域64中提供 "无叶片"的扩压器。在图3A-3B中描绘了环可动、几何形状可变、有叶片的扩压器的配置。 使用叶片的不同的几何形状可变的配置也可在制冷系统12中被使用。
[0026] 例如，致动器50设置在壳体14的腔58中，以便使几何形状可变的扩压器48在非 受限（3A)和受限（3B)状态之间运动。也可使用致动器50,以便使其他类型的可调扩压器 运动。
[0027] 离心压缩机效率能通过用离散通道扩压器替代无叶片式扩压器而提高4-7%。 离散通道扩压器的实例是单一厚度有叶片式扩压器、翼型有叶片式扩压器、台叶片 (vane-island)扩压器和管扩压器。遵循通用的涡轮机术语，我们将所有这些不同类型的离 散通道扩压器称为有叶片式扩压器。由于有叶片式扩压器相对于无叶片式扩压器对流动角 度的变化更敏感，所以它们的效率的提高被部分负载状态下导致早期浪涌的压缩机的稳定 的操作范围的减小而抵消。
[0028] 参考图2并沿着压缩流的方向，另一类型的两级压缩机的流路包括：压缩机入口 部分60、短的无叶片式扩压器64前面的第一级叶轮62、几何形状可变的有叶片式扩压器 66、横跨弯头68和返回通道70、第二级入口 72、第二级叶轮74、第二级短的无叶片式扩压 器76、固定的低密实度有叶片式扩压器78、第二无叶片式扩压器80和最后的、在排出锥扩 压器84前面的流量手机蜗壳82。所有这些元件都容纳在压缩机壳体86中。两个叶轮是安 装在由电动机（未示出）驱动并且以高速旋转的轴68上的压缩机元件，从而将能量传递到 流体，这是流体压缩所需要的。
[0029] 虽然在图2中示出了两个压缩机级，但本发明也可在具有更多级的压缩机中使 用。
[0030] 在示出的实例中，第一和第二叶轮62和74定位成彼此相邻（所谓的直列两级压 缩机结构）。对于直接驱动无齿轮多级压缩机来说，叶轮也可能处于转子轴的相对端上（所 谓的图1中示出的背靠背结构），从而减小轴的轴向推力载荷。
[0031] 图3A是在处于基本不受限的状态的壁可运动、几何形状可变的扩压器构思之一 的子午面的放大剖面图。图3B示出处于受限状态的同一扩压器。根据图3C、垂直于压缩机 轴线的平面中的该扩压器的剖面图，能看到扩压器包括位于可动扩压器壁元件90的下游 的多个固定楔形叶片92。在该实例中可动壁元件是锯齿状的，锯齿部94的后缘与有叶片式 扩压器的喉部面积（其是最小横截面的流动通道）重叠。
[0032] 图4示出在垂直于压缩机轴线的平面中的可旋转、有叶片式扩压器的剖面图。通 过旋转叶片，扩压器的喉部面积变化。以实线画出的叶片的喉部面积96比以虚线画出的叶 片的喉部面积98大。通过旋转各叶片，扩压器的喉部面积被调节，因而压缩机的容量被调 节。
[0033] 图5A和5B示出具有外扩压器环100和内扩压器环102的叶片分裂式扩压器的剖 面图。通过使一个扩压器环相对于另一扩压器环旋转而实现喉部面积的调节。完全打开的 扩压器的喉部面积104在图5A中不出，而图5B不出喉部面积106是怎样由于内扩压器环 相对于外扩压器环旋转而减小的。
[0034] 图6示出低密实度固定扩压器120的剖面图，低密实度固定扩压器包括低密实度 叶片上有的无叶片部分76、具有单个叶片122的低密实度有叶片式扩压器部分78和位于低 密实度叶片后缘与蜗壳入口之间的下游无叶片部分80(也参见图2中的轴向/径向剖面）。 LSVD结构缺少在扩压器通道中的有几何形状的喉部。一个合适类型的LSVD配置包括10个 叶片，叶片的密实度为〇. 7,其直径比叶轮顶圆直径大11%。
[0035] 本申请的压缩机提供变速多级压缩机，该压缩机相比于可旋转进气导片式的设置 提供了超过设计范围的效率的改进和更好的浪涌特性。
[0036] 虽然已经公开了示例性实施例，但本领域技术人员将意识到某些修改将落在权利 要求的范围内。出于该原因，下面的权利要求应被研究以确定其真实范围和内容。
【权利要求】
1. 一种离心式制冷压缩机，其包括： 壳体，其包括第一压缩机入口和出口以及第二压缩机入口和出口； 设置在壳体中的第一叶轮和第二叶轮，第一叶轮流体地设置在第一压缩机入口和出口 之间，第二叶轮流体地设置在第二压缩机入口和出口之间；和 设置在壳体中的第一扩压器和第二扩压器，第一扩压器流体地设置在第一叶轮出口和 第二压缩机入口之间，第二扩压器流体地设置在第二叶轮出口下游，第一扩压器和第二扩 压器彼此不同，其中第一扩压器和第二扩压器中之一是几何形状可变的。
2. 根据权利要求1所述的离心式制冷压缩机，其中壳体容纳第一级压缩机和第二级压 缩机，所述第一级压缩机具有叶轮、几何形状可变的扩压器、横跨弯头和返回通道，所述第 二级压缩机具有几何形状固定扩压器和蜗壳。
3. 根据权利要求2所述的离心式制冷压缩机，其中至少一个扩压器是有叶片式扩压 器。
4. 根据权利要求3所述的离心式制冷压缩机，其中第一扩压器是几何形状可变的，第 二扩压器是几何形状固定的。
5. 根据权利要求4所述的离心式制冷压缩机，其中第二扩压器是低密实度有叶片式扩 压器。
6. 根据权利要求5所述的离心式制冷压缩机，其中低密实度叶片的后缘相对于前缘的 半径比小于1.2。
7. 根据权利要求5所述的离心式制冷压缩机，其中几何形状可变的扩压器的密实度大 于1. 2,低密实度有叶片式扩压器的密实度小于0. 9。
8. 根据权利要求4所述的离心式制冷压缩机，其中几何形状可变的扩压器包括特征部 件，所述特征部件配置成响应于致动器接收压缩机调节指令而减小有叶片式扩压器的物理 喉部面积。
9. 根据权利要求4所述的离心式制冷压缩机，其中几何形状可变的扩压器包括侧壁 段，所述侧壁段配置成沿着大体平行于叶轮旋转轴线的方向能大体线性运动，并因此响应 于致动器接收压缩机调节指令而影响扩压器的喉部面积。
10. 根据权利要求9所述的离心式制冷压缩机，其中第二扩压器是低密实度有叶片式 扩压器。
11. 根据权利要求4所述的离心式制冷压缩机，其中几何形状可变的扩压器包括配置 成响应于致动器接收压缩机调节指令而旋转的各个叶片。
12. 根据权利要求11所述的离心式制冷压缩机，其中第二扩压器是低密实度有叶片式 扩压器。
13. 根据权利要求4所述的离心式制冷压缩机，其中几何形状可变的扩压器包括物理 喉部面积，所述物理喉部面积配置成响应于由于致动器接收压缩机调节指令而引起的有叶 片式扩压器的内部相对于外部的旋转而减小。
14. 根据权利要求1所述的离心式制冷压缩机，其中第一和第二级叶轮设置在转子轴 的相对的端部上。
15. 根据权利要求1所述的离心式制冷压缩机，其包括支撑转子轴的磁轴承和轴承控 制器，所述轴承控制器配置成响应于轴承指令而控制磁轴承，从而磁性地支撑转子轴。
16. -种制冷系统，其包括： 冷却器，其具有制冷剂回路；和 与制冷剂回路流体连通的压缩机，具有第一和第二压缩机级的所述压缩机具有几何形 状可变的扩压器和固定扩压器。
17. 根据权利要求16所述的制冷系统，其中固定扩压器是低密实度有叶片式扩压器， 低密实度叶片的后缘相对于前缘的半径比小于1. 2,并且其中几何形状可变的扩压器的密 实度大于1. 2,低密实度有叶片式扩压器的密实度小于0. 9。
18. 根据权利要求16所述的制冷系统，其中几何形状可变的扩压器通过轴向可动壁被 提供。
19. 根据权利要求16所述的制冷系统，其中固定扩压器通过低密实度有叶片式扩压器 被提供。
20. 根据权利要求16所述的制冷系统，其包括配置为旋转地驱动转子轴的定子、可操 作地连接到几何形状可变的扩压器的致动器、支撑转子轴的磁轴承，和 与定子、磁轴承和致动器通讯的控制器，所述控制器配置成向定子提供变速指令、向磁 轴承提供轴承指令并向几何形状可变的扩压器提供扩压器状态指令。
【文档编号】F25B1/04GK104067071SQ201280067952
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年1月23日 优先权日:2012年1月23日
【发明者】L·孙, J·布拉茨, M·拉斯穆森 申请人:丹佛斯特波科尔压缩机有限公司